Solucionario Morrison

QUIMICA ORGANICA PROBLEMAS RESUELTOS

QUIMICA ORGANICA PROBLEMAS RESUELTOS

Quinta edición

Robert Thornton Morrison Robert Neilson Boyd New York University

Versión en español de José Manuel Méndez Stivalet

Universidad Nacional Autónoma de México Y

Fernando León CedeÍí0 Universidad Nacional Autónoma de México

Con la colaboración de Rosa Zugazagoitia Herranz

Universidad Autónoma Metropolitana, UnidadXochimilco, México

vv * Addison-Wesley Iberoamericana Argentina o Chile O Colombia o España o Estados Unidos

MBxicoo Puerto RicooVenezuela

Versión en español de la obra titulada Study Guide to Organic Chemistry, Fifth Edition, de Roberth Thornton Morrison y Robert Neilson Boyd, publicada originalmenteen inglés porAllynandBacon,Inc.,Boston,Massachusetts,E.U.A.CopyrightO 1987,1983,1975.

Esta edición en español cs la cínica autorizada.

La inclusión en la obra de los espectros pertcnecicntes a Sadtler Standard Spectra@ por cortesía de Sadtler Research Laboratories, división de Bio-Rad Labcratories, Inc. Dcrc- chos reservados.

O 1992por Addison - Wesley Iberoamericana, S.A. Wilmington, Delaware, E.U.A.

Impreso en Estados Unidos. Printed in U.S.A.

ISBN 0-201- 62933-X

4 5 6 7 8 9 10-CRS-99 98 97 96

1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

Indice general Agradecimientos vii Al estudiante ix Advertencia x

Estructura y propiedades 1 Metano Energía de activación. Estado de transición 13 AIcanos Sustitución por radicales libres 25 Estereoquímica I. Estereoisómeros 47 Halogenuros de alquilo Sustitución nucleofilica alifática 77 Función del disolvente Enlace secundario 91 Alquenos I. Estructura y preparación Eliminación 97 Alquenos 11. Reacciones del doble enlace carbono-carbono Adición electrofilica y de radicales libres 1 I7 Estereoquímica 11. Reacciones estereoselectivas y estereoespecíficas 133 Conjugación y resonancia Dienos 151 Alquinos 169 Hidrocarburos alicíclicos 177 Aromaticidad Benceno 211 Sustitución electrofílica aromática 2 19 Compuestos aromáticos-alifáticos Arenos y sus derivados 229 Espectroscopia y estructura 249 Alcoholes I. Preparación y propiedades físicas 283 Alcoholes 11. Reacciones 295 Eteres y epóxidos 323 Sinforia Efectos de grupos vecinos. Catálisis por complejos de metales de transición 345 Aldehídos y cetonas Adición nucleofilica 353 Estereoquímica 111. Ligantes y caras enantiotópicas y diastereotópicas 373 Acidos carboxílicos 385 Derivados funcionales de los ácidos carboxílicos Sustitución nucleofílica del acilo 41 1 Carbaniones I Condensaciones aldólicas y de Claisen 437 Aminas I. Preparación y propiedades físicas 465 Aminas 11. Reacciones 473 Fenoles S05 Halogenuros de aril0 Sustitución nucleofílica aromática 535 Carbaniones I1 Síntesis malónica y acetoacética 553

V

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Compuestos carbonílicos a, p - no saturados Adición conjugada 581 Transposiciones Carbono como vecino. Iones no clásicos 61 1 Orbitales moleculares. Simem'a Orbital. 637 Compuestos aromáticos polinucleares 663 Compuestos heterocíclicos 697 Macromoléculas. Polímeros y polimerización 725 Grasas 741 Carbohidratos I. Monosacátidos 751 Carbohidratos IT. Disacáridos y polisacáridos 789 Aminoácidos y proteínas 813 Procesos bioquímicos Biología molecular 833

Análisis de espectros 835 Fórmulas estereoquímicas de compuestos cíclicos 882 Síntesis: trabajo retroactivo 882 Análisis de espectros 883 Síntesis: un enfoque sistemático 884

Agradecimientos

Nuestro agradecimiento a Sadtler Research Labo- ratories por los espectros de infrarrojo marcados “Sadtler” y al Infrared Data Committee del Japón por aquellos marcados VRDC”, así como al doctor David Kritchevsky, del Wistarlnstitute, por habernos permitido citar la letra de su canción, ‘%amesol”.

Al estudiante

En este momento, frente al cúmulo de material desconocido que contiene su libro, seguramente se estará preguntando: iqué se supone que debo extraer de todo esto?

La mejor manera de descubrirlo es resolviendo problemas: primero, para ver si ha comprendido los hechos y principios acerca de los cuales ha estado leyendo; segundo, y lo que es más importante, para aprender autilizarestos métodos químicos del mismo modo práctico como lo hace un químico orgánico.

Dése una oportunidad honesta para trabajar cada problema; no lo abandone con demasiada premura. Vuelva a leer la parte pertinente del texto y piénseZa. Use papel y lápiz y realmente trabaje en ella.

Sólo cuando ha realizado todo esto, compare su respuesta con la que se da en esta Guía de Estudio. Si estuvo en la senda correcta, enhorabuena. Si se desvió del camino, trate de averiguar ddnde sucedió. Siga cuidadosamente la explicación para darse cuenta de cómo debe enfrentar este tipo de problemas la próxima vez.

Debe aprender a utilizar su química orgánica aún sin estrenar y, para lograrlo, es preciso esforzarse. Debe tratar de resolver problemas difíciles, y no siempre lo logrará; pero puede aprender de sus fracasos tanto como de sus éxitos.

Con algunas de las respuestas hemos indicado referencias a textos químicos. No será necesario leer todos estos trabajos "-0 incluso, quizás ninguno de ellos-; sin embargo, si alguno de los temas despierta su interés, ahonde en él. En todo caso, lea una -o dos, o tres- de estas publicaciones, de manera que pueda apreciar con detalles tangibles el tipo de trabajo experimental que subyace a toda ciencia.

Robert Thornton Morrison Robert Neilson Boyd

Advertencia

Las referencias a una página de esta Guía de Estudio se indicarán como "página O00 de esta Guía de Estudio". Se entenderá que toda otra referencia corresponde a una página de Química Orgánica, quinta edicio'n, de R. T. Morrison y R. N. Boyd.

Estructura y propiedades

1.1 Iónicos: a, e, f.

En general, esperamos la transferencia electrónica “enlace iónico“ entre átomos que se hallan muy separados, hacia la izquierda o hacia la derecha, en la tabla periódica típicamente entre metales del extremo izquierdo y no metales ubicados a la derecha. Esperamos el compartimiento de electrones -enlace covalente-entre átomos que no están tan separados: entre S y O, por ejemplo, o entre N y C; y también entre H y casi todo átomo perteneciente a los grupos 111 a VII. (Véanse también los compuestos covalentes en el problema 1.2.)

H ..

: F: H (a) K’ : B r :

. . . . .. (b) H : S : (c) : F : N : F : (d) : C i : C : c l .. .. . .

: a : ..

: o : , , H H H (e) c a z + : O : S : ~ : ”

.. .. ( f ) H : N : H - : ~ I : - (g) H : P : H ( h ) H : C : O : H . . . . . .

: O : H .. .. H

:o: : O : 1.2 (a) H : O : O : H . . . . (b) : N : : : N : (c) H : O : N : : O : (d) :O:N::O: ..

H H (e) H : C : : : N : ( f ) - : O : : C : : O : ( g ) H : O : C : O : H . . .. .. (h) H : C : C : H

o : H H .. ..

CAPITULO 1

13 (a)

Na

Mg

Al

si P

S

CI

Ar

2

1 S 2s 2P

todos son semejantes al Ne

1 8

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

@)Los elementos de la misma familia tienen igual configuraci6n electrónica para su nivel energCtico miis elevado.

(c)Los elementos metAlicos a la izquierda de la tabla peri6dica pierden electrones para adquirir una configuración 2,8; los elementos no metlicos situados a la derecha ganan electrones para adoptar una configuración 2,8,8.

1.4 Para alcanzar la forma de cada molkula, vemos cuántos orbitales necesita el átomo central para sujetar no s610 los 6tomos unidos a 61, sino tambi6n todo par de electrones no compartido. Si precisa de cuatro orbitales, utilizarh orbitales sp3 si necesita tres, sp2;si dos, sp. A continuación se indica la forma en cada caso: primero, si se incluyen pares no compartidos; luego, entre parhtesis, si S610 se consideran los núcleos atómicos.

(a)Tetraédrica, como CH, en la figura 1.10, piigina 16. (Tetraédrica.)

(b)Tem&ica, como NH, en la figura l . 12, pAgina 18.(Piramidal, con rfngulos tetruédricos.)

(c)Tetra&ca, como %O en la figura 1.14, phgina 19. (Plana, con un ángulo retraédrico.)

(d)Tetra&lrica, como 9. (Piramidal, con ángulos tetruédricos.)

H I

NH4 + HIO' CH,OH

H . " H 5 I "'y

CH,NHZ

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES CAPITULO 1

1 .S

1.6

1.7

1.8

La estructura (a), no la (b), puesto que en (a) se anularían mutuamcnte los dipolos.

c1

c1

Lineal. Esta es la única forma que permite la anulación de los dos dipolos carbono-oxígeno.

AI igual que en BeCI, (Fig. 1.6, pág. 13), esta linealidad resulta de la hibridación sp en el átomo central; en COZ hay traslapo adicional para generar enlaces dobles (Sec. 7.2).

(a) Esperaríamos un momento dipolar nulo.

Si el nitrógeno presentara hibridación sp2, la molécula sería plana y simCtrica (como BF,, Fig. 1.8, pág. 15), y los tres dipolos de los enlaces se anulm'an mutuamente. De hecho, N%, tiene p = 1.46 D. Por tanto, la molécula no es plana, ni hibridada sp2.

(b) Esperaríamos que NF, tuviese un dipolo mucho mayor que NH,.

Si el nitrógeno usara orbitales p para enlazar, NH, y NF, serían piramidales, como se indica en la página 25, excepto que los Bngulos de enlace serían de 90" en lugar de tetraédricos. El razonamiento es el mismo que el de las páginas 24 a 25, en tanto, se tome en consideración el par de electrones no compartido. Ahora el par no compartido se encontraría en un orbital 2s simétrico en torno al N , y no proporciom'a un dipolo que se opusiera a los dipolos de los enlaces. Sin oposición los grandes dipolos N-F darían al NF, un momento dipolar mucho mayor que el del N,. De hecho, NF, tiene un momento dipolar mucho menor que NH,; por tanto, el par no compartido no se encuentra en un orbital 2s, y la molécula no se halla p-hibridada.

Asociados: d, e.

Simplemente dibujamos la estructura de cada molécula y buscamos H ligado a O o a N. Sólo si encontramos O-H o N-H esperamos que el compuesto se halle asociado. (Podemos observar que los H de los grupos recurrentes CH, no se pueden hallar implicados en puentes de hidrógeno.)

" Y I H

I H

I I I I I

H H H H

(a) H-C-0-6 -H (b) H"C--F (c) H-C--CI

No asociado No asociado No asociado

CAPITULO 1 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

J

( f ) CH, N I

C'H ., No asociado

1.9 En cada caso, enfocamos nuestra atención sobre el átomo que tiene el prodn que se va a perder, es decir, el átomo que se quedará con el par electrónico no compartido en la base conjugada que se va a formar. Cuanto mejor acomoda este átomo dichos electrones, tanto mayor será la can tidad de base conjugada que se formará y, por consiguiente, por definición, tanto m's fuerre será el úcid0 conjugado.

H : L t- : H 'e : Z + H : B Acido Base conjugada

Sujeta al protdn Mantiene al par de electrones no compartidos

Consideraremos dos factores que determinan la capacidad de un átomo para acomodar los electrones:

(i) Su electronegatividad, puesto que, por definición, un átomo más electronegativo tiene mayor avidez de electrones. Entre los átomos del mismo pcriodode la tabla periódica, la electronegatividad aumenta a medida que nos desplazamos hacia la derecha.

(ii) Su tamaño, puesto que un átomo más grande permite una mayor dispersión de la carga de los electrones y, como veremos ( S a . 5.21), esto tiende a estabilizar a una partícula cargada. Entre átomos de la misma familia, el tamaño aumenta a medida que nos desplazamos hacia abajo en la tabla.

(a) CH,NH, < CH,OH

El oxígeno y el nitrógeno se encuentran en el mismo periodo de la tabla periódica, y el oxígeno es el mds electronegativo.

(b) CH,OH < CH,SH

El azufre y el oxígeno pertenecen a la misma familia de la tabla periódica, y el azufre es el m's grande de los dos.

4


(c) NH, ’ < H,O ’

Una vez más, el oxígeno y el nitrógeno se encuentran en el mismo periodo de la tabla periódica, y el oxígeno es el mbs electronegativo.

1.10 Apelando a nuestros conocimientos generales de química, llegamos a los siguientes 6rdenes de acidez. (Sabemos, por ejemplo, que %O+, y no H20. es el ácido fuerte en soluciones acuosas de compuestos como el ácido sulfúrico.)

(c) H2S > HS

(b) NH,’ > NH3

(d) HzO > OH

(e) Observamos que, entre moléculas estrechamente relacionadas en las cuales el mismo átomo pierde el protón,

carga positiva --”+ acidez incrementada

carga negativa + acidez disminuida

¿Cómo justificamos esto? Siguiendo el planteamiento del problema precedente, consideramos las diversas bases conjugadas que se van formando y la habilidad de cada una para acomodar el par de electrones -recordemos, cargados negativamente- que queda al perderse el protón.

Este acomodo es m& fácil para la base conjugada neutra que se genera de un kid0 cargado positivamente,

H,O’ + : B e . H z 0 + H : B Positivo Neutro

más difícil para la base conjugada cargada negativamente que se genera de un ácido neutro,

H,O + : B Z=Z O H + H : B Neutro Negativa

y aún más difícil para la base conjugada con doble carga, la cual proviene de un ácido cargado negativamente.

O H - + : B 02- + H : B Negativo Doblemente

negativa


1.1 1

1.12

1.13

6

Utilizando nuevamente el planteamiento del problema 1.9, centramos nuestra atención en el átomo que tiene el par de electrones no compartido en la base. Cuanto mejor acomoda el átomo estos electrones, tanto menos disponibles están para ser compartidos y tanto mris débil será la base. Un orden de basicidad relativa es necesariamente opuesto al orden de acidez relativa de los ácidos conjugados.

(a) CH,- > NH,- > O H - > F. (b) NH, > H 2 0 > HF (c) SH" > C1-

En (a), (b) y (c), los átomos de cada serie se encuentran en el mismo periodo de la tabla periódica, por lo que el acomodo del par electrónico depende de la electronegatividad: cuanto más electronegativo es el elemento, tanto más débil es la base.

(d) F - > C1- > Br- > 1- (e) OH- > S H - > SeH-

En (d) y (e), los átomos de cada serie se encuentran en la misma familia de la tabla periMca, por lo que el acomodo depende del tamaíio: cuando más grande sea el átomo, tanto más débil será la base.

CH,NH2 > CH30H > CH,F

Aplicamos el mismo planteamiento del problema anterior. En esta serie, la basicidad varia inversamente con la electronegatividad: cuanto más electronegativo sea el átomo, tanto más débil será la base.

Planteamos este problema como lo hicimos antes con el problema 1.10. Nuevamente apelamos a nuestros conocimientos generales de química, y llegamos a los siguientes órdenes de basicidad. (Sabemos, por ejemplo, que es el OH-, y no H20, el que hace fuertemente básica la solución acuosa de NaOH.)

(d)Observamos que, entre moléculas estrechamente relacionadas en las que el mismo átomo tiene el par no compartido,

carga negativa + basicidad aumentada,

carga positiva + basicidad disminuida

'Para explicar esto, consideremos el par electrónico no compartido en cada base y cuán disponible se encuentra para ser compartido. Para un átomo dado, es evidente que la disponibilidad de electrones es mayor en una molécula rica en electrones, cargada negativamente, y menor en UM molécula pobre en electrones y cargada positivamente.


(a) Mg" 2 : 61 : ~

: o :

(e) K + : o : c ~ : o : . . . . . . : O :

(e) H : O : N : : O :

( i ) H : C : : : C : H

H . . . . . . (b) :CI:C:CI: . . . . . .

H

:CI : ( f ) :Cl:S1:C¡ . . . . . .

:CI: ..

:O : . . . . . . (b) H : O : S : O : H . . . . . .

:O :

( f ) :O:N::o:

H ( j ) H : C : : O :

. . . . (c) :'i: C I : (d) Na ' :O:CI . . . . . . . .

: O : H . . . . . . (E) Ba" :O:S:O: ' - ( h ) H : C : N : H . . . .

:o

:O : ..

. . . . . . (c) H : O : S : O : ~ . . . . . . :o:

( k ) H : C : O : H . . . .

o :

H H

.. :CI:

( d ) :CI:F::b:

H H ( h ) H : C : : C : H

H H H . . . . . . ( I ) H : C : C : C : H . . . . . .

H H H

3. Para llegar a la forma de cada molécula, seguimos el procedimiento del problema 1.4 y vemos cuántos orbitales necesita el átomo central para retener tanto átomos como pares electrónicos no compartidos. A continuación se indica la forma para cada caso: primero, si se incluyen pares no compartidos; luego, entre parkntesis, si solamente se consideran núcleos atómicos.

(a)Trigonal, como BF, en la figura 1.8, página 15. (Trigonal.)

(b)Tetraédrica, como N 5 en la figura l. 12, página 18. (Pirumidal, con cíngulos tetruédricos.)

(c)Trigonal, como BF,. (Trigonal.)

(d)Tetraédnca, como H20 en la figura 1.14, página 19. (Plana, con un úngulo tetraédrico.)

(e)Tetraédrica, como H20. (Plana, con un úngulo tetraédrico.)

(0 Tetraédrica, como H20. (Plana, con un úngulo fefraédrico.)

(g)Tetraédrico, como CH, en la figura 1.10, página 16. (Tetraédrica.)

7


(h)Tetraédrica, como NH,. (Piramidal, con úngulos tetraédricos.)

CH, :

N

F

4. Octakdnca, es decir, dos pirámides cuadradas base con base.

5. (a) Hacia el Br (el átomo más electronegativo).

(b)Hacia el C1 (el átomo más electronegativo).

(c)No polar (se anulan).

(d)Se aleja de los átomos de H, bisecando el ángulo entre los átomos de C1 (vectores).

(e) A 180" del enlace C-H (compárese con la fig. 1.16, pág. 24).

(f) Similar a la molécula de H,O (Fig. 1.17, pág. 25).

(g)Similar a la molécula de H,O (Fig. 1.17, pág. 25).

(h)Hacia el par no compartido en el N (Fig. 1.17, pág. 25).

(i) Se aleja de los átomos de C1, bisecando el ángulo entre los átomos de F.

8

. , ~ ' _ " y ( _ ~ ~ ~ ~ ~ ~ _ . I _ " ~ u " " I ~ ~ ~ ~ " - ~ " ~ ~ ~ ~ ~ ~ - ~ ~


6. (a)El F es más electronegativo que el C1, y atrae más a los electrones; e para HF es más grande que para HCl. Esta e más grande evidentemente desplaza al menor d, resultando así un mayor p.

(b)Esd claro que la dirección del dipolo es, en ambos casos, hacia el F altamente electronegativo. Puesto quedes en esencia el mismo en las dos moléculas, el mayor p para CD$ indica un mayor e . Desde luego, el F atrae electrones del D con más facilidad que del H; es decir, el D libera electrones más fácilmente que el H. Por consiguiente, en relación con el enlace C-H, la unión C-D tiene un dipolo del D al C.

7. El compuesto de Li es iónico, como UM sal; el compuesto de Be es no-iónico, covalente.

8. El punto de ebullición se eleva mediante puentes de hidrógeno (asociación) enue las mismas moléculas de un compuesto; la solubilidad se aumenta mediante puentes de hidrógeno entre moléculas de soluto y moléculas de disolvente. Las moléculas del alcohol forman puentes entre sí, elevando el punto de ebullición, y con las molkulas de agua, aumentando la solubilidad. Las moléculas del éter sólo pueden establecer puentes de hidrógeno con el agua, la que proporciona H unido a O; esto eleva la solubilidad pero, en ausencia de asociación, el bajo punto de ebullición es “normal” para el peso molecular.

H ? O + + HCO3- HlCO? + HzO c

Acido más Base más Acido más Base más fuerte fuerte débil débil

O H - + HC03- - > CO,” + H z 0 Base más Acido más Base más Acido más

fuerte fuerte débil débil

N H 3 + H j O + __ > NH,’ + H20 Base más Acido más Acido más Base más

fuerte fuerte débil dCbil

c

C N + H 2 0 __ HCN + OH- Base más Acido más Acido más Base más

débil débil fuerte fuerte

H - + HZ0 Hz. + O H - Base más Acido más Acido más Base más

fuerte fuerte débil débil

C,*- + H z 0 2 0 H - + C,H2 Base más Acido más Base más Acido más

fuerte fuerte débil dkbil

CAPITULO 1

10. (a) Y O ' , puesto que

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

HCi + H,O z--z H 30' + c] Acido más Acido más

fuerte dkbil

(b)HCI.

(c)La solución en benceno es la más fuertemente ácida; contiene HC1 no disociado, el cual es más fuerte que H3@, como se observa en la reacción en (a).

11. La protonación reversible de un par electrónico no compartido en un átomo de oxígeno (pág. 34) convierte el compuesto orgánico en un compuesto iónico "una sal-, el cual es soluble en el disolvente fuertemente polar, ácido sulfúrico concentrado.

I I ---O: + H 2 S 0 4 * --O:H' + HSO,

Compuesto Compuesto iónico orgánico soluble en H,SO,

12. Dentro de una serie de oxiácidos relacionados, a mayor número de oxígenos, más fuerte el ácido.

Para interpretar esto, seguimos el planteamientodel problema 1.9recién visto. Centramos nuestra atención en la base conjugada que se forma cuando cada ácido pierde un protón: cuanto mejor acomoda la base conjugada el par de electrones que queda, tanto más débil es la base y, en consecuencia, tanto más fuerte es el ácido. Con un ácido sin carga, como en este caso, la base conjugada es un anión, y el acomodo del par de electrones implica la dispersión de la carga negativa que confiere a la base. Esta carga negativa " e l par de electrones adicional- se dispersa sobre los oxígenos de la base; cuanto mayor sea el nlimero de oxígenos, tanto mayor será la dispersión de carga, tanto más débil será la base y, en consecuencia, tanto más fuerte será el ácido.

13. Lo que aquí se le pide que haga es algo que debe realizar muchísimas veces, como todo químico orgánico. Se necesita práctica para escribir fórmulas como éstas, y estar seguro de que se han considerado todas las posibilidades. Al principio es particularmente fácil escribir dos fórmulas que parecen ser dferentes y no darse cuenta de que representan a la misma molécula -simplemente invertidas, quizás, o dobladas en alguna parte. La manera más segura de evitar esta trampa es usar modelos mofeculures. Si cree que dos estructuras son distintas, construya sus modelos y trate de hacerlos coincidir en todas sus partes. Inviértalos,


dóblelos, tuCnalos, gire los átomos en tomo a sus enlaces: haga cualquier cosa con ellos, excepto romper uniones; ahora, si aún no coinciden los modelos, tiene entre manos dos estructuras diferentes que representan dos molkulas distintas.

H H H / ¡ I y ? ?

(a) H-C-C-N-H H-C-N-C-H I I

H H I 1

H H

H

H-C-H H H H H

1 1 1 1 " I H I (c) H-C-C-C-C-H H-C-C-C-H

I l l 1 I l l H H H H H H H

H H H

I l l (b) H-L-Cd-H

H H H

H H H H H H I l l I l l

l i l H H H

(d) H-C-C-C-CI H-C-C-C-H ~

H C I H 1

H H H 1 1 1

H-C-.O-C-C-H 1 1

H ' H H

H H 1 1 Y ? H H

( f ) H-C-C=O H--C=C-O-H H-C-C-H 1 \ /

H O

14. Para minimizar la descomposición de un compuesto inestable.

El calor rompe enlaces, por lo que ocasiona descomposición. Prácticamente todo compuesto orgánico sufre alguna descomposición al ser calentado, lo que se puede apreciar por el oscurecimiento gradual del residuo durante UM destilación. Un compuesto inestable contiene enlaces relativamente débiles y es muy propenso a descomponerse; la destilación flush minimiza el tiempo de calentamiento y, por lo tanto, la descomposición.

Metano

2.1

Energía de activación. Estado de transición

Escribimos cada ecuación e identificamos los enlaces que se rompen (lado izquierdo de la ecuación) y los que se generan (lado derecho). Consultando la tabla de energías de disociación homolítica de enlaces (Tabla 1.2 de la pAg. 21, o en la parte final del libro) vemos cuánta energía se absorbe o libera cuando cada uno de estos enlaces se rompe o se forma, y escribimos este valor debajo de la unión. Ahora, siguiendo el esquema de cálculos ilustrado en la página 50, determinamos el cambio global del contenido calórico, H , del sistema. Si se libera más calor que el que se absorbe, H decrece, AH es negativo y la reacción es exotérm'ca. Si se absorbe más calor que el que se libera, H crece, AH es positivo y la reacción es endotérm'ca.

(a) CH3-H + Br-Br "f CH3-Br + H-Br

104 46 70 88 I50 I58 A H = - 8 kcal

(b) CHj-H + 1-1 "--f CH3-l + H-I

104 36 1 40

56 71 I27 A H = + I 3 kcal

(C) CH3-H + F-F CH3-F + H-F

104 38 I08 136 142 244 A H = - 102 kcal

CAPITULO 2 METANO

2.2 Para cada halógeno escribirnos ecuaciones que correspondan a (l), (2) y (3) de la pagina 5 l. Luego seguimos el procedimiento recién descrito para el problema 2.1.

2.3 Puesto que cada una de estas reacciones solamente implican una ruptura de enlaces, sin formación de uniones, esperamos que E , sea igual a AH (véase la pág. 55).

Como es fácil calcular, la hornólisis de la unión C l -C l tiene una E , mucho más baja que la homólisis del enlace C%-H, y ocurre con tanto mayor rapidez que es, con mucho, el paso preferible para iniciar la cadena. Al igual que en el paso (2) de esta reacción (Sec. 2.21), la naturaleza del paso (1) queda determinada, en definitiva, por las fuerzas relativas de los dos enlaces. En la primera etapa de la cloracih (tkrmica), la unión que se rompe es CI-41, ya que es el enlace mús & M .

2.4 El curso de nuestro razonamiento es igual al que aplicamos a la cloración en la seccidn 2.21. El mecanismo que efectivamente se sigue implica a ( 2 a ) y (3a).

Br. + CH, --+ HBr + CH, .

CH,. + BrZ ~- CH3Br + Br.

METANO

Como alternativa se podría recurrir a (2b) y (3b).

CAPITULO 2

Br. + CH, ---+ CH,Br + H .

H . + Brz -+ HBr + Br.

Nuevamente fijamos nuestra atención en el paso (2), ya que es aquí donde se dividen las dos vías; lo que sucede en (2) determina lo que debe ocurrir en (3). Usando energías de disociación homolítica de enlaces, calculamos AHpara las reacciones correspondientes (2a) y (2b). Para (2a), AH es + 16 kcal; la E , debe ser al menos de esa magnitud y, como sabemos, es realmente de 18 kcal.

Para (2b), AH es +34 kcal; Elcf debe ser al menos de 34 kcal, y probablemente es mucho mayor.

Cuando un átomo de bromo choca con una molécula de metano, es concebible que pueda ocurrir cualesquiera de las dos reacciones, pero solamente si la colisión proporciona suficiente energía. Es muchísimo más probable que el choque proporcione 18 kcal que 34 kcal. (Sucede que aquí la diferencia en E , 16 kcal, es la misma que entre los pasos que compiten en la cloración; también aquí podemos calcular que es i2.5 millones de veces m4s probable que ocurra (2a) que (2b)!)

Apreciamos UM vez más que las moléculas hacen lo que les es m4s fácil.

2.5 En el catión metilo, C y , el carbono tiene el mismo número de electrones que el boro en BF, (Sec. l. 10) y análogamente se halla unido a tres átomos. Como el boro, aquí el carbono presenta hibridación sp2; la molécula es plana, con ángulos de enlace de 120”. La podríamos representar como en la figura 2.10 (pág. 65), excepto que el orbitalp en (b) se encuentra vacw.

En el anión metilo, C%:-, el carbono no sólo liga tres htomos, sino tambi6n un par electrónico no compartido, por lo que se asemeja al nitrógeno en NH, (Sec. l. 12). Como el nitrógeno, el carbono aquí presenta hibridación sp3; hay una disposición tetraédrica, (que contiene) un par de electrones no compartido en uno de los vértices del tetraedm. (Compare con la Fig. l. 12, pág. 18.) Si sólo consideramos núcleos atómicos, esperamos que C%:- sea piramidal, con hngulos tetraédricos.

(También suponemos que, como el N€& el anión metilo -y sus homólogos más grandes- sufrid UM inversión rápida (pág. 19).)

Las formas de las tres partículas metilo dependen, por lo tanto, del número de electrones no compartidos sobre el carbono: el catwn, sin electrones no compartidos, es trigonal; el anión, con un par no Compartido, es tetraédrico; y el radical libre, con un solo electrón no compartido, es trigonal, o bien intermedio entre trigonal y tetraédrico.

15

CAPITULO 2 METANO

2.6 (a)Forma halogenuro de plata insoluble en presencia de ácido nítrico.

@)El hervor elimina HCN y H2S, volátiles, que de lo contrario interferirían la prueba del halogenuro (pues se formm'an AgCN y Ag,S).

2.7 (a)Porque el %C y %H suman bastante menos de 100%. En ausencia de cualesquiera otros elementos, se considera que la parte faltante es oxígeno.

(b) 100% - (52.1 % C + 13. lo/; H) = 34.8"/, O

c1 35.45 AgC 1 143.32

peso C1 = 20.68 x ---; = 20.68 + ~- mg

%C1= peso CVpeso muestra x 100 = 20.68 x _____ x - x 100 35.45 1 143.32 7.36

%Cl = 69.504

(c) 2AgCI 286.64

peso AgCl = peso muestra x - - ~ = 7.36 x ~ - - 24.84 mg CHZCl, 84.93

( 4 3AgC1 429.96 CHCI,

peso AgCl = peso muestra x ____ = 7.36 X __ - 19,37 - 26.51 mg

(e) 4AgCI 573.28 CCI, peso AgCl = peso muestra X _____ = 7.36 + ~ 153,83 = 27.43 mg

2.9 (a) C 12.01

peso C = 8.86 x ~ = 8.86 x ~ COZ 44.01 mg

% c =peso c/peso muestra x 100 = 8.86 x ~. x ~ x 100 12.01 1 44.01 3.02

%C = 80.1%

2H 2.016 H,O 18.02 mg peso H = 5.43 X __ 5.43 X ~

%H =peso H/peso muestra x 100 = 5.43 x - x __ x 100 2.016 1 18.02 3.02

%H = 20.1%

80.1 20.1 C: ~-

12.01 - 6.67 átomo-gramos H : ~ 1 .O08

= 19.9 átomo-gramos

C: 6.67/6.67 = 1.0 H: 20.1/6.67 = 3.0

Fórmula empírica = CH,

METANO CAPITULO 2

(b) Como en (a) %C y %H. utilizando los pesos apropiados para la muestra, COZ y 30, obtenemos

C : 2.67 átomo-gramos H : 5.38 átomo-gramos

c1 35.45 PCSO C1= 13.49 X ~ = 13.49 X ~

AgCl 143.32 mg

y&= peso Cl/peso muestra x 1 O0 = 13.49 x __ x - x 100 35.45 1 143.32 5.32

%Cl = 62.7%

62.7 35.45

c1: ~- - 1.77 átomo-gramos

Pero no podemos aceptar C,,5 YCl, de modo que multiplicamos por 2 a fin de obtener un número entero para cada clase de átomo; esto da una fórmula empírica de C,H,CI,.

2.10 CH = 13; 78/13 = 6 unidades ( 0 ; la fórmula molecular es C,H,.

2.11 C peso C = 10.32 X ~ = 10.32 X __

12.01 coz 44.01 mg

%C =peso C/peso muestra x 100 = 10.32 x ~ x - x 1 0 0 12.01 1 44.01 5.17

%C = 54.5

%H =peso H/peso muestra x 100 = 4.23 x __ x - x 100 2.016 1 18.02 5.17

%H = 9.2

La deficiencia de 36.3% (100 - (54.5 + 9.2)) se debe al oxígeno.

54.5 9.2 36.3 12.01 1 .o 16.0

c: ~- - 4.53 átomo-gramos H: - = 9.2 átomo-gramos O: ~ = 2.27 átomo-gramos

4.53 2.27

c: ~ = 2.0 9.2 2.21

H : ~ = 4.0 2.27 o: -= 1 2.27

Fórmula empírica = CzH40; cada unidad pesa 44.

88/44 = 2C2H40 unidades; entonces la fórmula molecular es C4qOz

CAPITULO 2 METANO

1. Siguiendo los procedimientos de los problemas 2.7,Z.g y 2.9, obtenemos X : 93.97; C,6.3% H. Y : 64.0% C,4.57,, H , 31.4% C1.

2: 62.0% C, 10.30/, H, 27.701~ O. Para el compuesto Z, se calcula 27.7% O de 100 - (62.004 C + 10.3% H).

apli caci6n de

C3H,CI = 78.54 p.m.

3 c 3 x 12.01 x loo="-- %C=-

C,H,CI

%H=-

78.54

7H 7 x 1.008

C,H,CI x loo=-

78.54 X 100 = 8.904 H

x 100 = 45.9% C

CI 35.45 % a = ~

C?H,CI x loo="

78.54 X 100 = 45.1% C1

este procedimiento nos lleva a lo siguiente:

(b) 52.1% C (c) 54.5% C (d) 41.8% C (e) 20.0% C (f) 55.6% C 13.1% H 9.2% H 4.7% H 6.7% H 6.2% H 34.8% O 36.3% O 18.6% O 26.6% O 10.8% N

16.3% N 46.7% N 27.4% C1 18.6% S

3. Seguimos el procedimiento del problema 2.9. En (c), (d) y (0, se determina el oxígeno por diferencia.

( 4 85.6 14.4 c: ~

12.01 = 7.13 átomo-gramos H : ~

1.008 = 14.29 átomo-gramos

C: 7.13/7.13 = 1.0 H : 14.29/7.13 = 2.0

Fórmula empírica CH2

92.2 7.8 c: ~

12.01 = 7.68 H : ~ = 7.74

1 .O08

C: 7.68/7.68 = 1 .O H: 7.74/7.68 = 1 .O

Fórmula empírica CH

40.0 c: ~ = 3.33 H : ~

12.01 = 6.65 O: ~-

6.7 53.3 1 .O08 16.00 - 3'33

C : 3.33/3.33 = 1.0 H:6.65/3.33 = 2.0 O: 3.33/3.33 = 1.0

Fórmula empírica CHzO

18

CAPITULO 2 METANO

( 4 29.8 6.3 44.0 19.9

c : -- - 2.48 H : ~

12.01 = 6.25 C1: ~

1 .O08 = 1.24 O : ~

35.45 16.00

C : 2.48/1.24= 2.0 H : 6.25/1.24= 5.0 CI: 1.24/1.24= 1.0 O: 1.24/1.24 = 1.0

Fórmula empírica C2H,0CI

48.7 13.6 37.8 c : ~-

12.01 - 4.05 H : ~

1 .O08 = 13.49 N : ~

14.01 = 2.70

C : 4.05/2.70 = 1.5 H: 13.49/2.70 = 5.0 N : 2.70/2.70 = 1.0

Esto da CI5H,N, de modo que multiplicamos por 2 para obtener números enteros.

Fórmula empírica C3H,0N2

25.2 2.8 c : ~- - 2.10 H : ~ 12.01 = 2.78 C1: ~- - 1.40 O : -= 1.40

49.6 1 .O08 35.45

22.4 16.0

C : 2.10/1.40 = 1.5 H: 2.78p.40 = 2.0 C1: 1.40/1.40 = 1.0 O : 1.40/1.40 = 1.0

Multiplicamos C,,H,OCI por 2 para obtener números enteros.

Fórmula empírica C3H,02CI,

4. Se calcula 18.9% O por diferencia.

C: 5.9/0.3 = 20 H: 6.2/0.3 = 21 O: 1.2/0.3 = 4 N : 0.3/0.3 = 1

Fórmula empírica de la papaverina = C,%,,O,N.

5. De manera análoga (14.7% O calculado por diferencia):

C = 4 . 3 H = 4 . 3 0 = 0 . 9 N = 0 . 9 S = 0 . 3 N a = 0 . 3

Fórmula empírica del anaranjado de metilo = C,,H,J03N3SNa.

CAPITULO 2 METANO

6. (a)Como en el problema 2.9: 85.8*/, C, 14.3% H

85.8 14.3 12.0 I .o c : "-7.1 H : -= 14.3

Fórmula empírica = CH2 ; peso unitario = 14

84/14 = 6 unidades CH,. Fórmula molecular = C,H,

7. 53.3% O se calcula por diferencia.

C: 40.0% del p.m. de 60 -"-f 24 g C/rnol - 2 C por molécula H: 6.7% del p.m. de 60 -+ 4.0 g H/mol ~ -+ 4 H por molécula

O : 53.3Xdelp.m.de60 - 32gO/mol ---+ 2 0 por molécula

Fórmula molecular = C2H,02

8. Tiene la mitad de los átomos que en el problema 7 = CH,O.

9. Como en el problema 7:

12.2% O se calcula por diferencia.

C: 0.733 x 262 = 192 g C/mol ---f 16 C por molécula

H: 0.038 x 262 = 10.0 g H/mol ~ -> 1 0 H por molécula O : 0. 122 x 262 = 32.0 g O/mol + 2 O por molécula

N : 0. 107 x 262 = 28.0 g Njmol --+ 2 N por molécula Fórmula molecular de indigo = C, 6 H , oOz N

10. (a)La molécula más pequeiia posible debe contener al menos un átorno de azufre.

IS 32.06 %S = p. mol. mín

x 100 3.4 = x 100 p. mol. mín

p. mol. mín = 942

(b)5734/942 = aprox. 6 de las unidades mínimas.

Por lo tanto, hay 6 S por molécula.

20

METANO CAPITULO 2

11. Seguimos el procedimiento del problema 2. l .

(a) H-H + F-F - 2H-F

104 38 2 x 136 142 272

(b) H-H + Cl-Cl - 2H"Cl

104 58 2 x 103 ~~

162 206

(c) H-H + Br-Br - 2H-Br

104 46 2 x 88 150 176

(d) H-H + 1-1 2H"I

I04 36 2 x 71 140 142

(e) C2H,-H + Br-Br - C2H,-Br + H-Br

98 46 69 88 144 157

AH = - I30

AH = -44

AH -26

A H = -2

A H = - 1 3

( f ) C6HsCH2-H + Br-Br - C,H,CH,-Br + H-Br

85 46 131

51 88 139 A H = -8

(8) H2C=CHCH2-H + Br-Br - H2C=CHCH2-Br + H-Br

88 46 134

47 88 I35 A H = - I

(h) Seguimos el procedimiento del problema 2.2.

la paso: Br-Br "-+ 2Br. AH = +46 kcal

C2H, C6HSCH, H2C=CHCH,

20pa~0: AH = + 10 kcal - 3 kcal O kcal 3er paso: AH = - 23 kcal - 5 kcal - 1 kcal

12. (a)

CAPITULO 2 METANO

Para la reacción endotérmica (ii), EsI debe ser al menos de la magnitud del AH, o sea, 16 kcal; para la reacci6n (i), Elctpodria ser cero. (En realidad es de 13 kcal.) La reacción de menor E , es la que sucede.

En ambas reacciones se rompe el mismo enlace (CH,-H); lo que difiere es el enlace que se forma. En el análisis final, la reacción sigue el curso sugerido porque un enlace C-H es más fuerte que un enlace C - C .

(b)Altamente improbable, puesto que Eact para la reacción que compite con C1, es mucho menor.

En una mezcla 50:50 de CH, y CI,, la colisi6n de CH, con cualquier clase de molécula tiene la misma probabilidad. Sin embargo, la reacción altamente exotérmica con C1, tiene una Eat, muy pequefía, viéndosc favorecida en gran medida frente a la reacción con una Eact de 13 kcal.

CHjCI + C1. AH = - 26 E,,,, rnuypequeh

13. (a) CH, no solamente puede reaccionar con Brz para generar producto, sino también con HBr para regenerar CH,, con lo que retarda la reacción. (Esta última es el inverso del paso propagador de la cadena.)

CH,Br + Br. A H = -24 E,,, rnuypequerin

Como vimos en la página 54, la EacI para la reacción con HBr es de 2 kcal. Esta es más grande que la pequeñísima ESIpara la reacción con Br,, pero por supuesto es lo suficientemente pequeña para que parte de la reacción siga esta ruta competitiva cuando la concentración de HBr es elevada y la colisión es probable.

METANO CAPITULO 2

(%)En este caso, la competencia implicaría la reacción entre C q . y HC 1, reacción que tiene una Eaude 3 kcal (pág. 54). Esta es UM reacción más difícil que la que implica HBr (E,= 2 kcal) y, desde luego, no puede competir con txito con la reacción entre CH; y Cl,.

CH,CI + CI. A H = -26 E,,, muypequeh

CH, + CI. AH = - 1 E:,,, = 3

(c)A medida que avanza la reacción, se acumula HBr como uno de SUS productos. Este comienza a competir con Brz por (2%. , como en la parte (a) y a invertir así el proceso de la halogenación.

14. (a)Las pruebas apuntan a una reacción en cadena por radicales libres, análoga a la de la cloración del metano. El razonamiento es igual al descrito en la sección 2.12.

CI-CI + 2CI.

CI. + H-H -+ HCI + H .

luz

H . + Cl-Cl "-----f HCI + C1. etc.

(b)Un mecanismo similar contendría un paso propagador de la cadena con una E,,al menos de 33 kcal, demasiado elevada para competir con la recombinación de átomos de I . para regenerar I,.

15. ( 4 (CH3)IPb + Pb + 4CH3.

calor I' h + ( C H I ) J P ~

Espejo nuevo

Espejo antiguo Efluente

(b)Cuanto más lejos hayan de difundirse los radicales CY. , tanto más tiempo hay para que se combinen entre sí,

C H J . + 'CH, + CH,~-CH3

y tanto más baja será su concentración cuando alcancen el espejo antiguo. Cuanto más baja es su concentración, tanto más lenta es su reacciijn con el espejo.

23

CAPITULO 2 METANO

Tal combinación es un proceso poco probable debido a la baja concentraci6n de estas partículas; en una mezcla de cloración, por ejemplo, s610 sucede raras veces porque tienen una oportunidad mucho mayor de chocar con molkulas de Cl,.y, en consecuencia, de reaccionar con ellas (pág. 48). Sin embargo, en las condiciones especlales de los experimentos de Paneth -arrastre de las partículas a lo largo de un tubo de cuarzo mediante un gas inerte- no hay ninguna otra cosa con la cual pudieran reaccionar, de modo que reaccionan (lentamente) entre sí.

(Este trabajo se encuentra resumido en Wheland G. W., Advanced Organic Chemism, 3a. ed., Wiley, Nueva York, 1960, págs. 733-737 y. más detalladamente, en Steacie E. W. R., Atom and Free Radical Reactions, 2a. ed., Reinhold, Nueva York, 1954; Vol. 1, págs. 37-53. Para conocer un desarrollo fascinante de esta química, véase Rice F. O., “The Chemistry of Jupiter”, Sei. Am. Junio de 1956.)

Este es un ejemplo de algo que sucede muy a menudo en química orgánica: un avance en la teoría sólo es posible gracias a la invención de una nueva técnica experimental ” e n este caso, el método del espejo, de Paneth-. Como veremos, los carbocationes se pueden estudiar sin gran dificultad porque George Olah bág. 193) descubrió un nuevo medio en el cud no pueden hallar nada con qué reaccionar, a pesar de que, como los radicales libres, se trata de partículas usualmente muy reactivas. Emil Fischer (pág. 1265) develó el vasto campo de los carbohidratos mediante el empleo de una sencilla reacción que había descubierto: la conversi6n de azúcares en osazonas “reacci6n que, entre otras cosas, transforma los azúcares que se presentan como jarabes de dificil manejo en compuestos cristalinos, fácilmente idcntificables-. La secuencia de los centenares de aminoácidos que conforman la gigantesca cadena de una proteína se determina ahora automáticamente en forma rutinaria, en un analizador controlado por computador, desarrollado por Pehr Edman (pág. 1337) a partir de su descubrimiento de una reacción entre isotiocianatode fenilo y uno de los extremos de UM cadena proteínica. Y esta lista podría continuar indefinidamente.

Esperamos que el C,H,. producido de este modo reaccione con C1, de la misma manera que C Y . , para generar cloruro de etilo y CI ., por la vía

Luego el C1. generado en esta forma puede iniciar una cadena de halogenación que incluya al metano.

3

Alcanos Sustitución por radicales libres

Observación: En todos los problemas de este capítulo que se relacionan con la isomería, por el momento desdeñaremos la existencia de estereoisómeros. Una vez que el lector haya estudiado el capítulo 4, sería instructivo que retomara algunos de estos problemas para ver cómo podría modificar sus respuestas.

3.1 Dentro de algunas semanas el lector estará escribiendo estructuras idmeras con rapidez y facilidad; quizá le resulte difícil recordar que, en un principio, este es un trabajo que requiere esfuerzo. Esd aprendiendo un nuevo idioma, el de la química orgánica, y uno de los primeros pasos es aprender a escribirlo. Su primera prhctica en este sentido la tuvo con el problema 13 (pág. 38),yahoraleconvendriareleerlarespuestaparaesteproblemadelapág. 10 de esta Guía de Estudio. Considere con particular seriedad la recomendación de utilizar modelos moleculares: esta es la única manera de asegurarse realmente de que dos fórmulas en verdad representan moléculas idmeras distintas.

En estos momentos quizá lo m b adecuado sea quitar los hidrógenos de las moléculas y concentrar nuestra atención en los esqueletos de carbono y en los átomos de cloro ligados a estos esqueletos.

Al igual que con todos los problemas de este t i p o , seremos sistemáticos. Primero dibujamos una cadena recta de carbonos correspondiente a n-butano.

c-c-c-c

CAPITULO 3 ALCANOS

3.2

3.3

(La anotamos en la línea recta. Podríamos doblarla o escribirla en zig-zag y seguiría representando el mismo compuesto; sin embargo, hacemos las cosas tan fáciles para nosotros como sea posible.)

Ligamos un C1 a un extremo de la cadena @or ejemplo al C-1) y, dejhndolo allí, agregamos el segundo C1 sucesivamente a cada uno de los carbonos: al C-1, C-2, C-3 y C-4.

Tenemos ahora cuatro estructuras y hemos agotados las posibles estructuras que contienen Cl sobre un carbono terminal. Podemos aseguramos con facilidad de que todas ellas son diferentes entre si: es imposible interconvertirlas sin romper enlaces y formar otros nuevos.

A continuación, colocamos nuestro primer C1 en el C-2 y repetimos el procedimiento, recordando que ya hemos empleado las posiciones terminales. Esto nos da dos idmeros adicionales, para dar un total de seis.

c1 I I c1

c c c c c C--C--C I 1 c1 c1

Seguimos el procedimiento de (a), comenzando esta vez con la cadena de carbonos ramificada del isobutano. Los modelos nos revelarán una característica particularmente importante de la molCcula del isobutano: los tres grupos metilo son equivalentes, aunque dibujemos dos de ellos en sentido horizontal y el tercero hacia arriba (o hacia abajo).

No. Cada uno de ellos puede dar origen a dos compuestos monoclomdos.

Por la repulsión de van der Waals entre metilos “grandes”.

aglomeración de C H 3A% metilos

C‘H i

ALCANOS CAPITULO 3

Rotación -+

Rotación -+

CAPITULO 3

(c)

ALCASOS

(d)Suponiendo 0.8 kcal por interacción oblicua metilo-metilo, y 3.0 kcal por energía torsional m k 0.4 kcal para dos eclipsamientos metilo-hidrdgeno y 2.2 a 3.9 kcal por eclipsamiento metilo-metilo (de la Fig. 3.8), llegamos a l a s siguientes predicciones tentativas:

b > 4.4-6.1 > a > 3.4 c > 4.4-6.1 > d > 3.4 > e

La magnitud defdepende del valor del eclipsamiento metilo-metilo.

3.5 Aplicamos el enfoque sistemático expuesto en el problema 3.1.

ALCANOS CAPITULO 3

Br I

(c) C-C-C--C-Br C- C--C ~C C--C C ~C C - - C -C--C C C C C ~ I 1 I Br Br Br Br Br Br Br Br

C C C I I

C -C-C-C C-C--C-Br C-C--C C - C - C

Br Br Br Br Br Br B r 1 1 I I /

3.6 (a)Orden de los isómeros como en la página 85:

n-hexano 2-metilpentano 3-metilpentano 2,2-dimetilbutano 2,3-dimetilbutano

3.7 (a)Orden de los isómeros

(b) Orden de los idmeros como en el problema 3.5(a):

n-heptano 2,4-dimetilpentano 2-metilhexano 3,3-dimetilpentano 3-metilhexano 3-etilpentano 2,2-dimetilpentano 2,2,3-trimetilbutano 23-dimetilpentano

(b) Orden de los isómeros como como en el problema 3.5(b): en el problema 3.5(c):

1 -cloropentano 2-cloropentano 3-cloropcntano 1-cloro-2-metilbutano 2-cloro-2-metilbutano 3-cloro-2-metilbutano 1-cloro-3-metilbutano l-cloro-2,2-dimetilpropano

1,l-dibromobutano 1,2-dibromobutano 1,3-dibromobutano 1,4-dibromobutano 2,2-dibromobutano 2,3-dibromobutano l,l-dibromo-2-metilpropano 1,2-dibrom0-2-metilpropano 1,3-dibromo-2-metilpropano

CAPITULO 3 ALCANOS

3.8 Las tres gráficas presentan una tasa de aumento que se amortigua con el aumento del número de carbonos.

3.9 Se liga hidrógeno (H o D) al mismo carbono que estaba unido a Mg.

Cloruro de n-propil- magnesio CHJCHLCH2D Propano-1-d

C H J C H K H J Propano

C H J Y H C H J MyCl CHjCHCH, Propano-2-d

Cloruro de isopropil- I D magnesio

3.10 (a) Todos los que tienen el esqueleto de carbono del n-pentano:

c--c-c"c-c C c- c ~-c--C c-c- q "C-C I I ,

Br Br Br

(b) Todos los que tienen el esqueleto de carbono del 2-metilbutano (isopentano):

I I B r Br Br Br

(c) Todos los que tienen el esqueleto de carbono del 2,3-dimetilbutano:

c c q c c - C - - C -c c -c - c c I 1

1 I Br Br

(d) Sólo el bromuro de neopentilo tiene el esqueleto de carbono apropiado:

C-C-C I 1

C Br

ALCANOS CAPITULO 3

@)Utilice la primera, ya que en esta síntesis R'X es primario.

(Corey, E. J. y Posner, G. H., "Carbon-Carbon Bond Formation by Selective Coupling of n-Alkylcopper Reagents with Organic Halides", J. Am. Chem. Soc., 90,5615 (1968); House, H. O., et al., "Reaction of Lithium Dialkyl-and Diarylcuprates with Organic Halides", J. Am. Chem. Soc., 91,4871 (1969).)

C 1

C I

C C I I (b) C-C C-C C-C --C-C C-C-C--C C-C---C-C

I I 1 CI

I CI CI CI

3.13 Los productos son:

C c c I 1

(a) C---C--C (b) C---&C (c) C ~ ~ C C C (d) C-C-C-C-C I I I I c1 c1 c1 c1

C I C-c-c

I c- c-c

I C ~ C-C-C c-c -C--c-~ c

CI c1 CI CI

c c I I

I I

C--C-C--C- C I

CI

31

CAPITULO 3 ALCANOS

c c c'

Las proporciones de los productos son:

c ' c

(a) 4470 I-CI (b) 64",{, 1 (c) 55 I ( '

56:( 2-CI 36:; 3 ' 45".,, 3

(e) 28% l-Cl-2-Me (f) 45', l-C1-2,2,3-triMe

23:/; 2-Cl-2-Me 250', 3-CI-2,2,3-triMe

35% 2-CI-3-Me 30°/, I-C1-2,3,3-triMe

149{ 1 -Cl-3-Me

(d) 21 1 -CI 531;, 2-C1 2636 3-C1

(8) 33q{ I-C1-2,2,4-triMe

28% 3-C1-2,2,4-triMe

18% 4-C1-2,2,4-triMe

22% I-C1-2,4,4-triMe

Estas proporciones de productos anticipadas se pueden calcular con el método indicado en la página 106, usando las reactividades relativas de 5.0:3.8: 1 dadas allí. Para (a), sería:

n-PrCI no. d c 1'' H reactividad de H 1" 6 1.0 6.0 x ~" - - x - = -

i-PrC1 no. de2 ' H reactividad de H 2" 2 3.8 7.6 ~" - ~~ - -

Luego,

6.0 6.0 + 7.6

" " 1" = ____- x 100 = 44"D

7.6 6.0 + 7.6

%" 2' = X 100 = 5604,

ALCANOS CAPITULO 3

Para (d): 1-C1:6H, cada uno con reactividad 1.0 - 6.0 2-C1:4H, cada uno con reactividad 3.8 - 15.2 3-C1:2H, cada uno con reactividad 3.8 "-f 7.6

total número X reactividad = 28.8 -

reactividad 1 -C1 6.0 reactividad total de molécula 28.8

0'" I-c1 = x 100 = __ x 100 = 21%

q',2-c1 = ~ x 100 = 53% 15.2 28.8

"3-ci = __ 7.6 X 100 = 26% 28.8

Las demás se calculan del mismo modo.

3.14 Las proporciones predichas se calculan con el metodo expuesto en la respuesta al problema 3.13anterior,utilizandolasreactividadesrelativasde 1600:82:1,indicadasenlapí5gina107.

(a) 4% 1-Br (b) 0.6% 1" (c) 0.3% 1" (d) 1% 1-Br 96% 2-Br 99.4% 3" 99.7% 3" 66% 2-Br

33% 3-Br

(e) 0.3% 1-Br-2-Me (f) 0.6% l-Br-2,2,3-triMe (g) 0.5% l-Br-2,2,4-triMe 90% 2-Br-2-Me 99% 3-Br-2,2,3-triMe 9% 3-Br-2,2,4-triMe 9% 2-Br-3-Me 0.4% l-Br-2,3,3-triMe 90% 4-Br-2,2,4-triMe 0.2% 1-Br-3-Me 0.3% l-Br-2,4,4-triMe

3.15 En lugar de 400/1, la proporción de productos sería de 4004 1 x 10) = 40: 1, una proporci6n mucho más fácil de medir exactamente.

3.16 Tomamos en consideración el número relativo de hidrdgenos en cada compuesto, C2H, y C,H,,, como hicimos en la página 107. Cada compuesto contiene, por supuesto, sblo hidrógenos primarios.

nro-PeC] no. de H neopentílicos reactividad de H neopentííicos "

A

EtCl no. de H. etílicos reactividad de H etílicos -

12 reactividad de H neopentííicos 6 reactividad de H etilicos

2.3 = - X

reactividad de H neopentííicos 6 reactividad de H etflicos

= 2.3 X - = 1.15 12

CAPITULO 3 ALCANOS

3.17

3.18

3.19

3.20

3.21

1.

(a)Se habría formado algo de cloruro de ter-butilo en dos pasos a partir de radicales isobutilo, generados inicialmente por separación de protio del hidrocarburo y, por consiguiente, con formación de HCI, y no de DCl. L a proporción t-BuCI:iso-BuCl habría sido mayor que l a proporción DCl:HCl, lo que es contrario a los hechos.

(b)Los mismos que para (a).

(Brown, H. C. y Russell, G . A. "Photochlorination of 2-Methylpropane-2-d and a-dl-Toluene; the Question of Free Radical Rearrangement of Exchange in Substitution Reactions", J. Am. Chem. Soc., 74, 3995 (1952).)

Agregando DBr e investigando si el metano no consumido contiene deuterio.

Hay que ver si en el espectro de masas apareccn 3sCl 36cl (masa 71). 36c137C1 (masa 73). o ambos.

otros valores (normales), de masa serían 70 (35C1-35C1), 72 (35C1-37C1) y 74C7C1--"cl).

El alcano era 2,2-dimetilhexano. (Véase la Sec. 3.17.)

CH3 I CH, I

I I CH, CHI

CH3CHZCH2CHZ---Br + (CH,C-~)LCuLi ~ f CH3CH2CH2CH2 --CCH, Bromuro de n-butilo

di-ter-butilcuprato 2,2-Dimetilhexano de litio

ALCANOS CAPITULO 3

... pentano Cadena más larga: cinco carbonos.

... metilpentano Sustituida por un metilo.

2-metilpentano Sobre C-2. (La numeracibn desde el otro extremo daría (2-4, un número mayor.)

Br I I

(b) CH,--C--CH, Br

3 ? I

...p ropano Cadena más larga: tres carbonos.

... dibromopropano Disustituida por bromos.

2,2-dibromopropano Ambos en el C-2. (Podría ser numerada desde el otro extremo.)

CAPITULO 3 ALCANOS


... dimetilpentano Disustituida por metilos.

3,3-dimetilpentano Ambos en C-3. (Podría ser numerada desde el otro extremo.)


... etil ... metilpentano Sustituida por etilo y metilo.

3-etil-3-metilpentano Ambos en C-3. (podría ser numerada desde el otro extremo.)

L o s grupos se nombran en orden alfabético

... hexano Cadena más larga: seis carbonos.

... trimetilhexano Trisustituida por metilos.

2,3,4-trimetilhexano En C-2, C-3 y C-4. (Numerando desde el otro extremo daría C-3, C 4 y C-5, un conjunto de números mayor.)

ALCANOS CAPITULO 3

... octano Cadena más larga: ocho carbonos.

... etil ... metiloctano Sustituida por etilo y metilo.

5-etil-3-metiloctano En C-5 y C-3. (Numerando desde el otro extremo daría C-4 y C-6, un conjunto de números mayor.)


tetrametilpentano Tetrasustituida por metilos.

2,2,4,4-tetrametilpentano Sobre C-2 y C-4. (Podría ser numerada desde el otro extremo.)

CH3 I I 1

CI CH,

(h) CH3-C--CH"CH3

I 2 3 4

... butano Cadena más larga: cuatro carbonos.

... cloro ... dimetilbutano Sustituida por cloro y dos metilos.

2-cloro-2,3-dimetilbutano En C-2, y en C-2 y C-3. (Numerando desde el otro extremo daríac-3, C-2 y C-3, un conjunto de números mayor.)

CAPITULO 3 ALCANOS

... heptano Cadena más larga: siete carbonos.

... etil ... metilheptano Sustituida por etilo y metilo.

5-etil-2-metilheptano En C-5 y C-2. (Numerando desde el otro extremo daría C-3 y C-6, un conjunto de números mayor.)

CH, CH, I I I I

CH, CHZCH, 1 2 3 4 5 6 1

(j) CH3"CH-CH-CH,-C-CH2"€H3

... heptano Cadena más larga: siete carbonos.

... etil ... trimetilheptano Sustituida por etilo y tres metilos.

5-etil-2,3,5-trimetilheptano En C-5 y en C-2, C-3 y C-5. (Conjunto de núme- ros más bajo, de acuerdo con el primer punto de diferencia: LC-2 o C-3?)

... hexano Cadena más larga: seis carbonos.

... dietil..metilhexano Sustituida por dos etilos y un metilo.

3,3-dietil-2-metilhexano En C-3 y C-3, y en C-2.

Una cadena alternativa de seis carbonos S610 tendría dos sustituyentes (más grandes). De dos cadenas iguales, elegimos la que tiene más sustituciones para mantener los sustituyentestan sencilloscomoseaposible.

ALCANOS CAPITULO 3

CH3 I CL) C H 3 - C H 2 - C H - C H 2 ~ H - C H 2 - C H 2 ~ H 3

I Y H \

CH3 CH3 1 2 3 4 5 6 1 8

... octano Cadena m& larga: ocho carbonos.

... isopropil ... metiloctano Sustituida por isopmpilo y metilo.

5-isopropil-3-metiloctano En C-5 y C-3. (Conjunto de números menor.)

3. (a) la, 2c, 2d, 2g (c) lb, IC, lf, lg, 2f, 2i, 2j (e) 1 a, 1 h, 2e, 2g

Por ejemplo:

3' I 3" H CH3 H I , '

(c) CH3-CHL-C-C-(!-CH2"CH3 I l l

CH3 CH3 CH3 I " I " I '

I " 2" I I

IC: Dos H 3'

3" 3" H H ' I I

I I (d) CH3"C"C"CH3

H3C CH3 I ' 1

l b Ningún H 2'

CH3 CH.? 1 'I I "

lh: Dos H 2'

CH3-CH2 I' 2'

2d:Se.isH2°ccmvadoceH1"

CAPITULO 3 ALCANOS

4. (a) le, lg, l h , 2a, 2e, 2i, 2j, 2k, 21 (b) lb, I f (d) I f (e) Id, 2e, 2f, 21 (g) la, Ih (h) 2g 6 ) lh (k) Id, 2f, 21

(c) le, l h . 2a, 2i (f) I C (i) 2e, 21

Por ejemplo:

lg: Un isopropilo lb: Dos isopropilos le: Un isobutilo

If: Dos isobutilos e-c

2f: Un sec-butilo

c y c c c c c I I

(8) c-c--c-c-c ( h ) cJ---c-c!-c 1 1 I c c c c

I C

IC: Dos sec-butilos la: Un ter-butilo 2g: Dos ter-butilos

2e: Un isopropilo lh: Un ter-butilo y Id: Un metilo,

y un sec-butilo y un sec-butilo un isobutilo un etilo, un n-propilo

5. Podemos calcular fácilmente que, para tener un peso molecular de 86, un alcano debe ser un hexuno, C,H,,. Como vimos en la página 85, hay cinco de ellos. Siguiendo la argumentación del problema 3.1, hallamos las respuestas siguientes. (Utilizamos nuevamente fórmulas desprovistas de hidrógenos para revelar más adecuadamente el esqueleto.)

(a) 2 monobromo derivados: 2,3-dimetilbutano (b) 3 monobromo derivados: n-hexano, 2,2-dimetilbutano (c) 4 monobromo derivados: 3-metilpentano (d) 5 monobromo derivados: 2-metilpentano (e) 6 dibromo derivados: 2,3-dimetilbutano (0 Vhse a continuación.

ALCANOS CAPITULO 3

n-Hexano

podría dar

c"c-c-c-c-c I Br

Tres

c c I 1 c - c " c c

2,3-Dimetil- dar podría

butano

2-Metil-. pentano podría dar

C I c"c-c-c-c

I Br

C I I Br

c-e-c -c--c

C I

C"C--C-C-C I Br

Cinco

3-Metil- pentano

podría dar

C 1

C--C--C - c--c I

B r

C I

c-C-C-C--C I Br

C I e-e-e- e-c I Br

C-Br I c--c-c-c-c

Cuatro

1 I fir C

Tres

2.3-Dimetil - butano

podría dar

Br

Br Br Br Br Br 1.3-Dibromo- 1.1 -Dibroma-

2,34metilbutano 1.2-Dibromo-

2,34imetilbutano 2,3-dimetilbutano

Br I I

Br 1,4-Dibromo- 1-Bromo-1-(bromometi1)- 2,3-Dibrom-

2,3-dimetilbutano 2.3-dimetilbutano 2,3-dimetilbutano

I Br Br Br

CAPITULO 3 ALCANOS

, CHCI ,C$& CHCl ,C.HCI Mono HzC' "CH2 Di H , d 'CH2 H,C CHCl H2C' 'CH,

, s ~ / I , , t

H2C CHZ H2C CH2 H2C CH, H,C CHCl 1 - 1 - I .?- I .3-

Tr i CCl 2 CFI, ,CHCl C.lCl

/' \ H,C CHCi H,C 'CH, H,C' 'CHCI HZC CHCl

/'

, i , I

H2C- CH, HJ-CHCI H,C ~ C'HCI CIHC ~~ CH, 1,l.Z- 1.1.3- 1 J.3- I ,2,4-

7. c, b, e, a, d.

CH3 1

I H

C H I 8. (a) CH,--C-CH2- -Br + Mg + CH3--f? CH,- -MgBr

éter

I H

Bromuro de isobutilmagnesio

CH3

I I CH3 CH3

I y 3 (b) CH,-C-Br + Mg - éter CH,-C-MgBr

Bromuro de ter-butilmagnesio

CH, CH,

I H

I I

H Isobutano

(c) CH3-(1-CH2-MgBr + H 2 0 ~d CH,"C-CH3 + Mg(0H)Br

y 3 CH3 (e) CH3-C-CH2-MgBr + D 2 0 -+ CH,-~-&-CH,D + Mg(0D)Br

I I H H

Isobutano-1-d

ALCANOS CAPITULO 3

CH.? CH.? I I ( f ) CH,-CHL ~ - C H - CI + 2Li - CHI ~CH2-CHLi i- LiCl

sec-Butil-litio

CH, CH.? I I

CH,-CH2--CHLi + CUI -." CHI"CH2-CH )ZCuLi Di-sec-butilcuprato de litio Di-sec-butilcuprato de litio

CH.? I (8) CH,-CH2-CH-)2CuLi + 3CH,--- CH2-Br ---i

CH.! I

3-Metilpentano 2CH,-CH2-CH-CH2-CH3 + CuBr + LiBr

10. Una vez más trabajamos con esqueletos de carbonos y utilizamos el enfoque sistemático empleado en el problema 3. l .

c c c c I

c c i I I

I i I / 1 1 C CI c CI c t l CI c

c c 1 (c) c-c-c---c-c c - c c C"C c-c-c-c-c c -c c- t. ~ c

CAPITULO 3 ALCANOS

11. El orden de los isómeros es como en el problema 10:

(a) 16, 42, 42?<; (c) 33, 28, 18, 22%

(b) 21, 17, 26, 26, 10s; (d) 46, 39, 15:d

Los cálculos se hacen según se describe para el problema 3.13, página 30, de esta Guía de Estudio.

12. (a)El agua destruye rápidamente un reactivo de Grignard.

(b)El grupo -OH es suficientemente ácid0 como para destruir un reactivo de Grignard, si siquiera pudiese formarse uno.

13.

14.

1s.

CI. ~

CI '

44

Alilo, bencilo > 3" > 2" > 1" > metilo, vinilo.

Alílico, bcncílico > 3" > 2" > 1 > CH,, vinílico.

Trasposición,por m'gracio'n de Br, del radical 1' formado inicialmente a un radxal2" o 3', más estable:

r CHICHlCH.Br CH,CHCH2Br ~~~~ -

1_ [ I ? CH 3CHCIC'HzB~ CIi,CttBrCH, trasp.

CH3CHBrCHz CH3CHCH2Br -

radical 1" radical 2"

Aun cuando los radicales libres alquilo raras veces se trasponen por migración de hidrógeno o alquilo, parece claro que lo pueden hacer por migración de halógeno.

ALCANOS CAPITULO 3

La tabla 3.3 indica que el n-C,,H,, @.m. 198) tiene una densidad de 0.764 g/mL. Un litro

de kerodn pesa, por tanto, 764 g, y representa 764 43 764 43

kerosén requiere ~ x - moles de oxígeno, el cual pesa ~ X - X 32 g, O 2650 g. 198 2 198 2

764 g 198 g/mol

moles. Esta cantidad de

(b) CH3(CH2)12CH3: 12-CH2- 12 x 157 kcal = 1884 kcal 2 CH3- - 2 x 186 kcal = - 327 kcal

2256 kcalimol

Un litro de kerosén:

764 - mol x 2256 kcal/mol - 8710 kcal 198

(c> H . + . H - Hz A H = -104kcal/mol

Para producir 87 10 kcal, se necesitan 8710 kcal

104 kcalimol = 84 mol H, = 169 g

17. Carius; mono, 45.3% C1; di,62.8% C1. Determinar. peso molecular: mono, 78.5; di, 113.

18. Trate de sintetizarlo mediante el método de Corey-House, partiendo de bromuro de isopentilo.

19. (a)Metano, formado por CH30H + CH,MgI + CH, + CH,OMgI.

1 .O4 mL gas es 1 .O4 mL 1 .O4

22.4 m L / m z 22.4 o -~ mmol CH,,

CAPITULO 3 ALCANOS

desprendidos del mismo número de milimoles de C&OH, p.m. 32.

peso CH@H = __ mmol x 32 mg/mmol = 1.49 mg C H 3 0 H 1 .O4 22.4

(no. de moles) x (peso por mol)

no. mmol alcohol = _ _ _ ~ - 1.57 mL

22.4 mL/tnmol

59 = C,,H2,,+,0H = 12n + (2n + 1)(1) + 16 + I = 14n + 18

n = 3 ---i C3H70H, quees n-PrOH o iso-PrOH.

mmol de alcohol = 1.79 mg

90 mg/mmol = 0.02 mmol alcohol aprox.

0.02 mmol alcohol - 1.34 mL 22.4 mL/mmol

.- = 0.06 mmol H2

cada mol de alcohol f 3 moles H, el alcohol contiene 3 grupos -OH

p.m. 90 = C,LH,, - ,(OH), = 12n + (311 - 1)(1! + (3 x 16) + (3 x 1)

90 = l4n + 50 n = 3 da CH,-CH-CH,, glicerol (pág.622).

i 1 1 OH OH OH

(Podríamos dibujar estructuras alternativas que contengan más de un "OH por carbono, pero tales compuestos son, en general, altamente inestables.)

46

4

Estereoquímica I. Estereoisómeros

4.1 Si el metano fuese una pirámide con base rectangular: dos estereoisómeros.

Imágenes especulares

Estas son imágenes especulares pero, como podemos apreciar, no son superponibles.

4.2 (a) Si el metano fuera rectangular: tres estereoisómeros.

(b) Si el metano fuese cuadrado: dos estereoisómeros.

CAPITULO 4 ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

(c) Si el metano fuera una pirámide con base cuadrada: tres estereoidmeros.

Idgenes especulares

Dos de Cstos son imdgenes especulares entre sí, pero no superponibles.

(d) Si el metano fuese tetraédrico: S610 es posible una estructura.

H

Z

(La imagen especular de la estructura indicada se puede superponer a la original.)

4.3 (a> U = " = - - - 1.2:.

6, I - - 39.0' 0.5 dm x __

1 00 I x d

(c) - 39.0" = --__ Mitad conc. mitad no. moléculas -+ mitad rotac. 6.15

0.5 x ~

200

U

a -0.6"

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS CAPITULO 4

4.4 Use un tubo más largo o más corto y vuelva a medir la rotación. Por ejemplo, si [a] fuese realmente +45", un tubo de 2.5 cm "-+ ct ob de +11.25". Otros valores de [a] darían los aob siguientes:

-315" - -78.75"; +405" +101.25"; $765" --f +191.25"

4.5 Quirales: b, d, f, g, h.

Primero tratamos de localizar centros quirales:

Si localizamos un centro quiral "y si estamos seguros de que es el ú n i c e podemos tener la certeza de que la molkula es quiral. (Si hay m k de un centro quiral, la molkula puede o no ser quiral, como veremos en la S e c . 4.17.) En esta etapa, lo m& seguro es verificar nuestra conclusión dibujando fórmulas en cruz o, mejor aun, construyendo fórmulas o, lo mejor de todo, haciendo modelos. Para el compuesto (h), por ejemplo:

espejo espejo

CH,CI j CH,CI CH,CI j CH,CI

H+Br Bi-)H o H-C- Br Br-C-H

C2H5 j C,H, C L H F C,H,

No superponible: la moldcula es quiral

* * 4.6 (a) CH,CH2CHDCI CH,CHDCH2CI DCH2CH2CH2C1

* CH,CHCICH,D (CH,),CDCl *

(b) Todos los que contienen un centro quiral (C) son quirales.

Después de identificar los centros quirales, seguimos el procedimiento del problema 4.5. para CH,CHz~E~DCI:,poreJemPlo:

49


4.7 (a)"(c) Trabaje con modelos; (d) imhgenes especulares: a, b.


4.11 ( 4 CI

C;H,t(H;CH2 C H 2 = = C H T C2H5

H H R S

C1 > C-C > C-C > H



4.12 (a), (g): dos enantiómeros, ambos activos (b), (c), (e): dos enantiómeros, ambos activos; 1 compuesto meso inactivo (f), (h): dos pares de enantiómeros, todos activos (d): cuatro pares de enantiómeros, todos activos

Todoenantiómero, unavez separadode todoslosdemfisestercoisómeros, seráópticamente activo. Todo compuesto meso será ópticamente inactivo. Todos los estereoisómeros que no son enantiómeros son diastereómeros.

(a) CHzBr CHzBr

H t B r B r I H

CH, CH.? Enantiómeros

1 I

CH,

Br Br- "H

Br Br- "H

Br H-"Br

CLH, C>H, Enantiómeros


4.13 El orden de los isómeros es el mismo que el dado antes en el problema 4.12.

(d) (2S,3S,4R); (2R,3R,4S); (2R,3S,4R); (2S,3R,4S); (2S,3R,4R); (2R,3S,4S); (2S,3S,4S); (2R,3R,4R).

4.14

4.15

4.16

(f) (2S,3S); (2R,3R); (2S,3R); (2R,3S).

CAPITULO 4

Refiérase a las curvas indicadas en las páginas 26 a 27 de esta Guía de Estudio.

(a) tres confórmeros: A, B, C; B y C son enantiómeros (b) tres confórmeros: D, E, F; D y F son enantiómeros (c) un confórmero: G

En (a), B y C son menos abundantes (más interacciones Me-Me oblicuas).

En (b), D y F son más abundantes (menos interacciones Me-Me oblicuas).

H H H I

Br*:: Br

H Br Br

I I I I l l

Las dos formas se componen de I, y de I1 más 111.

(b) Ninguna de las dos formas es activa: I es aquiral, y II más 111 es UM modificación racémica.

(a) La abstracción de cualesquiera de los dos hidrógenos 2" es igualmente probable y resultan cantidades iguales de radicales piramidales enantiómeros; cada uno de ellos reacciona con igual facilidad con cloro, generando así cantidades iguales de moléculas de sec-BuC1 enantiómeras (es decir, la modificación rackmica). En todo caso, es probable que un radical piramidal sufra inversión rápida y pierda su configuración.

(b) El desplazamiento de cualesquiera de los dos hidrógenos 2" es igualmente probable, dando cantidades iguales de moléculas de sec-BuC1 enantiómras (modificación racémica).

55

CAPITULO 4 ESTEREOQUEMICA I. ESTEREOISOMEROS

4.17 (a)Cuatro fracciones.

C'H, CH, I

CH 1

I

('I

2-Cloro-2- metilbutano

CH,CH,CHCH3 -512 + CH;CH?CHCHZCI -t CHACH??CH, + lsopentano 1 -Cloro-2- I

metilbutano

y 3 C'H, I CH3CHCHCH3 + CICH2CHZCHCH3

C ' I l-Cloro-3- 2-cloro-3- metilbutano

metilbutano

(c) Ninguna fracción es ópticamente activa: cada fracción es un compuesto aquiral Único, o bien una modificación racémica. (Reactivos inactivos dan productos inactivos).

(d) El reemplazo de uno u otro H en 4 H 2 - para generar 1-cloro-2-metilbutano es igualmente probable, y el reemplazo de cualesquiera de los Hen uno u otro 4% para dar 2-cloro-3-metilbutano es igualmente probable, dando origen a la modificación racémica en ambos casos.

4.18 En respuesta a la cuestión en la página 151: puede ocurrir una (mono) cloración adicional del cloruro de sec-butilo en cualesquiera de cuatro carbonos:

CI I

I 1 I CH,CH2CHCH\ %

I c 1 C1 ('1 CI

CH3CHLCH ~~-CHZ + CHACH2"C "CH, +

1,2-Diclorobutano 2,2-Diclorobutano

CH,CH-~CHCH, + CH2CH:CHCH7 I 1 I I

CI C1 Cl CI 2,3-Diclorobutano 1,3-Diclorobutano

56


Analizaremos la naturaleza estereoquímica del 2,3-diclorobutano en la sección 4.26. En este momento se nos pregunta acerca de la composición estequímica de los otros productos si la materia prima es el compuesto ópticamente activo cloruro de (S)-sec-butilo.

Durante la formación del 1,3-diclorobutano, como en la del compuesto 1,2 (Sec. 4.23). no se rompe ningún enlace con el centro quiral, por lo que se retiene la configuración en tomo a dicho centro. (El producto tiene la misma especificación, S, como material de partida, pero esto es puramente accidental: sucede que --C%-CH,Cl tiene la misma prioridad relativa que --C,H,. En efecto, observamos que el 1,2-diclorobutano obtenido tiene la especificación opuesta -y, sin embargo, al generarse también éste retiene su configuración.)

Durante la formación del 2,2diclorobutano se destruye el centro quiral -ahora el carbono tiene dos ligandos idénticos- y el compuesto es quiral.

(b)Tanto el 1,2- como el 1,3-diclorobutano son ópticamente activos; el 2,2-diclorobutano aquiral será ópticamente inactivo.

4.19 c, d, e, g. En las demás se rompe un enlace en el carbono quiral.

Para responder así, debemos escribir las estructuras de los reactivos y productos e identificar los centros quirales.

4.20 Se rompe el enlace C-0 y se vuelve a formar.

Químicamente el material de partida y el producto son lo mismo: alcohol sec-butííco. Estereoquímicamente, sin embargo, son diferentes: la materia prima es ópticamente activa y debe consistir predominantemente en un enantiómero; el producto es ópticamente inactivo y debe estar formado por partes iguales de ambos enantiómeros. Por tanto, algunas de las moléculas deben cambiar su configuración, lo que sólo pueden lograr mediante la ruptura de un enlace en el centro quiral. Pero el producto, como la materia prima, es alcohol sec-butííco y, en consecuencia, por cada enlace roto debe formarse un nuevo enlace con el centro quiral.

CH, CH, CHS

H-C-OH *.+ H-C-OH HO-C-H

C,H, C2H5 C? Hs (o su enantiómero) Modificación racémica Opticamente activo Opticamente inactivo


Dibujando la estructura, nos damos cuenta de que el centro quiral es el carbono unido al "OH. Este carbono posee tres enlaces más, pero sabemos que los alcanos son inertes frente a ácidos acuosos (Sec. 3.18), por lo que parece altamente improbable que sea un enlace C-H o C - C el que se estárompiendo-y regenerando-en las condicionesexperimentales indicadas.

Porotraparte, podemos visualizar, de un modo general, lamaneraen que un ácido acuoso puede lograr la ruptura y regeneración de la unión C-0. El " O H de un alcohol es básico y acepta un protón para generar el alcohol protonado (Sec. 1.22). Ahora, si se rompiera el enlace C 4 de &te, uno de los productos sería

R OH + H i c-~" R ~ - ~ O H , ' L- H 2 0 + 'i Alcohol Alcohol Agua

protonado

H20. Puesto que 40 es el disolvente, se encuentra en gran cantidad, por lo que la unión C- O se podría reformar -sea después de la ruptura, sea simultáneamente- por la reacci6n de alguna de estas abundantes moléculas.

Concluimos que lo más probable es que sea el enlace C - 0 el que se rompe y regenera bajo la influencia de ácido.

(Como veremos más adelante (Sec. 5.25), esto es exactamente lo que esperariamos de un alcohol en estas condiciones.)

(b)Se rompe la unión C-I y se regenera.

Nuestro razonamiento es aquí similar al de la parte (a).

CH \ ('H 1 ('H 1

H " c - I I L i H-C-1 I-C-H

; t '6H : 1 (' , , f+!,

(o el enanti6mero) Modificación racémica Opticamente activo Opticamente activa

De los cuatro enlaces del centro quiral, el que tiene más probabilidades de romperse es el C-I, y seguramente lo hará de tal manera que forme la especie familiar que es el ion yoduro, I-. Aunque por ahora no podemos sugerir un modo especifico (como la protonación en la parte (a) de cómo el I- lleva a cabo la reacción, es claro que su presencia da la oportunidad para la regeneración del enlace C-I.

I R ~ -1 ~--+ .. .. . 1 - + ?

Yoduro de alquilo Ion yoduro

(c)Podríamos realizar cada uno de estos experimentos como 5'80 o con I- radiactivo. Si nuestra interpretación es correcta, debemos hallar '80 o I- radiactivo en los productos.

Comencemos con la parte (a). Se rompe la unión C 4 y el grupo " O H abandona el centro quiral. Probablemente se separa como H,O y, aun cuando no fuese así, ciertamente


se convertirh con gran rapidez en H 2 0 por la acción del medio. (Un OH- no puede durar mucho tiempo en una solución ácida.) Y así, de una manera u otra, el grupo " O H termina en la solución en forma de H20.

En seguida se lleva a cabo la otra mitad del proceso. Se forma un enlace C"O y un grupo " O H se une al carbono quiral, ya sea despues de la ruptura de la unión C - 0 o en forma simultánea. Este " O H debe provenir, nuevamente de un modo u otro, del H20. Pero el disolvente es agua, y en el experimento que proponemos es H i 8 0 . El " O H que se une al carbono no tiene que ser el mismo ---esto es, el " O H que sale y, de hecho, es muy improbable que sea el mismo. Es mucho más factible que provenga de una de las abundantes moléculas del disolvente, siendo por consiguiente -ISOH.

Si todo esto es correcto, y la pérdida de la actividad óptica implica la ruptura y regeneración de enlaces C 4 , entonces esta ptkdida de actividad debería ir acompafiada por el intercambio de un isótopo de oxígeno por otro.

Para el experimento del yoduro de alquilo con el ion yoduro, nuestro razonamiento es exactamente análogo. Lo más probable es que el yodo que se une al carbono sea uno de los abundantes iones I- radiactivos que provienen del reactivo, y no uno de los relativamente pocos iones I- ordinarios que proporciona el compuesto orgánico. Esperamos una vez más que la pérdida de la actividad óptica vaya acompafiada por el intercambio isotópico.

Ambos experimentos realmente se han llevado a cabo, y con los resultados esperados. Como veremos más adelante (problema 5.5, pág. 184, se considera que el trabajo con el yoduro de alquilo, realizado en 1935 de una manera particularmente refinada, estableció uno de los mecanismos para la que qui7ás sea la clase más importante de reacciones orgánicas, la sustitución nucleofílica alifática.

4.21 La pureza del producto

es igual a la del material de partida

4.22 Como siempre, al analizar la estereoquímica de tales reacciones seguimos las guías dadas al pie de la página 154: (1) mientras no se rompa un enlace en el centro quiral original se retiene la configuración; y (2) si se genera un nuevo centro quiral, resultan las dos configuraciones posibles en tomo a Cste.

(a)Habrá cinco fracciones diastereoméricas: dos ópticamente inactivas y tres activas.

( ' H I C'H, S Aquiral RS RR R

Activa Inactiva Meso Activa Activa Aquiral Inactiva


(b) HabrA cinco fracciones diastereom6ricas, todas ópticamente inactivas. Serh las mismasqueen(a),salvoquecadaestructuraquiralestCtacompa~adaahoraporunacantidad igual de su enantiómero.

(c) HabrA seis fracciones diastereomCricas, todas ópticamente inactivas.

C'H('1, CH:(.I C'H2C.I

I ('H 3

R R 2R.3R

Inactivo Inactivo (2s. 3s) Inactivo

+ enantiómero (S) + enantiómero (S) +enantiómero

C-H 1

2R,3S R Aquiral + enantiórnero + enantiórnero (S) Inactivo

(2s. 3R) Inactivo Inactivo

Formación de enantiómeros y diastereómeros: un acercamiento

Si el lector trabajó con sumo cuidado los modelos moleculares de las secciones 4.22 a 4.26 y el problema 4.22, quids haya hecho observaciones que lo llevaron a plantearse algunas preguntas. Para entender mejor la diferencia entre la formación de diastereómeros y la formación de enantiómeros, comparemos la reacción del radical quiral3-cloro-2-butilo mostrado en la figura 4.4 con la reacción del radical aquiral sec-butilo.

En la sección 4.22 se mencionó que la unión del cloro con cualquier cara del radical sec- butilo es igualmente probable. En efecto, esto es cierto, pero se debe examinar con m6s detalle. Consideremos cualquier conformación del radical libre: por ejemplo I. Esd claro que el ataque del cloro por la parte de arriba de I y el ataque por la parte de abajo no tienen la misma probabilidad de ocurrir. Pero una rotación de 180" alrededor del enlace

/, " .\,

1 I 1

Radical sec-butilo Aquiral

60


sencillo C"C convierte a I en 11; Cstas son dos conformaciones del mismo radical libre y, desde luego, están, en equilibrio una con la otra. Son imilgenes especulares y, por lo tanto, tienen la misma energía y se presentan en la misma abundancia. Cualquier ataque, digamos por la parte inferior de I para dar el producto R , seril exactamente contrarrestado por el ataque por la parte inferior de I1 para dar el producto S.

La"a1eatoriedad del ataque" que da lugar a la modificación rackmica a partir de reactivos aquirales no se debe necesariamente a la simetría de alguna molécula individual del reactivo, sino más bien a la distribución aleatoria de tales moléculas entre conformaciones del tipo de imagen especular (o a una selección aleatoria entre estados de transición del tipo de imagen especular).

Ahora regresemos a la reacción del radical quiral 3-cloro-2-butilo (Fig. 4.4). Aquí, el radical libre que estamos considerando ya contiene un centro quiral, el cual tiene la configuración S; en este radical el ataque no es aleatorio debido a que no se presentan conformaciones del tipo de imagen especular (éstas podrían provenir de los radicales libres R , pero no hay ninguno de ellos).

El ataque que se elija, digamos desde la parte inferior de la conformación I11 "y ésta es la elección de preferencia porque mantendrá a los dos átomos de cloro tan apartados como sea posible en el estado de transición- daría el meso-2,3-diclorobutano. Una rotaci6n de 180" alrededor del enlace sencillo C-C convertiril a 111 en N. El ataque por la parte inferior de IV daría el isómero S,S. Pero I11 y IV ni son imágenes especulares,

CI C1 I

I l l IV

Radical 3-cloro-2-butilo Quiral

ni tienen la misma energía ni se encuentran en la misma abundancia. En particular, debido a la menor interacción entre los grupos metilo (conformación oblicua en IV), se esperaría que I11 fuera más estable y, por lo tanto, más abundante que IV, y que el producto meso predominara sobre el isómero S,S (que es lo que ocurre en realidad).

Podríamos haber hecho una suposición diferente sobre la dirección del ataque preferible e incluso distintos cAlculos sobre las estabilidades relativas de las conformaciones, pero aun así llegaríamos a la misma conclusión básica: excepto por mera coincidencia, los dos diastereómeros no se formarán en cantidades iguales.

(Para probar si entendió lo que se acaba de decir, trate el lector de resolver el problema 4.25 que se enuncia en seguida. Puede verificar su respuesta en la página 75 de esta Guía de Estudio.)

En este análisis se ha considerado que l a s velocidades relativas de las reacciones que compiten dependen de las poblaciones relativas de las conformaciones de los reactivos. Esta consideración es correcta aquí si, como parece ser, la reacción de los radicales libres con el cloro es más fácil y rápida que la rotación que interconvierte l a s conformaciones.

Si, por el contrario, la reacción con el cloro fuera una reacción relativamente difícil y mucho más lentaquelainterconversióndeconformaciones,en~nceslasvelocidadesrelativasde~~determinarse

61


porlasestabilidadesrelativasdelosestadosdetransición.Sinembargo,podríamosllegaralasmismas conclusiones generales. En la reacción del radical aquiral sec-butilo. los estados de transición son imágenes especulares y, por lo tanto, de la misma estabilidad, y la velocidad de formación de los dos productos deberá ser exactamente la misma. En la reacción del radical quiral3cloro-2-butil0, los estadas de transición no son imAgenes especulares, de modo que no poseen la misma estabilidad, y las velocidades de formación de los dos productos deberán ser diferentes. (En el último caso, aún podríamos hacer la misma pTedicción de que el producto meso predominará, puesto que la misma relaciónentrelosgruposmetiloqueharíaalaconfo~aciónIIIm~establetambiénh~'aqueelestado de transición que se asemeja a la conformación III fuera más estable.)

Problema4.25 Contestelas siguientes preguntas sobre laformacióndel2,3-diclorobutano apartir del cloruro de (R)-sec-butilo. (a) Dibuje las conformaciones (V y VI) de los radicales intermediarios que corresponden a los anteriores III y IV. (b) ¿Cuál es la relación entre V y VI? (c) ¿Cómo compararía la relación de V:VI con la relación de IIIIV? (d) Suponiendo la misma dirección preferible de ataque para el cloro que en 111 y IV. ¿cuál producto estereoisomérico deberá formarse a partir de V? ¿A partir de VI? (e) ¿Cuál producto se esperm'a que predominara? (0 En vista de la relación de productos que se obtiene en realidad a partir del cloruro de (S)-sec-butilo, ¿cuál sería la relación de productos que se debe obtener a partir del cloruro de (I?)-sec-butilo?

4.23 La racemización también es consistente con un radical libre piramidal que sufre inversión (como el amoniaco, pág. 19) con mayor rapidez que su reacción con el cloro, dando así cantidades iguales de los enantiómeros. Lo importante de este indicio es que es consistente con el mecanismo que implica un

radical libre intermediario -ya sea éste plano o una pirámide- que se invierte y no es congruente con el mecanismo alternativo.

4.24 Una vez más, seguimos las guías ya resumidas en el problema 4.22.

En cada fracción activa hay un solo compuesto, que es quiral.

S S


CH2Cl I I

CHzCHl

CICHZ-C-H

Aquiral

L a otra fracci6n inactiva es una modificación rackmica.

Cuando se ataca al C-2, el radical libre plano resultante da igual número de ~016cUlas enantiómems como producto.

(Brown, H. C., Kharasch, M. S . y Chao, T. H., J. Am. Chem. Soc., 62,3435 (1940).)

1. (a) Secs. 4.3 y 4.4 (b) Sec. 4.4 (c) sec.4.4 (d) S e c . 4.5 (e) S e c . 4.9 (0 sec. 4.9 (g) S e c . 4.10 (h) Sec. 4.2 (i)Secs.4.7y4.11 (j)Secs.4.7y4.17 (k)Sec.4.18 (l)Sec.4.12 (m) S e c . 4.14 (n) Sec. 3.3 (o) S e c . 4.15 (p) Sec. 4.15 (S) sec. 4.4 (r) Sec. 4.4 (S) S e c . 4.20 (t) S e c . 4.20

2. (a)Quiralidad. (b) Quiralidad. (c) Lo usual es cierto exceso de un enantiómero que persista lo suficiente como para permitir la medición. (d) Tiene una imagen especular que no se puede hacer coincidir con el original. (e) Las restricciones para fórmulas planas se estudian en la sección 4.10. Cuando se utilizan modelos, no se debe romper ningún enlace de un carbono quiral. (f) Dibujamos una fórmula o construimos un modelo de la molkula, y luego seguimos los pasos indicados en la sección 4.15 y las reglas secuenciales de la sección 4.16.

3. Rotaciones específicas iguales, pero opuestas; especificaciones RIS opuestas; todas las demás propiedades son iguales.

63


4. (a)Tornillo, tijeras, carrete de hilo (b)Guante, zapato, chaqueta, bufanda amarrada al cuello. (c) Hklice, doble hélice. (d)Pelota de fútbol (acordonada), raqueta de tenis (cuerdas entrelazadas), palo de golf, cafi6n de fusil. (e)Mano, pie, oreja, nariz, usted mismo.

5. (a) Serrar una tabla. (b) Destapar una lata de refresco. (c) Lanzar una pelota.


7. (a) Y (b) 3-Metilhexano y 2,3-dimetilpentano.

H f - B r B r f H B r f H H f B r

2S.3 R 2R,3S 2S,3S 2R,3R CH3 CH, CH, CH3

Enantiómeros Enantiómeros

(b) CHzBr CHzBr CHzBr CHzBr

H$r Br-fZ $: :$H H Br Br Br

2 x 3 R 2R,3S 2S,3S 2R.3R


CH3 CH3 CH, CH3



(1') CH,OH

CH.? CH,

Enantiómeros ?S,3 R,4R 2K,3S.4S

H F H : T C H 2 0 H

HO OH

2S,3S,4R 2R33R,4S

E&iómeros

H-- OH HO - H

CH, CH,

CH,OH C H ,OH

H.-/OH

"7" ":.TiH HO H

CH, CH3 I

ZSV3R,4S ZR.3S.4R Enantiómeros

CH,OH

Hi$: '!$;H

CH,OH

HO OH

2S,3S.4.Y 2R,3R,4R CH.3 CH,

Enantiómeros

(g) En el primero y cuarto isómeros, C-3 es un carbono pseudoasim'trico: tiene cuatro grupos diferentes, pero dos de ellos sólo difieren en la configuración. Especificamos la configuración en tomo a este carbono como r o S, asignando arbitrariamente al sustituyente R (C4) una prioridad más alta que al S (C-2).

CHzOH CHzOH CH,OH 'IoH ".rT; H:f:l

H OH HO --H OH

CHzOH CH,OH CH,OH CHIOH

CHzOH

H -OH

2S,3s,4R 2S.4.Y 2R,4R 2S,3r,4R

Meso Enan!iómeros Meso

H H c 1 C l C l R.R s. S R , S ( o S R )

Enantiómeros Meso


(i) En cada estructura observamos que el plano vertical de simetría corta la molkula desde el vkrtice izquierdo del frente hacia el v6rtice derecho posterior. Como alternativa, simplemente invertimos la imagen especular (idmero trans), o la rotamos en un hngulo de 180" (idmero cis).

CI H

CI C1 trans (Sec. 12.13) cis (Sw.12.13)

Aquiral Aquiral

(k) C2Hs C2HS C2HS C2H5

CH3-C- H H-C-CH, CH,-C-H H-C- CH3

C2H5-N- IO CH, CH,SI!d-C2Hs CH3-N-CzHs IO C , H , d J - CH,

c1- : c1- : c1- : c1- : C,H,-n C,H,-n C,H,-n C,H,-n

CR,NS CS,N R CR,NR CS,NS Enmtiómeros Enmti6meros

9. A, CH3CCl2CH3; B, ClCHzCH2CHzCl; C, CH3CHCICHZC1, quiral; D, CH3CHzCHClZ.

c activo da: CH3CHC1CHClz, p i ra l CH3CC12CH2C1 y CICHzCHCICHzCl, ambas aquirales.

(a) y (b) Los posibles productos diclorados son 1,l-, 1,2-, 1,3- y 2,2-dicloropropano.

67


C " C ~ ~ - C L C i C -~c" c-CI I

C1 C1

l. 1-Dicloro- 1,2-Dicloro- propano propano

podría dar podría dar

I

CI C1 I I I

('I C1

c- C -c c1 (' ~ c- c-CI I

c-7-C C1 C1 I I I

CI c1 c-C-C "CI I

i.1

C- -C. -C "~c'] I

C1

1.3-Dicloro- propano

podría dar

c1 I

C-c-C-CI 1

CI

c-C"-C-CI I I

C1 CI Dos

CI I

c-C-C I

C1

2,2-Dicloro- propano

podrio dar

C:I I

C"C"C I I

CI CI Un0

-~

I CI c1 C--c-C "CI

1 1 "res c1 CI

Tres

De esta información deducimos que A es 2,2-dicloropropano y B es 1,3-dicloropropano. Los compuestos C y D son los isómeros 1,l- y 1,2-, pero los datos que tenemos hasta ahora no nos permiten decidir cuál es cuál.

(c) C debe ser 1,2-dicloropropano, ya que éste es el Único de los dos compuestos no asignados capaz de presentar actividad óptica. Por Consiguiente, D es 1,l -dicloropropano.

* CH.) -CH -CH,Cl CH3--CH,--CHCl2

I CI 1, 1 -Dicloropropano

1,2-Dicloropropano Aquiral Quiral

(dl C1

I CH, -CH-~CH:CI ---f CH, CH-CHCI, + CH,-C -CHzCl + CICH,-CH--CH2C1

I I c1 CI

* * I

CI Activo 1, 2, 2-Tricloro 1, 2, 2-Tricloro- l. 2, 3-Tricloro

I CI

propano propano propano Quiral Aquiral Aquiral Activo Inactivo Inactivo

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

10. (a)Ninguno. (b) Un par de enantiómeros configuracionales.

CAPITULO 4

* CHz-CHz CH,"CH-CH,CI

I I I Br CI Br

1-Bromo-2-cloroetano: 2-Bromo- 1 cloropropano Aquiral Quiral

(c) I y I1 son enantiómeros conformacionales. IV, V y VI son conf6rmeros de un enantiómero configuracional; VII, VI11 y IX son confórmeros del otro.

CI CI CI

H

I

H

I1

Br I11

c1 IV

H V

H VI

CI VI1

H VI11

H IX

11. Interacción dipolo-dipolo atractiva entre 4 1 y "CH.,. Los grupos pueden separarse lo suficiente para evitar la repulsión de Van der Waals, y reposar a la distancia de estabilidad máxima en la que hay atracción.

69

CAPITULO 4

12. (a)Cero.


c1 p = o

Los dipolos de enlaces se cnulan

(b) Deben estar presentes los confómeros oblicuos.

H,J 1 A H '"t-

H H Los dipolos de enlaces no se anulan

(c) 12% oblicuo (como modificación racémica que no se puede resolver), 88% anti.

/I' = N+\' + NYp-,'

(1.12)' = N,,,, X O + Noblic (3.2)'

Nobl lc = 0.12 N,,,,, = I - NObjlc = 0.88

13. Se puede colocar la solución en un polarimefro, y ver si la muscarina es ópticamente activa o inactiva. Si es activa, lo más probable es que se trate de la sustancia natural, proveniente de un agárico de la mosca; la muerte accidental es muy posible y, de hecho, lo más probable. Pero si es ópticamente inactiva, tiene que ser material sintético que no pudo ser producido por una seta; la muerte no pudo ser un accidente, siendo casi con certeza ... un asesinato.

Como casi todo alcaloide (pág. 156), la muscarina es suficientemente compleja para ser quiral, y unos pocos minutos de trabajo con modelos demostrará que la estructura ilustrada en la página 161 no es superponible con su imagen especular. Al igual que la mayoría de las sustancias quirales, cuando se produce en un sistema biológico " e s dccir, mediante la acción de enzimas ópticamente activas- se genera en forma ópticamente activa: un enantiómero se produce selectivamente (estereoselectividad, Sec. 9.2) con preferencia sobreel otro. Pero cuando se sintetiza en el laboratorio con reactivos ordinarios, ópticamente inactivos, evidentemente se obtiene muscarina en su forma racémica, ópticamente inactiva. (Véase la Sec. 4.1 1.)

La estructura de la muscarina estuvo envuelta en un misterio aún más profundo que la muerte de George Harrison; sólo al cabo de 150 aiios de investigación en 1957 se dedujo finalmente su estructura. La estereoquímica de este compuesto ilustra gran parte de lo que hemos aprendido en este capítulo. La molkula contiene tres centros quirales ( s u e d e


localizarlos?), de modo que hay 23 y ocho formas estereoisomCricas: cuatro pares de enantiómeros. Las ocho han sido preparadas y se les ha asignado sus configuraciones. Solamenteuna,elisómero(2S,3R,5R),correspondealamuscarinanatural.(Lanumeración de las posiciones comienza en el O y prosigue en el sentido dextrógiro.) En forma de cloruro (X-=Cl-), este isómero tiene una [a], de +8. l. Su configuración absoluta ha sido establecida mediante una síntesis que, de hecho, se correlaciona con el ácid0 (+)-tartárico estudiado por Bijvoet (pág. 138). Así como la formación de (+)-muscarha en un sistema biológico es estereoselectiva, así su acción biológica es estereoespecíjica (Sec. 9.3): el (-)idmero enantiómero es fisiológicamente inactivo.

(Wilkinson,S.,“TheHistoryandChemisUyofMuscarine”,Q.Rev.,Chem. SOC., 15,153 (1961).)

El caso de George Hanison ha sido narrado detalladamente por Dorothy L. Sayers y Robert Eustace en su novela The Documents in the Case (Gollancz, Londres, 1930; Avon Books, Nueva York, 1971). AI ail0 de la publicación de The Documents, la seiiorita Sayers confesó haber hecho “un soberano ridículo” con el libro: al pensarlo mejor, concluyó que la muscarina natural sería, al igual que la sustancia sintética, ópticamente inactiva. En realidad, no debería haber cambiado de parwer: su confesión fue inexacta y se basó en una estructura incorrecta que había sido propuesta para el alcaloide. La base del libro es sólida: como quedó claro algunos ailos más tarde, la muscarina natural es ópticamente activa y puede distinguirse del material sintético usando un polm’metro.

Ahora bien, ¿la muscarina en el estofado de George Harrison era ópticamente activa o inactiva? ¿Quién lo hizo, si es que fue alguien? Ah, i s a b e eso sí que sería interesante!

14. Seguimos las guías establecidas para el problema 4.22.

(a)Tres fracciones, todas inactivas (aquirales o racémicas).

H cti, H

I CHICH2C‘HLC‘H,“C--<’I + H CHqCH: C--CH>CHI i

H CHLCH:CH> CI

Aquiral R Aquiral + enantiómero (S)

(b) Cinco fracciones, todas inactivas (aquirales o racémicas).


I C H I

R

+ enanti6mero (S)

H H Aquiral

(c)Siete fracciones: cinco activas, dos inactivas (ambas aquirales).

Observamos que se mantiene la configuración en tomo al centro quiral original (el inferior en estas fórmulas) "aunque puede cambiar la especiJicación (como sucede en la última fórmula).

CHZCHICH,

C+H

CH3 (S)-2-Cloropentano

daría

C H ~ C H Z C H ~ 1

I CH3 CHzCl

Aquiral R Inactivo Activo

CHzCHZCH3

cI-c-cI .I+"

(d)Siete fracciones: seis activas, una inactiva (racemica).

Nuevamente observamos aquí que se mantiene la configuración en tomo al centro quiral originaí (C-3), excepto cuando se rompe un enlace, por supuesto. En este caso particular, la ruptura de un enlace da un radical libre intermediario que pierde su configuración, con lo que se genera una modificación racemica.


CH2CH3 (I?) -2- Cloro -2,3-&metilpentano

daría

S Activo

1 CH 3

3R,4R

I CH3

3 R,4S

R Activo

Activo Activo

(e)Una fracción inactiva (racémica). (Oxidación de uno u otro -CH,OH.)

CHZOH COOH CHzOH

'$OH daría EtoH : ! T O H

H OH OH

COOH

- - - OH

CHzOH CHZOH COOH CHzOH 2R,3R 2S,3S

meso-1,2,3,4-Butanetetraol Modificación racémica

(f) Dos fracciones: una activa, una inactiva (compuesto meso).


(g) Dos fracciones, ambas inactivas (una racémica, una meso).

Ph I

H t OH

C - 0

Ph

Ph

R,S Meso

HOf:H H Hlf :H EIHtH H

Ph Ph Ph

R R S S R S Modificación racémica Meso

(igual a la primera estructura)

CHzCl

CH.,+. -+ CH, I

CzH, C2H, ( S ) -1- Cloro -2-metilbutano S,S

G


(C)

H+H,

C2Hs

CH2 I CH2Cl CHI

G + C H , t H - CH,$-H

C2HS C2HS (S) -1- Cloro -2-metilbutano S,S

H

CAPITULO 4

(d) Cualquiera que sea el --CH,OH que reaccione con HBr, el producto es el mismo.

R J L

2R,3S Idéruicos: girado sobre sí mismo Activo Activo

I

16. Los ácidos enantioméricos reaccionan con diferentes velocidades con el reactivo ópticamente activo,el alcoho1,paragenerarésteres diastereomkricos. Seconsumencantidades desiguales de los ácidos para dar cantidades desiguales de bsteres, y quedan cantidades distintas de los ácidos enantioméricos sin consumir. Entonces los tres productos son: los dos ésteres diaste- reoméricos, y ácid0 no consumido que contiene ahora un exceso de uno de los enantiómeros, por lo que es ópticamente activo.

4.25 (En la pág. 61 de esta Guía de Estudio.)


(a)V es la imagen especular de In; VI es la imagen especular de IV.

V VI Radical 3 - Cloro -2- butilo

a partir del cloruro de (R)-sec-butilo

(b) V y VI son diastereómeros

(c) Larelación de V:VI será la misma que la relaci6n de 111 a IV, puesto que existe la misma interacci6n metilo-metilo.

(d)V - meso; VI __f idmero RR.

C I

C1

Estado de transici6n

i

(e) El producto meso predominar& por la misma razón por la que predomina en la reacción con el cloruro de (S)-sec-butilo.

(f) RR: meso = 29:71.

5

Halogenuros de alquilo Sustitución nucleofi'lica alij¿ítica

5.2 (a) CH,CH20H + CH,CH2CH2MgBr -+ CH3CH20MgBr + CH3CH2CH,

(b) CH3CH20Na + H2S0, "-f CH3CH20H + NaHSO,

( c ) CH,OH + HCl - CH3CI + H 2 0

(d) (CH,),COH + K (CH,),COK + tH2

5.3 H CH3CH2CH2-X + CH,OH - CH3CH,CH2-0"CH, + X - i @

Halogenuro de alquilo Alcohol Eter protonado Ion halogenuro Sustrato Nucleójilo Grupo

saliente

CAPITULO 5 HALOGENUROS DE ALQUILO

H

CH,CH2CH2-0-CH, + CH,OH C- CH,CH2CH2"O"CH3 + C H 3 0 H 2 + 10

Eter protonado Alcohol Eter Alcohol protonado

5.4 (a)EstA claro que los dos &eres tienen configuraciones opuestas, por lo que ambos no pueden tener la misma configuraci6n del alcohol a-feniletílico. Uno de ellos debe tener la configuraci6n opuesta a la del alcohol del cual se deriva, de manera que una de las rutas de reacci6n debe haber ocasionado una inversi6n de la configuraci6n.

¿En cuál reacción sucedi6 la inversibn? Para hallar la respuesta, examinemos los pasos individuales de cada ruta. (La configuracih absoluta del alcohol (+)-a-feniletííico indicada a continuación es la correcta, pero esto en realidad no es importante; desde luego, en 1923 no se conocía, y podríamos haber trabajado el problema igualmente bien suponiendo cualcsquicra de las dos configuraciones para el material de partida.)

Hay cuatro reacciones en total. Como indica la naturaleza de los productos, en tres de ellas no se rompe ningún enlace del carbono quiral: estas reacciones se debieron realizar reteniendo la configuraci6n.

C'H, C'H,

H-C-O$H + K --+ H " C ' - O ~ K ' + +Hz

C'hH 5 C6H5 Alcohol Sin ruptura de

(+)-a-feniletííico enlaces del C* Retenci6n

C,H, Sin ruptura de enlaces del C*

Retenci6n (+)-Etila-

feniletil Bter

Alcohol (+)-a-feniletííico

Sin ruptura enlaces del C*

Retencibn

HALOGENUROS DE ALQUILO CAPITULO 5

Por lo tanto, la inversi6n debi6 haber ocurrido en la otra reacci6n: aquella entre el tosilato de a-feniletilo y el et6xido de potasio. En ella, la ruptura de un enlace del centro quiral es del todo consistente con la natura1e;ra del producto: un ani6n desplaza a otro.

(b) No importa cuál sea la pureza 6ptica del alcohol de partida. Lo que importa es que la pureza 6ptica de los Cteres formados por ambas rutas es la misma, como indican sus rotaciones iguales (aunque opuestas). Dado que el (+)-Cter se gener6 con retención completa, el (-)-Cter tiene que haberse formado con inversi6n completa.

(c) Este es un ejemplo claro de inversi6n completa de la configuración que ocurre en un paso fácilmente identificable, paso en el cual un ani6n desplaza a otro en un tipo de reacci6n que pronto se conoce^ como sustituci6n nucleofílica. El reconocimiento de que la inversi6n se llev6 a cabo, y de que fue completa, no dependid de conocer la pureza Óptica ni del material de partida ni de los productos; y tampoco del conocimiento (previo) de sus configuraciones relativas.

El axioma de que la configuraci6n no puede cambiar en una reacci6n que no implique ruptura de uniones del centro quiral no ha sido establecido firmemente ni antes ni ahora, y Phillips mismo tan S610 dice de tal reacci6n que “el cambio de configuraci6n ... es improbable”.

Phillips, Henry, “A New Type of Walden Inversion”, J. Chem. Soc., 44 (1923).

5.5 Cuando una molkula de halogenuro sufre intercambio e inversidn, se pierde la actividad 6ptica de dos moléculas, puesto que la rotaci6n 6ptica de la molkula invertida anula la rotaci6n de UM molécula que no ha reaccionado.

En esta reacción participa un halogenuro de alquilo, el sustrato ckisico para la sustitucidn nucleofílica. No era posible saber con seg&dad cud es la configuraci6n relativa o la pureza 6ptica de un halogenuro de alquilo, puesto que su preparaci6n tenía que suponer la ruptura de un enlace del carbono que recibe al hal6geno. Sin embargo, tenemos aquíun experimento del cual se puede deducir una conclusi6n que no depende del conocimiento de la configuraci6n relativa de un halogenuro de alquilo, o de su pureza 6ptica: toda molkula sometida a sustitución sufre una inversidn de la configuracibn. Además, esto se observó para una reacci6n que presenta una cinCtica de segundo orden, por lo que es claramente del tipo que, en el mismo atlo, ya había sido denominada como S$ (pág. 182).

Hughes, E. D., Juliusberger, F., Masterman, S., Topley, B., y Weiss, J., “Aliphatic Substitution aild the Walden Inversion. Part I”, J. Chem. Soc., 1525 (1935). Para la publicacidn que por primera vez expone la teoria completa de la sustituci6n nucleofílica alifática, v& Hughes, E. D., e Ingold, C. K., “Mechanism of Substitution at a Saturated Carbon Atom”, J. Chem. Soc., 244 (1935).

79

CAPITULO S HALOGENUROS DE ALQUILO

5.6 Esperamos obtener el (R)-2-octanol de [a]-6.5".

CbH I C,H \ 1

B r - c - H H-C-OH s,2

CH, CH,

[a] = +24.9" [a] = -6.5"

(S)-(+)-2-Brornooctano (I?)-(-)-Z-Octanol

Pureza cjptica 63% Pureza 6ptica 63%

Nos referimos a las configuraciones asignadas y rotaciones dadas en la pitgina 183. Puesto que nuestro reactivo es (+)-2-bmmooctano, tiene la configuración opuesta a la indicada para el (-)bromuro. Si el 2-bromooctano ópticamente puro tiene una rotación específica de 39.6O, nuestro reactivo tiene una pureza óptica del 63%.

Pureza 6ptica = __ x 100 = 63:" 24.9 39.6"

La reacciiin es S,2, por lo que debe llevarse a cabo con inversión completa: el 2-octano1 tendr6 la configuración opuesta a la del bromuro inicial y tendrh la misma pureza óptica, 63%. (Resulta que tiene la especificación opuesta, R.)

63 - X - 10.3' = - 6.5 I O0

5.7 (a) Se nos dan las configuraciones y rotaciones específicas del cloruro y del alcohol iipticamente puros:

CfJS

H-C-Cl

CH 3

Cloruro de @)-(-)-a -feniletilo

[a] = - 109

Ct,H,

H-C-OH

CH, Alcohol

(I?)-(-)-a-feniletilico [a] = -42.3"

Puesto que nuestro reactivo tiene [a] - 34O, es

34" 109'

~ x 100 = 31% 6pticamente puro


5.8

5.9

5.10

y tiene la misma configuraci6n que la reciCn indicada. Dado que nuestro producto tiene [a] +1.7', es

1 .I" ~ X 100 = 4.0% 6pticamente puro 42.3"

y tiene (un exceso de) la configuraci6n opuesta a la que se indic6 antes.

(b) y (c) Puesto que el producto tiene la configuraci6n opuesta del material de partida y es de pureza 6ptica inferior,

Pureza 6ptica producto 4.0 Pureza 6ptica reactivo 3 1 .O

-~ - = 13%

la reacci6n ha procedido con inversi6n (13%) m& racemizaci6n (87%). Por cada molkula que sufre ataque por la parte de atrh, se genera un par radmico y se

pierde así la actividad 6ptica de dos molkulas. Por consiguiente, 43.5% de las molkulas sufren ataque frontal (retencih), y 56.5% son atacadas poratrds (inversi6n). Los 43.5% con retenci6n de laconfiguraci6n anulan la actividad de otro43.5% con configuraci6n invertida para dar 87% de producto radmico, dejando así la pureza 6ptica en un 13% del valor original.

La reacci6n SN1 es lenta, porque el cati6n neopentilo es primario y, por lo tanto, se forma despacio. La reacci6n SN2 es lenta debido al factor estbrico: aun cuando s610 hay un sustituyente unido a --CH,X, se trata de uno muy voluminoso, el 1-Bu. ( V h s e las phgs. 188-189.)

Parece probable una transposici6n de un cati6n secundario a uno terciario. V h s e las ecuaciones en las @ginas 3 10-3 1 l .

La expresi6n de la velocidad consta de dos partes. SN1 y S,2:

r"-7 velocidad = 4.7 x IO-5[RX][OH-I + 0.24 x IO-S[RX]

S N 2 S N 1


De aquí podemos establecer el porcentaje debido a SN2:

4.7[OH - 1 o/s 2 = _ _ _ ~ ~

4.7[OH. ] + 0.24 / o N x 100

Finalmente, podemos calcular el porcentaje debido a S,2 para &versos valores de [OH-]:

(a) Cuando [OH-] = 0.001, " / , S N ~ = 4.7 x 0.001

4.7 x 0.001 + 0.24 -- X 100 = 1.9%

Análogamente:

(b) [OH-] = 0.01,%S,2 = 16.4 (d) [OH-] = 1.0, %S,2 = 95.1

(c) [OH-] = O.I,yiSN2 = 66.2 (e) [OH-] = 5.0. %SN2 = 99.0

5.11 Cloración del neopentano por radicales libres. Los sencillosradicales libres alquilo exhiben una escasa tendencia a la transposición. (Nora: Este es uno de los pocos casos en donde la halogenación de un alcano es susceptible de prepararse en el laboratorio.)

5.12 (a) ROH + HC1 t- R O H z t + C1

(b) La formación de R'. (c) R O T . (d) ROH y HC1. (e) También en la concentración de kido. No siempre, evidentemente.

CH, I I I 1

C'H, C'H, Br OH

c H 3

1. (a) CH, -C -CHzBr (b) C'H,-- C-CH20H (c) CH, CH CH2

CH, CH, I ' CH,

1 (d) CH,-CH,-- CH-C-CH, (e) CH, C'H, CH C'H- C H , ( f ) C'H,CH20-Kt

CI OH


4.

F H I I I 1 F H

(g) F-C--C-OH

CHS I

(h) CH, --CH-CH,-O-Ts

CH, y , 2. (a) CH, -CH--CHz I

I CI

(b) CH,-CH CH- CH, I

1-Yodo-2-metilpropano 2-Cloro-3-metilbutano

CH, I (c) CH,"CH-C-CH,"CH,

1 1 Br CH,

2-Bromo-3,3-dimetiI pentano

H,C CH, I 1 I 1 (e) CH,---CH?--CH-CH--CH, ( f )

1 1 C1 OH C1 Br

3-Cloro-2-pentanol 2-Bromo-3-cloro-2,3-

CH,-C-C-CH,

dmetilbutano

3. (a) CH,CHZCH,OH + HI -~ + CH3CH2CH21 + HzO o bien

6CH,CH?CH,OH + 2P + 31, ----+ 6CH3CHzCHzI + 2H3P0,

(b) CH,CH2CH,Br + Nal -aE!5 + CH,CHZCH21 + NaBr

(C) CH,CH,CH20Ts + Nal acetonya + CH,CH,CH21 + NaOTs

(a) CH,CH2CH2CH,0H (b) no hay reacci6n Alcohol n-butílico

(c) CHSCH2CH2CH, (d) CH,CH2CH2CH2-CH,CH3 n-Butano n-Hexano


(e ) CH3CH,CH2CH2MgBr ( f ) CH,CH2CH,CH2D Bromuro de n-Butano-1-d

n-butilmagnesio

(g) no hayreacci6n (h) CH3CH2CH2CH21 (i) no hay reacci6n Yoduro de n-butilo

5. (a) ~ - B U N H ?

(d) n-BuOEt

(b) n-BuNH I Ph

(e) n-BuO---C-CHi I 1 O

(c) n-BuCN

(f) n-BuSCH3

6. (a) NaI, acetona (b) NaCl (c) CqONa (d) NaOH(ac) (e) KCN (f) NHj (exceso) (g) Mg, (h) Li; luego CUI

7. Se controlan los factores est6ricos. El orden SN2 usual es 1" > 2" > 3", y lento para un G voluminoso en G--C€$X.

?HI (a) CH3CH2CH2CH2-CH2 > CH,CH,CH,-CH-CH, > CH3CH2-C-CH,

I I I Br Br Br I <' 2'' 3'

CH3 CH, CH3 (b) CH,(!HCH2-CH2 > CH3&H--CH-CH3 > CH3-&-CH2CH3

I I I Br Br Br I " 2 3'

CH, CH3 I (C) CH3CH2CH2-CH2Br > CH,(!HCH2-CH,Br > CH3CH,CH-CH2Br >

G = n-Pr- ;SO-BU - sec-Bu

84


8. Se controlan los factores polares: cuanto más estable sea el cati6n que se genera en la ionizaci6n inicial, tanto más rápido será la reacci6n. El orden usual es

3" > 2" > 1"

CH, I I I I

3" 2" I "

(a) CH3CH2-C-CH, > CH,CH,CH,-CH-CH, > CH3CH2CH2CH2-CH2

Br Br Br

CH3 I I I I

3 (' 2" 1"

CH3 I CH3 i

(b) CH,"C"CH,CH3 > CH3CH"CH"CH, > CH3CHCHZ-CH2

Br Br Br

9.

SN2 SN1 ~~~~ ~

(a) Estereoquímica (b) Orden cmético (c) Transposiciones (d) Velocidades relativas (e) Velocidades relativas (f) Incremento en la

temperatura (g) Aumentar al doble [RX] (h) Aumentar al doble [OH-]

~

Inversi6n 20. orden No Me >Et >i-Pr >t-Bu RI >RBr >RCl

~~

Mayor velocidad La velocidad se duplica La velocidad se duplica

Racemizaci6n ler. orden sí t-Bu >i-Pr >Et >Me RI >RBr >RCl

~~~~~

Mayor velocidad La velocidad se duplica La velocidad no se ve afectada

10. En general, el orden de reactividad es

3" > 2" > 1" < MeOH

L o s factores electr6nicos son importantes excepto para alcoholes primarios, en cuyo caso los factores est6ricos ejercen el control.

CH, I I I

OH 3" 2" 1"

CH, I (a) CH,-C-CH, > CH,CH2-CH-CH, > CH,-CH-CH,

OH OH I

CAPITULO S HALOGENUROS DE ALQUILO

(b) CH,CH,-CH-CH,CH, > CH3CH2-CH--CH2"CH2 > I I I

OH OH F

F I

CH,CH,-CH-CH-CH, > CH,CH~-CH-C-CH, 1 1

OH F I I

OH F

Todos son 2' (la velocidad disminuye con la cercanía y el número de fluoros que atraen electrones).

C2H5 CZH, CzH5

(b) H-C-O+H ?%& H-C+O-TS C , H 5 0 ~ K + + C2H,0-C- H

CH3 CH, CH, Alcohol (R)-sec-butiliw (S)-sec-Butiletil éter

Retención de la configuración en (a); inversidn de la configuraciijn en el últirno paso de (b). (Compárese, esta respuesta con la del problema 5.4 recién vista.)

13. Hay dos posibilidades extremas. En UM de ellas, (1) el alcohol protonado se disocia para dar un carkatión plano, cuya hidratación puede ocurrir en cualquier cara para dar el alcohol racémico;

(la) ROH + H' e ROH2+ -+ R' + H,O

( lb) R' + H 2 0 -+ ROH,' ROH + H'


en la otra, (2) el alcohol protonado sufre un ataque SN2 por el agua, con inversión y @rdida de actividad óptica. (Vhse la respuesta del problema 5.5 reciCn vista.)

De hecho, estudios realizados con q180 dieron resultados similares a los del problema 5.5: cada reemplazo de oxígeno es acompfiado por inversi6n. Obviamente la reacción es SN2. (O tiene una gran proporci6n de curúcter SN2. Si estd implicado un intermediario catiónico -un carbocatión impedido (Sec. 6.9)-, Cste no durara lo suficiente como para intercambiar su %O por el lado frontal (saliente) por %O del disolvente, ya que, en este caso, la recombinación de H,O por el lado frontal daría un intercambio sin inversión, lo que sería contrario a los hechos.)

14. (a) Sustituci6n nucleofílica con el alcohol protonado como sustrato y una segunda molécula de alcohol como nucldfilo.

(b) Primero ROH + H' e ROH2' Alcohol Alcohol

Protonado

en seguida, cualesquiera de los dos, SN2 H I O

ROH + R"OH2' - -+ R 4 - R + HzO Alcohol Alcohol Eter Agua

Nucleóflo protonado protonado Grupo Saliente Sustrato

o bien, S,1 ( I ) R-€)H2+ -- + R t + H z 0

Alcohol Carbocatión protonado

y, finalmente,

H

(2) ROH + R + - R-O-R Alcohol Carbocati6n Eter

10

protonado

H IO

R-O-R R 4 - R + H' Eter Eter

protonado


15.

16.

17.

(a) L a transposición de un carbocatión intermediario. V b s e el mecanismo E 1 en la página 267; para la transposición, vhse las pdginas 280 y 281.

o>) Véase el mecanismo E2 en la página 266. El único alqueno que se puede formar por pérdlda simultánea de H y Br es 111.

(c)Lo que aquí apreciamos como eliminación es una competencia entre mecanismos alternativos, tal como vimos para lasustituci6n nucleofílica en la sección 5.24. Nuevamente, uno (el El) es unimolecular, mientras que el otro (el E2) es bimolecular: en efecto, el primer paso -y el que controla la velocidad- del El es el mismo que el primer paso de S,1.

Seguimos aquí un razonamiento semejante al del tercer párrafo de la página 2 1 1, excepto que ahora nos preocupa un reactivo que actúa como base, más que como nucledfilo. En (a), la base es el disolvente débilmente básico, el etanol, el cual espera hasta que el carbocatión se haya generado antes de separar un protón: la formaci6n de un carbocatión da, por supuesto, la oportunidad de una transposición. En (b), la base es el ion etóxido, fuertemente básico, el cual ataca al propio sustrato en unareacción de un solo paso que no da oportunidad para que ocurra una transposición.

(Aquí, la situación es estrictamente análoga a la descrita en la página 206 para la sustitución en el bromuro de neopentilo; en efecto, incluso los reactivos son los mismos "etanol, por una parte, ion etóxido, por otra- pero en ese caso actúan como nucleófilos, y no como bases.)

(d) En (a), los productos S$: IV (y probablemente un poco de V).

YH3

CH,--&CH--CH, I t

H3C OC2H5 3-Etoxi-2,2-dimetilbutano

V

En (b), el producto S,2: solamente V.

(a)CH,I, CH,Cl,, y posiblemente C,H,Br. (b) C y 1 (El color violeta se debe al IJ (c)Br "+ Br,, el cual tiene un color café rojizo en CCI,; el C1- no se ve afectado.

(a) CH,CH2CH2Br +rBri CH,CH2CH20H

(b) CH,CHzCH21 ~ " d CH,CHZCH20H

(c) CH,CH2CH20Na f N'1 CH,CH?CH,OH

(d) CH,CH2CH2CN -N~'-N- CH3CH,CH2Br +-- (a)

(e) CH~CH~CH,NH~ E 1 CH,CH,CH,Br +- (a)


(f) H

, I CH3CH2CH2Br t- (a)

C H , C H ~ C H , ? N - - C H ~ C H ~ C H , +

L " C H 3 C H , C H 2 N H , + (e)

I CH,CH,CH,Br t- (a)

1 CH3CH2CH20Na t- (c)

(h) CH,CH2CH, CH,CH2CH2MgBr +MA CH,CH2CH2Br t- (a)

(i) CH,CH2CH2D @ CH3CH2CH2MgBr CH,CH2CH2Br t- (a)

C H ~ C H ~ C H ~ + C H ~ C H , C H ,

I CH3CH2CH2Br t- (a)

4 I (CH,CH,CH, ) ,Cu l . i CH3CH2CH,Li

18. (a) CH,CHCH, 4°C' CH,CHCH, I I

CI OH

(b) CH,CH20Ts +Lsg-~ CH,CH20H

(d) CHJCH2CN f - - CH,CH2Br CH,CH20H <'N

CAPITULO 5

( f )

O

HALOCENUROS DE ALQUILO

(g) CH,CH2CHCH, fig CH3CH2CHCH, +Mglg CH3CH2CHCHJ e CH,3CH2CHCH, 1 I I I D MgBr Br OH

r C H j C H 2 C H z B r C H j C H z C H z O H

Función del disolvente Enlace secundario

6.1 Róticos: a, d, f, h, i.

Podemos dibujar la estructura de cada molécula y observar el H unido a O o a N. Si hay un grupo O - H o N-H, el compuesto es prótico; sino, es aprótico.

H

(a> H - L H (b) O=S=O Amoniaco Dióxido de

Prótico azufre Aprótico

H I I

C1

Cloruro de metileno Aprótico

(c) H-C-CI

H H I I I I

H H Etanol Dietil dter Prótico

Prótico Aprótico

H H H H I I I I I I I I

O / I (d) H"C--C--O---H (e) H - C - C O C - C - H (f) CH3-C O- -H

H H H H Acido acético

O I I

O H O H I I I I / I

(8) CH,-C-CH, (h) H---C"N-H ( i ) H ~ - - C - N --CH, Acetona Farmamida N-Metilformamida Aprótico Prótico Prótico

H 2 C " C H 2 H l C " C H 2 (j) CH,-"C=N (k) ' ' (1) ' '

H2C, ,CH2 O

Teuahidrofurano

Acetonitrilo Aprótico

Aprbtico Sulfolano Aprótico

CAPITULO 6 FUNCION DEL DISOLVENTE

6.2 (a) Los grupos CK, son hidrocarbonados y, por lo tanto, lipofílicos. Su unión con el nitrógeno del amoniaco hace que este catión también sea lipofílico, de ahí que estk mejor solvatado por disolventes no polares; cuando el catión entra en uno de estos disolventes, saca al ion cloruro para balancear su carga, y la sal se disuelve.

(b) Aumentando el tamaño de cada grupo hidrocarbonado-a CH$qC%C$, por ejemplo" podríamos incrementar el carácter lipofílico del catión y la solubilidad de la sal en disolventes no polares, (Como veremos en nuestro análisis de la transferencia de fuses, Scc. 6.7, una solubilidad de este tipo es de gran importancia práctica.)

6.3 En reactante, la carga está concentrada principalmente en el átomo de azufre: en el estado de transición, éSta se encuentra dispersa sobre el azufre y el carbono. Un disolvente polar forma enlaces ion-dipolo más fuertes con el reactante que con el estado de transición, de manera que estabiliza más al reactante.

R-i(CHI), "--j [K----s(c"liz] -+ R + + S(CH1), f i* 6 ,

Reactante Estado de transición Productos Carga concentrada: Carga dispersa más estabilizada que

el estado aé transición por solvatación

Aquí, el efecto desactivante es mucho más débil que la fuerte activación descrita para la heterólisis de un halogenuro de alquilo (Sec. 6.5). En aquel caso, una molécula neutra se convirtió en dos iones, y se generó una carga considerable al pasar del reactante al estado de transición. En el caso presente, un ion (un ion sulfonio) se convierte en otro (un carbocatión); al pasar del reactante al estado de transición, la carga simplemente se dispersa. En gencral, podemos esperar que la polaridad del disolvente ejerza efectos poderosos donde se crea o se destruye la carga, y efectos débiles donde la carga se concentra o se dispersa.

6.4 (a)Los reactantes son moléculas neutras; en el estado de transición se comienzan a desarrollar las cargas positiva y negativa. Un disolvente polar forma enlaces dipoldipolo bastante más fuertes en el estado de transición polar que con los reactantes débilmente polares, y de esta forma estabiliza más al estado de transición.

H A N + R X [H ;N- - - -R- - - -k ] -3 H,N K t x 6 ,

Reactantes Estado de transición Productos M á s polar que los

reactantes: más estabilizado por

solvatación

(b) Aquí, los dos reactantes con carga forman dos productos sin carga; en el estado de transición, ambas cargas comienzan a desaparecer. Un disolvente polar forma enlaces mucho más fuertes (ion4ipolo) con las cargas completas que van a desaparecer de los

92

FUNCION DEL DISOLVENTE CAPITULO 6

ri 6 - HO- + (CH,),S+ ---+ [HO----CH,----S(CH,)*~ + HO -CH, + s (cH,)~

Reactantes Estado de transicih Productos Cargas a punto de Cargas disminuidas

desaparecer: más estabilizadas

que el estado de transición por solvatación

(c) En uno de los reactantes la carga está esencialmente concentrada en el átomo de azufre; en el estado de transición, éSta se encuentra dispersa sobre los átomos de azufre y de nitrógeno. Un disolvente polar forma enlaces ion-dipolo más fuertes con los reactantes que con el estado de transición, y así estabiliza más a los reactantes.

(CH3)3N + CH,-S(CH,), + [(CH3)3N----CH3---"S(CH3)2 + 6, 6 , 1

Reactantes Estado de transicih Carga concentrada: Carga dispersa

más estabilizada que el estado de transición

por solvatación

6.5 El ion bisulfato es una base sumamente débil que casi no tiene poder como nucleófilo y, a diferencia del ion hidróxido, no puede competir con el nucleófílo que queremos que ataque al sustrato.

1. En la interpretación de la prueba experimental, comúnmente procedemos por etapas. En primer lugar resumimos lo que muestru la prueba: interpretamos lo que se observa en términos de lo que probablemente está ocurriendo, indicamos un patrón, acaso, o bien hacemos una generalización (tentativa). Entonces, si es posible, proseguimos con las etapas posteriores y tratamos de explicar lo que esd ocurriendo: para relacionar nuestra primera interpretación elemental con el comportamiento químico en otras áreas y, si podemos, explicar lo que está ocurriendo bashdonos en principios fundamentales. Así, nuestra respuesta comienza con afirmaciones que quid no están bien fundamentadas y va avanzando hacia ideas que son cada vez más especulativas.

El enlace entre un catión y una molkula de agua es un ion-dipolo: la atracción entre la carga positiva del ion y el polo negativo (esencialmente, los electrones no compartidos) del agua. La fuerza de este enlace se mide por el calor liberado cuando se forma el enlace.

(a) Esta evidencia muestra que la fuerza del enlace depende del tamaño del catión: el enlace es más fuerte para el catión más pequeilo, H', y m& débil para el más grande, Rb'.

93


Nuestra interpretación es la siguiente. La cantidad de carga es la misma (más uno) en todos los cationes. Sin embargo, lo que varía con el tamalio del ion es el grado en que esta carga se dispersa. La atracción electrostática es más fuerte para la carga concentrada en un ion pequeño; cuanto más grande sea el ion, más difusa será su carga y más débil la atracción electrostática.

(b) La prueba muestra que la fuerza del enlace depende de cuántas moléculas de agua mantiene el ion: a mayor número de moléculas ya unidas corresponden un enlace más dkbil con la siguiente.

Nuevamente nos estamos refiriendo a la dispersión de la carga, y esta vez con todo el ion hidratado. A medida que se une cada molécula de agua, el ion va siendo más grande y la carga más dispersa (pág. 228), y la atracción electrostática para la siguiente molécula de agua se vuelve más débil.

2. Los sustituyentes alquilo en un cartxxatión voluminoso estabilizan al catión justamente como lo hace un grupo de molkulas de disolvente: através de la dispersión de lacarga (pág. 228). La única diferencia es que los sustituyentes están unidos por enlaces covalentes y las moléculas de disolvente están unidas por enlaces ion-dipolo.

3. La especie predominante es la que se mantiene unida por los puentes de hidrógeno más fuertes: aquellos en los cuáles la molécula más ácida, el agua, es la donadora del puente de hidrógeno, y el átomo más básico, nitrógeno en amoniaco, es el aceptor del puente de hidrógeno (pág. 222).

4. Añada estos renglones a su tabla.

SN2 S,'

(i) Incremento de H,O Poco efecto Más rápida en disolventes más polares (j) Incremento de EtOH Poco efecto Más lenta (k) HMPT como disolvente Más rápida Más lenta

5. En el disolvente polar DMSO, los iones halogenuro se encuentran poco solvatados y el orden de su reactividad es el mismo que el mostrado para los iones no solvatados en fase gaseosa, lo cual refleja la fuerza del enlace C-X que se esd formando (pág. 234). Esto es lo opuesto al orden de su reactividad en disolventes próticos como el metanol, en donde los iones más duros y pequeños son solvarados con más fuerza a través de los puentes de hidrógeno, por lo que están fuertemente desactivados .

6. (&Ya que estos compuestos tienen casi el mismo peso molecular y aproximadamente la misma forma (cadena recta), buscaremos otras causas para explicar las diferencias en los puntos de ebullición.

El n-pentano es no polar, de ahí que sus moléculas se mantengan unidas entre s í sólo por fuerzas de van der Waals. El éter dietííico tiene un momento dipolar pequeilo, el cual únicamente debería dar lugar a enlaces dipols-dipolo débiles. Estos dos compuestos tienen los puntos de ebullición más bajos.

Con el cloruro de n-propilo, el momento dipolar aumenta; los enlaces dipolo-dipolo más fuertes causan un modesto aumento en el punto de ebullición. Con el n-butiraldehído, este efecto es más marcado: un momento dipolar más grande, enlaces dipolo-dipolo aún más fuertes y un punto de ebullición, bastante más elevado.

FUNCION DEL DISOLVENTE CAPITULO 6

Con el alcohol n-butííico observamos un gran salto en el punto de ebullición, a pesar de un marcado descenso en el momento dipolar. La explicación es que el alcohol es un liquido asociado (Sec. 1.20); su "anormalmente" alto punto de ebullición se debe a la gran energía necesaria para romper los puentes de hidrógeno que mantienen unidas a sus moléculas. (Pese a que el éter y el aldehído contienen oxígeno, el hidrógeno que contiene estA unido solamente a carbono; estos hidr6genos no son lo suficientemente positivos para formar puentes de hidrógeno.)

(b) La solubilidad en agua depende principalmente de la capacidad de un soluto para formar puentes de hidrógeno con el disolvente.

El n-pentano y el cloruro den-propilo no contienen F, O, ni N, no pueden formar puentes de hidrógeno y son insolubles en agua.

El alcohol n-butílico contiene un grupo de " O H 8 travCs del cual, actuando como aceptor y como donador, puede formar puentes de hidrógeno con el agua. El éter dietííico y el n-butiraldehído no pueden servir como donadores de puentes de hidrógeno ( v h (a), en párrafos anteriores), pero a trav6s de sus oxígenos pueden aceptar puentes de hidr6geno del agua. El grado de solubilidad de cada uno de estos tres compuestos (7-8 g por 100 g %O) refleja el balance entre su porción hidrocarbonada y su porción polar formadora de puentes de hidrógeno.

7. La cinética de segundo orden indica que todas estas reacciones son S,2. Seguimos el planteamiento de la sección 6.6 y de los problemas 6.3 y 6.4.

(a) Aquí tenemos la reacción entre un sustrato neutro y un reactivo con carga negativa, igual que en el ataque de OH- sobre RX estudiado en las psginas 232 y 233. !- 11 disolvente polar prótico estabiliza más al ion yoduro que al estado de transici6n, y tiende a retardar la reacción. Conforme disminuyen la polaridad y la capacidad del disolvente para formar puentes de hidrógeno (H2O>C€$0H>C2H,OH), tambiCn va decreciendo la desactivación del nucleófilo, y hay un moderado incremento en la velocidad.

*I- + CH,-I + [ *;"-CH,".-I "1 - *I"CH3 + I

Reactantes Estado de transición Productos Carga concentrada: Carga dispersa mris estabilizada que el estado de transición por

solvatación

(b) Como el problema 6.4 (a) de pAginas anteriores los reactantes son neutros, y el estado de transición es polar. El n-hexano es no polar; para el cloroformo podemos esperar un gran momento dipolar (Sec. 1.16). Con este gran incremento en la polaridad del disolvente, hay un gran incremento en la velocidad.

R,N + CH,-I - [ R,N----CH,----?] --f R,N-CH, + I

Reactantes Estado de transición Productos Más polar que los

reactankes: mris estabilizado por solvatación

6 ,


(c) El sistema es similar al de la parte (a), con una marcada estabilizaci6n -y por lo tanto desactivación- del ion bromuro por el disolvente pr6tic0, metanol. El disolvente apr6tico HMPT se enlaza principalmente con el catión @Ag. 234) y deja al anión relativamente libre y bastante reactivo; el resultado es un enorme incremento en la velocidad.

Reactantes Estado de transici6n Carga concentrada: Carga dispersa

m¿is estabilizada que el estado de transición por

solvatación

Productos

8. (a)Los enlaces ion-dipolo en los que participan los pares de electrones no compartidos en los átomos de oxígeno.

/7

(b) Véase el quinto párrafo de la página 698.

9. En este disolvente débilmente ionizante esperamos un considerable efecto de formaci6n de pares iónicos, el cual estabiliza y, por lo tanto, desactiva a los iones halogenuro (pAgs. 236-237). Esta atracci6n electrostática deber& ser m k fuerte entre las cargas concentradas sobre los iones más pequefios. El pequefio Li' forma pares iónicos fuertes; el gran ion cuatemario (cuat) con su carga compartida por los voluminosos grupos alquilo, s610 forman pares iónicos, sueltos.

Así pues en presencia de ion cuaternario (cuat) los iones halogenuro estAn relativamente libres, y muestran el mismo orden de reactividad que tienen en la fase gaseosa (compkese con el problema 5). En presencia de Li', cuanto m& pequeAo sea el halogenuro, m& fuerte sed el par i6nico y menos reactivos los nucledfdos; el orden de reactividad es el mismo que el observado en disolventes próticos -y por igual motivo.

10. Las moléculas en Acido sulfúrico concentrado se mantienen unidas por muchos puentes de hidrógeno muy fuertes. Hay dos grupos OH muy ácidos, por lo que son donadores poderosos de puentes de hidrógeno (pág. 222), y hay cuatro oxígenos que sirven como aceptores de dichos puentes. El resultado es una red tridimensional en la cual las moléculas de Acido sulfiírico sólo pueden moverse con dificultad: se trata de un líquido viscoso.

Para el glicerol, con sus tres grupos OH, la situación es la misma. (Un factor que contribuye es que todos los OH son más ácidos que un alcohol ordinario debido al efecto inductivo de atracción de electrones de los otros grupos OH.)

Los compuestos m L conocidos que forman estos líquidos viscosos -notables para los químicos orghnicos" son, por supuesto, los azúcares. Vhse , por ejemplo, la^-(+)- glucosa en la página 1259.

Alquenos I. Estructura y preparación

Eliminación

7.1 Escribamos primero todos los idmeros que podamos, sin considerar los idmeros geom6tricos. Debemos tener especial cuidado de ver que ningún carbono tenga más de cuatro enlaces. Como siempre, seamos sistemiticos.

H H I I

(2 y €1

( 4 H H I I y 3

CH3CHZCH2-C=C-H C H ~ ~ C H ~ " C = C " C H ~ CH3CH>-C=C---H I H

y y 3 H H CH3 I l l C H ,"c=C"c H 3 H-C=C"CH"CH,

(c) H H C1 H I I I 1 CH,CHZ"C=C-Cl CH3CH2-C=C"H

(Z y E )

H H I /

H H I I

CH,CH-C=C-H CH2CH2-C-C-H I I c1 CI

CAPITULO 7 ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

Veamos ahora cuáles de éstos pueden existir como un par de isómeros geornétricos. Como estudiamos en la página 253, sólo pueden existir isómeros geométricos si cada uno de los carbonos del enlace doble contienen dos grupos diferentes: si uno de ellos está unido a dos grupos identicos, no hay isómeros geométricos.

Podemos verificar nuestras conclusiones dibujando los posibles isómeros tan simétricamente como nos sea posible (igual que en las p6gs. 253-254) y tratando de superponerlos. Recuerde: estas fórmulas representan moléculas planas, y se pueden manipular (mentalmente) como lo hm'amos con modelos reales "podemos rotarlas y volterlas" Si no logramos superponerlas, representan un par de isómeros geomémcos.

7.3 El orden de los isómeros es el de la respuesta al problema 7.1. Los isómeros geomémcos se especifican como Z o E en la segunda parte del problema 7.1. (a>

1 -Penteno 2-metil-1-buteno (b) (2)-lcloropropeno (Z)-2-penteno 2-metil-2-buteno (E)- 1 cloropropeno (E)-2-penteno 3-metil-1-buteno 2-cloropropeno

3-cloropropeno

98

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION CAPITULO 7

7.4 (a) El trans- 1 ,2-dicloroeteno es no polar; en 1,l- y en cis- 1 ,2-dicloroeteno, el dipolo se halla en el plano de la moltkula a lo largo de la bisectriz del Angulo entre los h m o s de cloro.

H CI \c/s

I I CI &c\H

p = o dipolo neto ++

(b) El compuesto C, tiene el mayor momento dipolar debido a la liberaci6n de electrones por parte de los dos grupos 2% en la misma direcci6n que la del dipolo C - C l .

H CI \cP

I I

H CI QC$

CH, C1

(c) El dipolo neto se halla en direccidn de los &tomos del C1, pero es menor porque los dipolos C-Br se oponen a los dipolos C-Cl .

Br CI

I I

Br C1

dipolo neto *

7.5 Se trata de eliminaci6n - 1,2: para generar un enlace doble se debe perder un hidr6geno del carbono vecino al que pierde el halógeno, es decir, se debe perder un hidr6geno-/3.

CT I - /c=c \ / \

+ H : B + X - H L B

Para predecir los productos que se formardn en cada uno de estos cs~sos, seguimos el procedimiento de la página 263. Simplemente escribimos la estructura del halogenuro de alquiloe identificamos todos los hidr6genos-P. Podemos esperar un alquenoque corresponda al p6rdida de cualesquiera de estos hidr6genos-P, pero ningún otro alqueno.

(a) 1-Penteno.

El 1-cloropentano s610 puede perder un hidr6geno del C-2, por lo que S610 puede dar 1-penteno.

H I I I

H C1 1 -Penteno

CH3CH,CH2"C"CH, -+ CH,CHZCH,CH=CH2

1-Cloropentano Producto Único

99


(b) 1-Penteno y 2-penteno (Z y E).

El 2-cloropentano puede perder hidrógeno tanto del C-1 , para dar 1 -penteno,

H H I / I I

CI H

CH,CH?CH? PC C- H ---+ CH,CH,CHZCH=CHZ 1 -Pentcno

2-Cloropentano

Como del C-2, para dar 2-penteno.

H H I /

CH ,CH, <' C,' CH; + CH,CH2CH -CHCH, I 1

H ( ' I 2-Cloropentano

2-Penteno (Z y L.)

El 2-penteno existe como isómeros geométricos, pudihdose formar cualesquiera de ellos.

(a-2-Penteno (E)-2-Penteno (cis-2-Penteno) (tran~-2-Penteno)

(c)2-Penteno (Z y E).

El 3-cloropentano puede perder hidrógeno del carbno a uno u otro lado del C-3, pero el producto es el mismo: 2-penteno.

H H H I l l I l l

CH, C C~ C' C H , + CH,CH,CH~=CHC'H., ( = CF(CH~-CHCH,CH,)

H C1 H 2-Penteno (Z y E ) 3-Cloropentano Unicos productos

(d) 2-Metil-2-buteno y 2-metil- I-buteno.

H CH, CH, I C H ,

1 . I I C'H, -C c' CH, + CH,CH- C CH., + CH,CH,C CH,

I 1 H ('1

2-Cloro-2-metibutano 2-Metil-2-buteno 2-Metil- 1 -buteno


(e) 2-Metil-2-buteno y 3-metil-1-buteno

H CH, I / I I

CI H 2-Metil-2-buteno 3-Metil-1-buteno

CH., I CH, I CH,-C"C-CHJ - CH,"C'H=C"CHJ + CH2-CH"CH"CH.\

3-Cloro-2-metilbutano

(0 2,3-Dimetil-2-buteno y 2,3-dimetil-l-buteno

H,C H I I CH.? CHI I I I 1 I I

CI CH., CH, CH.,

CH,-C"-C"CH, * CHI"C=C-CHI + CH2=C"CH"CH,

2-Cloro-2.3-dirnetilbutano 2,3-Dimetil-2-buteno 2.3-Dimetil-1-buteno

(g)Ninguno

No hay hidrógenos -p y, por consiguiente, no es posible la eliminacidn - 1.2.

CH, I I

CH3

CH3- C CH,-CI ningúnalqueno

l-Cloro-2,2-dimetilpropan0 (Cloruro de neopentileno)

7.6 Aplicamos el planteamiento del problema 7.5.

( 4 CH, I CH, I CH, I CH,---C-CH, ~ + CH,-C-=CH, t- CH,-C"CH2

I I I X H X

Halogenuro de t-butilo Halogenuro de isobutilo

(El 2-halopentano da una mezcla.)

(c) CH3CHZ-CH-CHzCH3 - CH,CH,CH=CHCH, I

X 3-Halopentano

(El 2-halopentano da una mezcla.)


(El 2-halo-2-metilbutano da una mezcla.)

(e) ninguno

C'H,

I 1 T H S

CH.,CHZ C~ CH,obienCH, CH- C ~ C H , - + mezcla

X 1 1

X H 2-Halo-2-metilbutano 2-Halo-3-metilbutano

(El 2-halo-3-metilbutano da una mezcla.)

7.7 H', calor


7.8 Debemos tomar en consideración que hay dos H y sólo un D para ser separados del sustrato.

(a)kH/kD =2.05, calculado como sigue:

kH/kD = velocidad por H/velocidad por D

moles HC1 formados/átomos H disponibles

moles DCl formados/átomos D disponibles

kH/kD = 0.0868/2 2.05 -"= - 0.0212/1

kH/kD = 2.05 = moles HCljl moles DCl/2

moles HCl/moles DCI = 2.05/2 = 1.02

7.9 En la deshidrohalogenación, la orientación sigue la regla de Saytzeff: el producto preferible es el alqueno más estable. Para estos alquenos simples la estabilidad depende del número de grupos alquilo que estén unidos a los carbonos del doble enlace: cuanto más sustituidos es&, tanto más estables son.

Ya hemos decidido (problema 7.5) cuáles son los alquenos que se pueden formar a partir de cada uno de estos halogenuros de alquilo. Pues bien, para predecir el producto preferible en cada caso seguimos el procedimiento indicado en la página 275. Escribimos la estructura de cada uno de los posibles alquenos y contamos el número de grupos alquilo unidos a los carbonos del doble enlace; el alqueno con el mayor número es el producto preferible.

(a) 1-Penteno, que es el Único producto.

(b) 2-Penteno (predomina el E).

H H I I H H

I I CH3CH2-C=C-CH3 preferible a CH3CH2CH2-C=C-H

Alqueno disustituido Alqueno monosustituido

(& los 2-pentenos estereoisoméricos, el E excede al Z por razones de conformaci6n. problema 7, pág. 359.)

(c)ZPenteno (predominantemente E ) .

Sólo se pueden formar los 2-pentenos estereoisoméricos mediante la eliminación- 1,2. (De éstos, E excede a Z.)

(d) 2-Metil-Zbuteno.

H CH3 I I

CH, I

CH3"C=C-CH3 preferible a CH,CH2-C=C-H Alqueno trisustituido I

H Alqueno disustituido

103


(e) 2-Metil-2-buteno.

H CH, I I H H CH,

I l l CH,-C=C- CH, preferible u H- C-C-CHCH,

Alqueno trisustituido Alqueno monosustituido

( f) 2,3-Dimetil-2-buteno.

CH 3 H CHI

I I CH.? CH,

I / CH3---C=C--CH, preferible a H-C-C-HCH,

Alqueno tetrasustituido Alqueno disustituido

(g) Ningún alqueno.

7.10 Isobutilo > n-propilo > etilo (>> neopentiio)

La reactividad en la deshidrohalogenación E2 depende principalmente de la estabilidad de los alquenos que se forman. Dibujamos la estructura del alqueno (o de los alquenos) que esperamos obtener de cada halogenuro y estimamos las estabilidades relativas, como antes, basándonos en el número de sustituyentes en los carbonos del doble enlace.

CH, I w 3 I CH,--CH--CH2Br --+ CH,--C-CH, Bromuro de isobutilo Alqueno disustituido

CH3CH,CHZBr ---+ CH,"CH-CH2 Bromuro de n-propilo Alqueno monosustituido

CH,CH,Br -+ CH,=CH, Bromuro de etilo Alqueno sin sustituyentes

CH3 I 1

CH,

CH, -C--CH,Br ~ + ningún alqueno

Bromuro de neopentilo

7.11 El orden de reactividad, 3" > 2' > lo, sugiere un mecanismo con carhationes, y esta idea tiene un f m e apoyo en la transposición del esqueleto de carbono. Si el 3,3dimetil-2- butanol formase un carbocatión,éste sería el catión 3,3-dimetil-2-butilo, el cual es el mismo que se forma del 2-bromo-3,3-dimetilbutano en la eliminación El, y se espera que dé los mismos alquenos transpuestos (vhse la pág. 28 1).

Ya vimos (Sec. 5.25) cómo un ácid0 cataliza la formación de carbocationes pamendo de alcoholes, mediante la protonación del grupo "OH.

Reuniendo los primeros pasos de la conversión S,1 de alcoholes en halogenuros de alquilo (pág. 21 3) con el segundo paso de la reacción E 1 de halogenuros de alquilo (pág. 267), llegamos al siguiente mecanismo probable paraladeshidratación de alcoholes: un tipo de eliminación El a partir del alcohol protonado. (Véase la Sec. 7.25.)

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

I 1 I I I I I 1

(1) -C-C- + H:B a "c--C-- + 9 :

H OH H O H z '

CAPITULO 7

B : f

CH3"C"CH"CHzCH3 - CH,"C"CH2CHzCH3 I tramp. I

G//@ o

CH, I CH, I CH3 I CH,CH-CH=CH"CH, CH3--C=CH"CHzCH, CHz=C+HzCHzCH3

4-Metil-2-penteno 2-Metil-2-penteno 2-Metil- 1 -penteno Alqueno Alqueno Alqueno

disustituido trisustituido disustituido 11% 80% 9%

El 2-metil-1-penteno debe ser uno de los productos de la transposici6n. como rambih lo es el producto principal (2-metil-2-penteno), el cual se puede obtener a partir del carbocatión 2' o del 3', resultante de esa misma transposici6n. La naturaleza del susttato (2') y las condiciones dereacci6n (sin agregar una base fuerte) favorecen lareacci6n del tipo monomolecular.

105


7.13

7.14

7.15

106

El t-BuO- en DMSO no está solvatado mediante puentes de hidrógeno: por consiguiente, es una base más fuerte que el OH- fuertemente solvatado en alcohol.

Como comentamos en la sección 5.25, lo importante no es laclasificación como 1 O, 2" o 3" como tales. Lo que intercsa son los factores que ahora están funcionando: aquí son el impedimento esférico, que determina la reactividad por SN2, y la estabilidad del alqueno, la cual determina principalmente lareactividad por E2. Estos factores dan lugar a la relación entre lo, 2" y 3" y a lacompetencia entre sustitución-eliminación. Pero hacen más que esto, como inhcan los ejemplos aquí mostrados. La ramificación en el carbono-P no cambia la clasificación del sustrato. Sin embargo, &te (a) incrementa el impedimento estérico y así retrasa la SN2 (Sec. 5.15), y (b) incrementa la ramificación del alqueno que se está formando y así aumenta la velocidad de la E2. El resultado neto es un cambio drástico en el curso de la reacción. De los tres sustratos, el bromuro de etilo es el menos impedido y da el alqueno menos estable, y el bromuro de isobutilo es el más impedido y da el alqueno más estable.

Aquí se trata de la solvólisis de sustratos 2",y 3" "esto es, reacciones en las que no se añadieron con una base o un nucleófilo poderoso-; por consiguiente, es muy probable que se compitan reacciones S,1 y E l. Una vez formado, ¿puede un carbocatión combinarse con un nucleófilo para formar el producto de sustituci6n, o perder un protón para formar el alqueno?

Los carhationes generados a partir de cada conjunto de sustratos son de la misma clase -ambos secundarios en (a) y (b), y ambos terciarios en (c>- y, por lo tanto, probablemente no deberían diferir mucho en su velocidad de combinación con un nucldfilo. La velocidad con que pierden un protón depende, sin embargo, de la estabilidad del alqueno en formación, y es aquí donde debemos buscar alguna diferencia.

( a ) CH, C'H C H , * C H , C H ~ - C H ? I Br Alqucno

5% alqueno

monosustituido

Cf1,C'H. C H CH, I Br Alqueno Alqueno

Producto principal

- CH, CH ~ C'H CH, + C H J C H , C H ~ - C H :

disustituido monosustituido

Y% alqueno

(b) C'IHjC'H2C'H2 ~ CH ('H; ~ ~ - * CH,CH:-~CH--~C'H~-CH, + I Br Alqueno

disustituido

CH,CH,CH?~--CH ~ -CH2 7% alqueno Alqueno

monosustituido

C'H,('H, C'H C'H2CH, ~ 7 CH,CH, C'H C H ~ CH, I

15% alqueno

Br Alqueno disustituido

En el 3-bromopentano se puede perder cualesquiera de los cuatro H para dar el 2-penteno, que es más estable; en el 2-bromopentano sólo hay dos de tales H.


19% alqueno

Br I Alqueno

disustituido

CH, I I

CH, I

CH3 1

C'H,--C"C'H,C'H, - CH,-C"C'H"CH, + ( 'Hz C'- CH,CH, 36%

Br Alqueno Alqueno alqueno

trisustituido disustituido Producto principal

7.16 El F- en DMSO no se encuentra solvatado mediante puentes de hidrdgeno, por lo que es una base fuerte.

7.17 La principal base que se halla presente es el disolvente, t-BuOH; el principal hcido es el alcohol protonado, t-BuOY+.

Cuando se disuelve H,SO, en t-BuOH, se disocia totalmente:

Para este paso, entonces, H:B es H,SO,, y :B es HS0,- Sigue ahora el resto del mecanismo:

CAPITULO 7 ALQUESOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

Por mucho, la base más abundante-y por mucho, la más fuerte-es el disolvente, t-BuOH; y éSta es la base que separa el protón en el paso (3). Por consiguiente, en esta etapa :B es t-BuOH, y H:B es t-BuOH,'.

Pero el I-BuOH,' generado en el paso (3) como H:B es el sustrato para el paso (2); hemos generado una nueva molécula de alcohol protonado en forma directa, sin tener que recurrir al paso (1). En estas condiciones, el paso (1) es el que inicia la cadena y, una vez que haya ocurrido esto, se suceden una y otra vez los pasos propagadores de la cadena, (2) y (3).

(A medida que se acumula HzO, ésta, por supuesto, comienza a competir con t-BuOH como la base del paso (3), formando %O+. Ahora comienza a cobrar importancia la etapa (l), donde %O+ como H:B transfiere un protón ai r-BuOH como base.)

7.18 Siguiendo el principio de reversibilidad microscópica (pág. 288), simplemente escribimos los tres pasos de la página 287 al revés, con HzO como base la :B y H30+como el ácido H:B.

Observemos que, como en la deshidratación, todos los pasos son reversibles.


El carbocatión intermediario se recombina con el agua para regenerar el alcohol (el inverso de los pasos (2) y (1)) considerablemente más rápido de lo que pierde un protón (paso (3)) para la formación del alqueno. Es decir,.k-2es bastante mayor que k3; sin embargo, la mayor parte del agua circundante no es %O ordinaria que se pierde, sino el disolvente H,'*O marcado, por lo que el alcohol regenerado es en su mayor parte el alcohol marcado,

De esto resulta claro que aquí (en contraste con una verdadera reacción E 1) la formación del carbocatión (paso (2)) no es la etapa determinante de la velocidad en la eliminación; para que eso fuera cierto, k3 debería ser mucho mayor que k-, de modo que cada carbocatión generado formam rápidamente un alqueno. El paso (2) contribuye a la velocidad total, pero también lo hace el paso (3).

t-Bu'SOH.

7.20 Nuevamenteobservamos un esquema familiar: la transposición de un carbocatión, generado iridmente, a otro más estable, y luego la pkrdida de un protón de este nuevo catión -y, en algunos casos, posiblemente también del catión original-para dar alquenos, siendo los más estables de ellos los productos preferibles.

CH, I CH, 1 CH3CH2CHCH20H2 + CH,CH2CHCH20H

2-Metil-1-butanol 11- H :O

1 - uansp. 1 - CH3CH2--C--CH2@ + CH,CH?-C"CH,

^ I f o

2-Metil-1-buteno Alqueno disustituido

2-Metil-2-buteno Alqueno trisustituido Producto principal


r-"" .i 1

CH, I I

CH, CH,

CH3 I I

CHj--C=C-CH, CH?=C<HCH,

2,3-Dimetil-2-buteno 2.3-Dimetil-1-buteno Alqueno tetrasustituido Alqucno disustituido

Producto principal

7.21 La reacción de los iones amonio cuaternarios, R,N+, parecería ser un ejemplo de una eliminación-1,2 promovida por base (y en realidad lo es, Sec. 27.5), teniendo como grupo saliente la amina @,N), sólo moderadamente básica, y al ion hidróxido sustrayendo un hidrógeno-P.

A diferencia del ion cuaternario, el ion amonio correspodiente, R N T , tiene protones en el nitrógeno. Estos protones son inmensamente más ácidos que un hidrógeno -P unido a carbono (son de acidez similara la de los protones en NH,') y, en consecuencia, uno de ellos es separado por la base fuerte OH-. Una vez que se ha perdido este protón, ya no tenemos

ningún ion amonio, sino una amina, y las minas no sufren este tipo de eliminación. (para que una amina sufriera una eliminación-l,2 promovida por bases, el grupo saliente tendría que ser el ion R " , sumamente básico y extremadamente pobre como grupo saliente - más pobre aun que OH-),

110

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

1. (a) CHICH2CH(CH3)CH2CH2CH(CH,)CH=CH2 (b) CICH2CH=CH2

(C> (CH,).ICCH=C(CH~)Z

CAPITULO 7

2. (a) CH, I

C H I ~ C-CH? 2-Metilpropeno

CH.?- CH,, ,,H C

I t n

/ \ C

D H

I CH.?

3.3-Dimetil-1-buteno

(e) CH, CH.? (f) I I

CHJCHz I

CH,-CH-~CHz--CH "C-CH, CH,CH2 --C=CH2 2,5-Dimetil-2-hexeno 2-Etil-1 -buteno

2\

I CH,

H C H ~ - C H ,

( E ) -2,5-Dimetil-3-hexeno

3. b, d, g, h, i, k (tres isómeros: Z,Z- E,E-ZE-).

Z E

CH, > H

Z E C1 > H


C > H

4. (a) Para este gran número de isómeros, comenzamos por no poner los hidrógenos y examinar los esqueletos de carbono. Trabajamos en forma sistemática, dibujando primero las estructuras que presentan una cadena lineal de carbonos y variando la posición del doble enlace, y despuCs estructuras con una ramificación simple, en el penúltimo carbono y así sucesivamente.

c-c-c-c-c=c C-C-C-. c-c-c c -C-C=C-C-C 1 -Hexeno 2-Hexeno 3-Hexeno

C I

C I

C c C-C-C"C=C C--C-C=C--C c-c-c-- c--c I I c--c-~ c c -C 2-Metil-1 -penten0 2-Metil-2-penteno 4-Metil-2-penteno 4-Metil-1 -penteno

C I

C I c-c-c-c=c c-C"C~c-c c- C "C-C

C I ¡

3-Metil-1-penteno 3-Metil-2-penteno 2-Etil-1-buteno

c c I I

C I I

C

c c I I

C- C-c-c c=c-c-C c-C-C-c

3,3-Dimetil-l-buteno 2,3-Dimetil-l-buteno 2,3-Dimetil-2-buteno

(b) (9- y (E)-It-hexeno (Z) - y ( E ) -3 hexeno Q - y ( E ) -4-metil-2-penteno (Z) - y (E)-3-metil-2-penteno H CH, \ / c \ / CH.?,, ,,H

H C H ~ C H ~ C H ~ H/ ' C H ~ C H ~ C H , H / \ C ~ H : H C2H,

C,H, CLH, H C 'i'

I I ). I 1 / I c'

z E

2-Hexeno

Z I:'

3-Hexeno

112


Z E 3-Metil-2-penteno Z E

i i

CH > í H 3

4-Metil-2-penteno

(c) Los únicos compuestos quirales son (R) - y (S) -metil-2-penteno.

5. Difieren en todo, menos (h); lo diría el momento dipolar.

(C) CH3CHCICHj + KOH -> CH,CH-CHZ + KC1 + Hz0

(d) CH,CH(OTs)CH, + t-BuOK "~u"" + CH,CH=CHZ + KOTS + t-BuOH

(e) CH3CHBrCH2Br + Zn "z CH3CH"CH2 + ZnBrz

( f ) CH3C=CH + Hz CH3CH=CH2 (Véaselasec. 11.8) catalizador

7. Seguimos el procedimiento del problema 7.5.

(a) 1-hexeno

(b) 1-hexeno (Z) -2-hexeno ( E ) -2-hexeno

(c) 2-metil-1-penteno

(d) 2-metil-2-penteno 2-metil- 1 -penteno

(e) 2-metil-2-penteno (Z) -4-metil-Zpenteno ( E ) -4-dimetil-2-penteno

113


(f) 4-metil-1-penteno (2) -4-metil-2-penteno Q-4-rnetil-2-penteno

(g) 4-metil-1-penteno

(h) 2.3-dimetil-2-penteno (Z) -3,4-dimetil-2-penteno (,5')-3,4-dimeti1-2-penteno 2-etil-3-metil- 1 -buteno

8. Seguimos el procedimiento del problema 7.9, ya visto. Para estas deshidrohalogenaciones, esperamos que la orientación siga la regla de Saytzeff, y que se forme predominantemente el alqueno mAs estable: el más sustituido.

(b) 2-hexeno (predominantemente E ) (d) 2-metil-2-penteno (e) 2-metil-2-penteno (f) 4-metil-2-penteno (h) 2,3-dimetil-2-penteno (predominantemente E )

9. Como vimos en la sección 7.25, el orden de reactividad es generalmente 3" > 2" > lo.

(a) CH3CH2CH,CHOHCH, (b) (CH3)2C(OH)CH2CH3

10. Seguimos el procedimiento del problema 7.10, analizado antes, y suponemos que la reactividad depende principalmente de la estabilidad del alqueno que se forma.

(a) CH 3 I I I I

CHJCHICCH,; > CH,CHICHCHlCH, > CHjCHzCHICHCH,

Br Br Br

114


11. La primera etapa es la formación de un carbocatión,

a partir del cual se derivan todos los otros productos:

12. (a)


o>) La ruta (ir] es inútil. Implica la reacción entre un halogenuro de alquilo terciario y una base fuerte, la que da casi completamente el producto de eliminación, o sea isobutileno.

13. (a) El primer paso es la formación de un carbocatión lo. Este se transpone mediante un desplazamiento de metilo al catión 3", más estable, del cual se obtienen los alquenos. Como siempre, predomina el alqueno más ramificado.

14. La formación del segundo producto implica con claridad una transposición, y exactamente del tipo observado en la reacción S,1 de los sustratos 3,3dimetil-2-butilo (pág. 205). Esto sugiere en gran medida un mecanismo por cartmationes, con rearreglo del catión secundario 3,3-dimetil-2-butilo para convertirse en el catión terciario 2,3-dimetil-Zbutilo, como se muestra en las piginas 206 a 208. Para el mecanismo m h probable seguimos la secuencia de reacciones mostrada en la sección 8.9, la cual lleva específicamente a las transposiciones mostradas en la pigina 3 1 l .

Alquenos 11. Reacciones del doble enlace carbono - carbono

Adición electrofi7ica y de radicales libres

8.1 (a) C4H8 + 6 0 2 d 4c02 + 4Hz0 (b) Igual alade(a).

(c) 1-buteno 649.8 (d) 1-penteno 806.9 cis-2-buteno 648.1 cis-Zpenteno 805.3 trans-2-buteno 647.1 trans-Zpenteno 804.3

El alqueno más ramificado es generalmente el más estable (de contenido energktico m h bajo); un isómero rrans es generalmente más estable (de contenido energctico más bajo) que un isómero cis.

8.2 (a) H,Of; HBr. (b) HBr. (c) HBr.

En solución acuosa, HBr reacciona para generar el &ido más dhbil, el \O+. (Compárese con el problema 1 O, cap. 1 .)

8.3 La eliminación de hidrógeno sucede en el carbono que contiene menos átomos de hidrógeno. (“A aquel que no posee se le quitará, incluso aquello que poseía.”)

8.4 (a) Sustitución nuclcofílica alifática, con agua como nucleófilo y el ion HSO,-, débilmente básico, como grupo saliente.

R+OSO,H + H,O ---> R--OH,+ + HSO, Sustrato Nucleófilo Producto Grupo saliente

CAPITULO 8 ALQUENOS II. REACCIONES DE DOBLE ENLACE CARBONO-CARBONO

(b) Esperaríamos S,2.

(c) Esperaríamos S$ .

8.5 (a) Estabilidad de carbocationes

Véase la figura 8.5, a continuación.

1 CH,=CH2 + H i

1 - - 160.6

CH3CH,@

CH3CH=CH, + H' (CH3)2C=CH2 + H +

I

i " - 180.4 - 193.5

I 1

Figura 85. Estabilidades de los carbocationes en relación con los alquenos. (Las gráficas están alineadas enRe sí para facilitar la comparación.)

ALQUENOS II. REACCIONES DE DOBLE ENLACE CARBONO-CARBONO CAPITULO 8

(b) y (c) Las diferencias son esencialmente las mismas, cualquiera que sea el patrón, alqueno o halogenuro de alquilo.

Patrón Diferencia en energía, kcal/mol Et' - i-Pr+ Et+ - t-Bu'

alqueno RBr RCI RI

19.8 20 21 20

32.9 35 34 36

HH* CH,CH2CHCH3 & CH3CH=CHCH, I

OH Orientación Orientación

Markovnikov

Saytzeff

8.7 En vista de la química que hemos aprendido, la combinación de isobutano con etileno parecería requerir la generación de un catión t-butilo,

seguida de su adición al etileno.

El esqueleto del producto de laalquilación requiere la transposición de este catión primario: primero mediante un desplazamiento de hidruro para dar un catión secundario, y luego por medio de un desplazamiento de alquilo para generar un catión terciario, el cual posee el esqueleto de carbono requerido.

C'H 1 C'H 1

Catión lo Catión 2' Cati6n 3"


Finalmente, el catión terciario separa hidruro del isobutano para dar el producto de la alquilación y un nuevo catión t-butilo, el cual continúa la cadena.

8.8 El mismo mecanismo indicado en las phginas 328 y 329, con radicales en los pasos (2) y (4) separando (a) H, (b) Br, (c) Br, (d) H del S, (e) H. En (e), por ejemplo:

( L o s pasos claves en el desarrollo de la teoría de la adicih de radicales libres se describen en: Kharasch M.S. y Mayo, F.R., J. Am. Chem. Soc., 55, 2468 (1933); Kharasch, M.S., Engelmann, H. y Mayo, F. R., J. Org. Chem., 2,288 (1937); Kharasch M.S., Jensen E.V. y Urry, W.H., Science Washington, D.C., 102,128 (1945). Paraconocer un relato personal sobre el descubrimiento del efecto peróxido, vCase Mayo F.R., en Vistas in Free Radical Chemistry, W.A. Waters, Ed: Pergamon, Nueva York, 1959: phgs. 139-142.)

8.9 El radical generado en el paso (3) de la secuencia del CCl,, en la phgina 329, se adiciona al RCH=CH,, el nuevo radical formado de esta manera ataca a continuacih al CCl, a la manera del paso (4).

R

120

ALQUENOS TI. REACCIONES DE DOBLE ENLACE CARBONO-CARBONO CAPITULO 8

Existe entonces UM competencia entre dos reacciones familiares de radicales libres (en este caso, del radical RCHCH,CClJ: adición al doble enlace o separación de un átomo. Dicha competencia existe en todas las reacciones de este tipo; la importancia relativa de las dos rutas depende de cuán reactivos sean el alqueno (y el CX,, y de cuán selectivo sea el radical RCHCH,CCI, . (Véase el problema 8, pág. 1235.)

8.10 (a) En la obscuridad, no se generan radicales libres y la reacción electrofílicaes demasiado lenta con tetracloroetileno desactivado.

El oxígeno detiene la cadena al reaccionar con el radical libre o con el C1.

8.11 (a) Orlón, CH,=CH".CN, acrilonitrilo (b) Sarán, CH,=CCh, 1,l-dicloroeteno (cloruro de vinilideno) (c) Teflón, CF,= CF,, tetrafluoroetileno

8.12 Si el radical más estable se forma con mayor rapidez en cada paso "digamos un radical 2" más que un radical lo- la orientación siempre será la misma.

http://CH,=CH".CN


L a ozonólisis o la ruptura con KMnO,/NaIO, reemplazan efectivamente un doble enlace con carbono por un doble enlace con oxígeno. El KMnO,, oxida adicionalmente los aldehídos a ácidos carboxílicos,

R-C -0 R ~ - C -0

H I OH

Aldehídos Acidos carboxílicos

y específicamente, el formaldehído es oxidado a dióxido de carbono.

H C-=O --f H ~--C "0 --f HO-C 0 a o-c:-o I I

H O H I

OH Dióxido de

Formaldehído Acido Acido carbono fórmico carbónico

Inestable

8.14 (a) Br,/CCl,, o KMnO,, o H,SO, conc.: alqueno positivo. (b) Br,/CCl,, o KMnO,, o H,SO, conc.: alqueno positivo o bien, AgNO,: halogenuro de alquilo positivo. (c) Br2/CC1,, o KMnO,: alqueno positivo. O bien, CrO,&SO,: alcohol 2" positivo. (d) Sólo el alqueno da una prueba positiva con BrJCCl,; sólo el halogenuro de alquilo da una prueba de halógeno positiva; sólo el alcohol 2" da la prueba de CrO,/H,SO, positiva.

8.15 A, alcano B, alcohol 2" C, halogenuro de alquilo D, alqueno E, alcohol 3".


8-16 (a) Cr03/H2S0, (b) Br2/CCI,, o KMnO, (c> Br,/CCl,, o KMnO,, o Cr03/H2S0, (d) H,SO, conc.

1. (a)isobutano (c) 1,2-dibrom0-2-metilpropano (e) bromuro de t-butilo (g) yoduro de t-butilo (i) sulfato de kido de t-butilo (k) l-bromo-2-metil-2-propanol

(m) 2,4,4-trimetil-l-penteno y 2,4,4-trimetil-2-penteno

(o) 2-metil- 1,2-propanodiol (9) igual que (0)

(b) 1,2-dicloro-2-metilpropano (d) no hay reacción (f) bromuro de isobutilo (h) yoduro de t-butilo u) alcohol t-butííico (1) 1-bromo-2-cloro-2-

(n) 2,2,4-trimetilpentano metilpropano y productos (c) y (k)

(p) acetona y dióxido de carbono (r) acetona y formaldehído

2. (a) propileno (b) etileno (c ) 2-buteno (d) isobutileno (e) cloruro de vinilo (f) 2-metil-buteno (g) etileno (h) propileno

Las reactividades relativas siguen la secuencia dada en la página 3 15. Los oxígenos elec- tronegativos del "COOH hacen que este grupo sea un fuerte atractor de electrones, como los halógenos (Véase la pág. 3 15).

3. (a) 2-yodobutano (b) 3-yodopentanO y 2-yodopentano (c) yoduro de t-pentilo (d) yoduro de t-pentilo (e) 2-yodo-3-metilbutano y (f) 1-bromo-1-yodoetano

(g) 2-yodo-2,3-dimetilbutano (h) 4-yodo-2,2,4-trimetilpentano 2-yodo 2-metilbutano

En todos estos casos la orientación sigue la regla de Markovnikov (Secs. 8.5 y 8.12). En (b) la regla no indica preferencia "de cualquier manera se forma un catión 2"- y se obtienen ambos productos. En (e), algo del catión 2" intermediario se transpone al catión 3", mAs estable.

4. El radical 3" es más estable que el 2" y se forma con mSrs rapidez.


5. (a) El alcohol metílico (y no el agua) reacciona con el ion bromonio intermediario para formar el Cter protonado; la subsecuente pklida de un protón da el Cter.

B',O CHZ=CH2 ?'+ C 6 - - C H , - C'H OH CH,-- CHZ CH2--CH,

I I I I Br GO-CH, Br OCH,

I H Un éter

Un Cter protonado

(b) CH,- H---CH2Br, 1-Bromo-2-metoxipropano F O W !

El paso de apertura del anillo -ataque al ion bromonio por el alcohol metílico" sucede en la segunda posición (no en la primera), debido al carácter S,1 del estado de transición. (Véase la Sec. 8.15.)

OB<@ CH,-CH CH, ~~~ * CH,--CH-CH2Br % CH,-CH -CHzBr

2 I I CH,-O: 0°C H

I 1 H H 1-bromo-2-metoxipropano

OCH,

6. Si un alqueno fuera intermediario debería reaccionar con D' tanto con H', y el producto (alcohol) debería tener D unido al carbono.

7. (a) El mecanismo alternativo es mucho menos probable porque uno de los pasos de propa- gación de la cadena (4a) es muy endotérmico, por lo que debe tener una alta Ews en oposición al paso (4), que es exodrmico y que puede tener UM baja Esa.

Comparemos en primer lugar los pasos alternativos (3) y (3a), utilizando etileno como nuestro alqueno. (A falta de otros valores, empleamos las energías de disociación de enlaces correspondientes a Br-CH,CH, y H--CH,CH, para Br--CH,Cq y H - C H , C q ; cualesquiera que Sean los valores verdaderos, el enlace C-H es más fuerte que el C-Br, de modo que nuestras conclusiones no se verán afectadas.)


Como podemos observar, el paso (3a) es aún más exotkrmico que (3), y podría tener una baja Eb, Si hubiese IT disponible, esperariamos que se adicionara a un alqueno. Por consiguiente, bashdose s610 en consideraciones energkticas, esperariamos que (3a) fuera al menos tan probable como (3).

Comparemos ahora los pasos (4) y (4a).

(4) BrCH,CH2. + H-Br "---f BrCH2CH2-H + Br. A H = - 10

(88) (98) E,,, podría ser peque%

Observamos aquí un marcado contraste. El paso (4) es exotkrmico y podría tener una baja E,, pero (4a) es altamente endotkrmico y debe tener UM E, al menos de 19 kcal. En un ataque a HBr, cualquier radical libre sustraerá H, con fuerte preferencia sobre Br. (Lo que acabamos de decir es igualmente aplicable a los pasos (2) y (2a) y a la reacción del radical, Rad', generado del peróxido.)

En última instancia, la reacción sigue el curso sugerido porque los enlaces C-H son más fuertes que los enlaces C-Br.

(b) El radical intermediario (Paso 3, pág. 325) debe ser

Br

pues de lo contrario (paso 3a, pAg. 337) sería

I H

o bien

I D

según si hubiera usado HBr o DBr.

CAPITULO 8 ALQUENOS XI. REACCIONES DE DOBLE ENLACE CARBONO-CARBONO

(4) CH,CHCH,CI + H-- CI ~ -+ CH3CHCH:CI + CI. A H = + X I ( I 03) H

(95)

Ea,,, por lo menos de 8

(c) Vea los valores dados antes para cada ecuación. (El paso (2) sería similar al paso (4).)

(d) La diferencia entre HBr, y HCl no se halla en el paso (3), el cual es exo tb ico en ambos casos. La diferencia se encuentra en el paso (4): mientras éste es exotérmico para HBr, es endotérmico para HCI, con una Ea mínima de 8 kcal. Ahora bien, una Ea de 8 kcal no es demasiado alta para un paso propagador de cadena "como lo atestigua la bromación por radicaleslibresdelmetano(Sec.2.17).Perohacequelareacciónporradicaleslibresseamh lenta para HCl que para HBr; tan lenta, que evidentemente no es capaz de competir con la adición heterolitica la cual prosigue a pesar de todo, con su velocidad usual, con o sin peróxidos.

CH, 1 y 3

9, (aj ('iIJCHZ--~C-o + O=CH, t.-- O1 CI'JCH~-C=CH, Cloroacetona Formaldehído Cloruro de metalilo

(b) La reacción es heterolitica (iónica). No hay luz ni peróxidos para generar radicales libres; si se iniciaran cadenas de radicales libres, el oxígeno cortaría muchas cadenas y así disminuiría el rendimiento de cloruro de metalilo, lo que sería contrario a los hechos.

(c) Reacción de C1, con el alqueno para formar un catión, el cual pierde luego un protón para dar el producto: el primer paso de la adición electrofílica seguido por el segundo paso de una eliminación El.

Para simplificar hemos mostrado el catión intermediario como un carbocatión de cadena abierta , en vez de como un ion cloronio cíclico. Bien puede ser un catión abierto, o algo muy parecido a él. En este caso, el c a r h t i ó n sería 3" y relativamente estable; el carbono deficiente en electrones puede tener poca necesidad de los electrones del cloro. El cloro puede estar unido principalente al C-1, con un enlace muy débil al C-2, de modo que la mayor parte de la carga se encontrm'a sobre el carbono. Lo que haya de unión entre C-2 y cloro se rompre conforme se pierde el protón y se forma el enlace ; entonces la reacción adquiere el aspecto de E2, teniendo como grupo saliente C1 C I i p .

(d) El catión 3O, más estable, es menos reactivo hacia el C1-, y más propenso a perder uno de los seis hidrógenos para formar el alqueno ramificado.

(e) En pequefía medida, UM transposición del catión intermediario a uno 3" que, como el catión 3" en (c), pierda un protón (uno de seis) para formar el alqueno ramificado.

10. La adición usual de HOX a alquenos simples indica. como vimos en la sección 8.15, el ataque preferencial de X- sobre el átomo de carbono más sustituido del ion cíclico halogenonio: por medio del paso (b), por ejemplo, en la reacción del propileno (pág. 320). Atribuimos esta preferencia al hecho de que, en el estado de transición, la ruptura de enlaces excede a la formación de los mismos (véase la pág. 321), y de que el carbono bajo ataque ha adquirido una considerable carga positiva. En consecuencia el ataque sucede en el carhno más capaz de acomodar esta carga.

Ahora, en el propileno intermediario, el C-2 es el carbono mejor dotado para acomodar la carga positiva debido a que el grupo C q - libera electrones. En cambio, el bromuro de alilo intermediario,

127


Br I CH, I

+ BrCH,- C H ~ CH20H,' 1" k BrCH,-~ CH--CH,OH Producto principal

LL BrCH, -CH CH,Br BrCH,-CH ~ -CHzBr I I

OHz + OH

no contiene C q - sino BrCH,-, el cual, a causa del Br electronegativo, atrae electrones en vez de liberarlos. El C-1 es el que mejor puede acomodar la carga positiva del estado de transición, y es aquí donde Ocurre preferencialmente el ataque (ruta u).

11. (a) A m b o s alquenos forman el mismo carbocatión 3O, por lo que dan el mismo alcohol.

(b) Estos experimentos demuestran (al menos para la hidratación) que la primera etapa de la adición electrofílica, la formación del carbocatión, es lenta y determinante de la velocidad de reacción, como se muestra en la página 308.

Comenzando con el alqueno I, consideremos las velocidades relativas de los dos pasos principales, (1) y (2). En primer lugar, ¿qué esperariamos si los carbocationes se formaran rápida y reversiblemente en el paso (l), y luego "de vez en cuando" se combinaran lentamente con agua (paso 2) para dar el alcohol protonado? Si fuese así, la mayoria de los carbocationes perderían un hidrógeno muchas veces para regenerar el alqueno, antes de convertirse, por último, en producto. Pero en el carbocation hay hidrógenos tanto en C-3 como en C-l. Al "revertir" al alqueno, es tan probable que el carbocatión pierda un hidrógeno para dar el alqueno I, como que lo pierda para dar el I1 "de hecho, es mús probable que dC este último, a causa de la mayor estabilidad del alqueno que se está generando. Expuesto al medio ácid0 hasta el momento en que Ocurre la mitad de la reacción, gran parte de I se convertiría en 11, y el alqueno no consumido que se recuperara sería una

12.

mezcla de I y 11, lo que es contrario a los hechos. (F'odríamos aplicar el mismo razonamiento a los experimentos que empezaran con el alqueno I1 y llegm'amos exactamente a las mismas conclusiones.)

Como en el trabajo sobre intercambio de hiddgeno (Sec. 8.1 l), tambien estos experimentos indican que cualquier carbocati6n formado se combina mucho más rhpidamente con el nucle6fil0, el agua, de lo que tarda en volver a alqueno. (Esto es, k, es mcho mayor que k-l.) El paso (1) es la etapa lenta, determinante de la velocidad. La velocidad de la adición depende de velocidad a la que se forme el cart~xati6n.

H H H H I l o I /

(a) n-Pr-C=O + O=CH d- n-Pr--C=CH 1-Penteno

H 1

H I O1 7 7

(b) i-Pr-C=O + O=C--CH3 t- CH3-CH-C=C--CH3 1

CH J 4-Metil-2-penteno

H H H H H H H H I I I ' o3 I / 1 1 (d) CH,-C=O + O=C--CH2-C =O + O=CH t- CHI C=C CH, C S H

1.4-Hexadieno

/\2 CH

/\z CH

\ / / (e) H2C, CHO 0, H2C CH

HzC-CHO H2C-CH

(f) Acidos carboxilicos (RCOOH) en lugar de aldehídos (RCHO); CO, en lugar de formal- dehído (HCHO); cetonas (RCOR') en (c).

13. (a) KMnO,, o Br,/CCl,, o H2S04 conc.: alqueno positivo

(b) KMnO,, o Br2/CC1,, o &SO4 conc.: alqueno positivo o bien, AgNO,: halogenuro positivo.

(c) AgNO,: halogenuro positivo.

CAPITULO 8 ALQUENOS H. REACCIONES DE DOBLE ENLACE CARBONO-CARBONO

14.

15.

(d) %SO, conc.: alcohol positivo. (De hecho, el alcohol es soluble en agua.)

(e) Br2/CCl, alcohol no saturado positivo.

(f) CRO,/H,SO,, O %SO, conc.: alcohol positivo. (De hecho, el alcohol es soluble en agua.)

(g) Br,/CCl, alqueno positivo. O bien, CrO,&SO,: alcohol positivo.

(h) AgNO,: alogenuro positivo.

(i3 AgNO,: alogenuro positivo. Br, /CCI,: alqueno positivo. (Este alcohol es soluble en asua.1

0) CrO,/í-$SO,: dlhalogenuro negativo, positivo para diol y halohidrina. AgNO, halohidrim positivo. (Dihalogenuro positivo, pero se elimina por la primera prueba.)

Or) Br, /CCl,, o KMnO,: alqueno positivo. CrO, K S O i alcohol positivo. AgNO,: halogenuro positivo. Alcano negativo para todas las pruebas.

3-Hexeno. El esqueleto de carbono debe ser el mismo que el de n-hexano; hay un doble enlace, que debe estar localizado en el centro de la cadena (@es Btomos de carbono en cada lado).

YH3 y , (a) CH, C--CH, c-" CH, C-TCH~ t i2() , H '

I OH lsobutileno

Alcohol t-butílico

(b) CH---CH- CH, dT!- CH,---CH=CH, I Propileno

Yoduro de isopropilo

CH, 1

CH, HBr. perbxrdos I (c) CH, CH -CH,Br f CH,-C-CH,

Rromuro Isobutileno de isobutilo

CHJ I I I

HO CI

CH, I

2-Metil-l- buteno

(d) CH,CH,C--CH, d w CH,CHZC=CH,

~-Cloro-2-metil- - 2-butanol

CH, I CH,

1 (e) CH) C'H, CH, C H - C H ~ -S* C H ~ P C H ~ P C H ~ CLCH,

2-Metilpentano 2-Metil-2-buteno

(o bien, de cualquier otro alqueno con el mismo esqueleto de carbono)

I I CI CI

1,2-Dicloropropano

(b) CH,CH2CH-CHZ & CH,CH2CH=CH2 I I

CI CI 1,2-Diclorobutano

OH Alcohol

isopropílico

KOH(alc) t-" CH,CHZCHZCHZ I

Br

t- CH,CH?CH2CH? HMr

I OH

Alcohol n-butílico

b H b H 1,2-Propanodiol

I OH

Alcohol isopropflico

CH3 CH3

I I I I

OH Br OH I-Bromo-2-metil- Alcohol t-butílico

CH3 (d) CH3-&-CH2 Br,. H,O H' calor I CH,"C=CH* f" CH,--C"CH3

2-propanol

Estereoquímica 11. Reacciones estereoselectivas y

estereoespecíficas

9.1 (a) El diol de p.f. 19°C es inactivo pero se puede resolver; y es una modificacih radmica que consiste en cantidades iguales de (W, 3R)- y (2S, 3s) -2.3 butanodiol (I1 y I, en la figura que sigue). El diol de p.f. 34°C que no se puede resolver es el meso-2,3-butanodiol (en la figura siguiente).

(b) El permanganato de la hidroxilaci6n syn. Las uniones formadas por la cara de arriba y las que se forman por la cara de abajo tienen la misma probabilidad.

Adición-syn

OH

H \

cis-2-Buteno

OH I

meso-2,3-Butanodiol P J 3 4 O c

CAPITULO 9 ESTEREOQLJIMICA II

C H ,

11

OH I

I1

I y I1 son enuntiheros 2,3-Butanodiol rackmico

P.f. 19°C

(c) Los peroxikidos dan lugar a UM hidroxilaci6n anti. Las uniones como en a y b (o bien como en c y 6) tienen la misma probabilidad de ocurrir.

Adición-anti OH

O H

1

I1 I1

I y I1 son enantiómeros 2.3-Butanodiol racémico

P.f. 19°C

HCOzOH

H

H \

\ CH3

cis-2-Buteno

ESTEREOQUIMICA I1 CAPITULO 9

I OH

meso-2,3-Butanodiol Pf. 34°C

9.2 (a) Enantiómeros, formados en cantidades iguales.

@Br

(b) Idénticos, aquirales.

@Br

(c) Enantiómeros, formados en cantidades iguales.

CAPITULO 9 ESTEREOQUIMICA IT

(d) Enantiómeros, formados en cantidades iguales.

(Roberts, I. y Kimball, G. E., "The Halogenation of Ethylenes", J. Am. Chem. Soc., 59, 947 (1937).)

9.3 (a) Aun cuando el ataque por las dos rutas - e n el extremo del metilo y en el extremo del etilo" no tienen la misma probabilidad, el producto es racemico: (a, 3s)- y (2S, 3R)- 2,3- dibromopentano. Hay cantidades iguales de iones bromonio cíclicos enantiomkricos (vkase el problema 9.2~) que sufren el ataque. Indudablemente el producto de un ion bromonio consiste en cantidades diferentes de los dos posibles dibromuros enantiomkricos; si, digamos, el ataque en el extremo del metilo fuera el preferible, entonces R , S > SR.

H -A Br

2 R J S

+ algo del E, 3R

Pero esto eskuía equilibrado exactamente por la misma preferencia del ataque en el extremo de metilo del otro ion bromonio (enantiomerico), para dar SP > R S .

- j5TCZH5 + algo del 2 R , 3s

CH 3

2S.3R

(b) Similaral(a),conlosproductosenantiom~ricos(2R,3R)-y(2S,3S)-2,3-dibromopentano. Aquí, si R , R > S,S a partir de un ion bromonio, &te deberá estar equilibrado por el S.S > RP del otro.

9.4 El F altamente electronegativo es menos capaz que el C1, Br o I para compartir sus electrones y formar así un anillo de tres miembros.


9.5 p 3

C H 3 V

(o su enantiómero) eritro

Br

CH 1

\

H cis-2-Buteno-2-d

. C l B

?

H \

H trans-2-Buteno

(o su enantiómero) treo

trans-2-Buteno-2-d

Las reacciones deben proceder como se muestra arriba, a UavBs de una eliminaci6n anti de " B r y de "H (o bien, de -D). La eliminaci6n syn de V, digamos, para dar el cis-Zbuteno debería tener como resultado la p6rdida de deuterio, lo que es contrario a los hechos.

r : B D

l

CAPITULO 9 ESTEREOQUIMICA I1

1. LA hidrogenación homog6nea implica una adición sin. Vea las figuras 20.6 y 20.7 en las páginas 736-737. (El ácido cis-butenodioico se conoce como ácido maleico, y el ácido trans-butenodioico como ácido f d r i c o . )

2. Escribimos un mecanismo análogo al de la adición de bromo mostrado en las figuras 9.4 y 9.5, en la página 351, pero con pasos adicionales de protonación y desprotonación, como se muestra en la página 704.

3. (a) La adición es anti, como lo muestra el examen de las estructuras (descartando el ion cloronio intermediario) trazadas en las figuras 9.8 y 9.9 que aparecen a continuación. (b) Vea la figura 9.8.

Ataque por arriba

y

\y C) VI q ),~------<'H ;

H " \ JY

CHI cis-2-Ruteno

I '

._ /'

cis-2-Buteno

Emntiómeros: formados en

cantidades iguales

o bien u bien

H T i klz) treo-3-Cloro-2-butanol Modificación racémica

HO C1

CH; CH,

Figura 9.8 Reacción del cis-2-buteno para el problema 3 (b>.


(c) Vea la figura 9.9.

Ataque por arriba

H trans-2-Buteno

“ I

.Ataque por abajo H \

CI-CI H rcl

tram-2-Buteno

;x( H+H3 Enantiómeros:

CH,-!h,f$!’H cantidades iguales formados en

CI o

CI OH H.

OH Idénticas

CI Idénticas

HO c$ Enantiómeros

CH,

eritro-3-Cloro-2-butanol Modificación racdmica

Figura 9.9 Reacción del trms-2-buteno para el problema 3 (c).

(d) En (a) se abre el ion cloronio cíclico (a traves de iii o iv, con la misma probabilidad), lo cual da lugar al producto racCmico. En (b) es la formaci6n del ion cloronio cíclico (a travQ de v o vi, con la misma probabilidad) la que da lugar a un producto rackmico.

CAPITULO 9 ESTEREOQUIMICA 11

4. Esperariamos que la eliminación El sea esencialmente no estereoselectiva y no estereoespecífica, ya que los grupos salientes se pierden en erapusdiferentes. El carbocatión formado en el primer paso podría existir en varias conformaciones -ya sea cuando se forma inicialmente o a travds de una rotación posterior alrededor de un enlace carbono -carbono (pág. 350)" y a partir de él se podría perder un prodn-P.

5. (a) Adición heterolítica a través de un ion yodonio cíclico.

El mecanismo es análogo al de la adición de X, y HOX, y tiene lugar con la misma orientación (Sec. 8.15).

(b) Los disolventes polares favorecen una reacción heterolítica, con formación de iones intermediarios, al igual que IN3 en la parte (a).

La luz y los peróxidos promueven una adición por radicales libres, reacción en cadena análoga a la del HBr (Sec. 8.18).

Rad. + BrN, + RadBr + N,

RCHCH2N, + BrN, ~ ~ - - - f RCHCH2N, + N,. I Br

y así sucesivamente

El oxígeno interrumpe la cadena al combinarse con los radicales libres orgánicos (Sec. 2.14). En disolventes no polares (donde la reacción heterolítica no es rápida), la lenta formación espontánea de radicales libres

BrN, "-f Br. + N,

se hace evidente.

BrN, + RCH=CH, - RCHCH,Br + N,

(Hassner Alfred, "Regiospecific and Stereospecific Introduction of Azide Function into Organic Molecules",Acc. Chem. Res., 4, 9 (1971).)


6. (a) Hidrogenación syn (problema 1, en pdginas anteriores). Una fracción: inactiva (racémica).

D I

H r

CH,

Enantiómeros Racémicos Inactivos

(b) Hidroxilación syn (problema 9.1 (b)). Dos fracciones: una activa, una inactiva (meso).

H

H

CAPITULO 9 ESTEREOQUIMICA

(c) Hidroxilaci6n anti (problema 9.1 (c)). Dos fracciones: unaactiva, una inactiva (meso).

Meso Inactivo

(d) Adición anti de bromo. Dos fracciones: ambas inactivas (ambas rac6micas).

y su enantiómero CH,

y su enantiómero Racém'cos Inactivos


(e) Hidroxilación. Dos fracciones: una inactiva, unaactiva. (El hecho de que la hidroxilación sea syn o anti no tiene importancia aquí, ya que 6 1 0 se esd generando un nuevo centro quiral; lo que es importante es que, cuando se genera este centro quiral, se forman las dos configuraciones posibles.)

CH,OH I

CHzOH I

Meso Quiral inactivo Activo

CHzOH I

(0 Dos fracciones: una inactiva, una activa. (Nuevamente se genera un centro quiral, y con las dos configuraciones posibles.)

C'LH, C,H, C2H, I C - C H z H$cH.\ y C:$H

C,H, C2H, C2H5

Meso Quiral inactivo Activo

H+, 11:. N I H CH, CH.!

7. (a) Lo que estamos viendo aquí, sobrepuesto al patrón básico de la eliminación anti para la reacción E2, es otro factor estereoquímico: los efectos conformucionales. Examinemos estos efectos más de cerca, ya que son característicos de los resultados que podríamos esperar de una amplia variedad de reacciones.

Vimos en las secciones 7.6 y 8.4 que el trans-2-buteno es más estable que el isómero cis. Atribuimos esta diferencia de estabilidad a una diferencia en la tensión de van der Waals: en el isómero cis, los dos voluminosos grupos metilo se encuentran aglomerados en el mismo lado

CH.,, ,H C'H, H Aglomeración c entre metilos Í I I I c

/ \ c

\e/

C H I H H' 'CH.,

cis-2-Ruteno trans-2-Buteno Menor tensión de van der Waals:

mcis estable de la molécula; en el isómero trans, Cstos se encuentran en lados opuestos (vbse Fig. 7.7, pág. 252). Así, en este caso como en la orientacih, el producto preferible de la eliminación es el alqueno más estable: en este caso, más estable no debido a la posición del doble enlace en la cadena, sino a causa de la geometría de la molécula.

Ahora, el hecho de que predomine el alqueno trans en el producto significa que este se forma con más rapidez que el alqueno cis. Estamos tratando una vez más con las velocidades relativas de reaccih, y debemos comparar nuevamente los estados de transición para las reacciones que compiten.

143


La eliminación es anti. Para obtener el alqueno cis, la reacción debe pasar a travb del estado de transición I $, el cual se deriva de la conformación I del sustrato; tanto en I $como en la conformación I, los metilos están en el mismo lado de la molécula "como estarán en el producto (Fig. 9.10). Para obtener el alqueno trans, la reacción debe pasar por el estado de transición 113, el cual se deriva de la conformación I1 del sustrato; tanto en I1 $como en la conformación 11, los grupos metilo se encuentran en lados opuestos de la molécula - nuevamente, como se encontrarh en el producto.

Entonces tenemos la siguiente situación. El reactivo existe como varios confórmeros; dos de los cuales pueden dar lugar a distintos productos a travCs de diferentes estados de transición. La E, para la reacción, la eliminación, es muy alta (20-25 kcal) comparada con la E,* para la interconversión de los confórmeros, la cual sólo requiere la rotación alrededor de un enlace sencillo. En situaciones como Csta, puede demostrarse matemáticamente que las velocidades relativas de formación de los dos productos son independientes de las poblaciones relativas de los dos confórmeros, y s610 dependen de las estabífidades relativas de los estados de transición.

H

c1

I

C I

I H " - B I

trans-2-Buteno

I1 11:

Figura 9.10 Efectos conformacionales en la eliminación anti: deshidrohalogenación E2 del cloruro desec-butilo.Laaglomeracióndelosgruposmetiloenelmismoladodelamoléculahacequeelestado de transición I$ sea menos estable que el estado de transición II $.

Comparemos, pues los estados de transición I$ y I1 $ . En el I $ , los voluminosos grupos metilo están aglomerados en el mismo lado de la molécula: al menos tan cercanos entre sí como en el confórmero I e incluso más juntos, hasta el grado en que se forma el doble enlace y la molCcula comienza a ser plana, como en el mismo alqueno cis. En contraste, en el I1 $ los metilos se encuentran en posiciones holgadas en lados opuestos de la molécula. Debido a la gran tensión de van der Waals, I$ es menos estable que 11%. La E , para la formación del isómero cis es más grande que para la formación del isómero trans; el isómero cis se forma m& lentamente y, por tanto, en una cantidad menor. El mismo factor que determina las estabilidades relativas de los productos, la tensión de van der Waals, tambikn determina las estabilidades relativas de los estados de transición que dan lugar a su formación.

Ya comentamos la situación alternativa (pág. 61 de esta Guía de Estudio, donde la reacción es mucho más fácil y rápida que la interconversión de confórmeros. Vimos que las velocidades relativas de las reacciones en competencia "y por ende la proporción de

144

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ESTEREOQUIMICA II CAPITULO 9

productos- se determinaban s610 por las poblaciones relativas de los conf6rmeros. Si C s e fuera el caso en la eliminaci6n E2, aun podríamos esperar la formacidn preferencial del idmero rruns. puesto que I1 es m k estable que I por la misma raz6n bhica por la que 11s es m k estable que IS. Pero la preferencia por el frum deberh ser menos marcada, ya que la aglomeraci6n en I es menor que en I$ , en donde ha comenzado el aplanamiento de la molCcula.

(b) Debido a que es m k dCbil el enlace carbono-hal6geno @Ag. 273-274), el bromuro de alquilo es m8s reactivo que el cloruro. En consecuencia, se llega al estado de transici6n m& rApidamente con el bromuro (Sec. 2.24), y tiene menos carkter de producto; es decir, &te serh menos parecido al alqueno que se formarh. Los grupos metilo en el estado de transici6n quedarb lugar al alqueno cis no es th tan cercanos entre sí como en el caso del cloruro de alquilo (Fig. 9. IO), y hay menos aglomeraci6n entreellos. Ladiferenciadeestabilidadentre IS y 11s es menor para el bromuro que para el cloruro, y la preferencia para el alqueno trans es menos marcada.

(y su enantiómero) eritro-2,3-Dicloropentano

H \

\

(c> OH I OH I H

\

meso-3,4-Hexanodiol OH \ H

trans-2-Hexeno

145

CAPITULO 9 ESTEREOQUIMICA II

Br Hv - - -

CH, (y su enantiómero)

treo-3-Bromo-2-butanol Modificación racémica

H \

(y su enantiómero) rac-Butano-2,3-d2

H tram-2-Ruteno

9. En el problema 9.5 (pág. 357), vimos los resultados del estudio de una eliminación E2 a partir del halogenuro de alquilo marcado con deuterio, 2-bromobutano-3-d. Hay dos hidrógenos en el C-3 del halogenuro, un H y un D, y cualquiera puede perderse en la formación del 2-buteno. Si se pierde H, el 2-buteno aun contendrá al D; si se pierde D, el 2-buteno no tendrá marca.

CH3 -CH-~C CH, I

CH,-CH C-CH, ~~ < D

H I

I I

2-Buteno-2-d cis o tram

Br D 2-Rromobutano-3-d eritro o treo

CHj-CH==C"CHj I

H 2-Buteno cis o trans

El halogenuro marcado existe en formas diastereoméricas: eritro (V y su enantidmero, pág. 357) y el marcado o sin marcar, existe como idmeros geomCtricos, cis y trans. Como vimos (problema 9.5 recién estudiado), se encontrd que se pierde H o D en la eliminación dependiendo de si se comenzaba con el bromuro eritro o treo, y de si se formaba el alqueno cis o tram. Los resultados apropiados caen dentro de un patrdn muy simple: la elimución es anti.

Hay otro aspecto en la formacidn del 2-buteno a partir de un halogenuro de butilo secundario: la proporción trans: cis. El trans excede al cis por un factor de alrededor de 6 para el cloruro de sec-butilo, y alrededor de 3 para el bromuro (problema 7 de esta sección). Como vimos esto se atribuye a efectos conformacionales.

La parte (a) del presente problema contiene ambos aspectos de la estereoquímica de la reacción -la pérdida de H o D, y la proporción trans.-cis- y revela el trabajo de otro factor adicional. La parte (b) confi ia los resultados de (a).

146


(a) Resumamos los datos:

sustrato sin marca "--f (- H) trans ( - H) cis

= 2.84

eritro --f ( - D) trans ( - H) cis = 0.82

treo - (- H) trans ( - D) cis

= 10.6

Claramente, el porcentaje del 2-buteno que es trans o cis depedende de si el idmero será formado por la périda de H o D. Ademits, es obvio que favorece más la pérdida de H que la pérdida de D. Cuando se forman ambos alquenos por la p6rdida de H (a partir un bromuro no marcado), la proporción de tram:cis es de 2.84. Cuando se forma el isómero tram por pérdidadeD(apartirdelbromuroeritro),laproporcióndetrans:ciscaea~lo0.82.Cuando de forma el isómero cis por pérdida de D (a partir del bromuro treo), la proporción de tram:cis sube a 10.6. Por supuesto, lo que vemos aquí es un efecto isotópico (Sec. 7.17): el enlace C-D se rompre más lentamente que el enlace C-H, y esto se refleja en la proporción de tram:cis.

¿Cómo podríamos calcular la magnitud de este efecto isotópico? Queremos comparar la velocidad de ruptura del enlace C-H con la velocidad de ruptura del enlace C-D; es el mismo enlace, el mismo compuesto, la misma reacción: sólo el isótopo es diferente. ¿Qué usaremos como medida? Usaremos la velocidad de formación del otro alqueno isomérico. Veamos lo que esto significa.

El efecto isotópico para la formación del alqueno trans es

kH 2.84 k D - 0.82

= 3.46

Estamos comparando la velocidad de formación del alqueno trans por la ruptura de C-H (P) con la velocidad de formación del alqueno trans por la ruptura de C-D (k"). En ambos casos nuestra referencia es la velocidad de formación del isómero cis por pérdida de H; kH es 2.84 veces esta velocidad, y kD es 0.82 veces esta velocidad.

El mismo sentido, el efecto isotópico para la formación del alqueno cis es

kH 10.6 kD - 2.84

= 3.73

Esta vez nuestro estándar es la velocidad de formación del alqueno tram por p6rdida de H.

(Aunque cercanos, estos valores noson idénticos. Esta diferencia puede ser simplemente un error experimental. Por otra parte, los valores son para reacciones diferentes -la formación de isómeros diferentes- y podría esperarse que sean un poco diferentes. Por un lado, la formación del isómero cis "sin los efectos isotópicos- es m& difícil que la formación del tram, y deberá llegarse al estado de transición un poco después (Sec. 2.24). En los resultados de la parte (b) se indica que las diferencias entre los efectos isotópicos probablemente sean reales.)

147


(b) Por supuesto, el otro alqueno que se obtiene en estas reacciones es I-buteno:

CH,CHCHDCHI ~~ tCH,CH CDCH, + CH3CH C H C ' H , + CH2 CHCHDC'H, I

Br 2-Buteno-2-d 2-Buteno 1-Buteno-3-d

2-Brornobutano-3-d cis o tram cis o trans

Para cada una de esta reacciones se determinaron los valores adicionales: la proporción trans-Zbuteno: I-buteno, y la proporción del cis-2-buteno: 1-buteno. Resumamoslosdatos. Para la formación del idmero trans.

sustrato sin marca --S --__ - - 2.82 ( - H) trans

1 -buteno

eritro --+ -___ = 0.82 ( - D) trans

1-buteno ( - H) trans 1 -buteno

treo -+ = 2.82

y para la formación del isómero cis:

sustrato sin marca ~"-f _ _ _ ~ - - 0.99 ( - H) cis 1 -butcno

eritro - "-f ____- ( - H) cis 1 -buteno

= 0.98

tree . --f ( - D) cis 1-buteno

= 0.27

Vemos un patrón muy parecido al de la parte (a). La cantidad del isómero trans o cis formado "esta vez en relación con la cantidad de 1-buteno, no con la cantidad del otro estereoisómem- depende de si el idmero se forma por pérdida de H o de D. También aquí sefavorecemblapér~da~Hquela~rdidadeD.Cuandoseformaunidmeropor~rdida deH,laproporci6neslamismaqueparaelsustratosinmarca:2.82comparadacon2.82para el idmero trans; 0.98 comparada con 0.99 para el isómero cis. Pero cuando el isómero se forma por pérdida de D, la proporción cae de 2.82 a 0.82 para el idmero trans, y de 0.99 a 0.27 para el is6mero cis.

Nuevamente estamos observando un efecto isotópico y, como en el caso anterior, podemos calcular su magnitud. Para la formación del alqueno trans, esta es

k" 2.82 k D - 0.82 " - __ = 3.44

y para la formación del isómero cis:

kt' 0.99 0.27

"~ k" -- = 3.70

ESTEREOQUIMICA II CAPITULO 9

10.

11.

En esta ocasi6n nuestro estandar es la velocidad de fmacidn del 1-buteno. Finalmente, comparamos los valores de estos efectos isot6picos con los que calculamos

en la parte (a). Si midieron lo que pensamos que deberían medir, es que midieron la misma cosa, y deberían concordar. Y efectivamente concuerdan, con valores muy pr6ximos: 3.46 contra 3.44, y 3.73 contra 3.70. Los resultados de la parte (b) confirman la conclusi6n de la parte (a) no S610 cualitativamente, sino tambitn cuantitativamente.

(a)-(c) Vea la seccidn 20.2

(Winstein, S. y Lucas H. J., "Retention of Configuration in theReaction of the 3-Bromo- 2-butanols with Hydrogen Bromide", J. Am. Chern. Soc., 61,1576 (1939).)

(a) (i) Eliminaci6n anti, con I- como base.

(ii)

cBr I I / -C-C- --f -C=C- + IBr + Br-

I VI Br t 1 -

Ataque nucleofílico intermolecular, con inversi6n, seguido de un ataque nucleofílico intramolecular, tambitn con inversidn; y finalmente UM eliminaci6n, la cual es necesariamente syn. El resultado neto: una eliminacidn global syn.

(b) S610 la eliminaci6n sin neta (mecanismo ii) puede dar el cis-CHD=CHD obtenido a partir del meso"CHDBr2HDBr.

meso

L XDaH>D H

H

I I I

D

cis

S610 la eliminaci6n anti neta (mecanismo i) puede dar los resultados observados para los dibromobutanos.

CAPITULO 9 ESTEREOQUIMICA Il

H

mesa

Br

H-8"-

c' Br I

/ "--,

L ' I Br

y su enantiórnero Racdmicos

H /runs

H

_S \

cis

.CHI

L o s dos ataques nucleofílicos del mecanismo (ii) son m h difíciles en los &tomos de carbono 2" de los dibromobutanos que en el Atomo de carbono 1" del dibromoetano. Al mismo tiempo, los grupos metilo de los dibromobutanos ayudan a estabilizar el doble enlace incipiente del mecanismo (i). El resultado es un desplazamiento en el mecanismo desde (ii) para el dibromoetano, hasta (i) para los dibromobutanos.

12. (a) ~1 dibromwo racémico sufre ladeshidrohalogenaci6n anti usual, donde la piridha ataca al H.

Ph c:" H

Ph y su enantiómero

Racémicos trans-1-Bromo 1.2-difenileteno

El dibromuro meso sufre una eliminaci6n anti por el mecanismo (i) del problema anterior, y la piñdina (en lugar del ion yoduro) ataca al Br.

Ph

I Ph

.Meso trans- 1.2-Difenileteno

(b) Cada reacci6n prosigue a travQ del estado de transici6n en el cual los grupos salientes son anti-periplanares y los voluminosos grupos fenilo esth tan apartados como es posible.

10

Conjugación y resonancia Dienos

10.1 (a) El radical alilo debería reaccionar con HCl para separar un Ammo de hidr6geno.

(b) Como se ilustra, la E , debería ser al menos de 15 kcal, y probablemente es m& elevada. Esto esta en marcada contraposici6n a la reacci6n exot6rmica con la molkula de hal6geno para completar la adici6n.

10.2 El radical libre mhs estable que se puede generar de cada alqueno es un ,dííico, que es el intermediario preferible. Mediante una transposici6n alílica, este intermediario da dos productos (despreciando la estereoisomería) que son los mismos en ambos casos: 3-cloro- 1-buteno y lcloro-Zbuteno.

CH,CH,CH=CH, + t-BuO. A CH,CHCH=CH, + t-BuOH 1-Buteno Un radical alílico

Producto preferible

CH3CH=CHCH, + r-BuO. "----f CH,CH=CHCH,. + r-BuOH 2-Buteno Un radical alílico

Producto preferible

CH3CHCH=CH2 - CH,CHCH=CH2 + CH3CH=CHCH, /-BuOH CH,CH=CHCH2. /-BuOCI

I CI

I C1

3-Cloro-1-buteno 1-Cloro-2-buteno

15 1

CAPITULO 10 CONJUGACION Y RESONANCIA

Como veremos pronto, los dos alquenos dan los mismos productos porque generan el mismo intermediario alílico, un híbrido de las mismas dos estructuras.

Este radical híbrido reacciona en cualesquiera de dos posiciones, para generar cualesquiera de dos productos.

CH3-

CI 3-Cloro-l-buteno

CH3-CH=CH-CH, I

C1 1-Cloro-2-buteno

103 Utilice, por ejemplo, propileno isot6picamente marcado, "THJH=C$, y vea si la marca aparece en dos posiciones diferentes en el producto.

En la ozon6lisis, espemíamos que el carbono isotdpico no S610 apareciese en el bromoacetaldehído,

BrI4CH2CH=CH2 A Br"CH,CH=O + O-CH, O

Bromoacetaldehído Formaldehido

sino también en el formaldehído.

I4CH2=CHCH2Br 01, H2"C=0 + O=CHCH,Br Formaldehido Bromoacctaldehído

equivalente a -N + / \.

' O - O O

CONJUGACION Y RESONANCIA CAPITULO 10

10.6 Vea las piginas 371 - 372.

10.7 Los sesquienlaces en los radicales alílicos intermediarios evitan efectivamente la rotaci6n necesaria para convertir un radical estereoisomCrico en el otro.

H H H H H\ / / - B u 0

CH3 CH3 CH< LCH~ ,c=c - H\ / t-BuOCI >.&

\ C;C.;t _cf + 3-Cloro-1-buteno

\ CH3 CHzCl

cis-2-Buteno Radical cis cis-1-Cloro-2-buteno

CH3\ / /-BuO. H CH, H CH3\ /

H ,c=c _j \+C / - I-BuOCI

\ H CH3 H' \\Hz H/c=c CHzCI trans-2-Buteno Radical trans trans-1-Cloro-2-buteno

+ 3-Cloro-1-buteno \

10.8 (a) No. El calor de hidrogenación medido (49.8 kcal/mol) es 36.0 kcal/mol menor que el calculado para tres enlaces dobles (3~28 .6858 kcdmol). Con base en la estructura de KekulC, esperm'amos tres enlaces simples largos y tres dobles cortos -10 que es contrario a los hechos.

(b) Una representación mis adecuada es:

Como híbrido de dos estructuras equivalentes, todos los enlaces serían iguales e intermedios entre enlaces simples y dobles. La resonancia sería importante y conduciría a una considerable estabilización de la molkula. Y así sucede, efectivamente.

10.9 Mediante hiperconjugación del tipo siguiente:

H H I I

'H H I H H

I I H + C=C H-C=C

I I I I I I I H-C=C

H H H H H H 'H H

10.10 Suponemos reacciones S,1 que prosiguen mediante los cations alílicos siguientes:

CHZ=CH"CHZCI 4 CH2"CH- CH*

I

6 I +


CH,"CH=CH"CH2CI - CH,"CH=CH"CH2

o IV IV +

En los cationes 11' y IV', el metilo esd unido a uno de los carbonos terminales del sistema alííco, los carbonos que portan la mayor parte de la carga positiva; mediante una liberaci6n de electrones, el metilo ayuda a dispersar la carga y, por consiguiente, a estabilizar poderosamente el cati6n y el estado de transici6n que permite que se forme. En el cati6n III', el metilo esd unido al carbono central del sistema alnico, el cual tiene muy poco de la carga positiva;laliberacidnelectrdnicapormediodelmetiloesdepocaayudaparalaestabilizaci6n del cati6n o del estado de transicidn y, de hecho, puede interferir est6ricamente la asistencia del disolvente.

10.11 i' CH,--CH-CH=CH2 I I H CI

3-cloro-1-buteno

CH2=CH"CH=CH2 % CH2"CH-CH"CH2

H o 1 -

CH2"CH=CH"CH2 I I

H C1 1-Cloro-2-buteno

En el primer paso de la adici6n electrofílica, el prot6n se une a uno de los carbonos terminales, puesto que esto & origen al carbocati6n intermediario m k estable: un cati6n alííco. Este, como aquellos generados mediante hetdlisis, se combina con el nucldfilo en cualesquiera de dos posiciones para dar uno de dos productos. (Esto se a n a l i z a r A en detalle en la S e c . 10.26.)

10.12 En la solv6lisis SJ, un metilo acelera la reacci6n liberando electrones y estabilizando así al carbocati6n que se esta formando (problema 10.10, recih estudiado). En presencia del ion et6xid0, fuertemente nucleofílico, la reacci6n se desplaza a S,2 - como lo atestigua la cinetica de segundo orden- y el metilo retarda la reaccih por medio del impedimento estérico.

10.13 Mediante la @rdi& del ion triflato, I da un cati6n vinílico que: (i) se combina con el disolvente para dar el & t e r 11; (ii) pierde un prot6n del C-1 para dar el alquino 111;

154


(iii) pierde un prot6n del C-3 para dar el aleno IV; y (iv) se transpone mediante un desplazamiento de hidruro a un cati6n m k estable,

alííco, el cual despuh genera el 6ter V.

CH,-CH-C=CH? a CH,-CH-C=CH? 1 , OTf

I I I o

Un cati6n yb vir3ico CHJ-C=C==CH2

Un cati6n alílico

10.14 (a)Suponiendo un valor de 28-30 kcal para cada doble enlace, calculamos un valor de 56 a 60 kcal.

CH*=C=CHz + 2H2 + CHjCH2CHj AH = -56 a -60 kcal ( 2 x 28) ( 2 x 30)

(b) El valor real (71 kcal) es considerablemente m k alto que el estimado, lo que indica que 1 0 s dobles enlaces acumulados son inestables con respecto a los dobles enlaces conjugados o aislados.

10.15 H

I H

I I I I

H Br H 1,3-Hexadieno

CH3"C"CH"C"CH=CH, - H B r CH3CH,"CH=CH"CH=CH, + Conjugado: m h estable

Producto principal

CH3CH=CH"CHI"CH=CH2 1.4-Hexadieno

10.16 (a)La uni6n inicial del prot6n debe ser con C-1, ya que sólo así se pueden formar los productos observados, por medio de la adición- 1,2 y - 1,4.

La unión del prot6n a cualquier extremo del sistema conjugado genera el catión alílico. Sin embargo, se ve favorecida la uni6n con el extremo del C-1, puesto que este cati6n alílico es tambien un cati6n 3'. Esto significa que parte de la carga positiva se desarrolla sobre el

155


carbono (C-2) al que esd unido el grupo metilo, y la liberaci6n de electrones por el metilo ayuda a estabilizar al carbocati6n incipiente.

C H J 3

H ' v - 1

equivalentea CH>--C~-- CH:--CH>

(b) Similar a (a), con uni6n inicial de Br+ al extremo del C-1 del sistema conjugado.

10.17 (a) S í , un catidn doblemente alnico.

CH?"CH--CH-CH -CH-:CH, CH,--CH-=CH--CH-CH ~ CH, CHZ-CHyCH - - C H ~ C H - CHZ I I I I

Br Br Br Br Br B 1-

5.6-Dibromo-1.3-hexadieno 1,6-Dibromo-2,4-hexadieno 3,6-Dibromo-l,4-hexadieno Unicosproductos No se forma

(b) 3,6-Dibromo-l,4-hexadieno. (c) Control del equilibrio, el cual favorece los productos más estables que son los dos dienos conjugados.

10.18

Escualeno

(b) En el centro; probablemente la molécula se genera por combinacidn cabeza con cabeza de dos unidades C,, idknticas.

(c) Cuatro cierres de anillos, y una migraciiin de metilo. Pkrdida de tres grupos metilo.


10.19 (a) CH,CH=CH-CH=CH, "+ CH,CHO + OHC-CHO + HCHO

(b) CH2=CH-CH2-CH=CH2 + HCHO + OHC-CH2"CHO + HCHO

(c) CH2=C-CH=CH2 "+ HCHO + O=C-CHO + HCHO I I

CH3 CH,

10.20 (a) nCH2==CH "l-t (-CH,-CH-), (-CH2"CH-), + nHCHO 1 2

I I I CH=CH2 CH=CH2 CHO

(b) nCH,=CH--CH===CH2 5 (-CH~-CH=CH--CH~-CH~-CH=CH-CH~-).p

H H I I

nO=C-CH2-CH2-C=O

10.21 En el caucho natural, las unidades de isopreno se combinan principalmente como si fueran cabeza con cola, adici6n- 1.4.

CH3 I O = C H - C H ~ " C H ~ " C ~ O

to] CH3 I CH3 I CH 3 I

-CH*-C=CH-CH2-CH2- C=CH-CHZ-CH2-C=CH-CH2- "- Unidad de isopreno Unidad de isopreno Unidad de isopreno

1.

H3C H H H H / / I l l I l l

CH3-C"C-C-C=C-CH3

H H H 5 3 4 1 6 6 2 ordende reactividad

El H que es tanto 2" como alilico, es m& reactivo que el H que es 1" y alnico.

2* ( a t W c-c-c=c-c=c 1.3-Hexadieno

Conjugado I s h . geom.

c-c=c-c-c=c 1,4-Hexadieno

Isbm. geom.

Da C-C-CHO+OHC-CHO+HCHO C-CHO+OHC-C-CHO+HCHO

c=c-c-c-c=c 1.5-Hexadieno

c-c=c-c=c-c 2.4-Hexadieno

Conjugado Isbm. geom.

157

CAPITULO 10

Da H C H O + O H C - C - C - C H O + H C H O

C-c~c-c-c I

C 2-Metil-l,3-pentadieno

Conjugado Isóm. geom.

Da C-CHO +OHC-C=O+ HCHO I

C

I C

c=c- C:C-- c

4-Metil-1.3-pentadieno Conjugado

DQ H C H O + O H C - C H O + O = C - C I

C

c=c-c--C =c I

C 3-Metil- 1 ,4-pentadieno

Da HCHO t OHC-C-CHO + HCHO 1 c

c=c"c -C I

C I

C 2-Etil-l,3-butadieno

Conjugado

Da HCHO + OHC- C - - 0 + HCHO I

C I

C

CONJUGACION Y RESONANCIA

C-CHO + OHC"-CHO + OHC-C

C -c--c- C"-C I

C 2-Metil-1.4-pentadieno

HCHO + OHC-C--C -0 + HCHO I

C C"c-C--C=C

I C

3-Metil-1.3-pentadieno Conjugado

Isóm. geom.

C I

c "C -c-=c I I

C C 2,3-Dimetil-l,3-butadieno

Conjugado

C - C H O + O = C - C H O + H C H O

HCHO + O - C-- C--0 + HCHO I I c c

(f) No se pueden distinguir el 2-metil-13-pentadieno y el 3-metil-l,3-pentadieno por sus respectivos productos de ozon6lisis.

3. Esperamos los productos tanto de la adici6n-1,2 como de la -1,4. (Indicamos la existencia de is6meros geomCtricos, pero no de. oms diastereom6ros o enanti6meros.)

(a) CH2CHCH=CH2 + CH2CH=CHCH2 (b) CH,CHCHCH, I I I I I I l l

H H H H H H H H 1-Buteno 2-Buteno nButano

(cis y trans)

(c) CH2CHCH=CH2 + CH2CH=CHCH2 (d) BrCH,CH-CHCH2Br *I I 8, I I 1 Br Br Br Br Br

3Q-Dibromo-lbuteno 1,4-Dibromo-2-buteno 1,2,3,4-Tetrabromobutano (cis y trans)


( e ) CH2CHCH=CH2 + CH2CH=CHCH2 I I I I H C1 H c1 3-Cloro-1-buteno 1 -Cloro-2-buteno

(Z Y E )

(f) CH3CH-CHCH3 + CH3CHCH2CH3 I I I I

CI CI CI CI 2,3-Diclorobutano 1,3-Diclorobutano

(g) 2HCHO + OHC-CHO (h) 2C02 + HOOC-COOH

La parte (f) merece atenci6n especial. Cadauno de los productos de (e) reacciona con otro mol de HCl a travQ del carbocati6n m& estable: el 2' en lugar del 1'.

CH3CHCH=CH2 CH3CH-CHCH2 % CH3CH-CH-CH2 I

CI C1 CI CI H en lugar de

I y I l l

C H ~ C H - C H C H ~ ~ I /

CI H

y, de los dos carbocationes secundarios posibles, aquel que tenga la carga positiva m& alejada del " c 1 atractor de electrones.

CH3CH=CHCH2CI m CH3CHCHCH2C1 % CH3CH-CHCH2CI

@ A I I CI H

en lugar de

CH3CHCHCH2CI

H I O

4. Tratamos estos dobles enlaces como si se hallaran en molkulas diferentes; pueden reaccionar ambos, o uno solo, lo cual depende de la cantidad de reactivo empleado.

(a) CH2=CHCH2CHCH2 (b) CH2CHCH2CHCH2 I I ' I H H H H H H

1 -Penteno n-Pentano

I I

(c) CH2ZCHCH2CH-CH2 (d) CH2CHCH2CH-CH2 I I I I I I Br Br Br Br Br Br

4,5-Dribromo-l-penteno 1,2,4,5-Tetrabromopentano

(e ) CH2=CHCH2CH-CH, (f) CH2CHCH2CH-CH2 I I I I I I

CI H H C1 CI H 4-cloro-1-penteno 2,4-Diclorobutano

(g) 2HCHO + OHCCH,CHO (h) 2C02 + HOOCCH,COOH

159


5. En cada caso esperamos que el producto principal sea el alqueno m& estable: aquel que est4 más sustituido o que es conjugado.

(a) CH3CH2CHICH2CI -+ CH,CH,CH=CH, 1 -Buteno

CH3CHZCHCH3 - CH,CH=CHCH, + CH,CH,CH=CH2 I

C1 2-Buteno (cis y tram) I-Buteno Producto principal

(b) CH3CH2CH2CH2CI -+ CH3CH2CH=CH2 1 -Buteno

CICH2CHCH=CH, -+ CH2=CHCH=CH2 1,3-Butadieno

CH3

I ZH3 (c) CH3CH,&H3 -----+ CH3CH= CH, + CH3CH2C=CH, I

CH3

Br 2-Metil-2-buteno 2-Metil-1-buteno Producto principal

CH3 I CH3 I CH3 CH3CHCHCH3 --+ CH,CH=C"CH, + CHZ=CHCHCH, I

I Br 2-Metil-2-buteno 3-Metil-I-buteno:

Producto principal

CH, CH3 (d) CH3CH,AHCH2Br -- CH3CH2C=CH2 I

BrCH2CH2CHCH3 - CH2=CHCHCH3 I

2-Metil-1-buteno

CH3 I CH3

3-Metil-1-buteno

CH3 CH3 I I

CH3 CH, I I

(e) CH,CH"CHCH,CI 4 CH,CH-C=CH, 2,3-Dimetil-l-buteno

CH3 CH3 I I

I CI

CH3 I CH, CH3CH"CCHJ - CH,C=CCH3 + CH,CH"C=CH2 I

I I CH, CH,

2.3-Dimetil-2-buteno 2.3-Dimetil-1-buteno Producto principal

(f) CICH2CH2CH=CH, - CH,=CHCH=CH2 1,3-Butadieno

CICHZCH,CH2CH=CH2 - CH*=CHCH2CH=CH2 1,4-Pentadieno


6. Comparamos las estructuras de los alquenos que se forman. El halogenuro de alquilo más reactivo es aquel que da el alqueno o los alquenos más estables: los más sustituidos, o conjugados.

(a) 2clorobutano (b) 4-Cloro-1-buteno (c) 2-bromo-2-metilbutano (d) 1-bromo-2-metilbutano (e) 2-cloro-2,3-dimetilbutano (0 4-cloro-1-buteno

7. En cada caso, el ataque inicial es mediante H', para generar el carbocatidn intermediario más estable (regla de Markovnikov). En el caso de los dienos conjugados, tiene mhs preferencia un catión alííco que uno que no lo es, un alííco 3" que un alílico 2", y un alilico 2" que un alííco 1". (Revise otra vez la respuesta al problema 10.16.)

1.3-Butadieno - CH2 -CH=CH"CH2 y CHI- CH"CH=CHz I 1 H. CI H CI

Los otros productos son:

CH, I CHI I

(C) C H z ~ ~ - C - - C H " C H > y CHz C-CH CH2 (d) CH2CH=CH- CH--CH, I I I

H CI I 1 H CI H C I

8. En cada caso, el ataque inicial es mediante . CC2 para generar el radical libre intermediario más estable. Seguimos un planteamiento similar al del problema precedente.

1.3-Butadieno + CH2"CH=CH-CH2 y CHL-CH -CHL-CHL I I I I I

CI,C Br Cl,C Br

Los otros productos son:

(a) CHZ CH CH2-CH3 !

C13C Br

( b ) CH2"CH"CHr--CH=CH2 I

CI,C HI.

9. El compuesto más reactivo es aquel que genera el radical libre más estable. En el caso de un dieno conjugado, se forma con mayor rapidez un radical libre alnico que uno no alílico, un alílico 3" que un alílico 2", y un alílico 2" que un aliíco 1".

(a) 1,3-butadieno (b) 1,3-butadieno (c) 2-metil-l,3-butadieno (d) 13-pentadieno


10.

11.

12.

13.

Esperamos que la reactividad dependa de la estabilidad del carbocatión que se genera en (a)- (d), y de la capacidad como grupo saliente, en (e). Escribimos y examinamos la estructura de cada catión; para los alílicos, anotamos las estructuras contribuyentes a fin de recordar dónde es más fuerte la carga positiva. (Repase la respuesta del problema 10.10.)

(a) 3-cloropropeno > cloruro de n-propilo > 1-cloropropeno (b) 3-bromo-1-buteno > 2-bromobutano > 2-bromo-1-buteno (c) 4-bromo-2-metil-2-penteno > 4-bromo-2-penteno,4-bromo-3-metil-2-penteno (d) tosilato de 4-metil-2-penten-4-ilo> tosilato de 2-penten4ilo > tosilato de 2-buten-1-ilo (e) triflato > tosilato > bromuro > cloruro

En (a)”(d), esperamos que la reactividad dependaprincipalmente del impedimento estkrico, con el factor adicional del enlace desusadamente fuerte a carbonos vinílicos. En (e), suponemos que la capacidad como grupo saliente es la que determina la reactividad.

(a) 3-cloropropeno, cloruro de n-propilo > 1-cloropropeno (b) 3-bromo-l-buteno, 2-bromobutano > 2-bromo- 1-buteno (c) 4-bromo-2-penteno > 4-bromo-2-metil-2-penteno > 4-bromo-3-metil-2-penteno (d) tosilato de 2-buten- 1-ilo > tosilato de 2-penten-4-ilo> tosilato de 4-metil-2-penten-4-ilo (e) triflato>tosilato>bromuro cloruro

Vea la sección 23.13

(a) Los planos que pasan por los CH, son perpendiculares entre sí.

(b) Si; aunque no hay carbonos quirales, las molkulas sí lo son.

(c) Carbono central sp, lineal; carbonos terminales sp2, trigonales; los planos de los dos dobles enlaces son perpendiculares. Esto da lugar a la misma forma que en (a) y (b),

Aleno

(VhseEliel, E. L., Stereochemistry of Carbon Compounds, McGraw-Hill: NuevaYork, 1962, págs. 307-3 11 .)

CONJUCACION Y RESONANCIA CAPITULO 10

14. (a) El alcohol alílico genera un cati6n alílico híbrido, el cual da dos productos: CHJCHCH-CH2

I Br

CHjCHOHCH X H ? C H j C H C H ~ - C H 2 v

'5) CHJCH-CHCH2Br

(b) Este alcohol da el mismo cati6n alílico y, por consiguiente, los mismos productos que en (a):

CH,CH -CHCHzOH x CH3"CH== CH- CH2 - los mismos productos que H '

en (a): >\

15. F3C\ / F 0.3 I h C \ , OEt OEt C-C + OEt- - F,C-C-C-F -

\ ' G' + F- Ph/ F

\ Ph F F

CI F2C F OEt F2C OEt \ / b q c.01

F I / ph/c=c\ + OEt- - CI-F,C-C-C-F - 'C-L-F + CI-

Ph F Ph'

La formaci6n del carbani6n es el paso determinante de la velocidad, que es casi idhtico para los dos alquenos parecidos. En seguida se rompe el enlace C-X m h debil, pero la velocidad de este paso no afecta la velocidad global; esto es, no hay "efecto del elemento" (vhse la Sec. 7.19). De esta forma, la reacci6n global es un tipo de sustituci6n nucleofílica, pero mediante

lo que podríamos denominar un mecanismo de adición-eliminación.

(Koch, H. F y Kielbanian, A.J., Jr.,"Nucleophilic Reactions of Fluoroolefins. Evidence for a Carbanion Intermediate in Vinyl and Allyl Displacement Reactions", J. Am. Chem. Soc., 92,729 (1970).)

Dieno Catión 3" ' I

Catión 3"

Alqueno

163


Esta reacci6n es simplemente una versi6n intramolecular de la dimerizaci6n de los alquenos catalizada por ácido (Sec. 8.16). Ya que los dos dobles enlaces -10s dos "alquenos"- son parte de la misma molkula, la reacci6n da lugar a UM ciclización, esto es, a la formaci6n de un anillo (vdase la Sec. 124).

17. (a) KMnO,, o BrJCCl,: dieno positivo. (b) AgNO,: bromuro de dilo positivo. (c) AgNO,: 1-cloro-2-buteno (alilico) positivo; 2-cloro-2-buteno (vinílico) negativo.

19. Podemos resolver el problema de la siguiente manera:

mmoles de H, consumidos = ~

8.40 mL 22.4 mL/mmole

mmoles de compuesto - 10.02 mg X0 mgjmmole

(incertidumbre en el p.m.)

mmoles de H, consumido 8.40122.4

mmoles de compuesto 10.02jXO - - ____- - 3

Por lo tanto, el hidrocarburo contiene tres dobles enlaces, o un doble enlace y un triple enlace. Los resultados de la ozon6lisis sólo muestran tres carbonos, pero un p.m. en el intervalo de 80-85 indica seis átomos de carbono (6 x 12 = 72). Es evidente que se obtienen dos moles de cada producto de ozonólisis por mol de hidrocarburo. Ya que el HCHO sólo puede provenir de una insaturaci6n terminal y el dialdehído s610 de un segmento interno de la cadena, no hay sino una forma de colocar las piezas juntas: el hidrocarburo es el 1,3,5- hexatrieno.

H H H H 1 1 I I

H,C=O O=C-C=O O=C-C=O O=CH2 ,J H2C=CH-CH=CH-C.H=CH, O

1,3,5-Hexatrieno

Al comprobar, encontramos que la estructura propuesta para el trieno concuerda con todos los datos analíticos. (Se encontrará que un alquino u otra estructura cíclica es incongruente con estos datos.)

20. El mirceno contiene diez carbonos, pero los productos de la ozon6lisis solamente presentan nueve; el carbono que falta se debe hallar en una segunda molkula de HCHO. Esto da cuatro moléculas como productos de ozonólisis, lo cual concuerda con los tres dobles enlaces que muestra la hidrogenacih (la ruptura en tres sitios da cuatro productos).


(a) Los fragmentos pueden reunirse de ms maneras:

(b) El mirceno está constituido por dos unidades iwprthicas, unidas cabeza con cola.

21. (a) Partiendo del esqueleto de carbono del mirceno (problema 20 mien analizado), observamos que los diez carbonos de los fragmentos de la oxidaci6n deben reunirse de la siguiente manera:

(b) En consecuencia, el dihidromirceno es el resultado de una adici6n-1,4 del hidr6geno al sistema conjugado del mirceno.


22. (a) Pérdida de OPP para generar el catión dimetilalilo, el cual ataca al carbono terminal no saturado del pirofosfato de isopentenilo, generando un catión 3", que, a su vez, pierde un protón para dar el pirofosfato de geranilo.

C H \ (,.H 3

! CH: C~-<H CH? OPP -+ C H I C-zCtIL CHZ + 01'1'

Pirofosfato de dimetilalilo o

(b) (CH3)2C=CHCH2CH2C(CH3)==CHCH2CH2C(CH3)==CHCH20PP Pirofosfato de famesilo

(c) Dos unidades famesilo, unidas cabeza con cabeza, forman el esqueleto del escualeno. (Vckse el problema 10.18.)

(d) Continuación de la secuencia iniciada en (a) y (b).

Más adelante veremos la química orgánica que está dew& de la biogenesis de estos complejos de importantes compuestos. Comienza con unidades acetato de dos átomos de carbono, las que se combinan para generar acetoacetato de cuatro carbonos (Sec. 4 1.7), y luego mevalonato, de seis carbonos; este pierde CO, (problema 21, Cap. 30) para dar pirofosfato de isopentenilo de cinco carbonos, con el esqueleto característico del isopreno.

(Clayton, R. B., "Biosynthesis of Sterols, Steroids, and Terpinoids. Part I", Rev. Chem. Soc. 19,168 (1965), especialmente págs. 169-170.)


FARNESOL (Para la melodía de: "Jingle Bells")

Toma un acetato, Cond6nsalo con un compaflero, Pronto tendrh Acetoacetato. Que tengan una fiesta, Y tend& geraniol. Made otro isopreno Y ya tienes farnesol.

Farnesol, farnesol, mi viejo farnesol, Primero da escualeno, luego colesterol. Farnesol, farnesol, mi viejo farnesol, Primero da escualeno, luego colesterol.

Ahora, escualeno hace una pirueta, Y se convierte en lanosterol. Los metilo que es& demh Abandonan como CO,. Y ahora viene zimosterol, Y luego desmosterol. Si no tomas Triparanol, Tienes colesterol.

Farnesol, farnesol, etc.

DAVID WCHEWSKY The Wistar Institute Philadelphia, Pennsylvania

Alquinos

11.1 CO,: O= C= O, lineal: el C utiliza dos orbitales sp y dos orbitalesp perpendiculares entre sí (compare con el aleno, problema 13, pAg. 408. %O: sp3, teWca, con pares no compartidos en dos lóbulos (Sec. 1.12).

11.2 Br Br Br Br I I (a) CH3C=CCH3 A CH,C=CCH, I, CH3C-CCH3

I I I I Br Br Br Br

(b) Mediante la atracción de electrones, el -Br desactivar4 el 2,3-dibromo-2-buteno.

(c) Favoreced la adición al 2-butino.

(d) Emplearía un exceso de 2-butino.

(e) Dejm'a gotear Brz en una solución de 2-butino, para evitar un exceso temporal de Br,.

11.3 CH? ,C,H? \c -=c Hz CH3C=CC2H5 CH3CH-CHC2H5

H' H I I NaNHz KOH(alc)

\ ' hndlar Br Br

cis-2-Penteno

Brz +" 2-Penteno

Mezcla cis-trans

CAPITULO 11 ALQUINOS

! desplazamiento de metilo

H,C CH, I 1 CI HCI I 1 I I 1 c1 C1 c1

H3C CH3 - CH3"C"C=CH, - CHj-C-C-CH,

2.3-Dicloro-2, 3-dimetilbutano

H3C CH, I I I I

CI CI

3 CH,-C"CH-CH2

1.3-Dicloro-2, 3-dimetilbutano

@in la formación del último compuesto, 1,3-dicloro-2,3-dimetilbutano, la orientación de la adición del HCl está controlada por el efecto inductivo del "€1 ya presente en la molécula.)

11.5 El H va al C terminal; esto es, hay orientación de Markovnikov, a través de un catión alilico 2' más que de un catión alílico 1 O.

CH,~- -C C H I .c" CH,--C~ C H 2 t" CH3-C-CH, CH,C=-C-H t- CH3C:-CH - H- H+

I I I I O OH OH2 H Propino

o ! Acetona

Ceto Enol

11.6 Es la sal de calcio del acetileno, Ca2+C"CG, y podría Ilamíksele aceuluro de calcio. Su reacción con agua es una reacción ácido-base en la cual el ácido más débil (acetileno), es desplazado de su sal por el hcido m& fuerte (agua).

11.7 Acidez H 2 0 > ROH > HC"CH > NH3 > RH

Basicidad O H " < RO- < HCIC- < NH,- < R

11.8 (a) n-PrC"CH "----f n-PrCOOH + HOOCH

(b) EtC"CCH3 EtCOOH + HOOCCH,

(c) i-PrC"CH --i i-PrCOOH + HOOCH

(d) CH,CH=CH"CH-CH2 "-----f CH,CHO + OHC-CHO + HCHO

(e) CH2=CH"CH2-CH=CH2 --j HCHO + OHC-CH2"CH0 + HCHO

170

ALQUINOS CAPITULO 11

1. C-C-C-C-C-CH C - c - c - c ~ c - c c-c-c~c-c-c 1-Hexino 2-Hexino 3-Hexino

(n-Butilacetileno) (n-F'ropilmetilacetileno) (Dietilacetileno) Forma sales

Da: n-BuCOOH + HOOCH n-PrCOOH + HOOCCHJ 2EtCOOH

C 1

C-k-C-C-CH 4-Metil-1-pentino (Isobutilacetileno)

Forma sales

Da: iso-BuCOOH + HOOCH

C I

C-C-C-C-CH 3-Metil- 1 -pentino

(sec-Butilacetileno)

c c - C - c ~ c - c

4-Metil-2-pentino (Isopropilmetilacetileno)

i-PrCOOH + HOOCCH,

C I I

C

C-C-C"CH

3.3-Dimetil-1-butino (t-Butilacetileno)

Forma sales Forma sales

Da: sec-BuCOOH + HOOCH t-BuCOOH + HOOCH

2. (a) Elimine 2HBr:KOH(alc), calor (b) Br2/CC1,; KOH(alc), calor (c) KOH(alc), calor; luego como en (b) (d) Acido, calor; luego como en (b) (e) Elimine 2HCl:KOH(alc), calor; o bien, KOH(alc), calor, seguido de N-. (f) Airada un grupo metilo

CH~CEZCH < CH,I NaC-CH + HCECH NaNH2

3. (a) lH,, cat. (b) Como en (a); luego, exceso de &, Ni, calor, presi6n

(c) CH3-CHBr2 & CH2=CHBr ,HBr HC7:CH (d) HCI, CuCl

(h) C2H5-C-CH t-" NaC-CH C,H,Br NaNH, HC-+CH

(i) CH,-C=C--CH, - NaC=C-CH3 < CH,I NaNH, HC-C-CH, t- (g)

CAPITULO 11 A L Q m O S

4. (a) 1-buteno (b) n-butano (c) 1,2-dibromo- 1 -buteno

(d) 1,1,2,2-tetrabromobutano (e) 2cloro- 1 -buteno (f) 2,2-diclorobutano

(g) metil etil cetona (2-butanona) (h) AgC- CC,H, (i) 1-butino

u) LiC E CC,H, (k) 3-hexino (1) 1-butino e isobutileno

(m) C,H,C CMgBr y etano (n) 1 -butino

(o) CH,Ch,COOH + HCOOH (p) CH,CH,COOH + COZ

5. (a) Reducción syn. CH 1,

H cat. L~ndlar CH3-CEC"CH3 2-Butino


(d) Ya que la formaci6n de la halohidrina es anti, debemos usar la reducci6n syn en el primer paso. "EH H ~ CH3 #H <CI,.H,O tH (a)

CH3 CH, OH H

(y su enantiómero) rac-3-Cloro-2-butanol

cis-2-Buteno

(e) Cualesquiera de las dos: la reducci6n ann' y la hidroxilaci6n anti; o bien, la reducci6n syn y la hidroxilaci6n syn.

H

f lC020H

H \ CH3

trans-2-Buteno

t-

H +KMnO, ZH '8; ~ - ( 4

CH3 CH3

OH H

~ ? E s o - ~ , ~ - B u ~ c u I o ~ ~ o ~ cis-2-Buteno

(0 Cualesquiera de las dos: reduccih syn e hidroxilaci6n anti; o bien, reducci6n anti e hidroxilacih syn.

cis-2-Buteno O

K MnO, f-

OH

CAPITULO 11 ALQUINOS

(g) Ciertas cetonas se pueden formar por la adicidn de Markovnikov de %O a un mple enlace (problema 1 lS), seguida de una cetonizacidn del enol.

2-Butanona Cero

6. (a) Reduccidn anti, seguida de una adición anti del bromo.

H+

H\ /E t C +m EtC=CEt c- HC=CH, 2EtBr. N a N H z

H Br

Et Meso

/ \

trans EtOH

c Et H t

+ H

C4H9 y su enantiómero Racémico

KhlnOJ 'C" "

LI, NH,

/ \ C

n-Bu H

trans I n-BuCZCMe

n-Bu H / \

cis

t- HC=CH, n-BtlBr, Me1

,I-BuOH MeOH

7. (a) KMnO,, o bien Br,/CCl,: alquino positivo. (b) Ag(NHJ,OH: alquino positivo. (c) Ag(NHJ,OH. positivo para alquino terminal.


(d) KMnO,, o bien Br,/CCl,: dieno positivo. (e) Ag(NtZ),OH: alquino positivo. ( f) Br,/CCl,: alquino positivo o bien, CrOJH,SO,: alcohol positivo. (g) AgNO,: halogenuro positivo.

8. (a) Hidrogenación cuantitativa: el alquino consume dos moles de 5; el alqueno sólo un mol. (b) Hidrogenación cuantitativa: el dieno consume dos moles de Hz; el alqueno sólo un mol. (c) Ozonólisis, seguida de identificación de los productos: el dieno da HCHO y OHCCH,CHO; el alquino da CyCOOH y CH,CH,COOH. (d) Ozonólisis, seguida de identificación de los productos: el dieno-1,4 da HCHO y OHCC€$CHO; el dieno- 1,3 da HCHO, OHCCHO, y C4CHO.

9. Sólo el n-pentano y el cloruro de metileno dan una prueba negativa de KMnO,; distinga uno de otro por medio de un análisis elemental. De los compuestos no saturados, S610 el 1- cloropropeno da una prueba de halogenuro positiva, y S610 el 1-pentino da un precipitado con Ag (NHJ ,OH. Distinga los otros por ozonólisis e identificación de los productos de ruptura.

H' H (Z)-g-Tricoseno Atrayente sexual

de la mosca casera común Muscalure

12.1

Hidrocarburos alicíclicos

NBS = N-bromosuccinimida (pág. 364)

Bromociclobutano Bromuro de Ciclobutano ciclobutilmagnesio

12.3 Utilizando un modelo de la conformación axial, consideremos el giro en tomo al enlace entre el grupo alquilo y el C-1 del anillo. El etilo y el isopropilo se pueden girar de tal manera que un hidrógeno, -CH,CH, o -CH(CH,),, est6 lo m& cerca posible de los hidrógenos axiales en C-3 y C-5; pero no importa cómo se gire el grupo t-butilo, siempre un grupo metilo grande interfiere con los hidrógenos axiales.

Etilciclohexano Isopropilciclohexano t-Butilciclohexano

CAPITULO 12 HIDROCARBUROS ALICICLICOS

12.4 Sólo el tram-diol se puede resolver en enantiómeros: el cis-diol es un compuesto meso que no se puede resolver. (VCase el análisis de la p4g. 449.)

12.5 La hidroxilación syn con KMnO,; la hidroxilación anti con HC0,OH.

I I

OH OH cis-1,2-Ciclopentanodiol

H H Ciclopentanol

I I

H OH (y su enantiómero)

trans-l,2-Ciclopentanodiol

12.6 Todos los compuestos cis, y el ácido tram-1,3-ciclobutanodicarboxílico.

Podemos hacer un modelo para cada uno de ellos. Luego hacemos un modelo de su imagen especular, y tratamos de superponer esta imagen especular sobre el original. Si se puede superponer, a m b o s son idénticos y la molécula es aquiral; si no se pueden superponer, la molécula es quiral.

Sin embargo, debemos aprender a tmbajartambi6ncon fórmulas estructurales. Dibujamos una fórmula de la molécula y luego una de su imagen especular -tal como se ilustra para los 1,2-ciclopentanodioles en la página 448. A continuacidn intentamos superponer mentalmente la imagen especular sobre la original. No estamos tratando aquí con fórmulas en cruz, de modo que no estamos ligados a las reglas dadas en la página 134. El tipo de fórmula que usamos para los compuestos cíclicos representa, de un modo estilizado, un modelo, de manera que podemos hacer con ella "mentalmente- todo aquello que podríamos hacer con un modelo real: por ejemplo, podemos voltearla, o bien girarla - e n tanto recordemos cuáles enlaces se dirigen hacia arriba o hacia abajo, así como C I A parte del anillo se proyecta hacia nosotros y cuál en la dirección opuesta.

Esto ayuda a redibujar una fórmula tal como se verá una vez volteada o girada, y comparar en seguida esta f6rmula nuevamente dibujada con la original. Con el ácido tram- l,2-ciclobutanodicarboxilico,porejemplo,dibujamos lamolkula, In, y su imagen especular, IV;

espejo FOOH

HQH COOH

111

I COOH

IV

Imagen especular de 111

178

HIDROCARBUROS ALICICLICOS CAPITULO 12

luego giramos la imagen especular de su posicih original, IVu, para obtener IVb, la cual resulta ser idéntica a III.

COOH COOH

/ d T da por rotación

COOH I

COOH IVa Ivb

Idéntica a I11

La molécula es idéntica a su imagen especular, por lo que es aquiral. Es particularmente útil examinar si acaso estas f6mulas presentan un plano de simem'a,

como se muestra en la página 450: si vemos un plano como éste, sabemos que el compuesto no puede ser quiral. (Si no observamos uno, serh m& prudente pasar por el procedimiento de la molécula y su imagen especular). Note que ambos Acidos, el cis- y el rruns-1,3- ciclobutanodicarboxílico, presentan un plano de simetría que corta verticalmente a la molécula entre los vértices delantero izquierdo y derecho trasero (cuando se orienta como en la phg. 449).

12.7 (a), (d), (e): axial-ecuatorial = ecuatorial-axial. (a)

Igual estabilidad trans-l,3-Dimetilciclohexmo

I Igual estabilidad H cis-1,4-Dimetilciclohexmo I H


a)

12.8

(b), (c) y (f): ecuatorial-ecuatorial m& estable que el axial-axial.

(b) U .

CH;- ""

H CH _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - H Más estable

trans-l,2-Dimetilciclohexano

( c )

H H H

M á s estable cis-1,3-Dimetilciclohexano

&'CH. H'

I H

Mcis estable trans-1.4-Dimetilciclohexano

Diferencia de0 kcal para (a), (d), (e): igual número (dos) de interacciones metilo-hidr6geno en cada uno.

Diferencia de 2.7 kcal para (b) UM interacci6n butano oblicua (0.9 kcal) contra cuatro interacciones metilo-hidr6geno (4 x 0.9 kcal).

Diferencia de 5.4 kcal para (c): sin interacciones contra dos interacciones metilo-hidr6geno (2 x 0.9 kcal) + interacci6n metilo-metilo (3.6 cal, veaSe el problema 12.8).

Diferencia de 3.6 kcal para (f): sin interacciones contra cuatro interacciones metilo- hidr6geno (4 x 0.9 kcal).

(a) Interacci6n 1,3diaxial de dos grupos 2% (vCase Sec. 12.7 (c) ya estudiada).

(b) 3.6 kcal, la diferencia entre el total de 5.4 kcal y dos interacciones metilo-hidr6geno (2 x 0.9 kcal).

(c) El idmero-trans existe como una u otra de dos conformaciones de silla equivalentes, con dos intemciones metilo-hiddgeno y una interacci6n metilo-metilo. El idmero cis existe (casi) exclusivamente en la conformaci6n de silla, con S610 un grupo metilo axial y. por consiguiente, dos interacciones metilcbhidr6geno.

CAPITULO 12

trans:

HIDROCARBUROS ALICICLICOS

Equivalentes Una interacci6n metilo-metilo y dos interacciones metilo-hidrógeno en cada una

Muy favorecida Sólo dos interacciones

metilo-hidrógeno

Puede despreciarse en el equilibrio Tres interacciones

metilo-metilo

De esta manera, la diferencia en estabilidad entre los dos isómeros (3.7 kcal) se debe a una interacción metilo-metilo, lo cual concuerda excelentemente con los cálculos de Pitzer.

(Allinger, N. L. y Miller, M. A., "The 13-Diaxial Methyl-Methyl Interaction", J. Am. Chem. Soc., 83,2145 (1961).)

12.9 (a) El idmero cis es más estable que el trans.

CH,\ m H H rCH3 c H 3 Y H"""-.""--.'CH q H

Más estable cis trans

O kcal 1.8 kcal Sin interacciones DOS interacciones metilo-hidrógeno

(b) El isiimero trans es más estable que el idmero cis

H M h estable

trans Sin interacciones

O kcal

. r u

H

cis Dos interacciones 1.8 kcal metilo-hidrógeno

181

CAPITULO 12

(c) Una diferencia de 1.8 kcal/mol en cada caso.

12.10 (21)

HIDROCARBUROS ALICICLICOS

H Más estable

Dos metilo-hidrógeno (I .8 kcal)

H

t-Bu axial (> 5 kcal)

12.11 Se puede resolver: b, d. Meso: c. (Ni e, ni f contienen carbonos quirales, de modo que no son meso; cada uno de ellos es sencillamente un compuesto aquiral.)

Podemos hallar la respuesta para cada parte, de la manera más sencilla, dibujando una fórmula plana y buscando un plano de simetría, y luego confirmarla comparando la fórmula original con una fórmula de su imagen especular. Sin embargo, para observar lo que realmente está implicado, debemos construir modelos de la molécula y de su imagen especular y compararlos, asegurándonos de que los modelos pueden hacer lo que las moléculas reales pueden hacer: pasar con facilidad de una conformación de silla a la otra. (Compárese con el problema 12.12.)

Todas las moléculas que no se pueden superponer con su imagen especular son quirales y, en consecuencia, se pueden resolver. Todas las moléculas que son superponibles con su imagen especular son aquirales; si contienen centros quirales, pertenecen a la clase especial de compuestos aquirales llamados meso.


(a) Vea la phgina 455. Hay un plano vertical de simetría que pasa entre C-1 y C-2, y C-4 y c-5.

(b) Vea la pagina 455.

(c) Hay un plano vertical de simetría que pasa a través de C-2 y C-5.

espejo

OH OH Superponibles

cis-l,3-Ciclohexanodiol

espejo

I I OH OH

No superponibles fran.-l.3-Ciclohexanodiol

(e) Hay un plano vertical de simetría que pasa a través de C-1 y C-4. (No hay centros quirales, y en consecuencia la molécula no es meso.)

espejo

HO OH HO OH

Superponibles cis-l,4-Ciclohexanodiol

(f) Hay un plano vertical de simetría que pasa a través de C-1 y C-4. (No hay centros quirales, y en consecuencia la molécula no es meso.)

espejo

Superponible trans-l,4-Ciclohexanodiol


12.12 cis- 1,2-Ciclohexanodiol: un par de enantiómeros conformacionales. H H

O H OH

trans-l,2-Ciclohexanodiol un par de enantiómeros configuracionales, cada uno de los cuales existe como un par de diastereómeros conformacionales.

,,'" H , OH I - - \ 'i' H H ) I

, - I -- '\., F O H

I - 7 "

- c \ A ;: I, f, H '- HO . ~ - -

1 -

OH H H \ -- \%

H OH o ti H o H

~ 1"- ~ ~~ i Diastercórneros ~ ~~~ I I 1 I i ~~~ Diastcrcdmcros ~ ~~~

, ~ '- Enantidmeros

cis- 1,3-Ciclohexanodiol: un par de diastere6meros conformacionales.

H H

tranr-l,3-Ciclohexanodiol: un par de enantiómeros configwacionales, cada uno de los cuales existe en una conformación única. (Utilícense modelos para convencerse de que ciertas estructuras son idénticas.)

t i o H

1". I

Idénlicas ~~ ~~ ' ~~ IdCnticas ~ ~

I Enantibmcros J

cis- 1,4-Ciclohexanodiol: existe como una conformación única.

Idénticas


tram-1 ,4-Ciclohexanodiol: un par de diastere6meros conformacionales. H

I O H I

H OH I

12.13 Pares de enantiómeros: a, b, c, d. Aquiral: e, f. No hay compuestos meso. Ninguno es modificacidn racémica que no se pueda resolver. (a) cis-2-Clorociclohexanol: un par de enantidmeros configuracionales. (Cada uno de éstos es un par de diasteredmeros conformacionales.)

espejo

CI OH OH c 1

No superponible Enantiómeros

q H CI HFb OH d:qH HO t- H P

OH CI

CI CI OH

I Diastereórneros -1 A 1 Diastereórneros 1 conformacionales Enantiórneros conforrnacionales

L" Enantiómeros """-1 (b) tram-2-Clorociclohexanol: un par de enantidmeros configuracionales. (Cada uno de éstos es un par de diasteredmeros conformacionales.)

espejo

C1 I

H I

H I

CI I

NO superponibles Enantiómeros

I H H n

1 Diastereórneros 1 conformacionales

1 Diastereórneras -1 conformacionales

Enantiórneros - J

185


(c) cis-3-Clorociclohexanol: un par de enantiómeros configuracionales. (Cada uno existe como una conformación única.)

espejo

(d) tram-3-Clorociclohexanol: un par de enantiómeros configuracionales. (Cada uno de ellos existe como UM sola conformación.)

esDei0

OH I OH No superponibles

Enantiómeros

I

Diastereómeros conformacionales

I Diasterdmeros 1 conformacionales

(e) cis-4-Clorociclohexanol: aquiral, no contiene carbonos quirales. (Existe cOmO un Par de diasterebmeros conformacionales.)

1

I Diastereómeros conformacionales I H H

186


12.14

12.15

12.16

(f) trans-4-Clorociclohexanol: aquiral, y no contiene carbonos quirales. (Existe como un par de diastereómeros conformacionales.)

'=OH H

Aquiral

y,->' HO

L i

H Diastereómeros conformacionales OH 1

La baja velocidad de la eliminación aumenta la sospecha de que es imposible que en un isó- mero se encuentren el "H y el "€1 en una relación anti-periplanar. Solamente un isómero.

CI Todos los átomos de "€1 ecuatoriales; todos los 2 1 anfi a los --H

H H

llena este requisito. (Dibújese alguna de las otras estructuras para verificar que es un isómero Único.)

En ausencia de base, la reacción E2 del cloruro de mentilo disminuye a tal grado que se convierte m unareacción El. No hay restricciones estereoquímicas en esta reacción, ya que los grupos salientes se pierden en diferentes etapas. El carbocatión pierde un protón de cualesquiera de las dos posiciones para dar los dos alquenos, predominando el más estable.

(a) La orientación de la eliminación esa sumamente controlado por el grupo fenilo, el cual estabiliza al doble enlace incipiente en el estado de transición.

Con la naturaleza del producto así ordenada, cada tosilato reacciona con la única elimi- nación periplanar que esd abierta a 61: anti para el idmero cis, y syn para el isómero trans.

0 +o eliminación a d

I

TsO Ph cis-

H' \ Ph

c'j +e eliminación syn

TsO H H' 'Ph trans-


12.17

12.18

12.19

12.20

12.21

12.22

Si bien la eliminación anti requiere algo de torsión del anillo, éstaes aun más rápida que la eliminación syn. Lo más significativo aquí es que la eliminación syn ocurre tan rápido como es posible; requiere que los grupos estén eclipsados, pero en los compuestos del ciclopentano los grupos están muy mal eclipsados. (Los compuestos correspondientes del ciclohexano dan resultados análogos, pero aquí, el isómero cis reacciona alrededor de 10 O00 veces más rápido que el trans.)

(b) I debe reaccionar por una eliminación anti, y I1 por una eliminación syn. Aquí, la eliminación syn es la más rápida. En este sistema bicíclico rígido, la torsión que se requiere en I para la eliminación anti periplanar es más difícil que en el caso de un derivado simple del ciclopentano, mientras que en 11, los grupos salientes ya se encuentran syn periplanares. (Ademis, en I los dos CI se meten en un doblez de la molécula, haciendo difícil la solvatación de un C1- saliente.)

El oxígeno reacciona con el metileno triplete ocon un dirradical intermediario, dejando que sólo se adicione el metileno singulete. (Comphrese la acción del oxígeno como un inhibidor de la cloración por radicales libres, Sec. 2.14.)

CI endo (“adentro”) Br endo (“adentro”) Br ex0 (“afuera”) C1 exo (“afuera”)

(a) El CHC1, no tiene carbono-p. (b) La atracción de los electrones por los cloros estabiliza al anión, y aumenta la velocidad de su formación, desplaza el equilibrio (1) (en la pág. 461) a la derecha, o ambas cosas.

(Moss,Robert A., “Carbene Chemistry”,Che. Eng. News, 16 de junio de1969,págs. 60- 68; 30 de junio de 1969, págs. 50-58.)

(a) C,H,,, C,H,,. (b) CSH12, C,H,,. (C) C,Hlz C,H1,. (d) C12H,, C1@,, C&,. (e) Para el mismo grado de insaturación, hay dos hidrógenos menos por cada anillo que est6 presente.

Todos son C,H,,; no hay información sobre el tamalio del anillo.

a -Caroteno: C4,HT9 saturado C,,H,, alcano 42,,H5, polieno - c 4 0 5 8

22 H que se consumen para saturar 11 dobles enlaces 4 H faltantes

Los 4 H faltantes indican dos anillos. p-Caroteno: de manera similar, 11 dobles enlaces y dos anillos. y-Caroteno:

C4,H8, saturado C,,H,, alcano -C,,H,, polieno -C40H80

24 H que se consumen para saturar 12 dobles enlaces 12 H faltantes


Los 2 H faltantes seiialan la existencia de un anillo. Licopeno:

C,,H,, saturado C,,H,, alcano -C,,H,, polieno -C,#H,* 26 H que se consumen para saturar 13 dobles enlaces No hay H faltantes Ningún H faltante: significa que no hay anillos.

12.24 El dieno consume dos moles de H,, el ciclohexeno sólo uno. El dieno da HCHO, el ciclohexeno no.

Fcirmulas estereoquímicas de compuestos cíclicos Por conveniencia, los químicos orgánicos utilizan varias formas para indicar la

estereoquímica de los compuestos cíclicos. Una línea continua (a menudo engrosada) indica un enlace quesale del plano del papel:

una línea punteada representa un enlace que se encuentra atrás del plano. Como alternativa, un círculo lleno representa un átomo de hidrógeno que sale del plano

del papel; se sobreentiende que el otro enlace con ese carbono se encuentra detrás del plano. Donde el círculo está ausente, el hidrógeno se encuentra detrhs del plano, entendiéndose que el enlace indicado sale fuera del plano.

Es por eso que podemos encontrar las siguientes representaciones para el trans- 1,2- dibromociclopentano: 0 o bien a:,Br o bien aBr o bien aBr

‘Br Br Br H Br

y para el isómero cis,

189


(d) no hay reacción (e) c y ' (f) no hay reacción id

(g) Adición anti (h) Sustitución alfiica

Q Br

Br H (j) Adición anti a través de un ion bromonio cíclico

w CH, br + enantiómero

CH, Br + enantiómero

(k) La adición por radcales libres de HBr frecuentemente (1) Sustitución alílica es estereoselectiva (unti) como aquí

w , CH, Br

190


(o) Hidroxilación syn (p) Hidroxilaci6n anti

OH OH OH H + enantiómero

(r) Sustituci6n alílica (S) ( 0

(9) HOOC(CHJ,COOH 4 Br

(u) Dimerización del alqueno

-. CI Biciclo [3.1.0] hexano

6,6-Diclorobiciclo [3.1.0]-hexano

3- (a) H,SO,, calor (b) Producto (a), cat. Hz

191


C H ,

Br


4. Seguimoselplanteamientomamdoanteriormenteenlosproblemas 1 2 . 6 ~ 12.1 1: dibujamos fónnulas planas de las molkulas, buscamos planos de simetría y dibujamos fórmulas de las im6genes especulares; verificamos si se pueden superponer girando las fórmulas y desplaz¿índolas una sobre la otra; si estamos inseguros, utilizamos modelos. Como siempre, tratamos de ser sistemáticos.

I CI CI CI CI H H CI

Aquiral Aquiral Enantiómeros

C y 7 H ( T ( H { T C(-HY (b)

CI CI CI CI H H CI Aquiral Aquiral Enantiómeros

H CI

Cl CI Aquiral Aquiral

(c) G ,̂ q'3 0 0 CI c1 CI CI H H CI

Aquiral Aquiral Enantiómeros

CI Aquiral

CI CI Enantiómeros

(d) <-)~--"--~(f-Y~ CI (,,p $--y CI

CI CI c1 CI H H c1 CI Aquiral Aquiral Enantiómeros Aquiral

Cl CI Enantiómeros Aquiral Aquiral


('I Enantiómeros

, CI

Enantiómeros

Aquiral (0 Dos posibilidades: los tres C1 "arriba; o dos "arriba" y uno "abajo". (F) H H

H C'l

Aquiral Aquiral

5. COOH

C H j Metilos cis

H H Todos ecuatoriales

CHI Metilos trans

H H H

Metilos cis Por lo tanto, éste debe ser A.

C H I Diastereómeros

6. (a) NO hay carbonos quirales; sin embargo, cada molécula considerada como un todo es quiral. espejo

espejo

No superponibles


espejo

(b) La adición anri toma lugar de dos maneras diferentes,

H, m I , ... COOH H m 1 ... COOH

para dar dos productos diastereoméricos.

(Véase la referencia dada en la respuesta al problema 13, Cap. 10.)

7. (a) En la conformación diecuatorial del compuesto diclorado o dibromado, hay repulsión entre los poderosos dipolos de los enlaces C-X (Sec. 12.10); esta repulsi6n dipolo-dip010 se aligera en la conformaci6n diaxial. Sin embargo, como siempre, las interacciones esrkricas (1,3) se aligeran en la conformación diecuatorial. Evidentemente, lo dos factores están equilibrados en forma aproximada.

H I

c $ ? r e y3+ H

H Br Diecuatorial Diaxid

Br H

H I Br

Los dipolos C-CY son mucho m& débiles y, para el compuesto dimetilico, las interacciones estéricas son el factor de control.


Un disolvente polar se agrupa en torno a los grupos C-X y se mantiene ahí por la atracción dipolo-dipolo. Quedan así parcialmente neutralizadas las cargas sobre el C y el X, difundidas sobre las moléculas del disolvente. LQS dipolos de los enlaces C-X se reducen, en efecto, como también la repulsión entre ellos. Al mismo tiempo, los sustituyentes efectivamente son más grandes. Las interacciones esdricas pasan a ser el factor de control, y el porcentaje de la conformación diecuatorial aumenta.

(b) En la primera estructura hay cuatro interacciones 13-diaxales entre los Br y los H pero disminuye la repulsión dipolodipolo (v& la parte a). En la segunda estructura no hay

t-Bu-

trans-3-cis4-dibromo (ambos -Br axiales)

calor t- __f

t- BU S-_

cis-3-trans-4-dibromo (ambos -Br ecuatoriales)

I Br H

interacciones 1,3-diaxiales entre los Br y los H, sin embargo, hay un aumento de la repulsión dipolo-dipolo. Las respulsiones dipolodipolo y las interacciones 1,3-diaxales se equilibran entre sí, y los dos diastereómeros tienen casi la misma estabilidad.

(c) En cada uno de los otros diasterebmeros posibles hay tanto interacciones 1,3-diaxiales, como respulsión dipolo-dipolo no disminuida.

[-BU-

H I

trans-3-trans4-dibromo H

H H

cis-3-cis4-dibrorno

&-Decalina


H I

H

(b) cis:

trans-Decalina

Todo silla Bote retorcido silla Todo bote retorcido

trans:

Todo silla Bote retorcido silla

Todo bote retorcido

(c) La conformaci6n todo silla es la m k estable en cada caso.

(d) En la trans-decalina, los dos sustituyentes m& voluminosos (el otro anillo) son ecuatoriales.

H I

H I

H H En el idmero cis, en cambio, uno de los dos sustituyentes grandes es axial.

i H I


(e) La facilidad de interconversión no depende de la diferencia de energía entre las formas, sino de la altura de la barrera energética. Hay una alta barrera energética entre las decalinas, puesto que se debe romper un enlace carbono-carbono en el proceso de interconversión. Hay una baja barrera energetics entre las formas de silla y la de bote retorcido del ciclohexano, ya que en estos c a s o s la interconversión solamente requiere una rotación en tomo a enlaces sencillos (con algún incremento en la tensión angular y torsional en el estado de Iransición).

9. El idmero cis existe en una conformación de silla, con ambos grupos t-butilo ecuatoriales.El isómero trans existe en una conformación de bote retorcido que acomoda ambos grupos t- butilo en posiciones cuasi-ecuatoriales. La diferencia de energía (5.9 kcal) se debe esencialmente a las interacciones que suelen estar presentes en la conformación retorcida.

?-Bu , F ? B u - f ?-Bu - bJBL"r H H H

Cis trans Silla Bote retorcido

(Allinger, N. L. y Freiberg, L. A., "The Energy of the Boat Form of the Cyclohexane Ring", J. Am. Chem. Soc., 82,2393 (1960); o bien, Eliel, E. L., Allinger, N. L. Angyal, S. J. y Morrison, G. A., Conformational, Analysis, Wiley-Intemience: Nueva York, 1965, &S. 38-39.)

10. (a) Este es esencialmente un 2% ecuatorial.

H Metilciclopentano

(b) La situación es muy similar a la de los correspondientes derivados del ciclohexano con respecto a las relaciones ecuatoriales-axiales y a las interacciones diaxiales.

H

I H

tmns-1,2 cis-1.2 ec-ec ec-ax

Interacciones Interacciones butano-. butano-oblicua oblicua+metilo-hidrógeno

Más estable


H cis-1,3 trans-1,3 ec-ec ec-ax

No hay interacciones Interacciones Más estable metilo-hidrógeno

(c) El anillo “plegado’’ (Fig. 12.9, pág. 444) coloca a ambos sustituyentes del idmero cis en posiciones cuasi-ecuatoriales.

H H 3

cis trans Más estable Interacción metilo-hidrógeno

(Eliel, E. L., et al., referencia para el problema 9 recitn analizado.)

11. (a) Los factores esthicos ejercen el control. El orden usual SN2 es 1” >2” >3”.

0) L o s factores polares ejercen el control: cuanto más estable sea el cati6n aue se esd formando en la ionizaci6n inicial, tanto m k rápida será la reacci6n. El orden’general es 3” > 2” >lo.

arH3 > (t.. > (CH2Br

3“ 2” I ”

(c) En las condiciones E2, cuanto más estable sea el alqueno que se estA formando, tanto mils rápida será la reacción. Aquí, la estabilidad de los productos es benceno > dieno conjugado > alqueno.


(d) La eliminación antiperiplanar hacia el alqueno ramificado más estable es posible a partir del isómero cis, pero no a partir del isdmero trans; por lo tanto, esperamos que el isómero cis reaccione más rápidamente. (Compárese con la reacción de los c l o m s de neomentilo y mentilo, págs. 456-457.) $-$ <-) + H < T P

H Br CH3 H CH 3

cis-2-Bromo-1-metil- Alqueno más estable ciclohexano Producto principal

H CHI

H I

CH3 I H' C H j

tram -2-Bromo-1-metil- Alqueno menos estable ciclohexano Unico producto

12. (a) Hidroxilación syn. Dos fracciones: una activa, una inactiva

HI+( H H

KMnO+

HO w OH O H

Meso Inactiva

Y HO q H H.$

H H Quiral Activa

(b) Hidroxilación anti. Dos fracciones: una activa, una inactiva.

H H H O H Meso

Inactiva

OH H Quiral Activa

(c) Sustitución por radicales libres. Dos fracciones: una activa, una inactiva.

Idénticas Meso

Inactiva

Idénticas QuiraZ Activa


(d) Adición anti. Dos fracciones: ambas inactivas (rackmicas).

H H H Br Br H + enanti6mero +enantiómero +enantibmero

Radmica Rackmica Inactiva Inactiva

(e) S,2 con inversión completa. E2 con p6rdida de cualesquiera de los dos protones equivalentes. Dos fracciones: ambas inactivas.

Aquiral Inactiva

H' Enantiómeros Racémicas Inactiva

13. Observemos primero la ruta del TsCl/r-BuOK. Evidentemente la eliminaci6n es onti, lacual puede tomar lugar solamente con la orientacih observa

0 Q - O H

H OH H OTs H H 3-Metilciclopenteno

Si fuera syn, la eliminación podría ocurrir con cualquier orientacih, y casi con certeza deberá dar principalmente el alqueno m h estable, el 1-metilciclopenteno: 0 - eliminación- syn 0 + algo del 3-metilciclopenteno

~-

H OTs CH3 H 1 -Metilciclopenteno

No obtenido


(Obdrvese el contraste con el comportamiento del tosilato del trans-2-fenilciclopentilo, en el problema 12.16 anterior. Ahí, el efecto más poderoso del grupo fenilo forzó la orientación de Saytzeff aun pensando que Csta tendría que ser syn.)

La ruta de la deshidratación implica la eliminación a través de un carbocatión plano. No hay restricciones estereoquímicas en esta reacción, puesto que los grupos salientes se pierden en diferentes pasos. (Compárese con el problema 12.15.) La orientación es directamente Saytzeff y predomina el alqueno más estable, el I-metilciclopenteno.

14. (a) Primero se forma un carbocatión, un catión 2":

catión 2"

Este se puede transponer por migración de un grupo metilo para dar un catión 3" Y más tarde un alqueno muy ramificado:

catión 2" catión 3" 1,2-Dimeticiclohexeno Muy ramificado

Pero no debemos perder de vista el hecho de que los carbonos y los hidrógenos del anillo tambiCn forman grupos alquilo, los cuales tambikn son capaces de migrar. Una de tales migraciones da un catión 3" y posteriormente un alqueno. Todo esto está acompaílado de una contraccwn del anillo:

CH3 \o CH3 CH3 desp1ara:e;to 0 Z c H 3 desplazamiento

I

CH3 dealqullo de h d m o

H2

catión 2" catión 3' catión 3" Isopropilciclopenteno Contracción del anillo Muy ramificado

(b) Se forma un catión 3":

catión 3"


Aquí también, la migración involucra un carbono del anillo,

H I _ Et H

catión 3" catión 2" Expansión del anillo

y nuevamente cambia el tamailo del anillo. Esta vez es una expanribn d e l anillo. Observemos que la transposición convierte un catión 3" en un catión 2". Aquí, la fuerza motriz es el cambio de un anillo de cuatro miembros, muy tensionado, a uno de cinco miembros libre de tensión, junto con la transposici6n posterior a un cati6n 3" y m& tarde la formación de un alqueno muy ramificado:

H Et

iF. desplazamiento Et deetilo

catión 2" catión 3" 1,2-Dietilciclopenteno Muy ramificado

(c) Nuevamente UM expansión de anillo, con auyuda de la formaci6n de un cati6n 3" y despu6s de un alqueno muy ramificado:

catión 2" catión 3" 1,2-Dimetilciclohexeno Expansión del anillo Muy ramificado

Ciclohexanona Enol Ceto

15. Por p6rdida del ion triflato, I11 da un catión vinílico, el cual: (i) se combina con el disolvente para dar el 6ter I V ; y (ii) se transpone por un desplazamiento de alquilo (un carbono del anillo) para dar

un nuevo cati6n vinííico, que contendrA un anillo de cinco miembros.

Entonces, el nuevo catión: (iii) se combina con el disolvente para dar el Bter V; y (iv) pierde un protbn del CH, para dar el aleno VI.


de alquilo

V

16. En el estado de transici6n para la eliminaci6n anti a partir del cloruro de mentilo, para que el 2 1 se encuentre en la posici6n axial requerida, los voluminosos grupos metilo e isopropilo también deben ser axiales; en cualesquiera de los dos estados de transici6n para la eliminación anti a partir del cloruro de neomentilo, los grupos alquilo son ecuatoriales.

H &H .“$:=,1 Me

i- Pr H CI H Cloruro de mentilo Cloruro de neomentilo

I H H

Isómero cis t-Bu ecuatorial -OB e -H axial Es posible una

E2 anti


I -Bu

r-Bu + q L O T S H OTs

Isómero Trans t Bu ecuatorial t Bu axial -0ts ecuatorial muy inestable

No es posible una E2 anti

Isómero trans

18. La eliminación (como la adición) es anti (problema 11, pág. 360), y elimina el mismo Br (radiactivo) que se había adicionado.

Respuestas a los problemas de síntesis

Para ahorrar espacio en esta Guía de Estudio, hemos omitido algunas veces ciertas partes de un esquema de síntesis completo. Cuando decimos, por ejemplo, “a partir de ROW, o bien “a partir de RCHzOH’, o bien “a partir de RzCHOH’, se entiende que esto significa

ROH - RBr PBr,

ROH a RBr

RCHlOH C,H,NHCrO,CI

t RCHO

RzCHOH CrO, R2C-O

o cualquiera que sea el proceso específico correcto. Omitios el tratamiento con agua, que es un paso esencial al trabajar una mezcla de una reacción de Grignard:

\ I H 2 0 I RMgBr + C~--O - “C-0”MgBr’ ”-+ “ c - ” O H / I

R

deberá presentar en sus esquemas de síntesis todos estos pasos que aquí se omitieron.

I R

A menos que las reglas básicas de su curso particular permitan otra cosa, el lector

205


19. (a) Adición syn del metileno; hidrogenación syn.

cis-l,2-Dimetilciclopropano cis-2-Buteno

C H 1 + p-?.!- C H ,OH

(b) Adición syn del metileno; hidroxilación anti.

(y su enantiómero) trans-2-Buteno trans-l,2-Dimetilciclopropano

Racémico

cis cis

a: CHJ,, í h . (Adición syn del metileno.)

b: H,, catalizador de Lindlar. (Hidrogenación syn.)

c: Dos pasos, cada uno incluyendo NaNH, y luego n-PrBr (a partir de n-PrOH).


HbEl& H \ # I / E t ,b MeCECEt 6 H C r C E t d H C r C H

Me”-\H i C \

M e H

+ enantiómero trans Racérnico

a: CHCl,, t-BuO-(a partir de t-BuOH). (Adici6n syn de: CCl,.) b: Li, NH,. (Hidrogenaci6n anti.) c: NaNH,, luego Me1 (a partir de MeOH). d: NaNH,, luego EtBr (a partir de EtOH).

20. (a) H,SO, conc.: ciclopropano positivo. (b) KMnO,, o bien Br,/CCl,: alqueno positivo. (c) H,SO, conc.: ciclopropano positivo. (d) KMnO,, o bien Br2/CC14: alqueno positivo. (e) KMnO,, o bien Br2/CCI,: alqueno positivo. (0 KMnO,, o bien Br,/CCI,: alqueno positivo. (g) CrO, &SO,: alcohol positivo. (h) Br,/CCI,: alqueno positivo. O bien, CrO,/H$O,: alcohol positivo. (i) Br,/CCI,, o bien KMnO,: alqueno positivo. CrO,&SO,: alcohol positivo. AgNO,:

halogenuro positivo. El alcano negativo para todas las pruebas.

21. Compare con el problema 12.22, página 463.

(a) C,,H,, alcano (b) C,H, alcano -C,,H,, camfano <,Ha colestano

4 H faltantcs 8 H faltantes Dos anillos Cuatro anillos.

(c) C,,H,, alcano (d) C,H,, alcano

2 H faltantes 6 H faltantes Un anillo Tres anillos

-C,,H,,Br, (Br equiv. a H) -C,H,,O (O no reemplaza a H)

(e) C, HSzO derivado saturado -€,HMO ergocalciferol

8 H faltantes Cuatro dobles enlaces

207


22.

23.

24.

(a) C6H14 alcano (b) CloH, alcano (c) C,H,, alcano -C6H12 -C,OH18

2 H Un anillo 4 H Dos anillos 2 H Un anillo

6 H Tres anillos 6 H Tres anillos 10 H Cinco anillos

8 H Cuatro anillos

(a) C,& p-mentano Cl0H, alcano -Cl,,H16 limoneno -C,,H, p-mentano

4 H Dos dobles enlaces en el limoneno 2 H Un anillo en el limoneno

(b) Uno de los 10 carbonos originales se pierde del producto de oxidación VIE; presumiblemente se perdi6 como CO,. Suponiendo esto, y sabiendo que hay dos dobles enlaces y un anillo, llegamos a las siguientes posibles estructuras para el limoneno:

VI11 + coz

HzC \ / \ CH CH3

I CH2-CzO

1 OH

VI11 + coz


CH3 O VI11 + co,

(c) La estructura más probable es I b

Limoneno p-Mentano

(d) El alcohol puede ser uno u otro de los alcoholes terciarios mostrados; de hecho, es el nombrado &-terpineol.

Dos unidades de isopreno

Q + Q obien gH + I - f H

OH OH

Limoneno a-Terpineol Hidrato de terpineol

(e) El hidrado de terpino es el di-t-alcohol.

25. (a) ClOH20p-mentano C 1 OH22 alcano -C10H16 a-terpineno -C 1 OH20 p-mentano

4 H Dos dobles enlaces 2 H Un anillo en el a-terpineno en el a-terpineno

(b) Usando como indicio el esqueleto del producto de reduccih, elp-mentano, (problema 24, anterior), podemos explicar el producto de oxidación IX de ocho átomos de carbono y la pérdida de dos átomos de carbono de la siguiente manera:


(c) Lo m k probable es que X se forme de la siguiente manera:

a-Terpineno Derivado X

tetrahidroxilado Alcoholes 3Osin oxidar

26. La etapa clave, el cierre del anillo, implica la familiar adición de un carbcatión a un alqueno (Sec. 8.16). (CompArese con la respuesta al problema 16, Cap. 10.)

Nerol

+ H+ ___, - H z 0 A Adición

, Ion Catión alílico

oxonio Cadena abierta

catión 3" a-Terpineol Cíclico

Aromaticidad Benceno

13.1 (a) benceno + 3H = ciclohexano AH -49.8 kcal -(ciclohexadieno + 2H = ciclohexano AH -55.4 kcal)

benceno + H2 = ciclohexadieno AH +5.6 kcal

cciclohexadieno + 2H2 = ciclohexano AH -55.4 kcal (ciclohexeno + H, = ciclohexano) AH -28.6 kcal)

13.2 (a)

H

~ ~~ ~ ~~

ciclohexadieno + H2 = ciclohexeno AH -26.8 kcal

6 C-H enlaces = 6 x 54.0 = 324.0 kcal 3 C=C enlaces = 3 X 117.4 = 352.2 3 C-C enlaces = 3 X 49.3 = 147.9

calc. = 824.1 kcal

824.1 - 789.1 = 35.0 kcal mayor que el valor observado (calc) (obs)

13.3 El cdcter sp2 "S del enlace C-H en el benceno. Debería ser mAs corto (y lo es) y, por lo tanto, más fuerte que el enlace C-H sp3-S en el ciclohexano.

13.4 (a) No; (b) vea la sección 35.6

CAPITULO 13

H I

H I

AROMATICIDAD

13.5

13.6

13.7

212

H H

(b) Similar a las figuras 13.2 y 13.3.

(c) Seis: dos "de" cada N.

(a) El compuesto I es una sal, el hexacloroantimoniato de ciclopropenilo:

SbCI,

Se forma el mismo catión mediante el tratamiento con AgBF,. Es simétrico, con sus tres protones equivalentes.

H H H Catión ciclopropenilo

El catión ciclopropenilo es aun más estable que el catión alilo: 20 kcal más estable, en relación conelcloruropadre.Ladesusadaestabi1idadno sugiere simplementeestabilización por resonancia, sino aromaticidad.

(b) El catión ciclopropenilo contiene dos electrones x, lo que se ajusta a la regla 4n + 2 de Hückel, con n = O.

(Breslow, R., y Groves, J. T., "Cyclopropenyl Cation. Synthesis and Characterization", J. Am. Chem. Soc., 92,984 (1970).)

(a) Estructura cíclica con enlaces dobles y simples alternados.

(b) El número de electrones n es ocho, y este no es un número de Hückel.

(c) El número de electrones x: en el anión es 10, que se ajusta a la regla 4n + 2 de Hückel, para n = 2. Es evidente que la estabilización debida a la aromaticidad es suficiente para superar la carga negativa doble y la tensión angular (el anillo debe ser plano para traslapo IC y, por lo tanto, debe tener bgulos C - 4 - C de 135').

(d) Ciclooctatetraeno: anillos doblados que mantienen la geometria de los enlaces dobles carbono-carbono (la difracción de rayos-x indica que es una "tina"). C&? plano, octaedro regular.

Ciclooctatetraeno Dianión ciclooctatetraenilo

CAPITULO 13 AROMATICIDAD

13.8

6 Br 6 Br

M.p. +6 "C orto

M.P. -7 "C meta

Dibromobencenos

Br M.p. +87 "C

para

13.9 KOH absorbe CO, y %O; los demk líquidos no lo harían.

13.10 presión parcial N, = presión total - presión parcial H 2 0 (740 mm) (746 mm) (6 mm)

273 740 293 760

vol. N2 a T.P.N. = 1.31 x - x - mL

mmoles N2 = mL gas (a T.P.N.)

22.4 mL/mmol

peso N = mmoles N, x 28.0 mg/mmol

peso N peso muestra

%N = 273 740 1 1

293 760 22.4 5.72 X 100 = 1.31 X - X - X ~ X 28.0 X __ X 100

%N = 26.0% N.

13.11 mmoles NH3 = mL HCI x conc. HCl = 5.73 mL x 0.01 10 mmol/mL

peso N = mmoles NH3 x 17.0 mg/mmol x ~ = 5.73 x 0.01 10 x 17.0 x __ mg N 14.0

NH3 17.0 peso N

X 100 = 5.73 X 0.0110 X 14.0 X - X 100 1

%N = peso muestra 3.88

%N = 22.8% N

13.12

13.13

S 32.0 peso S = peso BaSO, x -~ = 6.48 X ~

BaSO, 233.4 mg

peso S %S = X 100 = 6.48 X __ x __ x 100 = lS.S%S. 32.0 1

peso muestra 233.4 4.81

P - H ~ N C ~ H ~ N H ~ 2N

x 100 = __ x 100 = 25.9% N (calc.) 28.0

C6H8N2 108

HOCH2CH2NHz N

x 100 = __ x 100 = 22.9% N (calc.) 14.0

C,H,ON 61 .O

S 32.0 p-CH3C,H,SO3H x 100 = __ x 100 = 18.6%S (calc.)

C7H803S 172


1. (h) -SO,H en C-1 (i) 4% en C-1 (i) "COOH en C-1 (I) " O H en C-1

2. (a) Tres (o, m, p ) (b) Tres (0, m, p)

(c) Tres: &cH3 Q'" hcH3 (d) Seis: vea la respuesta al CH3 CH3 problema 13.8

(f) Seis: 2,3,4-, 2,3,5-, 2,3,6-, 2,4,5-, 2,4,6-, 3,4,5-

3.

4.

(a) Dos, tres, tres, uno, dos. (b) Cinco, cinco, cinco, dos, cuatro (sin considerar estereoisómeros). (c) Ninguna.

B I I

CI I C '

dl

C'

5'

CI I

Br C*HS

5. C,H,,. Dos carbonos ligados al anillo: un Et, o bien dos Me. Los posibles hidrocarburos isomCricos "con los diferentes sitios de sustitución marcados mediante números- son:

214

AROMATICIDAD CAPITULO 13

C9H,,. Tres carbonos unidos al anillo: un n-Pr o S r ; un Et y un Me; o tres Me. Los hidrocarburos isom6ricosposibles"con losdiferentes sitios desustitución marcados mediante números- son:

Tres ( f )

6. Sí. Cada isómero tiene un número diferente de mononitroderivados que pueden relacionarse con é1 (que se derivan o son convertibles en él).

D O S

1.2.4-

Br

bBr

Tres

1.3.5-

Br

1

B Br

Uno

215


7. (a) Se puden unir dos sustituyentes a VI de tres maneras: (i) uno sobre otro en cualesquiera de los cantos verticales; (ii) en vértices opuestos de cualesquiera de los cuadrados; (iii) en dos vértices de un triángulo.

I ( i i ,

J \

Uno NO2

D O S

NO> Tres

Por lo tanto, (i) es para, (ii) es orto y (iii) es meta.

(c) No, puesto que el idmero orto es quiral, siendo factibles estructuras enantiomb ricas:

x x Enantiómeros

AROMATICIDAD CAPITULO 13

8. Los seis posibles Acidos diaminobenzoicos y las esmcturas de las diaminas que se pudieron obtener de ellos son:

&Hz G N H 2

COOH COOH

P.f. 104 "C Orto

COOH NH2

P.f. 63 "C Meta

Diaminobencenos

NH2 I

P.f. 142 "C Para

9. (a) Para ser aromáticos, los anulenos deberían cumplir con la regla 4n + 2 de Hiickel para los electrones IF: 6 paran = 1 , l O paran = 2,14 paran = 3,18 paran = 4. Los anulenos (con el número de electrones IF indicado entre corchetes en cada nombre) supuestamente aromáticos serían: [6] anuleno (benceno); [lo] anuleno, [14] anuleno, [181 anuleno. (En realidad, la geometría es desfavorable para los anulenos [lo] y [14]: la acumulaci6n de hidr6genos dentro del anillo impide la planaridad y, en consecuencia, interfiere con el traslapo IC.)

H H

G H I O C9H9+ C9H9- 8 electrones IF 8 electrones IF 1 O electrones IF

Sigue la regla de Hiickel (n = 2)

Aromático


10. Tiene seis electrones A (vCase la Sec. 35.2): cuatro de los carbonos, dos del N.

11. (a) Peso unidad CHCl = 12 + 1 + 35.5 = 48.5

pe.so/molécula -"

peso/unidad 48.5 - 291 - 6 unidades CHCl por molt?cula

;fórmula molecular = C6H6Cl,

(b) Un compuesto posible es 1,2,3,4,5,6 - hexaclorociclohexano.

(c) Se formó por una reacción de adición

CI A luz C I P

El I ,2.3.4,5,6-

Hexaclorociclohcxano

(d) No es aromático: no dispone de electrones A.

(e)-(f) Estos son esteroisómeros, con varias combinaciones de C1 cis y trans. De hecho, son nueveen total los estereoisómerosposibles. Dos deellos forman un par de enantiómeros:

CI CI I I

CI CI I I

H C l CI H Enantiómeros

Los otros siete son aquirales.

12. El argumento es una extensión del indicado en la sección 1 l. 1 l . En el anión fenilo, C,H;, el par no compartido ocupa un orbital sp2, cuyo carácter S es intermedio entre el orbital sp3 del anión pentilo y el sp del anión acetiluro. Los electrones en el orbital sp" están más sujetos que los que ocupan un orbital sp3, pero no tan firmemente como los de un orbital sp; en consecuencia, el anión fenilo se encuentra entre los aniones pentilo y acetiluro, en cuanto a su carácter básico.

13. (a) y (b) Vea la sección 34.3.

14

Sustitución electrofílica aromática

14.1 HON02 + H O N 0 2 H 2 6 N 0 2 + ONOz-

Hz0 + HONO2 e H,O+ + ONO2-

3HONO2 a + N 0 2 + 2NO3- + H30+

El primer paso es un equilibrio kido-base en el sentido Lowry-Bronsted, en el cual una molkda de Acido nítrico sirve como Acido, y otra, como base.

O O 1 I I I

O O

O O I I I I

O O

14.2 HOSOH + HOSOH d HOSOH2+ + OSOH

O I

O I

I I O O

HOSOHz' J HOS+ + Hz0

O O I i I I I I

O O ¡ I

O 0

O 0

HOS' + OSOH- e HOSOSOH

143 (a) n-Pr+ A iso-Pr' (b) iso-Bu' "--j t-Bu'

(c) (CH3)3CCH2+ "+ catión t-pentilo (d) mecanismo por carbocationes

CAPITULO 14 SUSTITUCION ELECTROALICA AROMATICA

14.4

14.5

14.6

14.7

14.8

(a) r-BuOH - r-BuOH2+ - [-Bu@ ”-+ Ph-Bu-t + H +

H+ - Hz0 PhH

(b) CH3CHzCHZ ”-+ CH3CHCHJ ”-+ Ph-CH(CH,)Z + H i He PkH

o

El agente clorante es 3-1, o quizás Cl’, generado de la manera siguiente: +

+ HOC1 + H + I H20-C1 I_ H,O + CI ’

Se forma un complejo &ido-base que transfiere hal6geno sin sus electrones, como el II de la página 502 . Debido a su tamaiio, este reactivo ataca un anillo aromático sustituido más fácilmente en la posici6n menos i m @ b para con respecto a un sustituyente.

0 % (AcO),TI + Br2 ( A ~ 0 ) ~ T l k B r ” B r

Br Er

(a) R-c=O: + A I C I ~ ”+ (R-C-O:)+AICL-

c1 I

(b) (Ar’-N=N :) + CI-

(c) H-O-N==O: + H + ”+ H-o-N=O: - (:N=o:)+ + H ~ O

H I

+ .. ..

En cada caso, el cati6n cumple el papel de Y’ en una sustituci6n electrofílica aromática tipica.

SUSTITUCION ELECTROFILICA AROMATICA CAPITULO 14

14.9

14.10

1.

3/ H ArH + (R-C=O:)+ "+ Ar -"+ Ar-C=O - H+

.. \ "

Ion acilio c= .o : I R I

R Aril cetona

Acilación de Friedel-Craps

H ArH + (Ar'-N=N:)+ "-+ Ar

E / Ar-N=N-Ar' Acopla

!=N-Ar .. ' Azo compuesto mieU0

.. ..

Ion diazonio \

3 / H ArH + (:NEO:)+ "+ Ar "-+ Ar-N=O: - H+ .. ..

\ Ion N=O : Nitroso

nitrosonio compuesto

Nitrosación

(a) El ion bencenonio intermediario es (ArHD)', que puede perder H. o bien D.

(b) El ion hidrógeno del anillo es desplazado por otro ion hidr6geno (deuterio), en una sustitución electmfílica aromática típica (deuterodesprotonaci6n), la cual es rápida con fenol(activado;PhOH),lentaconbenceno(PhH),eimperceptiblecon~i~bencenosulfónico (desactivado; PhS0,H).

@/ \

H H Demuestra que Ar y posiblemente, Ar , pueden realmente o/

H Y H H

existir como intermediarios.

Más rápida (activada): a,c,d,g,h,k. Mas lenta (desactivada): b,e,f,ij.

&OCH3

I Bu-sec

(b) 0 + bBr (c) 0 $," Br Br Br

(muy poco isómero orto)

eCH' Br

(muy poco o-isómero orto)

$'"' + @'

Br

(f) gH3 Br

221

CAPITULO 14 SUSTITUCION ELECTROFILICA AROMATICA

COOH NH,

(Todas las posiciones iguales) (Vdasc l a pig. 951)

3. Cuando está presente un grupo director orlo, para (como sucede en todos los casos, salvo b y d), predomina la sulfonaciónpara (y orto) con respecto a tal grupo. Todos los productos se denominan como ácidos sulfónicos, considerando que -SO,H se ubica en C-1; (d) es el ácido m-bencenodisulfónico.

4. Los grupos directores meta son desactivantes; cuantos más de ellos hay, tanto más baja es la reactividad. La mayoria de los directores orto, para (excepto halógenos) son activantes; cuantos más de éstos haya, y cuantos más de ellos activen una misma posición, tanto más reactivo será el compuesto. En (a), por ejemplo, los tres grupos - 4 % del mesitileno activan (iriplemente) las mismas posiciones; los dos grupos 4% del m-xileno activan (doblemente) las mismas posiciones, pero los dos 2% del p-xileno activan posiciones distintas.

(a) mesitileno > m-xileno > p-xileno > tolueno > benceno (b) tolueno > benceno > bromobenceno > nitrobenceno (c) anilina > acetanilida > benceno > acetofenona (d) p-xileno > tolueno > ácido p-tolúico > ácido tereftálico (e) C,H,Cl> p-O$W,H,Cl> 2,4-(O$),C6H,C1 ( f ) 2,4-dinitrofenol> 2,4-dinitroclorobenceno (g) 2,4-dinitrotolueno > m-dinitrobenceno

5. (a) La sustitución es más rápida en el anillo no desactivado por "NO,. La orientación es o,p con respecto al otro anillo (véase la Tabla 14.3, pág. 495).

Anillo (icsactivado


(b) La sustituci6n es m& rApida en el anillo no desactivado por -NO,. La orientaci6n es o g con respecto al sustituyente, -C&Ar.

1

activado

(c) La sustituci6n es m k rApida en el anillo activado por el oxígeno fen6lico (similar a un "OR). El otro anillo esd desactivado realmente por el grupo "COOAr.

desactivado Anillo activado

6. Cuanto m& alejado del anillo se encuentre un grupo desactivante -m,' o -NO,, tanto menos efectivo ser& En (c), la desactivaci6n es tanto m& grande cuanto mayor sea el número de grupos atractores de electrones.

(a) Ph(CH2)3NMe3f > Ph(CH2)2NMe3+ > PhCH2NMe3+ > PhNMe,'

(b) Ph(CH2)2N02 > PhCHzNO2 > PhNO2

(c) PhCH3 > PhCH2COOEt > PhCH(COOEt), > PhC(COOEt),

El compuesto m L activo de cada serie da el porcentaje m& bajo de idmero meta; el menos activo da el porcentaje m k elevado.

7. El segundo grupo fenilo puede dispersar (a traves de tres estructuras adicionales) la carga positiva del intermediario cuando el ataque es orto o cuando es para, pero no cuando es meta. Por ejemplo:

+ 8. HONO2 + HzS04 e H 2 0 N 0 2 + HS04-

H 2 6 N 0 2 - H 2 0 + + N O 2 Leda

El Acid0 nítrico protonado genera NO,' por p6rdida del buen grupo saliente %O; el kid0 nítrico no protonado tendría que perder el ion OH-, mucho m& fuertemente basico. (Vhse la Sec. 5.25.)


9. L a s reacciones son sustituciones electrofílicas, con la activaci6n usual por-- y "OH. Los electr6filos atacantes son los familiares Br' (o su equivalente) y NO;. Sin embargo, en cada caso, el grupo desplazado no es el H' usual (desprotonaci6n), sino SO,, como en la desulfonaci6n. Así,

Br ArSOJ- Ar, @' J\ ArBr - so BromodesulfoMcibn

'so, -

N02+ @ / NO2

so, - ArS0,- - Ar -'O3 ArNO, NitrodesuIfoMcibn

\

en comparaci6n con, digamos,

3/ - H + Br

ArH Ar, "-+ ArBr Bromodesprotonacibn 'H

O

ArS03- %- Ar -so, "-+ ArH Protodesulfomibn

3 ,H \ so, -

10. Este es un ejemplo de bromodesalquilucwn. o % \

Br, + AlBr, j - Br,Al-Br-Br

(CH3)3C+ + AIBr4- + (CH3)2C=CH2 + HBr + AIBr,

11. El sustituyente en cada caso, -N(CHJ,+ o "CF,, es fuertemente atractor de electrones y favorece (en ausencia de un efecto de resonancia opuesto y m k poderoso) la formaci6n de un cati6n con la carga sobre el carbono m8s remoto.

H + I

I Me,N + C-CH,@ I-\ MejN-CH2CH21 Producto

H obtenido

H + I Catión más estable

(a) Me3N + C"CH2

H

Me3N+C-CH2 + I

@ I H

224


H I I obtenido

"+ @CH2"C+CF3 BrCH2CHiCF3 Producto

H Catión m& estable

H I

I O - CH2"C"CFj

H

(c) Se usa ALBr, para proporcionar el Acid0 m6s fuerte (HAlBrJ, necesario para el ataque al alqueno fuertemente desactivado.

12. (a) Mediría velocidades relativas de reaccib, y esperaría que fuera mls lenta con C,D,.

(b) Mediría cantidades relativas de C,H,Y y C,D,Y por especuometria de masas; e s p e d mayor cantidad de C,H,Y.

(c) Haría una sustitución con anisol ordinario,

OCH, OCH, OCH, OH - O H + O Y H Y H

y determinm'a (mediante cromotografía de gases, y por ejemplo) la proporci6n de producto orto a productopara (proporción olp). Luego haría lo mismo en condiciones idhticas, pero comenzando con anisol-4-d.

OCH, OCH, OCH, OH = OH+OY D Y D

Si hay un efecto isotópico, se formará menos del productop (hay que romper un enlace C- D), por lo que la proporción olp ser6 mayor que antes.

(d) Haría UM reacci6n de sustitución, y determinaria la proporción D/H del producto. Si hay un efecto isodpico, se romperfin menos enlaces C-D que C-H, C,%D,Y exceded a C6&D,Y, y la proporci6n D/H del producto será mayor que en el reactante.


13. Vea la pAg. 1 191.

14. Vea la Sec. 34.9.

(b) p-BrC,H4N02 - BrChH5 t-- C6H, HNO, , H ~ S O J 8 r 2 Fe

( f ) p-BrC,H,COOH i p-BrC,H4CH3 A C,H5CH, K M n 0 4 Br Fe

a: HNO, fumante, %SO, fumante, 100-1 10°C. 5 días, rendimiento 45%. 6: HNO, fumante, H,SO, conc., 95"C, rendmiento 84%. c: HNO, conc., €$SO, conc., 55-60°C, rendimiento 99%.

COOH CH 1

COOH COOH

Br Br


(c) B r G 2 Br +3Brz(ac) 6' Br

COOH CHI

NOz NO2

(5%. COOH -1

&o2

6 0 H

CH3

COOH

t (h) La nitracih delp-xileno (ruta superior) aprovecha el efecto activante de los dos grupos 4,. La nitraci6n de un anillo desactivado por dos grupos "COOH sería muy difícil.

227

Compuestos aromáticos-alifáticos Arenos y sus derivados

15.1 (a) %SO4, calor (b) Zn(Hg), HCI (c)%, Pt, calor, presi6n (d) 3 SO,, calor; luego como en (c). (e) KOH (alc); luego como en (c). O bien: Mg, EGO anhidro; 50.

15.2 Resulta t-pentilbenceno en cada caso por el ataque del cati6n t-pentilo al benceno:

CH3 I

CH3 CH3

CH3 I CH3CHZ"CO + C6H6 - C H C"CHzCH3 + H +

I 5~

Este cati6n se genera de la manera siguiente:

CH3 I I

H

CH~CH~-C--CH~OH + 2-Metil-1-butanol catión lo

y 3

CH,-CH-C-CH, I I

OH H 3-Metil-2-butanol catión 2" - CH,-CH~-C-CH,

CH3 CHI CH3 I Q

I cation 3" HOCH2--CH--C-CH, @CH,--CH-k-cH, "+ cH,-cH-c-cH, -

L B @

3-Metil-1-butanol catión 1' catión 2a

y 3 CH, HO-CH,-C-CH, -&+ @cH~--c-cH,

I I

CH3 L2 Alcohol neopentilico catiónl'

229

CAPITULO 15 COMPUESTOS AROMATICOS-ALIFATICOS

15.3 Debido a su carga positiva, el sustituyente I debe ser fuertemente desactivante, comparable con el -M,+.

que formulamos la siguiente hipdtesis. 15.4 La situaci6n nos recuerda la competencia entre las adiciones-1,2 y 1,4 (Sec. 10.27), por lo

Tolueno I

o-Xileno p-XiIefio Productos principales

1 AICIJ. HCI. 80°C

e C H 3

m-Xileno Producto principal

A O"C, observamos el control ejercido por la velocidad: se forman m k rhpidamente o- y p-xileno. A 80°C, observamos el control ejercido por el equilibrio: m-xileno es el producto más estable.

El metilo activa m k fuertemente en las posiciones orto y pura. Esto favorece la alquilaci6n en estas posiciones, pero tambi6n ayuda a la desalquilaci6n "mediante un ataque electrofílico por un prot6n- en e s t a s mismas posiciones. Los idmeros orto y para se generan con mayor rápidez, pero tambibn son desalquilados m k nipidamente; el idmem meta aparece más lentamente pero, UM vez formado, tiende a persistir.

H R / \ R

El cloruro de hidr6geno proporciona H' para la inversi6n de la alquilaci6n:

HCI + AIC13 H i AIC1,

La investigacidn experimental ha indicado que esta hipdtesis es correcta en líneas generales, pero que necesita alguna modificaci6n. Consideremos la conversi6n dep-xileno como una transposici6n que implica la migracih de un grupo alquilo. Tal como lo hemos imaginado, el grupo alquilo abandona (1) la posici6n para "como cati6n- y. en seguida se liga (2) a la posici6n meta, con mayor probabilidad en otra molbcula de tolueno. De esta manera, la reacci6n sería intermolecular (entre molkulas).

t 2)

COMPUESTOS AROMATICOS-ALIFATICOS CAPITULO 15

15.5

15.6

15.7

15.8

15.9

Con grupos alquilo m k grandes que metilo, parece que esto es lo que sucede. Pero con metilo, hay indicios para una transposición intramolecular (dentro de una molkula). Un cati6n metilo libre no se separa. En cambio, el metilo migra de una posici6n a la adyacente en el carbocatión intermediario mediante un desplazamiento- 1.2 exactamente del mismo tipo que ya hemos descrito (Sec. 5.23).

(Para un análisis general, v h s e Roberts, R. M., "Friedel-CraftS Chemistry" Chem. Eng. News, 25 de enero de 1965, Pág. %, o bien Norman, R. O. C. y Taylor, R., Electro- philic Substitution in Benzenoid Compounds Elsevier, Nueva York, 1965, págs. 160-168.)

El grupo alquilo recien introducido activa al anillo aromAtico para nuevas sustituciones; en las demás reacciones, el grupo nuevo agregado lo desactiva.

Para permitir el traslapo de la nube ~t con el orbital p. (Vhse la Fig. 15.4, pág. 542.)

La hiperconjugación estabiliza al o- o p-C4C6CH,C$., mediante la contribución de estructuras como las siguientes:

' H I

H I

H-C H-C

H H

Tales estructuras no son posibles para m-CH.$,H,CK,.

(a) Es similar a la figura 2.4, página 5 4 , con E, = 19 kcal, y AH = +11 kcal. (b) 8 kcal (diferencia entre E , de 19 kcal y AH de +11 kcal). (c) Es un impedimento estérico a la combinación de los radicales.

El punto de congelación de una solución 1 molal (un mol de soluto en lo00 g del disolvente, o bien un milimol por gramo de disolvente) en benceno es 5" C inferior al del benceno puro. Si el punto de congelación de una solución es deprimido por S610 un dkimo (0.5/5.0) de ese valor, su concentración es sólo la décima parte de aquella, o sea, es O. 1 molal.

molalidad = mmoles soluto mg soluto/p.m.

g disolvente g disolvente - -

1500 mg/p.m. 50

0.1 = p.m. = 300

Un peso molecular observado de 300, comparado con uno esperado de 542 para C42%8, indica una disociación considerable en radicales libres.

231


15-10 (a) Ph\[:( ' : ] : -+ Pt13C@ + :61

El ion Ph,C+ se estabiliza por dispersión de carga sobre tres anillos, siendo la ionización promovida por disolventes polares.

+ Air14

Ph3C@ no hay reacción +

AlCld

El PhC' es demasiado estable para reaccionar con C,H, en la etapa final.

15.12 La estabilización del anión por resonancia, con dispersión de la carga negativa, es mfkima para Ph,C-, y mínima para C,H,,-.

15.13 Como es usual, la reactividad por SN1 es controlada por la estabilidad del carbocatidn que se forma, y la reactividad por SN2 se controla principalmente por impedimento estérico. Los efectos de los grupos metilo son los acostumbrados, superpuestos al efecto del C,H,.

15.14 La primera reacción procede mediante SN1, mientras que la segunda por SN2, por una combinación de razones.

Una reacción SN1 de un sustrato neutro, como hemos visto (Sec. 6.5), implica un estado de transición que es más polar que los reactantes y contiene un grupo saliente aniónico. Tal estado de transición es estabilizado, con relación a los reactantes, por un &solvente que sea polar y, lo más importante, que pueda unir hidrógeno con el grupo saliente.

Aquí, la reacción S,1 se favorece con el ácido fórmico, el cual no sólo es más polar que el etanol, sino que tambiCn es más ácido y forma puentes de hidrógeno de mayor fuerza (pág. 222). Al mismo tiempo, el etanol, menos polar, favorece la reacción en competencia SN2, la cual tiene un estado de transición menos polar que los reactantes (Sec. 6.6). La naturaleza

COMPUESTOS AROMATICOS-ALIFATICOS CAPITULO 1s

del nucldfilo refuerza el efecto del disolvente: el nucledfilo deb& a g u a ; y el nucledfdo fuerte, el ion edxido (Sec. 5.24).

La reacci6n S,1 es acelerada fuertemente por la presencia del grupo metilo, como es de esperar, porque su efecto inductivo liberador de electrones ayuda a dispersar la carga positiva en desarrollo, en el estado de transici6n.

Puesto que un grupo metilo en posici6n para no ejerce ningún impedimento est&ico, y puesto que no se desarrolla ninguna carga en el carbono central en el estado de transici6n S,2, esperamos, a lo mk, un efecto muy dbbil. Por supuesto, esto es lo que se observa. El hecho de que hay UM activaci6n &bil sugeriría que el carbono se hace ligeramente positivo en el estado de transici6n de esta reacci6n S$ en particular, pero no podrirnos haber previsto esta situaci6n.

15.15 Los sustituyentes en posiciones mera y para de sustratos bencílicos afectan la reactividad en S,1 mediante su liberaci6n o atracci6n de electrones (pags. 548-549). Lo que observamos en este caso es cuin intimamente estos efectos corren en paralelo con aquellos de la sustituci6n electrofílica aromdtica, otro tipo de reacci6n en la cual se desarrolla una carga positiva en el anillo. De particular importancia es el hecho de que ambos tipos de reacciones desarrollan cargas positivas m& intensas en posiciones orto y para con respecto al punto de "ataque": la posici6n a la cual se unir& el electr6fil0,

o bien, la posici6n que sostiene al carbono bencílico.

L H

(a) La carga positiva en el anillo es m k fuerte en posici6n para que en meta, y el efecto liberador de electrones del "CH, es m k efectivo desde alli (Sec. 14.17).

(b) Desde la posici6n mera, el -Br ejerce solamente su efecto inductivo atractor de electrones; desde la posici6n para, Cste es contrarrestado parcialmente por su efecto resonante liberador de electrones (Sec. 14.19).

(c) Desde la posici6n mera, el "OCI-L, s610 ejerce un efecto inductivo atractor de electrones; desde la posici6n para, Cste es contrarrestado fuertemente por su poderoso efecto resonante liberador de electrones (Sec. 14.18).

233


15.16 Para estos alcoholes, la reactividad queda determinada, en gran medida, por la estabilidad de los carbwationes que se forman. Esta se ve afectada entre otras cosas, por la liberación o la atracción de electrones, de acuerdo con los sustituyentes que se encuentren sobre el anillo aromático.

(a) Ph-CH"CH2CHj > Ph-CH2"CH-CH3 > Ph-CH2CH2-CH2

OH O H O H bencílico 2" 1 j)

I I 1

(c) PhJCOH > PhZCHOH > PhCHlOH

(b) El mismo argumento empleado para dienos conjugados (Sec. 10.24).

15.18 La base extrae un protón para generarun cmknibn alílico-bencílico. Este, como un híbrido, puede recuperar el protiin en cualesquiera de dos posiciones, regenerando así el material de partida o formando el 1 -fenilpropeno. Se llega al equilibrio y &te favorece al hidrocarburo más conjugado, que es el más estable.

* .* <',,H< C'H CH CH, + OH Más estable:

favorecido por el equilibrio

15.19 Reemplace en la figura 10.8 (pág. 403) el dieno por el alquenilbenceno, el radical libre alnico por el catidn bencílico, y el radical libre alquilo por el catión alquilo.

15.20 Debido a la conjugación de los dos anillos con el doble enlace, y tal vez entre anillos a través del doble enlace, el reactante puede estar más estabilizado que el estado de transición.


15.22

15.23

15.24

15.25

1.

2.

Ph /

H'

CH 1

(b) 'C - -X H ? NaNH? \ PhC=CCH3

H CiS Ph H

KOH(alc) PhCHBrCHBrCH3 - ,C-C

trans

Br? \ /'

\ H CH,

(a) análisis elemental (b) KMnO, caliente (c) KMnO, caliente (d) kid0 sulfúrico fumante (e) Br2 /CCl,, o bien KMnO, (f) CrO, 4 S 0 ,

Al ser oxidado con KMnO,, el n-butilbenceno da C6H,COOh @.f. 122"C), y el m-dietilbenceno da m-C6H4(COOH), @.f. 348°C).

(a) es soluble (o polimeriza) (b) desaparición del color (c) desaparición del color, MnO, caf6 (d) color naranja rojizo (e) prueba negativa ( no hay cambio de color)

(a) Br2/CC14, o bien KMnO, (b) AgW),OH o bien Cu (NH3 20H (c) la oxidacidn de alibenceno da PhCOOH @.f. 122OC); el I-noneno da C,H,,COOH @.f.

16OC, P.e. 239°C) (dl c q &SO4

(c) &HS

Q

C,H?\ / C,H, (h) ,c=C

\ ( i ) C,H5CH=CH-CH-CHC,H,

H H

CH,C,H,

(d) %SO,, calor; 5, pt (e) €@O4, calor; Hz, Pt. o bien: PBr,; Mg, EGO; S O (f) KOH (ale); 5, R (8) KOH (alc); 4, R. O bien; Mg, EGO; H20 (h) m , ~ 4 0 ; %o (i) Zn (Hg), HCl

235


3. No reaccionan: a, c, f, g, 1, p.

(b) n-propilciclohexano (d) kid0 benzoico (o su sal) (e) &ido benzoico (h) O- y pn-W,H,NO, (i) o- y p-n-W,H,SO,H (j) O- y pn-W,H,CI (k) O- y p-n PtC6H4Br (m) PhCHBrCqCH, (n) o- y p-n-W,H,CH, (O) O- y p-n-PrC6H4C$C6H5

(S) pciclohexil-n-propilbenceno (q) p-t-BuC,H,-n-Pr (r) p-t-BuC,H,-n-Pr

4. (a) n-PrPh

(b) n-propilciclohexano (grupo alquilo ecuatorial)

(c) PhCHBrCHBrCH, (para la estereoquímica, espere al problema 16 de este capítulo)

(d) p-BrC,H,CHBrCHBrCH, ( e ) PhCHCICH2CH3

(0 PhCHBrCH2CH3

(h) PhCHCHzCHJ I

OSOIH

u) hidroxilación syn

(g) PhCH2CHBrCH3

(i) PhCH-CHCH3

OH Br

\ H y su enantiómero Ph

y su enantiómero Treo

(IS.2S) y (IR.2R)

(k) PhCOOH + CH3COOH (1) hidroxilaci6n anti

COMPUESTOS AROMATICOS-ALIFATICOS

(m) PhCHO + OHCCH, (o) adición syn

CAPITULO 15

(n) PhCH=CHCH2Br (sustitución alílica)

y su enantiómero

(p) PhC=CCH,

5. (a) ciclohexilbenceno (b) PhCGCAg (c) m-O$'C,H,COOH (oxidación de la cadena lateral) (d) PhCH$HCICH, (e) p-ClC,H,COOH (f) isomerización al alqueno más estable, que es el conjugado (vCase Sec. 15.19).

G O C H ,

CH*CH=CH, CH=CHCH, Eugenol Isoeugenol

(g) PhCHzMgCl (h) PhCH3 (i) 2-bromo-l-,4 dimetilbenceno

(j) PhCH=CH-CH-CHl PhCH-CH=CH-CH2 PhCH-CH-CH=CH, I

H H I 1 I I 1

H H H H Unico producto informado No se f o r m

En realidad, solamente se obtiene el más estable de los posibles productos "aquel en el cual el doble enlace está conjugado con el anillo" lo que sugiere que la reacción está controlada por el equilibrio (Compárese con el problema 10.17, pág. 401.)

(k) PhCHO + PhCHO (1) hidrogenaciónsyn - (Z)-PhCH=CHCH2Ph (m) hidrogenación anti - (E)-PhCH=CHCH,Ph

H El ataque inicial da

el catión más estable

237


6. (a) El hidrógeno más reactivo es tanto bencílico como alílico.

(b) El hidrógeno más reactivo es doblemente bencílico.

(c) La eliminación del hidrógeno del C-1 da un radical libre bencílico estabilizado p o r hiperconjugación (véase el problema 15.7, pág. 542).

I -C'H ; > 7-C~H 3 . 4-C'H 5

(d) La eliminación de un hidrógeno alílico conduce a dos productos a travCs de un radical alílico deslocalizado.

Br H r

7. Esperamos obtener el producto (i) que tenga el enlace doble conjugado con el anillo, y (ii) que sea el menos aglomerado de un par de isómeros geomttricos.


(d) principal, PhCH=CHCH2CH, (predominante E ) ; PhCH2CH=CHCH3 (predominante E )

(e ) principal, PhC-CHCH, (predominante E ) ; PhCHCH=CH> I

CH 1 CH?

8. Esperamos que predominen los alquenos más ramificados; Cstos se pueden formar por transportación de los carbocationes generados inicialmente, a otms, más estables.

(a) principal, PhCH-CHCH2CH3 (predominante E )

(c) como en (b) (d) Principal, PhCH=CHCH,CH, (predominante E ) (e) como en (b)

9. Esperamos que el alcohol que genera el cart>ocatión más estable se deshidrate con mayor rapidez.

(a) c > a > e , d > b (b) Ph,C(OH)CH, > PhCHOHCH, > PhCHzCH,OH

(c) p-CH,C,H,CHOHCH, > C,H,CHOHCH, > p-BrC,H,CHOHCH3

10. En (a)-(d), la reactividad es determinada principalmente por la estabilidad del carbocatión que se forma. Esta se ve afectada, entre otras cosas, por la liberación o atracción electrónica ejercida por sustituyentes en el anillo. En (e), se forma con mayor rapidez el alqueno conjugado más estable.


(d) PhCHCH3 > PhCH2Br > PhCH,CH2Br I Br

Bencílico 2" bencílico I "

B r B r

11. (a) PhCHCH-CHCt-12 PhCH-CHCHY-CHl PhCH-CHCH-CH2 I I I 1 I 1

Br Br Br Br Br Br

(b)h primera y la tercera estructuras, que se forman a través de una adición inicial al C-4.

(c)Se forma el producto más estable (tercera estructura), lo que sugiere un control por el equilibrio. (Compárese con el problema 10.17, pág. 401.)

12. (a) El is6mero truns es más estable por 5.7 kcal(26.3 - 20.6).

H

\ Ph H /4 Ph

cis-Estilbeno

H tmnr-Estilbeno

El agente es el Br, formado por UM de dos posibilidades familiares. El Br se adiciona al cis- estilbeno para dar un radical libre que gira hacia otra confomaci6n (de hecho a una más estable, con los fenilos más apartados). Antes de que pueda ocurrir el segundo paso de la adici6n (la reacci6n con cscusos HBr o BrJ, se pierde Br, para obtener el trans-estilbeno.

(c) El equilibrio favorece al estereoidmero más estable.


13. La ionización del PkCOH en H,SO, (para dar P\C+) produce una doble cantidad de iones por mol que el MeOH (el cual produce MeOq) , por lo que deprime al doble el punto de congelación.

MeOH + H$04 MeOH,' + HS04- dos ioms

Ph3COH + HzS04 PhJCOH2' + HSO4

PhjCOH>+ Ph,C+ + Hz0

Hz0 + HlS04 j HAO' + HSOJ-

Ph3COH + 2H2SO4 j PhJC' + H,O+ + 2HS04- cuatroiones

Por tanto (2), (3), (2), (3), etc.

(b) (4) Br + PhCH, - PhCH2. + HBr

Se forma el C,C1, en la etapta de terminación de la cadena (5).

Cada vez que ocurre (I), no solamente se forma CCl,, sino también Br. Al igual que el CCL,, el Br separa al hidrógeno del tolueno (4) para dar PhCH, , iniciando así UM cadena: (4), (3), (2), (3), (2), etc. Por cada (l), hay entonces dos cadenas similares y paralelas: una iniciada por la secuencia (I), (2), y la otra por la secuencia (I), (4).

Se forma CHCL, en cada combinación (2), (3). El HBr sólo se forma en (4), lo que constituye, por tanto, una medida de cuántas veces ocurre (1) (un HBr por cada Br, y un Br por cada fotón de luz absorbido). La proporción de 20:l muestra que la longitud de cadena en promedio (recuerde, son dos cadenas) es de 10.

15. 2-, 3-,4-, 5 , y 6-fenildodecanos, apartir de latransposici6n de un catitjn secundario inicial, que tiene la carga en el C-2, a otros cationes secundarios con la carga en C-3, C 4 , C-5, o bien C-6.

16. La adición es predominante, pero no exclusivamente, anti. Esta falta de estereoselectividad (completa) indica que la mayor parte de la reacción procede a través del catión bencílico abierto, el cual esth sujeto a ataque en cualesquiera de sus dos caras, ya sea antes o después de la rotación. Por ejemplo, a partir de un alqueno trans:

241


Ion bromonio cíclico

@ Br

Catión bencílico abierto con rotación libre

”3 t-

Br

i

B! I ”

‘\ Br ’

Br Br

Br Br

o bien

CH S

H L B r

H +Br

Ar Ar y su enantiórnero y su enantiómero

Eritro Erifro

Predominan

I

Br I I - “ .

L. B r ”

Br

Br

o bien

CH 1 I

H+ ~r

Br+ H

Ar y su enantiórnero

Treo

A través de la resonancia, el carbono deficiente de electrones del catión bencílico abierto obtiene electrones del anillo, con lo que tiene menos necesidad de compartir un par extra del bromo; el puente es débil, y se rompe con facilidad.

El grupo “OC%, liberador de electrones, ayuda adicionalmente a estabilizar al catión bencílico, de ahí que incremente la importancia del cati6n abierto en el mecanismo de la reacción.

(Fahey, R. C., y Schneider H. -J.,) J. Am. Chem. Soc., 90,4429 (1968.).

17. (a) m-Xileno. Ambos grupos “CH., en el m-xileno activan las mismas posiciones hacia la sustituci6n electrofílica aromática. Así, el m-xileno se sulfona preferencialmente; el Acid0 sulfónico resultante se disuelve en el ácido sulfúrico, mientras que el o- y elp-xileno que no han reaccionado permanecen insolubles.

@)m-Xileno. La desulfonación es UM sustitución electrofílica aromática y, como en (a), el isómero mera es el más reactivo. Así, la desulfonación preferencial libera al m-xileno, insoluble (y volátil). Los ácidos o- yp-xilenosulfónicos no volátiles permanecen en el ácido acuoso.

242


(c)m-Xileno. La reacción con H+BF,- implica, en la primera etapa de la sustitución electrofílica aromática, la formación del ion bencenonio o el complejo sigma (compárese con el problema 14.10).

CH3 @" H BF, CH,

Por las razones dadas en (a), el complejo sigmadel m-xileno es el más estable, de ahí que sea el favorecido en el equilibrio. El complejo sigma iónico se disuelve en el disolvente polar BF,/HF; el o- y el p-xileno permanecen insolubles.

(d)m-Xileno. X es m-CYC,H,CEI-Na'.

Estamos tratando aquí con un equilibrio en el que intervienen carbaniones: en este caso, la estabilidad disminuye por los grupos que liberan electrones, los cuales tienden a intensificar la carga negativa. El equilibrio favorece a los aniones de los xilenos, más que a los del isopropilbenceno con los dos metilos unidos en el sitio negativo.

De los xilenos, el m-xileno da el anión m k estable, el m-CH.$,H,C%-. Al igual que los aniones bencílicos, está estabilizado por dispersión de la carga negativa sobre el anillo, particularmente en l a s posiciones orto ypara al X%-. Cuando dibujamos las estructuras que contribuyen para el m-CH&H4C13-, encontramos que en ninguna de ellas se localiza la carga negativa en el carbono al cual está unido el grupo metilo (desestabilizante). Esto

es lo opuesto a lo que encontramos para el o- o el p-CH&H,CH;. (Dibújense estas estructuras contribuyentes.) Así, el metilo desestabiliza lo menos posible al idmero meta. La separación depende de la no-volatilidad relativa de los compuestos organosódicos. (Vhse Chem. Eng. News, 14 de junio de 1971, pAgs. 30-32.)

18. (a) PhCHzCHi CH2=CH2 + C,H,

243


(f) PhCHzCH-CHz + ClCHzCH -CH2 + C6H6 H I

P h' H \

(o) rn-BrC6H4COOH Br2. Fe C6HSCOOH f-" C6HSCH3 KMnO4


19. (a) ácido sulfúrico fumante o bien CHClJAlCl, (b) Br,/CCl,, o KMnO, (c) H,SO, fumante (d) Br,/CCl,, o KMnO,

(g)AgNO, después de la fusión con sodio (h) prueba para nitrógeno o bromo después de la fusión con sodio.

(e) cro, 4s0, (f) Br,/CCl,, o KMnO,

20. (a) Ozonólisis e identificación de productos.

(b) Oxidación y determinación de los p.f. de los ácidos resultantes para los uimetilbencenos y los etiltoluenos isomkricos; la cloración en la cadena lateral seguida de UM deshidroha- logenación y luego la ozonólisis de los alquenos resultantes permitirán distinguir el n- y el isopropilbenceno.

(c), (d), (e): Oxidación y determinación de los p.f. de los ácidos resultantes.

21. El bromobenceno es el Único que dará UM prueba de Br. Los tres que dan una prueba de C1 se pueden distinguir entre ellos por oxidación a los

ácidos correspondientes y determinación de sus p.f. Los dos compuestos insaturados (prueba de KMnO, positiva) se pueden distinguir por

la ozonólisis e identificación de los productos. Los cinco arenos se pueden oxidar a los ácidos carboxílicos correspondientes, los cuales

se pueden distinguir por sus p.f. Los ácidos con alto punto de fusión provenientes del mesitileno y el m-etiltolueno se pueden distinguir posteriormente por sus equivalentes de neutralización (Sec. 23.21).

Indeno Indano

La absorción de l\ indica un doble enlace reactivo. La absorción de 3% adicionales indica otros tres "dobles enlaces, probablemente un anillo aromático.


La presencia de un anillo de benceno se confirma por la oxidación a

COOH COOH

La determinación del número de anillos muestra dos:

C9H,, alcano -C9H,, producto saturado

4 H faltantes. lo que significa 2 anillos en el indeno y en el indano

Esto da lugar a las estructuras mostradas un poco antes. (Las estructuras que contienen un anillo de cuatro miembros tienen menos probabilidad de encontrarse en el alquitrán de hulla.)

23. Las fórmulas empíricas de A, B, y C indican que estA presente un grupo fenilo

lo cual sugiere lo cual sugiere

H H H H CH3 CH 3 I 1 I 1 i I

! I I I I H H H H

Ph-C-C-H O Ph-C-C- Ph-C-CHI O Ph---(-~CH* I

Los residuos alifáticos, C,H, y C,H,, son imposibles para unidades monosustituidas. Este predicamento se elimina por las determinaciones de los p.m., las cuales muestran fórmulas empíricas dobles, lo que hace posible que escribamos:

HjC CH3 l l ¡ I

Ph-C-C-Ph c PhCHzCH2--CHzCHZPh

H H 1 I1

2.3-Difenilbutano 1.4-Difenilbutano

Y

H3C CH, I 1

CHI I ?Y3

Ph-C-C-Ph o Ph---C---CH2-CH2-C--Ph I / I I , 1

H3C CH3 , I

H H 111 IV

2.3-Difenil-2,3-dimetilbutano 3.4-Difenilhexano


Ahora podemos revisar las reacciones químicas que dieron lugar a A, B, y C,. Parece ser muy probable el ataque porradicales libres en estas condiciones (viase el problema 20, pág. 122). Sabiendo que el hidrógeno bencflico es el que se separa más fácilmente, llegamos a las siguientes ecuaciones. Para el etilbenceno:

CH 1 ('H3

2Ph C H , + 2/-Bu--O. 4 2Ph C H + 2 f - B u O H

Entonces, la reacción global es:

Los rendimientos observados se ajustan con esta ecuación: se obtuvieron 0.02 moles de

De una manera análoga, para el isopropilbenceno: alcohol t-butílico, y (1 + 1)/210 o alrededor de 0.01 moles de A más B.

y nuevamente el rendimiento observado se ajusta con la ecuación. Ahora bien, ¿por quC hay dos productos, A y B? Pod~5amos considerar primero que ellos

son I y 11. Sin embargo, esto requeriría la formación de igual número de radicales libres bencílicos Ph(CH,) CH; y de los radicales libres primarios PhC%Ch;, lo que parece muy improbable. Por lo demás, en tal caso esperariamos encontrar un tercer isómero, formado por la combinación de radicales libres poco probables y, de hecho, sólo se obtuvieron dos isómeros.

El examen de la fórmula para I muestra que son posibles tres estereoidmeros: un par de enantiómeros y una estructura meso. Entonces, parece muy probable que A y, B sean racémicos y el meso-2,3-difenilbuto.

247


Ph P h Enantiómeros Una fiacción

Ph .Meso

Esta conclusión está apoyada por el resultado del experimento con el isopropilbenceno. LaestructuradeIIInopermiteestereoisomeria;só1osepredijoun producto,ydloseobtuvo uno.

24. El radical libre triciclopropilmetilo está estabilizado "a semejanza del trifenilmetilo" por medio de la deslocalización del electrón impar sobre los anillos. Se cree que esto implica

ciclo-Pr Pr-ciclo

RT) \

'. /' """*

Radical libre triciclopropilmetilo

el traslapo del orbitalp con los enlaces C-C de los anillos de ciclopropano (Sec. 12.9), los cuales tienen un considerable carácter x. (Encontraremos pruebas de este tipo de traslapo en el problema 16, pag. 677.)

14

Espectroscopia y estructura

16.1 (a) (CHI),C+ CH2=CH-CH2+ CH,CH2+ CHZ--CH'

P-Caroteno

163 (a) A, 1,4- pentadieno; B y C, (3- y ( E ) - 1,3- pentadieno. (b) Calores de hidrogenacih, espectros de infrarrojo.

16s4 (a) CH,CHC12, dos señales; CH,ClCH,Cl, una señal.; a b U U

(b) CH,CBr,CH,, una señal; CH2BrCH2CH,Br, dos señales; CH3CH,CHBR2, tres señales; a a b a b a h c

H b (o bien c).

I CH,CHBr-C-Br, cuatro señales.

l a d H

c (o bien b)

(c) C6H5CH,CH,, tres seña1es;p-CH,C,H,CH,, dos señales. c b a u b a

CAPITULO 16 ESPECTROSCOPIA Y ESTRUCTURA

(e) CH,CH20H. tres señales; CHIOCH,, una señal. a h c u u

(f) CH,CH20CH,CH,, dos señales ; CH,OCHZCH,CH,,cuatro señales; a h h a c d h a

h (o bien c) . a b (1 I_ H

(&) H2C --CH, , dos señales; CH, HC C , cuatro señales. I 1 [I ,o/ 'x, H

H2C 0 h c (o bien b)

c e

H \ ,H ( h ) CH3C'H2CH0, tresseñales; CH1COCH3, unaseñal; , c ' ~ c\ , cinco señales.

CI h t ' tI 0 H' CH20H (i (I h

h H

h H

CH3 H

i,

H

h U a c u iI

1,l-Dimetilciclopropano trans- 1,2-Dimetilciclopropao cis- 1,2-Dimctilciclopropano Dos señales Tres señales Cuatro señales

16.6 Una señal, debido a la rápida interconversión de los protones ecuatoriales y axiales.

16.8 L a s posiciones relativas de los protones estAn indicadas por la secuencia de letras en la respuesta al problema 16.4; es decir, a es el desplazado a campo más alto, 6 es el que sigue, y así sucesivamente. (El desplazamiento del " O H varía, Sec. 18.11 .)

ESPECTROSCOPIA Y ESTRUCTURA CAPITULO 16

(a) u 3H, h 1H; a.

(b) u;~2H,h4H;u3H,b2H,clH;a3H,blH,clH,dlH. (c) u3H,h2H,c5H;a6H,h4H. (d) u 9H, b 3H; a 3H, h 3H, c 2H, d4H; a 6H, h lH, c 5H. (e) u 3H, h 2H, c 1H; a.

(f) a6H,h4H;a3H,b2H,c3H,d2H;a6H,h3H,elH;u3H,h2H,c2H,~2H,~lH. (8) ~2H,h4H;a3H,blH,clH,dlH. (h) u3H,h2H,1.1H;u;a2H,hlH,c,d,elHcadauna.

I"" Análisis de espectros Agote toda la información que pueda dar de la fórmula molecular: utilice la aritmética

química y decida, donde le sea posible, cuántos anillos, dobles enlaces, o ambos, pudiesen estar presentcs. Combine esto con las bandas características del infrarrojo, los valores de 6, el conte0 de protones y el desdoblamiento de las diversas seilales de RMN, todos los cuales pueden proporcionarle unidades estructurales. Si el espectro (o lacombinación de espectros) no presenta ambigüedades, el lector sólo deberá tener una posible estructura final; vuelva atrhs y compare esta estructura contra toda la información que tiene.

Para los problemas basados en espectros, las respuestas se presentan en dosetapas: se dan los nombres de los compuestos desconocidos en su secuencia propia, junto con las demk respuestas; luego, al final de la Guía de Estudio, se reproducen los espectros con las bandas del infrarrojo identificadas y las seilales de RMN que se asignaron. Sugerimos que el lector también verifique cada una de sus respuestas en dos etapas. Primero revise el nombre; si su respuesta esd equivocada, o si no pudo trabajar todo el problema, regrese al espectro del libro de texto y, conociendo la estructura correcta, vuelva a tratar de solucionarlo: vea si ahora es capaz de identificar bandas, asignar seilales y analizar acoplamientos espínespín. Finalmente, vuelva a la Guía de Estudio y compare su respuesta con el espectro analizado.

16.9 (a) neopentilbenceno (b) 1,2- dibromo- 2- metilpropano (c) alcohol bencílico

Trate de encontrar estas respuestas en los espectros, siguiendo el planteamiento general recién delineado. Posteriormente, vea los espectros seilalados en la página 836 de esta Guía de Estudio, e inténtelo una vez más. Por último, estudie lo siguiente.

(a) Las alturas relativas de los picos son: a, 9H; b, 2H; c, 5H. El pico a campo bajo c se debe claramente a 5 protones aromáticos: C6H5- . El pico a claramente consiste en nueve protones alifáticos 1' equivalentes: 3C&- . Haremos un poco de aritmética química en este punto.


y al final tenemos un residuo de- CH,- . Este corresponde al pico b, el cual tiene un valor 6alrededor del de un H bencílico. Sólo hay UM forma de colocar estas piezas juntas:

(b) L a s alturas relativas de los picos son a:b = 3: l. En vista de la fórmula molecular, esto significa: a 6H; b 2H. La moldcula es saturada, de cadena abierta (C4&Br2 corresponde a C,H,J, y debe tener un esqueleto de carbono de n- butano, o bien de isobutano. Los seis protones de la seiral a son equivalentes, y probablemente se encuentran en dos grupos

"CH,, desplazados a campo bajo por el -Br. Luego, la seiral b se debe al "CH,Br. Con base en esta suposición (apoyada por la ausencia de cualquier desdoblamiento en las senales debido a protones en carbonos adyacentes, Sec 16. lo), llegamos a la siguiente estructura:

y 3 (1

CH, (I I

CH3-p C- C H , - --Br- lo queda C H , C C H ? - ~ Br I

R r I ) i Rr 1.2-Dibromo- 2-mctilpropano

(c) Las alturas relativas de los picos son: a, 1H; b, 2H; c , 5H. La seiral ancha a indica un hidrógeno ácido; en vista de la fórmula molecular, éste debe estar unido a oxígeno: "OH. La seiial c indica claramente protones aromáticos: C,H,-. Algo más de aritmética química,

nos deja un residuo de "CH,". Las piezas se unen sólo de una manera:

h (I

C ~ H S - ~ ~~ CH2 O H loqueda C,H,- CHz--OH Alcohol bencílico


16.10 El orden de los compuestos es igual que en la respuesta al problema 16.4.

(a) a, doblete, 3H (b) a, singulete (c) a, triplete, 3H b, cuarteto,lH b, cuarteto.2H

a, singulete 6 , triplete, 4H a, quinteto, 2H c, complejo, 5H

a, singulete, 6H 6, singulete, 4H

a, triplete, 3H b, rnultiplete, 2H c, triplete, 1H

a, doblete, 3H b, par de dobletes, 1 H c, par de dobletes, 1H d , complejo, 1H

(d) a, singulete, 9H b, singulete, 3H

a, triplete, 3H b, singulete, 3H c , cuarteto, 2H d , complejo, 4H

a, doblete, 6H 6 , hepteto, 1H c , complejo, 5H

(e) a, triplete, 3H b, cuarteto, 2H c , singulete, 1H

a, singulete

(h) a, triplete, 3H b, rnultiplete, 2H c, triplete, 1H

(0 a, triplete, 6H (g) a, quinteto, 2H b, cuarteto, 4H 6 , triplete, 4H

a, triplete, 3H a, doblete, 3H 6, multiplete, 2H b, par de dobletes, 1H c , singulete, 3H c , par de dobletes, 1H d , triplete, 2H d , cornplejo,lH

a, doblete, 6H b, singulete, 3H c , hepteto, 1H

a, triplete, 3H b, multiplete, 2H c , multiplete, 2H d, triplete, 2H e , singulete, 1H

ESPECTROSCOPIA Y ESTRUCTURA

a, singulete

16.11

16.12

a, multiplete, 2H b, singulete, 1 H c,d y e, multipletes, 1H c,ada uno

No; los mismos compuestos que en la respuesta del problema 16.9.

(a) etilbenceno (b) 1,3- dibromopropano (c) bromuro de n- propilo

Trate de ajustar estas respuestas al espectro, siguiendo el planteamiento general delineado en la página25 l de esta Guía de Estudio. Luego, vea el espectro señalado en la pági- na 837 de esta Guía de Estudio, e inténtelo una vez más. Finalmente, estudie lo siguiente.

(a)La combinación cuarteto-triplcte de las seriales a y b es caractcríslica de un grupo C\C\- ,como en laFigura 16.&, página 581: el triplete a campo alto, con acoplamiento del CH,- por -CHz- ; el cuarteto a campo bajo, con acoplamiento de -C%- por CH,"; los valores de J idénticos. Sustrayendo C2Hs- de la fórmula molecular, queda C,H,---,

el cual da la sella1 c en la región aromática. El compuesto es:

Las alturas relativas de los picos corroboran esto: a, 3H; b, 2H; c, 5H.

(b) A partir dc su fórmula, es claramente de cadena abierta, saturado y uno de CUatrQposibh dibromopropanos isoméricos. La combinación triplete-quinteto indica cuatro H acoplados con "€Hz- (serial b), y dos H acoplados con cuatro protones (señal a). Sólo uno de los posibles isómeros sc ajustaa este esquema, y no se necesita mucha imaginación para unir

h (1 h C . H - C ' H 2 <'H.

dos átomos de Br para que resulte: /I i i 1,

B : - ( ' H 2 c . f 4 : i Lf2U1. 1,3-Dihrornopropano


en el cual la sefial de los protones terminales se verá desplazada a campo muy bajo por el Br .

(c) La fórmula requiere una elección sencilla entre bromuro de n-propilo y bromuro de isopropilo:

Claramente, el compuesto es bromuro de n-propilo.

a b c CH,-CH2-CH2-Br Bromuro de n- propilo

16.13 A temperatura ambiente, la interconversión de los tres confórmeros posibles es tan rápida, que solamente se aprecia una seilal promedio; a-120" C, la interconversión es tan lenta, que aparecen seilales separadas para la estructura aquiral I, y para las estructuras quirales (racemicas) I1 y 111.

Las áreas desiguales de los picos indican cantidades diferentes de los dos componentes; no hay desdoblamiento de senales porque los átomos de flúor son equivalentes en cualquier conformación.

16.14 A temperatura ambiente, la interconversión de los tres confórmeros posibles es tan rápida, que sólo aparece una seiral promedio; a - 98°C la interconversión es tan lenta, que aparecen


señales separadas para la estructura aquiral IV y para las estructuras quirales (racémicas) V y VI.

B' Br

CN IV

Br V

Br VI

El par de dobletes está dado por V y VI: en cada uno de ellos, los Btomos de flúor no son equivalentes- unoseencuentra"entre"dos-Br,yelouo"entre"-Br y"CN.LasAreas relativas de los picos indican que V y VI están favorecidas: hay menos aglomeración de los átomos de Br que en IV.

a b c a h a

16.15 (1) (a) CH,CH,CH,Cl CH,CHCH, Tres señules c1

Dos señales

h

CH3 a l

I

a h c h a u d c h (b) CH,CH2CH2CH2CH, CH3CH2CHCH, h CH,-C-CH, b

Tres señales CH, CH, h h

Cuatro señales Dos señales

o h c r h a u h e d e (c) CH,CH,CH,CH2CH2CH, CH,CHZCH2CHCH,

Tres señales CH, c

Cinco señales

h

h u a

Cuatro señales Dos señales h

Cuatro señales


u b d c c d b u a c f d g e b

(d) CH3CH2CHzCHzCH2CH2CHzCH3 CH3CHzCHzCH2CHZyHCH3 Cuatro seriales CH3

b

Siete seriales

b d e h g f u u c e d e c u

CH3CH2CHzCH2YHCHzCH3 CH,CH2CH2CHCH2CH2CH3 I

CH, c

Ocho seriales

CH3 b

Cinco señales

U U U

Cuatro seriales Cinco señales U

Tres seriales

Siete seriales

o b b u

a h c d j CH,CH?,c c,,CHZCH, (8) CH3CH2CH2CH2CH=CH2 ,c=c \

Seis seriales H H Tres seriales

En el 2-metil-2 hexeno deberíamos observar diferentes senales para los carbonos de los metilos diastereodpicos: a es cis al etilo, y d es trans.

(ii) Cada uno de los compuestos anteriores se puede distinguir de los otros de esta serie con base en el número de sefiales, excepto: (c) 3-metilpentano y 2.2dimetilbutano; (g) 1- hexeno y 2-metil-2- penteno, cis y trans- 3- hexeno.

257

16.16 Puesto que en esta etapa sólo estamos considerando el número de señales, nuestro planteamiento es más laborioso de lo que sera después; sin embago, ts te nos dará la práctica necesaria para reconocer los carbonos equivalentes y los que no lo son. Dibujamos fórmulas estructurales de todos los isdmeros posibles; para cada uno, marcamos todas las series de carbonos equivalentes y comparamos los números de seilales que esperariamos con el número que encontremos en el espectro real.

(a) La fórmula muestra una estructura saturada de cadena abierta (C,H,,Cl es equivalente a C,H,J. Seguimos el planteamiento sistemático del problema 3.1 I

La estructura VI merece que se observe con atención. Hemos marcado los grupos metilo a y b como no equivalentes; son diasfereotúpicos, y deberíamos espcrar que dieran lugar a señales diferentes. Para \er que esto sea así, seguimos el mismo proccdimiento para determinar la equivalencia o no equivalencia de los protones (Sec. 16.7). Imaginamos que cada "CH, se reemplaza sucesivamente por algún otro grupo, t a l como "CH,Z. Como

FI t l

H-G-CI

C'H,

Grupos metilo Diaytereotópicos

1-Cloro-3-metilbutano


veremos, tal reemplazo da aquí uno u otro de un par de diastereómeros. L o s ambientes de estos metilos no son idCnticos ni son imagenes especulares uno del otro; estos metilos son diastereotóppicos, no equivalentes, y dan senales separadas en Rh4C.

Puesto que el problema da cuatro sellales, puede tener o bien la estructura V, o bien la VII.

(b) Consideramos las mismas posibles estructuras que en la parte (a). Dado que este problema tambiCn da cuatro senales, puede tener la estructura V o la VIL

(c) Consideramos las mismas estructuras posibles que en la parte (a), pero ahora con el Br en el lugar del C1. Ya que la incógnita da cinco seilales, Csta puede ser

O

o b c d e a b e d c C

c e l b C-C--c-c-c o bien C-C-C-C-C o bien C-C-C-C

I d I Br Br Br

IX X XI

16.17 Simplemente observamos la fórmula estructural y contamos el número de hidrógenos unidos a cada carbono; el número de picos en cada seAd serd igual al número de hidrógenos m ' s uno (pág. 599). El orden de los compuestos es el mismo que en la respuesta al problema 16.15.

(a) a b c . a b (b) a b c . a b c d , a b q t t ' q d ' q t t ' q q d t ' s q '

( c ) a b c . a b c d e . o b c d , a b , a b c d q t t ' q t q d t ' q q t d ' q d ' q q s t

(d) a b c d a b c d e f g , a b c d e f g h , a b c d e q t t t ' q q t t d t t ' q q q t t t d t ' q q t d t

( e ) a b c d , a b c d e , a b c q d d s ' q d d d s ' q d S

( f ) a b c , a b c d e f g . a b c d e f . q d s ' q q t d d s s ' q d d d d s

( g ) a b c d e f . a b c . a b c a b c d e f q t t t t d ' q t d ' q t d ' q q t q d s

Ahora podemos distinguir fácilmente entre las alternativas de la parte (c) y de la (g).

16.18 (a) 2-cloro-2-metilbutano (b) 1-cloro- 3- metilbutano (c) 1- bmmopentano


A partir sólo del número de señales (cuatro), concluimos que (a) y (b) tenían las f6rmulas V y VII, pero no podíamos decir cuál era cud. Ahora contamos los hidrógenos en cada uno

V VI1

a b c d q q t s

a b c d q d t t

de los carbonos y predecimos las multiplicidades mostradas bajo cada f6rmula. Cuando las comparamos con las mu1 tiplicidades listadas para los espectros, vemos que Cstas concuerdan exactamente: (a) es V, y (b) es VIL

A partir sólo del número de seiíales (cinco), concluimos que (c) era IX, X, u XI.

a

a h c r d a h e d c c e l CH,CH2CH2CH2CH2

I d

CH,

I Br Br Br

CH,CH,CH,CHCH, CH,CHCHCH, h 1

IX

a b c d e q t t t t

Cuando consideramos el desdoblamiento de las sefiales, vemos que (c) sólo puede ser IX.

Un planteamiento alternativo La manera en que hemos analizado el espectro de la Figura 16.16 sólo es factible para compuestos más bien simples, para los cuales hay relativamente pocos isómeros; aun aquí, como hemos encontrado, tste puede ser un proceso laborioso. Examinemos estos mismos espectros desde el principio, esta vez como plantearíamos ordinariamente un problema semejante: con la compresión de lo que significa el desdoblamiento de las seilales.

(a) Para cada una de las sefiales, escribimos abajo la unidad estructural que debe dar lugar a cada una de ellas,

y a esto, como está dado por la fórmula molecular, adicionamos

CI


Sumamos estas unidades y encontramos un total de C4H$l. Un poco de aritmbtica nos

muestra que nos falta un 2%. Entonces. uno de los cuartetos debe originarse por dos grupos CH, equivalentes. Recordando la equivalencia de dos de los grupos metilo, encontramos que S610 podemos unir las piezas de una manera:

I CH3- -CH2- “c

I

I C1

CH3 I b

U dl CH3 -CH3 Io que da CH3-CH2-C-CH3 b

I c1 Cloruro de t-pentilo

(b) Como antes, escribimos abajo las unidades indicadas por las multiplicidades, incluyendo al C1:

I CH3- -CHl- “CH2- “CH- -CI

La adición da C4H,CI. La aritmética nos muestra

que falta un -C&, y que el cuarteto se debe a dos grupos CH, equivalentes. Estas piezas se pueden unir de una sola manera:

CH3 I U

t CH3 c d CH,- -CH- “CH,- -CH2- -C1 lo que da CH3-CH-CH2-CH2-CI

b

Cloruro de isopentilo

261


(c) Escribimos abajolas unidadesestructurales indicadas por lasmultiplicidades, incluyendo al Br:

La adición da C,H,,Br. Puesto que esto iguala la fórmula molecular, sabemos que no hay unidades repetidas - esto es, que no hay series de carbonos equivalentes. Estas piezas sólo se pueden unir de una manera:

CH,- -CH2- ----CHI-- -CH2 - - -CH2- - - -€Ir

a h c d r lo que da CH,-CH2-CH2-CH2-CH2--Br

Bromuro de n-pcntilo

Asignación de picos Habiendo llegado a las estructuras de estos tres compuestos, encontramos que ahora podemos asignar ciertas seííales en el espectro a carbonos específicos en los compuestos tan sólo con base en su acoplamiento. Si solamente hay un singulete, o un doblete, o un triplete, o un c u m t o en un espectro, podemos asignar con confianza cada grupo al correspondiente carbono en la molécula.

(a) CH,-~$H,---CH, I c1

(b) u CH3-CH-CH2"CH2--CI h

U

(c) CH3-CH2-CH2-CH,-CH2-Br

(Regresaremos a la asignación de picos en estas moléculas en el problema 16.21 .)

16.19 13.7 22.6 34.5 22.6 13.7 5 4 3 2 1

CH3-CH2-CH2-CH-CH, CH2- CHz-CH-- CH, I

H CH, 1

Calc. /trill

c-I 13.7 + 9.4 = 23.1 22.3 C-2 22.6 + 9.2 = 31.8 27.8 C-3 34.5 + 9.4 = 43.9 41.8 C 4 22.6 - 2.5 = 20.1 20.7 C 5 13.7 = 13.7 14.1


Hay una ligera concordancia entre los valores de Gcalculados y los reales. En este caso, la concordancia es lo suficientemente buena para dar la secuencia correcta de los picos en el espectro; sin embargo, esto no siempre es verdad, y estos cálculos deben usarse con precaución.

16.20 (a) Trabajando con estos valores,

136 115 124 124 125 125

CH,--CH=CH2 CH,-CH=CH --CH, CH," CH-CH-CH, cis trcms

calculamos lo siguiente:

B a B E

- 1 2 + 9 - 1 1 + I O

CH-CH=CH"CH, CH,-CH=CH"CH, cis trans

Efectos a +9 y +10 EfectosP- 12y-11

(b) Trabajando con estos valores,

calculamos lo siguiente:

P v + 4 - 2

CH,-CH2--CH=CH2

Efecto p + 4 Efecto y - 2

Aquí el efecto /3 es mucho más pequefio que en la parte (a), y es de signo opuesto.

(c) No, los efectos no son realmente comparables. En la parte (a), el efecto p se ejerce a fruvés d e l doble enlace; en la parte (b), no. (Este contraste en los efectos p se observa generalmente en el espectro de RMC de alquenos.)

16.21 Basándonos en el número de seaales y en el acoplamiento (problema 16.18) ya podemos ser capaces de asignar una sola estructura a cada compuesto. Como veremos en seguida, la magnitud de los desplazamientos químicos nos puede servir, aproximadamente, para confirmar nuestras primeras conclusiones.

Usando solamente el acoplamiento también podemos ser capaces de asignar ciertos picos a carbonos particulares en cada molécula: específicamente, donde sólo hay una seilal de una multiplicidad particular. Ahora observemos si los valores de los desplazamientos químicos nos permitirh asignar aún más picos.

263


(a) Para este compuesto tenemos los siguientes datos:

b 32.0 q j 'c

c 39.0 t CH,-C"CH,--CH,

Id d 70.9 S C1

Hemos asignado los picos c y d con base en sus multiplicidades. La pregunta que aún queda es: La cuáles grupos metilo asignaremos los picos a y b? ¿Cómo en i o cómo en ii ?

En el n-butano,

CH3-CH2-CH2-CH3 1 2 3 4

C-1 y C-4 son equivalentes, por supuesto, y deberían tener el mismo valor de S. Si convertimos mentalmente n-butano en 2- cloro- 2- metilbutano, ¿qué cambios debemos hacer a cada uno de estos carbonos? En C-1 tenemos que añadir un metilo p y un C1 p; a C 4 un metilo y y un CI y. Usando los valores para los efectos p y y dados en las páginas

c- I C 4

p-CH3 +9.4 y-CH3 -2.5 p-Cl + 10.1 y-c1 -5.3

~ ~

t 19.5 - 7.8

604-605, predecimos que 6se incrementará en 19.5 para C-1 y disminuirá en 7.8 paraC-4; esto es, C-1 deberá absorber 27.3 ppm a campo más bajo que C-4. Esta es una gran diferencia, y no tenemos duda al asignar el cuarteto a campo bajo a C-1 y el cuarteto a campo alto a C-4, como en i. (Observamos que la diferencia real entre los picos es de 22.5 ppm.)

Como podemos ver en el espectro señalado en la página 838 de esta Guía de Estudio, ahora tenemos asignados correctamente todos los picos para este compuesto.

h

h CH3 I = a

Id CH3-C-CH2-CH3

C1

Cloruro de t-pentilo


(b) Para este compuesto tenemos los siguientes datos:

CAPITULO 16

a 22.1 q a

b 25.8 d c 41.8 t d 43.2 t

a l CH3 CH3-CH-CH2-CH2"CI

b

Ya hemos asignado los picos a y b y surge esta pregunta: ¿que grupo metileno da el pico c y cuál da el pico d? iC6mo en iii o en iv?

CH3 c d I Y H 3 d c CH3-CH-CH2-CH2-CI CH3"CH"CH2"CH2"CI 4 3 2 1 4 3 2 I

iii iu

Comparemos esta molécula con el 2- cloro- 2- metilbutano de la parte (a) usando los valores reales de 6 para ese compuesto. (Renumeraremos este compuesto para facilitar la comparación.) Convirtamos mentalment el cloruro de t- pentilo en 2- cloro- 2- metilbutano,

CH3

_ I Cl

1 39.0 9.5 CH3-C"CH2-CH3

4 3 2 1

moviendo el C1 a lo largo de todo el esqueleto. El C-1 gana un cloro a y pierde un cloro y El C-2 no cambia: mantiene un cloro p. Usando los valores para los efectos a y ydados en la página 6 0 4 , predecimos para C-1 un 6de 45.4 (9.5 + 35.9) y para C-2 un 6en 39.0. Con estas bases podriamos asignar los picos c y d como en iii.

c- 1

a-C1 + 30.6 y-c1 - (- 5.3)

+ 35.9

Como podemos ver en el espectro sefialado en la pdgina 838 de esta Guía de Estudio, esta asignación es la correcta. Sin embargo, la diferencia pronosticada en los valores de 6es m&


grande que la real, demostrando lo burdo de estos cálculos y sugiriendo que la validez de nuestra predicci6n puede ser casual.

U

CH3 c d CH3-CH--CH2-CH,-CI

h

Cloruro de isopentilo

(c) Para este compuesto tenemos los siguientes datos:

a 13.9 q b 22.0 t c 30.5 t d 32.8 t e 33.4 t

a CH3-CH2-CHZ-CHZ --CH2-Br S 4 3 2 1

Ya hemos asignado el pico a, pero dejamos sin asignar cuatro tripletes. Comparemos los valores de Gcon los del n-pentano mostrados en la página 605.

13.7 22.6 34.5 22.6 13.7

CW,--CH,"CH2"CH2 ---CH, 5 4 3 2 I

Vemos que 6para C-5, al cual ya hemos asignado el pico a, permanece prácticamente sin cambios comparado con Gpara C-5 en n-pentano; esto es lo que deberíamos esperar debido a la distancia del carbono con respecto al Br ailadido. TambiCn podemos ver que el pico 6 para el bromuro de n-pentilo tiene un 6 muy cercano al de C-4 en el n-pentano. Ya que el C-4 en el bromuro de n- pentilo también esL4 alejado del Br (en la posición 4, podemos asignar casi con certeza el pico b a C-4.

Hemos dejado sin asignar tres tripletes con valores de 6bastante similares. En vista de loburdodelos~lculosquepodemoshacer(enlaparte(b),porejemplo),dudamosalasignar estos picos con tales bases.

Sin embargo, podríamos arriesgarnos a proponer una asignación tentativa: el pico c a C-3. Aquí el 6 (30.5 ppm) es el Único de los tres picos no asignados que es mas pequeño que el 6 para un posible pico correspondiente para el n-pentano (6 34.5 para C-3); cualquiera que sea el valor para el efecto ydebido al Br, esperaríamos que fuera pequeiio y negativo.

Con estas bases, dejamos los picos d y e a campo considerablemente más bajo con respecto a los picos para C-4 y C-5"que es como deberían estar, a consecuencia de los efectos a y /3, medibles y positivos.

En el espectro seaalado en la página 838 de esta Guía de Estudio, vemos que hemos asignado correctamente los picos a, 6 , y c.

a h c d e CH,-CH,-CH2-CH,-CH2-Br

Bromuro de n- p e d t o


16.22 El tamaíio del efecto y a travCs de un doble enlace carbono-carbono depende de la relaci6n estereoquímica entre los grupos que interactúan: es mas fuerte entre carbonos que son cis uno con respecto al otro, que entre carbonos que son tram. En un par de idmeros geomCtricos, como vimos en la pAgina 606 el efecto yes aproximadamente 5.4 ppm m k negativo er. el idmero cis que en el idmero tram; esto es, el efecto mueve un pico hacia campo m k alto en el is6mero cis.

Dibujemos fórmulas para nuestros 3-hexenos estereoisomhicos. y fijemos nuestra atenci6n para los valores de 6en C-3 y C-4, los cuales ejercen efectos yuno sobre el otro.

25.8 25.8 20.6 20.6

CH3<H2-CH=CH-CH2-CH3 CH,-CM2-CH=CH-CH2-CH3 Isómero A Isómero B

trans cis

Como vemos, la absorci6n de estos carbonos es a campo mAs alto - y por 5.2 ppm- en el is6mero B. indicando claramente que Cste es el is6mero cis.

16.23 (a) Es imposible invertir el espín de uno solo en un par: esto sería una violaci6n al principio de Pauli.

(b) Si se invierten l o s dos espines de un par, no hay cambio neto en la energía y, por lo tanto, no hay seaal.

16.24 (a) CH,. (b) CH,CHCH, CH,CH,CHCH, (c) Ph,C

16.25 No hay insaturaci6n evidente (no hay absorcih en el intervalo de los 1650 cm- I), así que debe haber un anillo (C,H,, - C,H,, = 2H faltantes, de ahí que s e a un anillo). No hay indicios de "(2% (2960 y 2870 cm- l), así que el anillo no debe tener cadena lateral. El Único compuesto que se ajusta a los datos es el ciclohexano.

1. (a) La f6rmula muestra una estructura de cadena abierta, saturada (C,H,Cl, es equivalente a C&). Un hidr6geno se acopla con dos hidr6genos (para dar un triplete) y dos hidr6genos se acoplan con un hidr6geno (para dar un doblete), lo que deja pocas alternativas para la estructura:

267


Ya que la seiIal para 2H se encuentra a campo m k bajo, ii se puede excluir dado que un H lo (en --CH,Cl) deberh esperarse a campo mhs alto que un H 2", y iii puede excluirse dado que el " C ~ - deberá esperarse a campo m& alto que "CHCh. Esto sólo deja a i:

h o h CHClzCHClCHClz

1.1,2.3,3-Pentacloropropano

Un H 1" esta desplazado a campo m k bajo por dos 2 1 , que el H 2" por un "€1.

(b) La fórmula muestra una estructura de cadena abierta, saturada. Un singulete sin desdoblamiento para 3H indica un 4% unido a un carbono que no lleva hidrógeno: C - C - C q . Esto nos deja sin miis alternativa que escribir:

h U

CH2CI-- CC12--CH1 1,7,2-Tricloropropano

(c) De la fórmula, podemos ver que estamos tratando con uno de cuatro bromobutanos isoméricos:

CH3, CH3 1

I CH?

CH3CH2CH2CH2Br CH3CH2CHBrCH3 CHCH2Br CH3-C-Br rr-BuBr .\ec-BuBr CH3"

iso-BuBr , t-BuBr

Solamente uno de éstos, el bmmuro de isobutilo, puede dar lugar a la sefial6H, desdoblada en un doblete. En consecuencia, el compuesto debe ser:

U

CH,, h c

CHI CH- CH2--Br

/

U

Bromuro de isobutilo

La seiral 4%- , desdoblada en un doblete por el H3", estA desplazada a campo bajo por el " B r .


(d) La f6rmula indica de inmediato, junto con la seal b de 5H a 67.28, la presencia de un grupo C6H5- y, en consecuencia, (C,,H,, - C6H5 = C4HJ 4C y 9H unidos a 61. Una sefial única, no desdoblada, para 9H a 6 1 .u) indica claramente 3 grupos (2%- , lo que nos obliga a concluir que C,H, es t-Bu, de modo que se trata del compuesto:

t-Butilbenceno

(e) Este es ligeramente m& difícil que (d), aunque tambi6n hay un grupo C,H, presente, por lo que s610 necesitamos desarrollar la cadena lateral C4H,,, para la cual solamente hay tres posibilidades (la cuarta ya se utiliz6 en (d)).

CH3 I / CH3 Ph-CH2-CH2"CH2-CH, Ph"CH"CH2-CH3 Ph-CHZ-CH,

n-butilo sec-butilo 'CH,

isobutilo

Nuevamente, la única estructura (compárese con (c), en p&afos anteriores) que puede dar lugar a una sefial para 6H, desdoblada en un doblete, es la cadena lateral isobutilo, por lo que el compuesto es el isobutilbenceno:

U

U

El doblete de 4 H 2 - (seiial c) estA desplegado a campo bajo por el grupo fenilo

(f) La presencia de un anillo benchico disustituido (-C6H,- ) estA indicada por la sekd c a campo bajo (de 4H). Esto deja (C9H,, C6H4 = C,HJ 3C y 6H por aclarar. La combinaci6n quinteto-triplete para 2H (desdoblada en un quinteto por 4H) y 4H (desdoblada en un triplete por 2H), nos conduce a -CH2-CH2-CH2-

b a b

b

/

\ Esto se puede ajustar a CSH4 s610 de una manera: CH2

b Indano

(Problema 22, Cap. 15)

Por corresponder a Hbencílicos, la seflal b se encuentra desplazada a campo bajo, en 62.9 l .

269


(g) Una vez m k aparece un grupo fenilo (C6H5- , seilal c). La resta (C,&IH,,C1 - C,HJ deja C,&Cl, lo cual indica una única cadena lineal saturada de C, (sólo un grupo puede unirse a C6H5- ). La seilal a muestra dos grupos CH,- sin acoplarse; la seiíal b muestra un "€H2- sin acoplarse. Esto deja un carbono y un "€1. Las piezas se pueden unir de dos maneras (de las cuales la primera es el compuesto real).

C'H, ~~

ChH,- -PC H 2 - p ~ CI --C ~ lo que da

C H 1

(1 U

~ b y H J y - 3

C , , H ~ - ~ C H ~ C~ C H ~ 0 obien c,H,-~-C~ -('H~ CI I

C1 CH, j

2-Cloro-2-metii-1 -fenilpropano U

l-Cloro-2-metil-2-fenilpropano

(h) Las dos seiiales, a y b, se encuentran a campos extraordinariamente altos, lo que indica la presencia de un anillo de ciclopropano (Tabla 16.4, página 574 o en las páginas finales del libro), con dos grupos de 2H cada uno. La seiial c muestra un CH,- no acoplado, y a campo más bajo la seiíal d muestra un grupo C6H5- . Esto explica los 1OC y los 12H, y la única combinación razonable de los fragmentos da:

a

H

b H Ph (i

1 -Metil-1 -fenilciclopropano (i) Se ve claramente lapresencia de un grupo C6H5- (seilal d, 5H), lo que deja una cadena lateral de "C,H5Br por descifrar. La ausencia de cualquier seiíal para 3H significa la ausencia de cualquier grupo CH.,- , y ya que cualquier cadena lateral ramificada, debería contener un

y 3 CH3 I -CH-CHzBr o bien "C-CH3

Br

grupo CH.,- , podemos eliminar tales isómeros. De los que aún quedan, S610 el primero

CH2CHzCH2Br --CH2YHCH3 "CHCH2CH3 I

Br Br

no tiene grupos Cq- . Por consiguiente, el compuesto tiene que ser:

3-Bromo-I-fenilpropano


(j) La send a indica la presencia de un grupo C&- en esta molkula saturada, de cadena abierta (C3H,ClFz es equivalente a C3H& Que la seflal b sea un viplete y no un cuarteto nos indica que no puede estar presente un grupo etilo (es característico el triplete cuarteto). En consecuencia, la única distribución posible para los C y los H es:

Aún permanece la pregunta: ¿qué es lo que desdobla la sefial a en un triplete, y tambitn a la seiIal b en otro triplete? La respuesta es, desde luego, que los dos htomos de ‘9; lo es th haciendo (pAg. 587, y problemas 16.13 y 16.14). Por lo tanto, el compuesto debe ser:

b r a

I CI-CH,-C“CH,

F l-Cloro-2,2-difluoropropano

(Recuerde, la absorcio’n por el flúor no aparece en este espectro de RMN, solamente aparece el acoplamiento debido al flúor.)

2. Aplicarnos el planteamiento alternativo que seguimos en el problema 16.18, en l a s paginas 259-262 de esta Guía de Estudio.

(a) El compuesto es de cadena abierta y saturado (C,H5C13 es equivalente a C3HJ. Para cada sefial escribimos abajo la unidad estructural que debe darle origen, e incluimos los tres C1 dados por la fórmula.

-CH2- -CH- “ C I “ C I -CI I

Adicionamos estas unidades y encontramos en total CZH&. La aritmdtica nos muestra

C3H5C13 - CZH3CI3

que nos falta un -€Hz- . Entonces, el triplete debe originarse por dos grupos 4%- equivalentes. Encontramos que podemos unir estas unidades S610 de UM forma:

a b a CI- -CH2- -CH- -CH2- “ C I loqueda CI-CH,-CH-CH,-CI

I I

I CI

CI I ,2,3-Tricloropropano

271


(b) Nuevamente tenemos un compuesto saturado, de cadena abierta. Escribimos abajo las

I CH,- -CH2- -CH- -Br

unidades indicadas, y encontramos en total C,H,Br. La a r i t m C t i c a nos indica que nos falta

C,H9Br - C,H,Br

un -C&, y que el cuarteto se debe a dos grupos CH, equivalentes. Estas piezas van juntas de UM sola manera:

CH3-

CH3 I U

I CH, -CH- -CH2-, " B r lo que da CH3-CH-CH2-Br

b

Bromuro de isobutilo

(c) Una vez más un compuesto saturado, de cadena abierta. Escribimos abajo las unidades,

CH3- " Z H , - -CH- " C I " C I

y encontramos que Cstas suman C,H,C4, la fórmula molecular. No hay conjuntos de carbonos equivalentes. Las piezas se pueden unir de dos maneras:

CH,- -CH2- -CH- -CI 10 que da CH3-CH-CH2-CI O CH3-CH2-CH-CI I I I

I I1 c1 C1 CI

Podemos decidir con bastante confiiza que el compuesto verdadero es i, más bien que ii, a juzgar por los desplazamientos químicos. Para comenzar, el cuarteto tiene 622.4, lo que es consistente con el efecto a campo bajo debido a un C1 como en i, pero inconsistente con un efecto a campo alto debido a dos C1 yen ii. Lo siguiente es que los desplazamientos para el doblete (655.8) y el triplete (649.5) son consistentes para que tengan cada uno un C1 a y un C1 p, con el doblete (C-2) a campo bajo con relación al triplete (C-1). En ii, espem'amos un desplazamiento muy grande a campo bajo para el doblete (dos C1 a), ciertamente m8s grande que para el triplete.

Concluimos que el compuesto es

U c b CH,-CH"CH,

I I CI c1

1,2-Dicloropropmo


(d) El triplete y el doblete a campo bajo indican un doble enlace carbonwarbono, y esto se confi ia por la f6rmula (C,H, Br es equivalente a C,HJ. Las unidades indicadas se pueden unir S610 de una manera:

b c a

CHI= =CH- -CH2- -Br lo que da CH2=CH-CH2Br Bromuro de dilo

(e) La f6rmula es consistente con un alquino, un dieno, o bien un cicloalqueno. El doblete a campo bajo (6 127.2) indica un doble enlace wbono-carbono m& bien que’un triple enlace. Escribimos en la parte inferior las unidades indicadas, las sumamos (C,HJ, y

encontramos que nos falta C2H,, o dos grupos CH,.

Estas unidades S610 se pueden unir de un modo:

a a

b,CH2--CH2 b

CH=CH -CH=CH- -CH2- -CH2- -CH2- -CH2- lo queda H2C

\ ‘CH2 /

c c

Ciclohexeno

Vemos en esta estructura que los dobles enlaces carbono-carbono son equivalentes, como deben ser para dar un doblete; y hay dos pares equivalentes de carbonos de metileno, lo que es consistente con el espectro.

(f) Este es un compuesto saturado, de cadenaabierta, que contiene las siguientes unidades:

CH,- -CH2- -CH2- -CH- -Br ” B r I

Esto suma C,H,Br2, que es la f6rmula molecular. Podemos colocar estas piezas juntas de tres maneras diferentes:

CH,-CH2-CH-CH2 o CH,-CH,-CH2-CH-Br o CH,-CH-CH2-CH2 I 1 I I I Br Br Br Br Br

i 11 iii

273


Examinemos estas posibilidades en el marco de los desplazamientos químicos. En iii, el C-4 tiene un Br p, el cual deberá tener un efecto a camp bajo. Pero el cuarteto

tiene S, 10,9, lo cual, en última instancia, es campo alto con respecto a la absorción que esperaríamos para un metilo en el n-butano padre. Descartamos iii.

En ii, el C-3 tiene dos Br y, los cuales deberán ejercer un efecto a campo alto. Sin embargo, el triplete desplazado a campo más alto (629.0) se encuentra a campo más bajo con respecto a la posición donde esperariamos que estuviera un metileno en el n-butano (compare con el C-2 en el n-pentano, en la pág. 6 0 4 ) .

En i, por otra parte, un metileno (C-I) tiene un Br (x y un Br p, y el otro (C-3) tiene un Br p.Esperaríamosqueambostripletesestuvierandesplazadosacampobajo,yefectivamente lo están.

Hay otro punto en favor de i. En ii, los Br deberán tener un efecto despreciable en (2-4; en i, un Br deberá ejercer un efecto ya campo alto. Como vimos antes, el cuarteto está realmente a campo alto con respecto a donde esperariamos que estuviera en la molécula no sustituida.

Con algunas dificultades, escogimos i como la estructura de nuestro problema, i y tuvimos razón!

I I Br Rr

1.2-Dibromobutano

3. Las dos posibles estructuras (ambas aquirales) son:

C‘H, H Br H tranr-1,3-Dibrorno- cis 1.3-Dibromo-

1,3-dimetilciclobutao 1,3-dimetilciclobutano Y Y

Todos los protones del anillo en el isómero trans son equivalentes (cada uno es cis a un ” B r y a un “CH,) y darán lugar a una semi de 4H sin acoplamiento; el otro singulete (6H) se debe, desde luego, a los dos “CH,. Obviamente, X es el isómero trans. Los protones del anillo en el isómero cis caen en dos grupos: dos (equivalentes entre sí) son cis a grupos “Cq, dos (equivalentes entre s i ) son cis a dos Br. Así, habrá dos seilales para los protones del anillo, cada UM desdoblada en un doblete por los H en la cara opuesta del anillo.

4.

0, € 1 O H

Esto muestra que pueden existir Ar. y presumiblemente Ar como internediarios. H Y


(TambiCn VW el problema 14.10, pAg. 508.)

(b) El que tiene el grupo= C&.

(c) A, 1,2-dirnetilciclopropeno, la única estructura con dos series de protones.

(d) El cati6n aromfttico ciclopropenilo (dos electrones n). formado por p6rdida de un hidr6geno del anillo a partir de A (compkese con el problema 13.6, pAg. 483).

(e) CH3CGCCH3 + CH2N, + luz.

6. Vea la página 1 115.

7. (a) Esta situaci6n es exactamente angoga a la del problema 16.13 en la página 597 excepto que aquí estamos tratando con RMN prot6nica en lugar de FMN de flúor. El compuesto existe como v e s conf6rmeros: la estructura aquiral I y las estructuras quirales (rackmica) I1 y 111.

CH3 c1 c1 I I1 I11

A temperatura ambiente, la interconversi6n es tan *ida que se observa una sola seilal promedio. A45"C, la interconversi6n es tan lenta que se observan seaales separadas: UM para I, y la otra para I1 y 111.

(b) Las diferentes intensidades de las sefiales indican proporciones desiguales de los dos componentes. Como deberíamos esperar, estas estructuras diastereomCricas tienen de estabilidades diferentes.

(c) Cada grupo metilo está oblicuo ados cloros en I, y d loa un cloro en I1 y III. Los protones del metilo en I deberían estar más fuertemente desprotegidos por el hal6gen0, y deberían absorber a campo más bajo que los de I1 y 111. El conf6rmero I, evidentemente, es m& estable: esto se podría deber a la interacci6n menos repulsiva de van der Waals, a la interacci6n metil-lorocon mayor atracci6n (v&e el problema 1 1, Capítulo 4), oaambas.

(Abraham, R. J. Loftus, P., Proton and Carbon-I3NMR Spectroscopy, Heyden and Son, Filadelfia, 1978, págs. 178-179.)

275


8. (a) Dos anillos en C. (b) Dos anillos, dos dobles enlaces en B.

(c) B es el biciclo [2.2.0] hexa-2,5-dieno (“Benceno de Dewar”, págs. 471 y 472). C es el biciclo [2.2.01 hexano.

(d) Los H 3” estan acoplados por todos los protones vinílicos; y a su vez, estos están acoplados por ambos H 3a

9. H H

C1“ / S I H I

H H eeeeee

Todos los H equivalentes (todos axiales)

Una señal

H H CI

eeeeaa 4H axiales, 2H

ecuatoriales Dos sekles(4:2)

eeeaaa

eeeeea 5H axiales, 1H

ecuatorial Dos seriales (51)

H CI I

eeaeea 4H axiales, 2H

ecuatoriales Dos señales (4:2)

Conformaciones con la misma estabilidad Todos los hidrógenos son equivalentes

debido a la rápida intervención entre las posiciones axiales y ecuatoriales

Una señal (d) eeeeee: sin cambio.

eeeaaa: desdoblamiento en dos sefiales con la misma área (una para tres H mides, una para tres H ecuatoriales).


H

CAPITULO 16

10. ( 4 t-Bu +I-- Br Señal para el -H axial en el C-1 desplazado a campo bajo por el -Br adyacente (libre de las otras señales de los protones).

t ram

Br

(b) L 3 "1 \ Señal para el -H ecuatorial en C-1

a campo aún mh bajo que la señal para el -H axial.

cis

Generalmente, una señal para u n 4 axial aparecerá a campo alto comparada con la señal para un 4 ecuatorial.

11. A- 75"C,1ainterconversi6nde1osconfdrmerosdesi1la11egaasertan1entaqueseobservan las seilales de los -H axiales y ecuatoriales. Predomina la conformaci6n con el " B r ecuatorial (-H axial, sena1 a campo alto), y corresponde a

4.6 X 100 = 82%

4.6 + 1.0

de las mol6culas.

12. Dado que la cis- decalina esta constituida por dos anillos de ciclohexano, sospechamos que el efecto de la temperatura se manifestar6 como lo hizo en el espectro de RMN protdnica del mismo ciclohexano (p6gs. 595-597): a baja temperatura la interconversidn de conformaciones de silla equivalentes es disminuida de tal manera que "vemos'' la molkula en una u otra conformacidn, y no como una nube, con sus h m o s en algunas posiciones promedio.


Analicemos la estructura de la cis-decalina, primero en drminos del espectro a baja temperatura. Hay diez carbonos en la molkula, y cinco picos de igual intensidad sugieren cinco pares de carbonos equivalentes. ICuAles son los pares de carbonos? El examen de la fórmula -o, mejor aun, de un modelo molecular- nos indica que estos pares son:

c-1 y c-5 c-2 y c-6 c-3 y c-7 C-4 y C-8 c-9 y c-10

Es fácil ver algunas de las diferencias entre un par y el om: C-1 o C-5, por ejemplo, están unidos a un carbono de la fusión de los anillos, pero C-2 o C-6 están alejados. Otras diferencias son conformacionales y m k difíciles de ver: C-1 o C-5 se proyectan hacia dentro en un doblez de la molkula, pero C-4 o C-8 se proyectan hacia afuera. (Con modelos se puede ver m k claramente las diferencias: C-1 o C-5 es anti al Hen un carbono de la fusión, pero C-4 o C-6 es oblicuo.)

Entonces, a baja temperatura, cada uno de los cinco picos está dado por uno de estos pares.

A alta temperatura, la interconversión de las conformaciones de silla se lleva a cabo tan rápidamente que, en lo que se refiere a RMC, desaparecen las diferencias meramente conformacionales. C-1 y C-5 intercambian con rapidez sus posiciones, conformacionales con C-4 y C-8. Vemos un solo pico para estos cuatro carbonos; este pico refleja el ambiente promedio de los carbonos y está a diferente frecuencia de los dos picos que reemplaza. En forma similar, los picos para C-2 y C-6 para C-3 y C-7 se unen en un solo pico a una frecuencia diferente.

Desde luego, el pico más pequefio se debe a C-9 y C-10. Este es más pequefio debido a que se origina por sólo dos carbonos. No esth desplazado, ya que el ambiente de estos carbonos "que son los pivotes sobre los cuales se mueven los dos anillos- permanece sin cambio.

(Abraham, R. J. y Loftus, P., Proton and Carbon -13 NMR Spectroscopy, Heyden and Son, Filadelfia, 1978, phgs. 180-182.)

13. (a)t-BuF: el doblete a 6 1.30 es la sefial del 4% desdoblada por el -F (3=20). i- PrF: los dos dobletes centrados en 6 1.23 son la sefial del 4% desdoblada por el

"H (k4) y nuevamente desdoblada por el -F (J=23);

(5=4) y nuevamente desdoblada por el -F (5=48). los dos multipletes centrados en 64.64 son la sefial del "H desdoblada por - 4 %

(b) r-BuF + SbF, --"+ r-Bu'SbF,

i-PrF + SbF, i-Pr'SbF,


Eliminado de las mol&ulas, el -F no desdobla más las sefiales de los protones. AI mismo tiempo, la desprotección por la carga positiva del catión causa un desplazamiento muy fuerte a campo bajo (Vbse el espectro en la Fig. 5.6, pág. 193. Esta fue la primera observación directa de los cationes alquilo simples, como se estudió en la Sec. 5.17.)

14. Observamos primero la estructura de este hidrocarburo formado por la acción de NaNH,en el cloruro de nmpentilo. El hecho de que Cste no decolore al permanganato, y de que tenga la fórmula C,H,,, muestra que contiene un anillo. La solubilidad en H,SO, concentrado sugiere que es un ciclopropano; esto se confirma por el pico de RMN a campo más alto de 6 0.20, característico de los protones de un anillo de ciclopropano. De éstos, sólo uno es consistente con el espectro de RMN: 1,ldimetilciclopropano. (Véase la respuesta al problema 16.5, pág. 572.)

CH2 -CH2 CHZ-CHD \ /

C CHI C H I /' \ , '

\ C'

CHI Ckiq 1.1-Dimetilciclopropano l,l-DimetiIciclopropano-2-d

La reacción con el halogenuro de alquilo marcado debe dar un hidrocarburo análogo. El peso molecular de 7 1 muestra que éste contiene sólo un Atomo de deuterio por molécula, y es C,H,D.

Evidentemente, estos hidrocarburos están formados a través de una inserción intramolecular de un metileno generado por una eliminación-1,l (Sec. 12.17).

El experimento con marca isotópica excluye un mecanismo alterno (que implica una "eliminación y ") propuesto en 1942 por Frank Whitmore - antes de que los metilenos fueran concebidos, aun por el pato Donald. Con este mecanismo habría dos deuterios por molécula de producto, lo que es contrario a los hechos:

(Friedman, L., y Berger, J., J. Am. Chem. Soc., 83,500 (1961).)


15. (a)El hidrocarburo formado por la accidn de la NaNH, sobre el cloruro de metalilo es el 1-metilciclopropeno, formado por la insercidn intramolecularde un metileno producido por una eliminación-1,l.

< / I

,' H ' H (1 (I

1-Metilciclopropeno

(Fisher, F., Applequist, D. E., J. Org. Chem., 30,2089 (1965).)

(b)Esperariamosunareacciónanálogaparaconvertirunclorurodealiloenunciclopropeno.

H" "H

Ciclopropeno

(Closs G . L. y Krantz K. D. en realidad de esta manera obtuvieron un bajo rendimiento de ciclopropeno. J. Org. Chem., 31,638 (1966).)

16. (a)El hidrocarburo D es C,H,, y tiene la estructura:

Podemos ver tres series de protones; las sefiales de RMN se han asignado como se indica.

(b) La síntesis (i) es una reacción de Wurtz intramolecular (pág. loo), e implica un desplazamiento nucleofílico de halogenuro por un carbono tipo carbanión:

Biciclobutano


La síntesis (ii) incluye una adici6n intramolecular de un metileno:

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

L . L L . ; ,I

: H2C’--CH Biciclobutano

Ahora ya hemos visto, en los problemas 14 y 15 y en el presente problema, ejemplos intram&culares (dentrode la mismamol&ula) de dos reacciones principales de nmiknos: la inserci6n y la adición.

(a) isopropilbenceno (b) isobutileno (c) fenilacetileno

(Vhnse los espectros acotados de la pág. 839 de esta Guía de Estudio.)

(a) isobutilbenceno (b) t-butilbenceno (c) pisopropiltolueno

( V h s e los espectros rotulados de la p&. 840 de esta Guía de Estudio.)

(b) 2,2,4-trimetilpentano (c) p-ter-butiltolueno

Indam

( V h s e los espectros con acotaciones de la phg. 84 1 de esta Guía de Estudio.)

(a) bromuro de a-feniletilo, C,H,CHBrCH, (b)t-pentilbenceno (c) bromuro de sec-butilo (Vhnse los espectros rotulados de la phg. 842 de esta Guía de Estudio.)

(a)l, 2,4-trimetilbenceno (b) mesitileno (c) isopropilbenceno

( V h s e los espectros acotados de la phg. 843 de esta Guía de Estudio.)

(a) 3,3-dimetil-l-buteno (b) metilciclopentano (c) truns4octeno

( V h s e los espectros acotados de la phg. 844 de esta Guía de Estudio.)

2,4,4-trimetil-2-penteno

(Vhse los espectros rotulados de la phg. 845 de esta Guía de Estudio.)

E,a metilestireno, C,H,(CHJ=CI-$

( V h s e los espectros rotulados de la pAg. 845 de esta Guia de Estudio.)

17

Alcoholes I. Preparación y propiedades físicas

17.1 Hay un puente de hidrógeno intramolecular en el isómero cis (véase la Sec. 28.2).

17.2 Hay muchos grupos " O H que son capaces de formar puentes de hidrógeno con las moléculas de agua (véase la pág. 1308).

17.3 Vea la respuesta al problema 8, capítulo 1.

17.4 CH, CH3 CH, C'H, C,'11 C'H, I 1 I

CH., C'H 3 C H ,

I I CH,CCH2CHCH,CH20H +x- CH,CCH,CHCH:C'HO +*xo~ C H j < ~ ~ 2 ~ . C'H,

' I Catali7ar I

~

3.5.5-Trimetil- 2,4,4-Trimclil 1-hexanol 1 -pcnleno

(Scc. 8.16)

CAPITULO 17 ALCOHOLES I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

17.5

17.6

17.7

17.8

El primer material que destila es el azebtropo temario; destilarán 100 g de éste, acarreando 7.5 g de agua, 18.5 g de alcohol y 74 g de benceno. Esto deja 124 g de alcohol anhidro puro. En la práctica real, se adiciona un ligero exceso de benceno; éste se elimina, después de la destilación de la mezcla temaria, como un azdtropo binario con el alcohol @.e. 68.3"C).

Eter melil isopropílico, (CH,) ,CH-"-CH,.

H(?Cfi,

C H j C 11- C t i > + C'I1; C l i ( ' t i ; - - - t lg? ( I I , O I I

+ ~ ( ' t I j -cti CfI, ' ' t i+

i m , + i t k 2 t

O<'H : I

('H; -CH CH2Hg'

N J B I I , I I 4

oc ti , ( ' I { , - -~ 'H--cH?

La reacción es exactamentc análoga a la oximercuración, excepto que el ion mercurinio sufre un ataque nuclcofílico por el metano1 y no por el agua. El ataque tiene mucho carácter S,1 (Sec. 8.15), y resulta una orientación Markovnikov.

(Brown, H. C. y Geoghegan, P., Jr., "The Oxymercuration- Demercuration of Representative Olefins. A Convenient, Mild Procedure for the Markovnikov Hydration of the Carbon-Carbon Double Bond", J. Am. Chem. Soc., 89,1522 (1967.)

(Olah, G. A. y Clifford, P. R., "Organometallic Chemistry. I. The Ethylene-and Norbornylenemercurinium Ions", J. Am. Chem. Soc., 93, 1261 (1971); "Organometallic Chemistry. 11. Direct Mercuration of Olefins to Stable Mercurium Ions",J. Am. Chem. Soc., 93,2320 (1971).)

ALCOHOLES I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS CAPITULO 17

H H OH C H I H Enantiómeros

(Brown, H. C., Ifidroboration, W. A. Benjamin: Nueva York, 1962; especialmente los Caps. 6-8 Brown, H. C. Boranes in Organic Chemistry; Cornel1 University Press Ithaca, NY, 1972; págs. 255-280. Este último libro contiene una fascinante explicación personal no sólo del descubrimiento de los organoboranos y su química, sino también de la carrera de uno de los químicos orgánicos más productivos.)

17.9 La adición global syn, podría ser apriori, el resultado de cualesquiera de dos combinaciones: la adición syn en la hidroboración, y retención en la oxidación; o bien, la adición anti en la hidroboración, e inversión en la oxidación. Puesto que se ha demostrado que la adición es syn, la oxidación debe implicar la retencidn. (Como veremos en el problema 12, Cap. 32, el mecanismo de la oxidación es del tipo del que esperaríamos que diera la retención.)

CAPITULO 17

17.10

ALCOHOLES I. PREPARACION Y PROPIEDADES HSICAS

(a) (b) (c) (d) Acido: H 2 0 Et,B (BH3)2 (BH3)2 Base: H- NH, Me,N H-

17-11 (a) CH,CH2CH2CH2Li + H 2 0 - - -+ CH3CH2CH2CH, + Li'OH

(b) CH3CH2CH2CH2Li + D 2 0 -+ CH,CH2CH2CH2D + Li'OD-

(c) CH3CH2CH2CH,Li + C2HsOH ----+ CH,CH2CH2CH3 + C 2 H 5 0 - L i +

(d) CH3CH2CH2CH2Li + CH,NH, ---+ CH,CH2CH2CH3 + CH,NH-Li '

(e) CH3CH2CH2CH2Li + C2H5C"CH "----, CH,CH,CH,CH, + C2H5C-C-Li+

CH,CH2CH2CH,CH20H 1-Pentanol

I

CH,CH?CH(CH,)CHZOH 2-Metil-1-butanol

I

(CH,),CHCH,CH,OH 3-Metil-1-butanol

1

(d) (CH,)ZCHCH2CH20H Alcohol isopentilico

(e) Los ejemplos son: n-CSH,,CH,OH

I '

CH,CH>CH,CHOHCH, 2-Pentanol

2-

CH,CH,C(OHj(CH,), 2-Metil-2-butanol

3 '>

(CH3)3CCH,OH 2,2-Dimetilpropanol

I

CH3CH,CH2CH2CHzOH Alcohol n-pentfiico

n-C,H,CHOHCH, 2"

CH3CH2CHOHCH2CH3 3-Pentanol

2'.

CH,CHOHCH(CH,), 3-Metil-2-butanol

2"


2.

3.

4.

5.

( f ) Los ejemplos son:

I 2 ' 3

d (el más alto P.e.), e, a, c, b.

(a) alcoholes (Caps. 17 y 18) ácidos (Cap. 23) amidas (en el Cap. 24) aminas (Caps. 26 y 27) fenoles (Cap. 28) carbohidratos (Caps. 38 y 39) compuestos heterocíclicos con -N-" (Cap. 35) aminoácidos (Cap. 40) proteínas (Cap. 40)

(b)Todos, excepto los hidrocarburos y los halogenuros.

(a)p-cresol (b) ácido propiónico (c) ácido propiónico

Oximercuración- Hidroboración- dcsmercuración oxidaci6n

(b) CH,CH,CH,CHCH, CH,CH,CH,CH-CH, I

OH

Oximercuraci6n- Hidroboración- dcsmercuración oxidación

Ninguno


CH, I (g) CH,CHCH,CHIOH

Ninguno

(a) n-Bu j C H 2 0 H t- n-BuMgBr + H C H O

f n-PrMgBr + OHCCH3 a

(b) r r -PriCHOH i C H 3

h mPrCHO + CHjMgBr

(c) EtCHOHGEt -+- EtCHO + EtMgBr

(d) ,s(.pc-Bu CHzOH t- sec-BuMgBr + H C H O

(h) r-BufCH20F-1 .- t - B u M g R r + HCHO


22 PhMgBr + OHCCH2CH3 '1

(i) Ph/CHOH+CH2CH3 c-

h PhCHO + CH,CH2MgBr

(k) PhCHzCHOHfCH, + P h C H L H O + CH3MgBr

(El PhCH,MgX reacciona anormalmente con el CH,CHO y muchos otros aldehídos.)

(1) PhCH2CH2&CH20H t- PhCHzCHzMgBr +- HCHO

(p) i -Pr - CHOH! Pr-i c- i-PrCHO + i-PrMgBr

a p-CH3C6H4MgBr + OHCCH3 ?

(4) P - C H ~ C , H + H O H + C H ~

p-CH3ChH4CH0 + CH3MgBr

(r) CH,CH,CH+C=CH - CH,CH~CHO + HC-CLI I :

OH

( S ) CH,CH+C=CCH, - CH,CHO + CH3C"CLi

OH I '


7. Un puente de hidrógeno intramolecular entre el " O H y 4 estabiliza la conformación oblicua.

H

8. (a) La hidratación syn puede ocumr de cualesquiera de dos maneras: por "abajo" para dar el colestano-3P, 6a-diol, opor "arriba"paradare1 coprostano-3P,6P-diol, estereoisomérico. El ataque por "abajo" está menos impedido que el ataque por "arriba", debido a que los sustituycntes se proyectan "hacia arriba", particularmente el "CH, en C-10.

I F1 H

Colestano-3P, 6a-diol Predomina fuertemente

I H Coprostano3P, 6P-diol

(b) La hidratación syn por abajo da un " O H a en C-1 I , y un -H 01 en C-9.

t i


OH I

9. H H H

Ambos OH ecuatoriales Ambos OH axiales

(b) A juzgar por la interacción 1,3, se debería pronosticar que la conformación mAs estable es la ecuatorial.

(c) El puente de hidrógeno intramolecular, siendo un factor que estabiliza, sólo eS posible cuando los dos OH son axiales.

H Los OH axiales son estabilizados por el puente de H intramolecular

10. La conformación deboteretorcido: ambos grupos t-Bu son ''ecuatoriales'', y ambos grupos " O H están como "asta de bandera" con un puente de hidrógeno intramolecular.

H H

2,5-Di-t-butil-1,4-ciclohexmodiol Conformación de bote retorcido

11. El alil-litio debe ser iónico. En el anión híbrido

w

son equivalentes los dos carbonos terminales, y así los cuatro hidrógenos están unidos a ellos. La considerable estabilización por resonancia favorece la existencia del grupo alilo como un carbanión, en contraste con el n-propilo, el cual estA unido covalentemente con el litio.

291

CAPITULO 17 ALCOHOLES I. PREPARACIOK Y PROPIEDADES FISICAS

12. (a) CH,CH2CH2Br + C N - - CH3CH,CH2CH2-CN + Br E N

(b) CHACH2CH2Li + HCHO ---+ CH,CH2CH,-CH,0Li N E

CH., I CHS

(d) CH,CHMgBr + CO? + CH1CH--C02MgBr N E

(e) HC"%: ~ N a ' + CH,CH,Br - + CH,CH,--C=CH N E

( f ) C H , C H ~ - C H 2 + :CCI, ~+ CH,CH CH, N E 'C~'

4 ' C l

13. (a)

HO.

f 1 Compuesto 5P, Cia-dibromo


Br Compuesto 2p, 3a-dibromo

Predomina fuertemente

H Compuesto 2a, 3P-dibromo

(b) Se forma preferentementeel ion bromonio debidoal ataquepor el lado menos impedido, que es el de abajo. Entonces, el ion bromonio se abre mediante un estado de transición anti para dar el dibromuro diaxial.

(y su enantiómero) treo-2,3-Dimetil-

1-pentanol

(y su enantiómero) (E)-3-Metil-2-penteno

15. Dos combinaciones estereoquímicas podrían dar los resultados observados: (i) Adición anti de bromo, seguida de una eliminación anti; (ii) adición syn seguida de una eliminación syn. Debido a que se conoce que la adición (estereoselectiva) del bromo es anti (Sec. 9 . 9 , también la eliminación debe ser anti.

CAPITULO 17 ALCOHOLES I. PREPARACTON Y PROPIEDADES FISTCAS

(RO),BCH,CH?Br + 3 H 2 0 --~> CH2=CH2 + HBr + 2ROH + H 3 B 0 j

18

Alcoholes 1I.Reacciones

18.1 Los sustituyentes que atraen electrones ( 2 1 , -F. "OH, -NO2) incrementan la fuerza del ácido al estabilizar los aniones. (a) ClCH2CH20H > CH3CH,0H

(b) F3CCHOHCF3 > CH3CHOHCH3

(c) HOCHlCHOHCHzOH > CH3CHZCHZOH

(d) p-O2NC,H,CH,OH > C6HSCHZOH (e) En cada caso, el ácido más débil es el nucleófilo m k fuerte.

18.2 (a) t-BuOH + Na + fH, + r-BuO-Na+

t-BuO-Na+ + EtBr - t-BuOEt + NaBr

EtOH + Na "-f fH, + EtO-Na+

EtO-Na+ + r-BuBr --j (CH,),C=CH, + EtOH + NaBr

(b) En el primer caso, la sustitución nucleofílica, con el 1-BuO-actuando como nucleófilo. En el segundo caso, la eliminación, con el Et@ actuando como base.

(c) Como es usual (Sec. 7.24), la sustitución predomina con el halogenuro lo, y la eliminación predomina con el halogenuro 3".

18.3 pCH3C,H,S020Bu-sec +* p-CH,C,H,SO,CI

PCI, c--. p-CH3C6H4S03H C6H5CH,

CAPTTULO 18 ALCOHOLES 11. REACCIONES

18.4

18.5

18.6

296

Alternativamente, se prepara un cloruro de sulfonilo de manera conveniente mediante el tratamiento del sustrato aromático con exceso de úcid0 clorosulfónico, ClS0,H.

ArH + CIS0,H -+ ArS0,H + HCI

ArS0,H + CIS0,H -"-+ ArSOzCl + H,SO,

Claramente, hay una inversión global de la configuración del alcohol. Sólo hay dos pasos en la secuencia de la reacción. EL primero, la preparación del tosilato de sec-budlo, debe implicar la ruptura del enlace O - H del alcohol (véase la pág. m), de ahí que no pueda cambiar la configuración del carbono quiral. En consecuencia, la inversión debe haber ocurrido en la única otra etapa, la hidrólisis del tosilato.

Alcanos Alquenos Alquinos Halogenuros de alquilo Alquilbencenos Alcoholes 1 Alcoholes 2" Alcoholes 3"

Se disuelve. Se decolora. Cambia Burbujas Dan la prueba f Decolora al KMnO, caliente. de color. dc hidr6geno. los 1-alquinos.

En el sitio de ruptura: (1) Reemplaza el enlace con carbono por un enlace con "OH. Cada una de tales rupturas requiere un HIO,. (2) Si un fragmento resultante es un gem-diol (inestable).

i I -C~&OH - H 2 0 + --C -O

OH Un gen-diol Un compuesto

inestable carbonilico

elimina H20 para dar un compuesto carbonílico, estable. Por ejemplo: H

I H2C: C H i C H 2 --- 2H% HzC-OH + H O - C--OH + HO C H 2

/ ' I # I 1 I H O O H OH O H OH OH

Un glicol

O H2C O f3-C' O CH2 \

OH Productos de ruptura

(b) C H 3 C H O H f C H 0 I ti IO4 * CH3CHO i- HCOOH

ALCOHOLES 11. REACCIONES CAPITULO 18

(f) CH20H+CHOH+CHOH+CHOHi CHO

"-4 HCHO + HCOOH + HCOOH + HCOOH + HCOOH 4HIO

(g) C H 2 0 H ~ C H O H ~ C H O H ~ C H O H ~ C H 2 0 H

4HIO4 + H C H O + HCOOH + H C O O H + H C O O H + HCHO

18.7 Para reconstruir (mentalmente) el compuesto a partir de los fragmentos de ruptura, invierta el proceso del problema precedente. (1) Reemplace un grupo carbonilo en el producto de ruptura por dos " O H (un gem-diol inestable). (2) Ahora elimine los "OH por pares, uno a partir de cada dos fragmentos, y una los carbonos. Por ejemplo:

4 \

O H 2C=O H-C O=CH2 (Productos de ruptura)

OH

t t H

I I

OH [ H I 0 4 1 I H 1 0 4 1

H2C"OH HO--C-OH HO"CH2 t- H2C-CH~-CH2 I

O H I

HO I 1 I

HO OH OH

CAPITULO 18 ALCOHOLES 11. REACCIONES

18.8 Cambia la concentración.

? 18.9 (a) I , ~~ ¿' . OH da un triplete (acoplamiento con 2H en el C adyacente);

t l

I 2 , --C -OH da un doblete (acoplamiento con 1H en el C adyacente);

1 H

3 , C' OH daunsingulete(nohayacoplamiento,nohayHenCadyacente). ~

CAPITULO 18 ALCOHOLES II. REACCIONES

Base : R*OH* + : B j R*O- + [H*:B]+

R*O- + ROH R*OH + RO-

RO- + [H*:B]' a ROH* + :B

1. (a) 2-Pentanol y 3-metil-2-butanol dan yodoformo; todos los otros negativos. (b) El 2-Metil-2-butanol(3") reaccionarzipidamente con el reactivo de Lucas; el 2-pentanol, el 3-pentanol, y el 3-metil-2-butanol (todos 2") reaccionan lentamente; no reaccionan los

(c) El 2-Metil-2-butanol(3") da una prueba negativa con CrOfi2SOo; todos los otros (loa, 2") dan una prueba positiva.

otros (1").

(d) n-Bu+CH20H t- n-BuMgBr (apartir de n-BuOH) + HCHO (apartirde MeOH)

n-PrMgBr (a partir de n-PrOH) + OHCCH, (apartir de EtOH)

n-Pr-i-CHSCH, I / 8

OH b n-PrCHO (a partir de n-BuOH) + CH3MgBr (a partk de MeOH)

Et-CHOHiEt - EtCHO (apartirde n-PrOH) + EtMgBr (apartirde EtOH)

sec-Bu-\CHzOH t- 1 sec-BuMgBr (a partir de sec-BuOH) + HCHO (a partir de MeOH)

EtMgBr (apartir de EtOH) + O = Z C ( C H ~ ) ~ (apartirde i-PrOH)

Et-C-O (apartirde sec-BuOH) + CH.\MgBr (apartirde MeOH) I

CH3

I

i-PrMgBr (a partir de i-PrOH) + OHCCH, (a partir de EtOH)

i-Pr+C<lCH, I 1 ' b OH i-PrCHO (a partir de i-BuOH) + CH3MgBr (a partir de MeOH)

iso-Bu$H20H - isa-BuMgBr (a partir de ~SCJ-BUOH) + HCHO (a partir de MeOH)

t - B u t C H 2 0 H - t-BuMgBr (apartir de t-BuOH) + HCHO (apartir de MeOH)

299


2. En lo siguiente, R = ciclohexilo,

(a) ROSOJH (c) no hay reacción

(e) no hay reacción (f) RBr

(h) RO-Na+ (i) R "0-C -CHI

o I1

(j) no hay reacción (k) ROMgBr + CH4 (1) no hay reacción

Br

7.7- Dicloronorcarano (7,7-Dicloro [4.1 .O] bicicloheptano)

Síntesis: Trabajo en retroceso

Dando por sentado que conocemos la química de los pasos individuales, ¿cómo hemos de proceder para planear una ruta hacia compuestos más complicados "alcoholes, por ejem- p l e ? En casi todas las síntesis orgánicas, lo mejor es comenzar con la molécula que qucremos -la molécula objetivo- y trabajar hacia atrús a partir de Csta. Por ejemplo, hay relativamente pocos modos de hacer un reactivo de Grignard, o un aldchído o una cetona; y así se continúa en retroceso hasta llegar a nuestros materiales de partida primarios. Por otro lado, nuestros materiales de partida pueden sufrir tantas reacciones diferentes que, si comenzamos el problemaal revés, nos hallaremos frente a un número desconcertantemente grande de caminos, de los cuales sólo unos pocos nos pueden llevar hacia donde queremos ir.

Tratamos de limitar una síntesis a la menor cantidad de pasos posibles; sin embargo, no sacrificamos la pureza en favor del tiempo. Para evitar una transposición en la preparación de un alqueno, por ejemplo, proponemos dos pasos a través del halogenuro, en lugar del paso Único de la deshidratación.

300


(t) CH3CH2CH2C -O--Bu-n C H ~ C H Z C H ~ C - O H (apartir de f) 11-BuOH ' I O O

(c) F C H 2 I OH OH

(e) CH,CH-CH"CH- I l l

O H Br OH

(g) p-BrC,H,CH20H

(b) PhCOOCH2CH(CH1)2. benzoato de isobutilo

(d) no hay reacción

( f ) C2H, + Mg(OCH3)Br

5. El dicromato aman110 se reduce a Cr (111) verde por el alcohol etílico; el automovilista se reduce a lágrimas o ira y, frecuentemente, a caminar.

6. En general, el orden de reactividad es alílico. bencflico >3" >2" >lo <MeOH

302

ALCOHOLES II. REACCIONES CAPITULO 18

Los factores electrhicos son importantes excepto para los alcoholes la, para los cuales los factores est6ricos ejercen el control.

OH

(b) Ph"CH"CHZCH3 > Ph-CHz-CH-CH, > PhbCHzCHz --CHI I I 1

bencílico 2 I

O H O H O H

(c> H O ~ C H ~ O H > (Q,)cH,oH i > N=C(O)CH,OH

(Comphrese con la respuesta al problema 10 (c), Cap. 15.)

(d) CH,CH ~ CHCHZOH > CH2 ~ CHCH~CHZOH alílico 1 "

3 ' CH, 2" I "

(f) Ph,COH > Ph2CHOH > PhCHzOH > CH,OH bencílico3' bencilico 2 O bencílico 1' MeOH


(b) ciclohexanol

( f ) CH3CH- C H K H O - BrMg-

O H 1 '3 B r i \ t- (b)

K M n O I CHIOH - (h)

- MgBr (como en f)


H H

Ph "+"

1 I t (b) CH,-C-CH, c- PhMgBr (apartir + CH,--C-CH, (a partir dc i-PrOH)

OH O

+- sec-BuMgBr + HCHO (a partir de MeOH)

CH3 I CH3 I ( e ) CH3CH2CHCH3 C H , C H 2 C = r C ~ 2 t- (d)

CH3 I I 1

CH3 (f) CH,CH2C-CH2 t-- CH3CH2d=CH2 c- (d) Br?. CC14

Br Br

CAPITULO 18 ALCOHOLES H. REACCIONES

(1 I

8 1 a

n-PrMgBr + O H C ~ Et (ambos apartirden-PrOH)

(g) n-Pr [ C H ~ ! Et

O H h u-PrCHO (a partir de n-BuOH) + EtMgBr (a partir de EtOH)

(h) n-Pr -C-Et - n-Pr-CH Et + (8) KLCr207. H '

I o O H

E t Et

I ' I , (i) n-Pr--C+n-Pr t- n-Pr-6 (apartir de f) n-PrMgBr (apartir dc n-PrOH)

O H o

producto (k) + MeC-CNa NaNHz

(m) PhCHCH3 f- P h i C H C H , - PhMgBr + OHCCH, (apartirdeEtOH) HC'I

I CI

' I O H

CH3 (n) C ~ H & ~ H C H ~ C H ~ - AlCl, ChHh + ser- BuCl (a partir de sec-BuOH)

ALCOHOLES D. REACCIONES CAPITULO 18

CH3 C H 3 I N

(o) CH,&H -C"CH, +-" CrO CH3CH-i~CH-CH, t- i-PrMgBr + OHCCH, / I O

1 1 O H (a partir de EtOH)

(PI (i-Pr)2CuLi (a parlir de i-PrBr) + n-BuBr ( a partir de n-RuOH)

CHICHzCtIzCH2 jCHCH3 ' I

O H

O C-CHJ + n-BuMgBr (a partir de i-PrOH) (a partir de n-BuOH)

PhCHzCHO ti,( r 2 0 7 P h i C H z C H 2 0 H t- PhMgBr + H2C-CH2

'O' (Sec. 19.15)

CH3 I 1

(r) CH3CH2CH2CH2+C-CH3 c- (r-Bu)2CuLi + rz-BuBr

CH3 (a partir de t-BuOH) (a partir de n-BuOH)

(S) I'hCH2CHCH3 t- PBr: PhCHzCHCH.i (hechoenq)

Br 1 o H

KOH YH,-CH -Et Br Br

CH2 "CH -Et (a partir de n-BuBr)


(U) CH3CH,C"OEt 7 CHJCHzCOOH e CH,CHlCH20H EtOH KMnO

I1 O

CH3 9. (a) CH3-AH--14CH20H 4 i-PrMgBr H14CH0 3

CSH,NHCrO,CI I4CH30H

CH3 I CH3 CH3 (C) L4CH3-CH-CH20H f-" 14CH3-CHMgBr + M g ,PBr3 l4CHJ-CHOH HCHO 1

CH3 I

l4CH3"CHOH < CHsCHO I4CH3MgBr I4CH,OH

(d) CH~--CHE'~CH~ < KOH CH3-CH2-I4CH2Br +" CH3CH2-I4CH20H HBr

CH3CH2-"4CH20H 4 cn,cH,MgBr H14CH0 x

C,HSNHCrO,CI I4CH30H

(e) CH3--'4CH=CH2 CH3-14CH-CHJ (hecho en b) Hi calor

I OH


(f) 1 4 C H 3 " C H " C H 2 < KOH(alc) 13CH3CH2CH2Br t" I4CH3CH2CH20H PBri

10. (a) Anti. Vea la respuesta al problema 13, capítulo 12.

I H i o tl U n 3-alquilciclopenteno H

I OTs

I \ ti

+ enantiómero + enantiómeuo

Ciclopentanona

(c) L a inversión en C-2 durante el reemplazo del " O H por -X debcría dar el cis-2-halo- 1-alquil-ciclopentano, el cual sufriría una eliminación anti para dar principalmente el 1- alquilciclopenteno, el alqueno más estable. Pero esto tan sólo nos Ilevm'a de regreso al mismo alqueno que habíamos sometido a la hidroboración-oxidación (Hl3/0).

\.""'(r"cp H OH H H

Producto principal

T base - H X

CAPITULO 18 ALCOHOLES D. REACCIONES

11. Estas no son síntesis terriblemente difíciles, si advertimos que la mayor parte de la molCcula no es sino una acompañante silenciosa.

(a) El paso clave es la introducción anti-Markovnikov de "OH.

Androstan-l I-ona Androstan-1 la-o1 Androst-9( I I)-eno

(b) Nuevamente es necesario introducir " O H anti-Markovnikov.

CrO, t"

O 3P-Dimetilaminoconanin-6-ona

(c) La transformación en C-3 se hace al final:

I

H ; OH

Conesina (3P-Dimetilaminocon-5-enina)

R

3-Colestanona C- CrOi f l - OH calor &.I H O" CH3COO"

Colestan-3a-ol Acetato del colestan-3a-o1


Antes, para obtener el acetato del colestan-3a-01, construimos la cadena saturada de ocho carbonos, R:

Acetato del colestan-3a-ol Acetato de la 5a-pregnar-3a-ol-20-ona

+ BrMgCH2CH2CH,CH(CH,)? I

Bromuro de isohexilmagnesio

No sería operante ninguna secuencia alternativa. No podemos introducir el grupa cetbni- co C-3 antes de construir la cadena, puesto que ese grupa también reaccionaria con el reactivo de Grignard. Un " O H libre en C-3 descompondría al reactivo de Grignard "o bien, si las cosas llegaran tan lejos, sufriría una deshidratacidn junto con el alcohol 3". Estos problemas se resuelven mediante laproteccidn del " O H como un tster. Los ésteres reaccionan con los reactivos de Grignard, pero no tan dpidamente como las cetonas. Una vez que se ha construido la cadena lateral, el éster se puede convertir convenientemente en el alcohol.

12.

H2C COOH 3 HzC--COOH I I

CI OH C D

H H '! H H H (c) 6HCOOH - HO -{-OH HO ~'!- -OH HO C -OH HO &OH HO C OH HO C O H 1

OH I OH

I OH o H OH OH

I

SHIO,

H H H H H H CHOH

HO-C+C-C+C+C+C -OH c- 1 -.-l...

CHOH E

I ' I ' I ' I ' I ' I ,llo, HOCH 'CHOH

I I ' I ~ I ' I ' I OH OH OH OH OH OH

HOCH , CHOH

311


(e) CH2 CHCHzOH -% CH2yHCH20f1 FHzCHCOOH I 1 Br Br

, I Br Br

H I

CHZ CHCOOH Ln

J

H

( f ) H2C C-CHZ H,CCH=-CH KO11 11.0, OH + HZCCH --CH ' I I I I Br Br Br Br Br OH Br

K I .

HIC -C CH KOH

o H

M

(Obsérvcsc que se desplaza el Br alílico de K, no el Br vinílico.)

c I OH I

(g) C H 1 ~ ~ C CHI % CH3---C - C H I & CHI- C - - C H 3 i

CI [ OH ] -" 'O o N O

gem-Diol inestable


El que la orientación de la adición para dar P, Q y R sea como se indica, se demuestra por la ruptura de R a travCs de la reaccidn del halofonno (Sec. 18.9):

CH,"C--CCll &OH* HCCI, + CHjCOO-Na+ ' I O R Cloroformo S

Para cada " O H esterificado con Acido acético, la fórmula se incrementa con C&O. Por lo tanto, V tiene 3 grupos "OH. Ya que V es estable, no es un gem-diol, y cada grupo " O H debe estar en carbonos diferentes. V es glicerol; W su triacetato.

CHZ"CH"CH2 ___f

I l l HOAc H'

OH O H OH V

I l l c=o c-o c -O I l l

CH, CH3 CH, W


(I) Observamos la aplicación de nuestros principios generales de la pAgina 59 de esta Guía de Estudio: (1) debido a que no se rompe ningún enlace en el centro quiral original, se mantiene la configuración sobre ese centro; y (2) cada vez que se genera un nuevo centro quiral, se obtienen las dos configuraciones posibles sobre este centro, así como también las mezclas de diastereómeros.

;-BU

( R 1-

;-bu

BB

; -BU I c- o

CrO: I cc ___f

C H i M g B r Ii>O ___f+ CH2

CH 1

;-BU

D D

;-BU i-Bu

Mezcla de diastereótneros cc

i-Pr-C -H I

i-Bu~--C-- CH3 CCHi I calor I 1

EE * HqCH, H+%

i-BU i-BU Mezcla de diastereómeros Mezcla de diastereómeros

FF

FF Hr ' Ni

Hj:cH3 t I T C H ,

;-Bu i-Bu Opticamente activo Opricamente inactivo (meso)

G G HH (4R.6K)- (4R.6.7)- O (4S.6Rb

2,4.6,X-Tetrametilnonano


13.

CHI CH- CH CH -CH- CH2 I

OH

I .4-Hexadlen-3-01 Material de partida

- H * / i + H '

CH,-- CH=-~~H-CH=CH-CH, I OH

2.4-Hexad1cn-I-ol

~ H + [ [ + H '

OH2 + OH 3.5-Hexadlen-2-01

Producto

En presencia de Acido, el alcohol de partida sufre una hetereólisis reversible para formar un híbrido, un catión doblemente alílico. Por la recombinación con agua, este catión puede formar cualesquiera de los tres alcoholes isomkricos. El sistema esd en equilibrio, y el equilibrio favorece al m h estable de los alcoholes: 3,5-hexadien-2-01, en el cual los dos enlaces están conjugados. (No podríamos haber pronosticado que este alcohol fuera más estable que el 2,4-hexadien-l-ol, pero no nos sorprende que el producto sea uno de los dos alcoholes conjugados.)

14. CHK3 CHJ,,CH, n

1,3,5,5-Tetrametil- 1,3-ciclohexadieno

Carbocatión bisulfato Una sal

Las dos partículas son iones: el carbocatión y el HSO;. En el medio fuertemente hcido, el dieno se convierte por completo en el cati6n alílico, el cual es estabilizado por donación de electrones de los dos grupos metilo, uno en cada extremo del sislerna alilico. Por la adición de agua, esta base separa un protón para regenerar el dieno conjugado.

(Problema: ¿En qud extremo del sistema conjugado se adiciona el protón? ¿Por qué aquí y no en el otro lado?)

3 15


(Z)-6-Henicosen-ll-ona Atrayenre sexual de la

poMa de[ abeto de Douglas

16. (a) R,C+ se forma en ácido

(i) R,COH + 2H2S0, -+ R,C' + H,O' + 2HS04- (ii) Conjugacidn de la carga positiva con los anillos de ciclopropilo. (iii) Desplazamiento a camp bajo dcbido a la desproteccidn por la carga positiva.

El catión triciclopropilmetanol, R,C', está estabilizado -tanto como el catidn uifenil- metilo (proLlema 15.10, pág. 547)- a travts de la dispersión de la carga positiva sobre los anillos. Se cree que esto implica el traslapo del orbital vacíop con los enlaces C - X de los anillos de ciclopropano, los cuales (Sec. 12.9) tienen un considerable carácter K. (VCase la respuesta al problema 24, Cap. 15.)

Es claro que los dos grupos metilo nos son equivalentes, ya que dan diferentes seílales de RMN, y por lo tanto deben estar situados asimttricamente. El plano de los metilos y el


17.

carbono trigonal es perpendicular al anillo y lo biseca; esta geometría permite el traslapo descrito en (a):

Catión 2-ciclopropil-2-propilo

El anillo es cis a un metilo y trans al otro:

Por supuesto, ambos metilos pueden ser cis o trans al anillo; cuando está presente “CD,, el cual no da sefial en RMN, sólo la mitad de las moléculas que había antes tienen el “4% cis, y la otra mitad tienen el “CH, trans.

H

I H

Cada una de las seliales de RMN se reduce a la mitad de su Area previa.

(Deno, N.C., e? al., “Carbonium Ions. XIX. The Intense Conjugation in Cyclopropyl Carbonium Ions’’, J. Am. Chem. Soc., 87,4533 (1965); Pitman, C.U., Jr. y Olah, G. A., “Stable Carbonium Ions. XVII. Cyclopropyl Carbonium Ions and Protonated Cyclopropyl Ketones”, J. Am. Chem. Soc., 87,5123 (1965).)

( 4 CrO,/H,SO, (b) Br,/CCl,, o Cr0,/H2S0, (c> Cr03/H2S0, ( 4 Br,/CCl, (e)El reactivo de Lucas da una reacción inmediata con el alcohol alilico. (0 Reactivo de Lucas (g) Prueba del yodoformo (h)Análisis elemental para Br (i) HIO,: luego AgNO,; el 1,2-diol da un pp. de AgNO, 0) Reactivo de Lucas, o bien CrOJHzSO,


d C

d p h c e c b r h c 18. MM, Ph-C-CH-Ph NN, Ph-CH2-C"Ph

I I I H OH b a

OH a

Encuentre la diferencia entre los alcoholes 2" y 3" por la prueba del CrO, /€€$O4.

CH3 I

I I 19. (a) CH3CH2CHCH3 (b) CH,-C-CH20H (c) CH3CH20CH2CH3

OH H Alcohol sec-butílico Alcohol isobutilico Eter dietílico

(Véanse los espectros rotulados de la pág. 846de esta Guía de Estudio.)

20. (a) PhCHOHCH, (b) PhCH2CH20H (c) PhCH,OCH, Alcohol a-feniletílico Alcohol fl-feniletílico Eter bencilmetílico

(Véanse los espectros acotados de la pág. 847 de esta Guía de Estudio.)

CH3 I CH,CH,

I

Alcohol isopentílico 2-Etil- 1 -butanol 4-Metil-2-pentanol

CH, I 21. (a) CH,CHCH2CH20H (b) CH3CH2CHCH20H (c) CH3CHCH2CHOHCH,

(V&mse los espectros rotulados la pág. 848 de esta Guía de Estudio.)

CH3 I I

H

CH3 I

22. H2C-C-CH20H CH,"C"CH2OH

2-Meta-2-propen-1-01 Alcohol isobutííico (Alcohol metalilo) PP

O 0

(Vtfanse los espectros rotulados de la pAg. 849 de esta Guía de Estudio.)

23. CH3

I I I

CH3-C-CH-CH,

H3C O H 3,3-Dimetil-2-butano1

QQ

(Véanse los espectros con acotaciones de las pAgs. 849 y 850 de esta Guía de Estudio.)


24. CH,C-CCH20H 2-Butil-1-01

RR

(Vhse los espectros indicados en la pág. 850 de esta Guía de Estudio.)

25. (a) La ausencia de la fuerte absorci6n abajo de 900 cm-', que es característica de los compuestos aromiiticos, indica que el geraniol es alifático. La banda fuerte y ancha, centrada en alrededor de 3300 cm', es característica de un grupo "OH, la banda centrada en 999 cm' indica un alcohol primario. La fórmula molecular C,,,Hl,OH es equivalente a C,$I,,, lo que indica insaturación y/o anillos. La presencia de al menos un doble enlace carbomycarbono se confirma por las bandas en 1680 y 840 cm-'.

(b) Hay diez seííales en el espectro de RMC, una para cada carbono de la fómula molecular. No hay dos carbonos equivalentes en el geraniol.

(c) A partir de las multiplicidades en el espectro de RMC. tenemos tres CH, (9H), tres CH, (6H), dos CH (2H), y dos C sin H.

(d) El espectro de RMC justifica 17 hidrógenos. El hidr6geno faltante más el oxígeno dan un grupo OH, como se indicó en el espectro de infrarrojo en la parte (a). El OH casi con certeza se encuentra en el carbono que da el pico f (S 59.0); este carbono tiene dos hidrógenos, haciendo 4 3 O H y confiando nuestra conclusión de la parte (a).

(e) Los cuatro picos a campo bajo en el espectro de RMC indican dos dobles enlaces carbono-carbono. Estos, como vimos en la parte (a), son consistentes con la f6rmula molecular y el espectro de infrarrojo.

(f) Si nos movemos a campo bajo, observamos: nueve protones (jmetílicos, alílicos?), cuatro protones (LmetilCnicos, alílicos?), un protón ("OH), dos protones (--CH,OH), dos protones (vinílicos). Los nueve protones sugieren tres grupos metilo; los cuatro protones sugieren dos grupos metileno. Los valores de S son los que podríamos esperar si estos cinco grupos fueran ahícos.

(g) Hay un hidrógeno fácilmente intercambiable; por supuesto el que está en el "OH.

(h) El Único acoplamiento fuerte que vemos en el espectro de RMN es el doblete para dos protones a 6 5.4 (uno de los protones vinílicos). Esto es consistente con la unidad.

/

\

CH,OH c=c

H

La ausencia de un desdoblamiento (fuerte) de los picos de los otros dos grupos metileno y de los tres grupos metilo, junto con los valores de Spara Cstos, sugiere en gran medida que todos ellos son alílicos. En particular, no hay triplete-cuarteto, de ahí que no hay unión de CH, con C q .

319


(ij Entonces,enestepunto,tenemoslassiguientesunidades(descartandolaestereoquímica):

A éstos podemos unir

de manera tal que cada uno de estos grupos est6, conectado a uno de los carbonos del doble enlace y que ningún CH, est6 unido a un C&. Llegamos a tres posibles estructuras (descartando la isomería geométrica).

En todas éstas, para llenar nuestros requisitos, hemos tenido que unir dos grupos metileno uno con el otro. En la seiral para cuatro protones en 62.05 vemos indicios de desdoblamiento, como bien podría ocurrir para el acoplamiento entre dos grupos metileno no muy diferentes.

En el espectro de RMC hay una gran diferencia de desplazamiento entre los dos grupos metileno (626.7 y 6 39.7). Esto es consistente con i y ii, en los cuales un metileno tiene un metilo p que el otro no tiene; esto no es consistente con iii, en el cual cada metileno tiene un metilo p.

Esto deja a i y ii como nuestros candidatos más probables. Pero el geraniol es un producto natural con diez carbonos, y para tomar nuestra decisión regresamos a la regla del isopreno (Sec. 10.31). En i vemos dos unidades de isopreno cabeza con cola; en ii (o bien en iiij no las vemos. Seleccionamos i como la estructura del geraniol. (No podemos especificar la estereoquímica sobre el doble enlace en la posición 2.)

La estructura verdadera del geraniol estA dada en el espectro rotulado de la página 85 1 de esta Guía de Estudio. Sin embargo, antes de que la observemos ahí, tratemos el siguiente problema, para ver qué nos dice la experiencia química (mucha más antigua) sobre el geraniol.


26. La oxidación a RCHO y RCOOH sin pérdida de carbono indica RC%OH.

CH3 I

CH3 I

(a) CH,-C=O O=C-CH2-CHz-C=O 1

HO

CH3 I CH,

o=c-c=o f- cH3-c=cH-cH2- cH2-L=CH-CH,OH 1 1

HO OH Geraniol

(b) Isómeros geométricos.

(c) El nerol debe ser el idmero Z, con el <%OH en la posición mils favorable para el cierre del anillo.

27. Ambos alcoholes dan el mismo catión alnico y, en consecuencia, el mismo bromuro.

CHI I I

OH \+

CH3 I H + R--C-CH =CH> R-C=CH-CH, + R-C =CH -CH20H < " 3 -Hz0

19

Eteres y epóxidos

(c) Puesto que n-BuOH da n-Bu,O sin transposición, puede suponerse que la reacción no incluye carbocationes intermediarios; por lo tanto, sigue la ruta S,2. Era de esperarse: los alcoholes primarios son los menos capaces de generar carbocationes, pero son los más propensos a sufrir ataque por at&.

19.2 Alcohol I + alqueno, mAxima importancia para alcoholes terciarios.

19.3 (a) Dietil éter, etil n-propil éter, di-n-propil éter. (b) Buen rendimiento en t-butil etil éter, porque 1-BuOH da un carbocatión mucho más rápidamente que EtOH.

CAPITULO 19 ETERES Y EPOXIDOS

19.4 (a)Los aniones, CYOSO; y SO4%, son bases muy dkbiles, de ahí que sean muy buenos grupos salientes.

(b) Los ésteres de los &idos sulfónicos, como los tosilatos (Secs. 5.9 y 18.5).

I- see-BuO-Na' + see-BuOH Na

! P H r 3 iso-BuBr + ;so-BuOH

I-- -- CH,Br f" CH,OH PBr,

fenol tolueno

19.7 (a)"(%) No se rompe ningún enlace del carbono quiral en el 2-octano1 en la secuencia de reacción.

Y H I - 3 y 3

n - ~ e x . . &-.o+H E+ n - ~ e x - - & ~ - ~ - N a + n-Hex-CH-O--Et ( -)-2-0ctanol (-)-2-Etoxioctano

pureza óptica 80% Pureza óptica 80%

Comoresultado, el (-)-éter tiene la mismaconfiguracidn que el (-)-alcohol, y tiene la misma pureza óptica.

ETERES Y EPOXIDOS CAPITULO 19

El alcohol de partida es

" 8.24 x 100 = 80% Ópticamentepuro 10.3

El producto, el éter (-15.6"), también tiene 80% de pureza óptica lo cual significa que su rotación de -15.6' es el 80% de la rotación mimima (para el éter puro). Esto es,

- 15.6" = 0.80[~l] Y [a] = - 19.5"

19.8 (a) El bromuro de partida es

30.3" x 100 = 76.5% ópticamentepuro 39.6"

El producto, éter, es

15.3" x 100 = 78,5%Ópticamentepuro 19.5"

y de configuración opuesta. Dado que la configuración cambia sin un cambio significativo de la pureza óptima, la reacción prosigue con inversión completa.

CH3 I CH3 EtO-Na+ I n-Hex-CH-Br n-Hex-CH-OEt

(-)-2-Bromooctano (+)-2-Etoxioctano Pureza óptica 76.5% Pureza óptica 78.5%

(b), (c) SN2, como podría esperarse de un disolvente de baja polaridad, y con un reactivo de alta basicidad.

(d) Desplazamiento SN2 del -Bra partir de EtBr.

(e) En uno hay ataque (con inversión) en el carbono quiral; en el otro hay retenci6n de la configuración, puesto que no hay ataque en el carbono quiral.

19.9 Lo que estamos observando es un ejemplo de una catdisis por transferencia de fases (Sec.6.7). En la fase acuosa, algo del alcohol se convierte en el ion alcóxido por la acción del ion hidróxido:

n-OctOH + O H - t- n-OctO- + H 2 0

Luego, el ion alcóxido es transferido a la fase orgánica (la capa de halogenuro de alquilo) por el ion cuaternario (cuat) lipofílico. En la fase orghica, el ion alc6xido prActicamente liberado a partir tanto de la solvatación como de las fuerzas de apareamiento de iones- actúa como un nucleófilo poderoso y reacciona con el halogenuro de alquilo.

n-OctO- + wBuCI -+ n-0ct-FO"Bu-n + CI

325


19.10

Si el ion alcóxido fuese acompafíado a la capa orghica, se esperaría que convirtiera al halogenuro de alquilo en alcohol. Sin embargo, el alto rendimiento del 6ter indica que el alcóxido se transfiere de preferencia al hidróxido, evidentemente porque el grupo n-octilo confiere carácter lipofílico a este anión.

Este método evita una operacidn separada de la síntesis cfiica: la reacción del alcohol (seco) con Na o K.

\ /

/ \ C - ~ ~ C + Hg2+ + -C-C--

/ / Hg'?

Ion mercurinio cíclico (Sec. 17.9)

ROH RO

19.11 El ion acetato (OAc-) compite con el alcohol (ROH) en el ataque sobre el ion mercurinio cíclico,

A d ) F a ' 1 1 1

I 1 A d ) C C ~ - f - c ~ c

G HE? + Hg +

particularmente cuando ROH es 2" o 3" y, por lo tanto, voluminoso. El ion ViflUOrOaCetato, menos básico, menos nucleofílico, no puede competir con éxito.

(Brown, H. C. y Rei, M.-H., "The Solvomercuration-Demercuration ofRepresentative Olefins in the Presence of Alcohols. Convenient Procedures for the Synthesis of Ethers", J. Am. Chem,. Soc., 91,5646 (1969))


19.13 Se esperaría que la reacción del Cter protonado con el ion bromuro tomara cualesquiera de dos rutas: (a) si es SN2, por ataque en el grupo menos impedido, el metilo, para generar MeBr y sec-BuOH, o bien (b) si es SN1, por formaci6n del carbocatión más estable, sec-Bu+, para generar sec-BuBr y MeOH. La experiencia indica que la reacción es realmente SN2. (Puesto que el enlace s e c - B u 4 no se rompe, observamos retención de la configuración, sin @rdida de la pureza óptica.)

19.14 (a) "OCH, > " C H ,

(b) -OCH3 > -NO2

(c) "OR > "R

1.4-Dioxano 1.2-Etanodiol Dos moles

Furano Tetrahidrofurano 4-Cloro-1-butanol 1.4-Diclorobutano


19.17 (a)Adición electrofílica de los elementos del ROH al doble enlace.

0 + ROH 01; DHP Un éter THP

H 1 Un éter THP

(c) Como en otros ejemplos de adición electrofílica que hemos encontrado ( S e c . 8.9), el primer paso "y que controla la velocidades la unión de un protón alqueno para formar un carbocatión (paso 1). Al hacer esto, el protón se podría enlazar con cualesquiera de los dos carbonos del doble enlace: de hecho, lo hace de tal manera que genera el carbocatión mAs estable ( S e c . 8.12).

9 + H ' -0 /,

I I1

111

El producto observado indica que el catión I1 se forma con más preferencia que el catión 111 y, si examinamos la estructura de 11, podemos damos cuenta de por que es así. Hemos escrito su estructura como 11, pero igualmente podríamos haberla escrito como I.

I1 I

Especialmente estable: cada á t o m tiene un octeto

328


Como vimos en la sección 10.15, una estructura como la I deber4 ser especialmente estable, puesto que cada átomo tiene un octeto de electrones. En efecto, I debe representar muy adecuadamente la estructura del catión; este es un ion oxonio, y es mucho m& estable que un carbocatión ordinario.

Tanto la orientación como la reactividad estfin determinadas por la estabilidad desusada del catión I: I se forma con más preferencia que el DI, y da, por último, el producto observado; I se forma más rápido que un carkatión a partir de un alqueno simple y dalugar a la reactividad desusadamente alta del DHP.

Pero la estabilidad de I aun tiene otro efecto: propicia la facilidad extrema con la cual el éter THP se rompe por el ácid0 acuoso diluido "propiedad de la cual depende la utilidad del DHP. La ruptura implica exactamente el inverso de los pasos (1) a (3), y es la inversi6n del paso (2) "una vez más, la inversión del catión- lo que determina la velocidad a la cual ocurre esta ruptura.

(d) CHACHO

C'H ,CH i~ C H ~ C H ~ O H +CH,CH-CH~CH~OTHP +- I I

OH OMgBr BrMgCH,CH,OTHP

BrMgCHzCH,OTHP t M g BrCH2CH20THP 9 BrCH,CH,OH

CH2=CH2 'cplor CH,CH20H Br H . H,O

n 2c-c H 2

~ \o/ H + EtOH

(b) Como en (a), reemplezando EtOH por PhOH. (c) Como en (a), reemplezando EtOH por HOH.

(d) HO-CH2CH2-O-CH2CH2-O~CH2CH~-OH

HzC-CHz

~ 'd H+ HO-CH2CH2-O-CH2CHZ-OH

(A partir de c )


H 2 0 + CHz-CHzO + C H l - C H ? + CHz-CHz - H+

I I 1 OH

1 1

OH OHz' OH OH

S,2 como se muestra en la página 708.

19.20 (i) La unión del oxígeno puede ocurrir con igual facilidad en ambas caras del alqueno. En (a), las dos estructuras (ep6xidos) son idénticas y aquirales; lo mismo es cierto para (b). En (c), (d) y (e) se forman cantidades iguales de epóxidos enantioméricos. (Compkese con la respuesta al problema 9.2, p5g. 352.)

(ii) El ataque por el lado de atxis del anillo del epóxido puede ocurrir con igual facilidad (es igualmente probable) en a m b o s carbonos en (a), en (b) y en (c), dando en (a) y en (b) can tidades iguales de enantiómeros, y en (c) el mismo compuesto meso, inactivo, cualquiera que sea el enantiómero o cualquiera que sea el carbono al que se ataca. (Veánse la Fig. 9.4 y la Fig. 9.5 en la pág. 351.)

(iii) Aun pensando que los ataques por las dos rutas "en el extremo del metilo y en el extremo del etilo" no son igualmente probables en (d) y en (e), en a m b o s casos el producto es racémico. Cantidades iguales de epóxidos enantioméricos se someten al ataque. El producto a partir de un epóxido sin lugar a dudas consiste en cantidades desiguales de los dos posibles dioles enantioméricos; por ejemplo, el ataque en el extremo del metilo puede ser el preferible. Pero cualquier exceso, digamos, del (S,S)-diol a partir de un epóxido estereoisomérico debería estar exactamente equilibrado por un exceso del (RP)-diol apartir del ep6xido enantiomkrico. (Compárese con la respuesta al problema 9.3, pág. 352.)

\ / O OH H H 6 H Aquiral trans-1,2-Ciclopentanodiol

Modificación racémica

Epóxido cis Aquiral

OH 2,3-Butanodiol

Rocémicos


O

(c> PCH3 + CH3 q C H 3 "--j qcFi3 y" CH3

CH3 O OH

Epóxido trans Enantiómeros

2.3-Butanodiol Meso

Hk.'. "-f y HzcH' H I CzHS

C2HS C2HS o H

Epóxido cis .s. s- R. R- Enantiómeros 2,3-Pentanodiol

Modificación racémica

2R.3.Y- OH 1s. 3 K -

O H I

CH3

C2H, - c:H?,F7": Y

H C>H?/ O F C H '

OH H

Epóxido tram 2s. 3 K - Enantiómeros 2 R . 3 5 -

2.3-Pentanodiol Modificación racémica

(0 Como se obtienen, ninguno de los productos será ópticamente activo.


19.22 El ion fenóxido (C,H,O-) es más básico que el dxido de etileno, y deberá ganar el prodn de cualquier ácido adicionado.

[ FH3 j I CH3

y así sucesivamente, "----f C H ~ C H O H C H ~ O C H ~ C H O ~ C H ~ C H O - J%

[ C H 3 ] CH3

C H ~ C H O H C H ~ O C H ~ C H O ,z C H ~ C H O H


19.25 Por la formación de HBr como un producto de la reacci6n de sustituci6n.

19.26 Airada este rengl6n a la tabla.

conc. frío fum. CHCI, H J O , K M n 0 4 Br, CrO, H , S 0 4 AICI, Nu

Eteres + - - - + - -

19.27 (a) La solubilidad del 6ter en H,S04 conc. frío (b) Br,/CC14 o bien KMnO, (c) lo mismo que (b) (d) lo mismo que (a) (e) CrO3/H2SO4 (0 &ido caliente seguido por KMnO,

(g)Br,, acompaílado por la prueba para HBr

2. (a) Eter diisobutílico (b) Eter isopropilmetílico (c) Eter t-butileulico (d) 4-metoxiheptano (e) Eter p-bromofeniletííico (f) Eter o-nitrobencilfenílico (g) Eter 2,4-dibromofenilmetílico

3. Cada alc6xid0, fen6xid0, halogenuro o alqueno se obtiene a partir del alcohol o del fenol correspondiente.

(a) r-Bu-OSMe c- r-BuO-Na+ + MeBr

(b) Ph-OiEt - PhO-Na* + EtBr

- n-BuBr + Na' -0


(e) i-Pr--O- fBu-i +-- i-PrCY N a + + i-BuBr

4. Efecto activante: -OH > "-0Me > -CH, > -H > -C1 > --NOz

(a) PhOH > PhOCH, > C,H, > PhCl> PhNO, (b) m-HOC,H,OMe > m-MeC,H,OMe > o-MeC,H,OMe > C,H,OMe (c) p-C,H,(OH)2 >p-MeOC,H,OH >p-C,H,(OMe)z

5. Los productos son:

(a) t-BuOEt (b) isobutileno

(e) Me1 + Et1 ( f ) no hay reacción (g) (Et20H)+HS0,- (véase la pág. 3 4 ) (h) 2EtOS0,H (i) C,H,OH + EtBr (j) o- y p-02NC,H,0Et

(c) EtzO (d) no hay reacción

(k) p-CH,OC,H,COO-K' (I) o- y p-BrC,H,0CH2C,H,

6, El éter se rompe a isobutileno, el cual sufre una polimerizacidn caralizadapor &ida, una extensión de la dimerización (Sec. 8.16).

H

n-Bu - O - Bu-t -n-Bu -O--Bu-r -+ n-BuOH + (CHl),C@ __f

H. -- t l ' (CH>)lC CHZ o

7. (a)Alcohol t-butííico.

C'HICH ~ CH2 + t-BuO--OH + CH,CH CH2 + Z-BuOH Hidroperóxido de r-butilo \ / ó Alcohol f-butílico


(b) Una reacci6n en cadena por radicales libres, iniciada por el ataque al isobutano con oxígeno, un dirradical.

( I ) (CH,),CH + 0 2 -"-e (CH,),C. + H o z .

luego O ) , ( 3 ) . (2), ( 3 ) , etc

(c) En UM reacci6n anAloga a la de la parte o>). el oxígeno debería separar uno de los hidr6genos alílicos reactivos del propileno para dar, finalmente, el hidroper6xido Ch,=CHCH&)-OH. (El etileno s610 contiene hidr6genos vinílicos no reactivos y, en cambio, sufre adici6n.)

8. (a) Cr03/H2S0, (b) AgNO,(alC) (c) BrJCCl, n KMnO, (d) Br2/CC1, o KMnO, (e) H,SO, conc. frío (f) Br,/CCl, o KMnO, (g) H,S04 conc. frío

9. (a) El éter es soluble en H2S0, conc.

(b) El éter alílico se oxida con KMnO,.

(c) La oxidaci6n al ácido carboxílico y determinacih del p.f.

(d) El MeOH reacciona con CrO,/H,SO,; el 1-hexeno reacciona con el KMnO,.

(e) El alcohol y el éter son solubles en %SO, conc. y frío; el alcohol reacciona con CrO,/ H,SO,; determinar los otros por análisis elemental.

(f) El isopreno reacciona con Br,/CCl, o con KMnO,; el pentano es insoluble en %SO,

(g) Oxidar el éter metil o-tolúico al ácido carboxílico; ruptura fenetol a fenol, o bien, prueba para facilidad de la sustitución por el bromo.

10. (a) HOCH,C%OH, 1 ,2-etanodiol

(b) lo mismo que (a) (c) HOCH,C%OEt, 2-etoxietanol

(d) HOCH,CqWH,CH,OEt, Cter etílico del dietilCn glicol ( v k e)

(e) HOCH,CH,WH,C~OH, dietilén glicol

(f) HO(CH,CH,O),H, trietilén glicol

(g) BrCH,CH,OH, 2-bromoetanol

(h) N= CCH$H,OH, 2-cianoetanol


HCOOCH,C$OH, monoformiato del 1 ,Zetanodiol

CH,CH,C%CH,CH,OH, alcohol n-pentílico

%NC$C%OH, 2-aminoetanol (etanolamina)

Et,NC%CH,OH, 2-(N,NN-dietilamino) etanol

C,H,OCH,CH,OH, 2-fenoxietanol

lo mismo que (m)

HC=COCI-I$H,OH, 2-etinoxietanol

La hidrólisis alcalina ocurre con retención de la configuración debido a que el ataque por el OH-ocurre en el carbono 1'; no se rompe ningún enlace en el carbono quiral. La hidrólisis ácida ocurre con inversión de la configuraci6n debido a que el ataque por el H,O ocurre sobre el epóxido protonado en el átomo de carbono 2O (en este caso, quiral).

12. (a) H O H c h "

I H

la Aquiral


(b) Ambos son aquirales y, por lo tanto, 6pticamente inactivos.

(c) El Cter es un Cter interno, cíclico (C,oH2,02 - H 2 0 - C,,11,80). Este sólo se puede formar cuando los dos grupos " O H se encuentran en la misma cara de la molCcula, como Cstos se encuentran en Ib.

Eter cíclico Bote puenteado

Ib Conformación de bote

CH3& -C"CH, OH I

Ib

\ CH3

H

Conformación de silla

13' (a) CH2=CH2 C12. H20 (+ CI, +O, + H)' CH2"CH2

I 1 CI OH

A

- H2O KOH ClCHzCHzOH + HOCHzCHzCl - CICIf2CH2-O-CH2CH2CI A (dos moles) B

CH2=CH-O-CH=CHz

C Eter divinfiico

CH3OH. Hi

( + C . +4H. +O) Y%. O

(b) CICH2HC-CH2 + CICH2CH-CH2 + OCI- I I OH OCH,

D

HCCI, + HOOC"CH2 OCH, I

E

337


La orientación de la metanólisis inicial está indicada por el hecho de que la reacción del haloformo (Sec. 18.9 y 21.8) ocurre en el compuesto D para dar CHCL, y el compuesto E. La orientación alternativa habría producido un compuesto que no respondería a la reacción del haloformo.

ClCHzHC\ ,CH, --+ CICH2CH--CH2 No formado ' O x ,

CHjO OH , I

No da la reaccirjn del haloformo

(Sec. 18.9)

( - H . -Ci) NaOH

f H:c ~ C H Cf 1: Sintesis de Williamson intramolecular ,x / b OCHJ

I

(c) Síntesis de Williamson intramolecular.

I

trans-2-Clorociclohexanol 1

Racémico


(g) Hidroxilación syn del doble enlace, la cual produce un nuevo carbono quiral (en ambas configuraciones), seguida de la ruptura del ep6xido.

I Enantiheros I

Cualquiera que sea el mecanismo de la ruptura, se obtendrh una mezcla (IS) de productos meso y racémicos. (h) La formación de una clorohidrina a travh de un ion cloronio cíclico, seguida por una síntesis de Williamson intramolecular para dar un ep6xido, y finalmente la ruptura del epóxido a un diol. (VCase la Fig. 19.10, phg. 340 de esta Guía de Estudio.) (i) Similar a (h), pero comenzando con el trum-2-buten0, y terminando con el meso-2,3- butanodiol. (Véase la Fig. 19.1 1, pAg. 341 de esta Guía de Estudio.)

14. (a) HO(CH2),0H H % Br(CH,),OH- Br(CH2),0THP - HC-C(CH,),OTHP HC"CLI

N O P

CzH5, /(CH,),OCOCW,

/ \ C - C

H H Acetato de (Z)-9-Dodecen-l-ilo Atrayente sexual de la polilla

de la vid (pcíg. 343)

(b) En el paso de la hidrogenación, trate a S con Na en NH, liquido, y así se obtiene el idmero (E).

339


H \

C H I cis-2-Buteno

El ataque mediante Cl' desde abajo da el mismo ion cíclico

OH

' H70

i

?H

OH Enantiómeros

2,3-Butanodiol racémico 1.


\ H

trans-2-Buteno

I

i- HCI

OH

I CH3 ZCH'

I

CH, Enantiómeros

FCH3 Enantiómeros

CH3 H

1- HCI

O

Enantiómeros

OH I

Idéruicos meso -2.3-Butanodiol

M

Figura 19.11 Reacción del trans-2-buteno para el problema 13 (i).


H H €4 H 2

AA

/z-C,H, ,,C'H,CH, (CH:),OCOC'H, \ C"C / \

( Acetato de (72.1 1Z)-Hexadecadien-1-ilo Atrayente sexual de la

polilla del g u s m de maíz

'\ /'

H H H/c=c \. H

Gossyplure

(b) Utilice Na y N H 3 líquido en lugar del catalizador de Lindlar para cualquiera o ambas hidrogenaciones.

16. m-Metilanisol, rn-CH,C,H,0CH3

(Véanse los espectros rotulados de la pág. 852 de esta Guía de Estudio.)

Las bandas en 692 y 771 cm-' indican claramente el idmero mera. Si sospechamos un benceno monosustituido en lugar de ello (pAg.608), el Único Cter anlico posible debería ser el Cter etil fenílico. Esto debería mostrar, entre otras c o s a s , un triplete-cuarteto para C,H, en el espectro de RMN (nada para el m-metilanisol), y solamente cuatro picos aromáti- cos en el espectro de RMC (seis para el m-metilanisol).


17. BB, alcohol p-metoxibencílico, p-CH30C6H,CH20H.

(V&nse los espectros acotados de la pdg. 852de esta Guía de Estudio.)

18. (a) (CH3)3C--O-CH2CH3 (b) (CH3CH2CH2)20 Eter t-butil etílico Eter di-n-propílico

(c) (CH3)2CHuCH(CH3)2 Eter diisopropílico

(Véanse los espectros rotulados de la pdg. 853 de esa Guía de Estudio.)

19. (a) CH,CH20CH2CH,0H (b) CH,CHCH2CH20H (c) 2-Etoxietanol I 0

OCH, 0 3-Metoxi-1-butanol 2,s-Dihidrofurano

(Véanse los espectros con acotaciones de la pág. 854 de esta Guía de Estudio.)

20. p-CH,C,H40CH2CH3 C6HsCH2OC2Hs C6HSCH2CH2CH2OH

Eter etil p-toiúico Eter bencil etílico 3-fenil-l-pr0pan01 cc DD EE

(V&nse los espectros rotulados de las págs. 8'55 y 856 de esta Guía de Estudio.)

20

Sinforia

20.1

Efectos de grupos vecinos. Catálisis por complejos de metales

de transición

Br I

meso-2.3-Dibromobutao Opticamente inactivo

Los ataques c y d dan el mismo producto: meso-2,3-dibromobutano.

(Winstein, S. y Lucas, H. J., “Retention of Configuration in the Reaction of the 3-Bromo- 2-butanols with Hydrogen Bromide”, J. Am. Chem. Soc, 61, 1576 (1939); “The Loss of Optical Activity in the Reaction of the Optically Active erythro- and threo-3-Bromo-2- butanols with Hydrogen Bromide”, J. Am. Chem. Soc., 61,2845 (1939).)

20.2 Hay dos sustituciones nucleofílicas sucesivas: primero, un ataque intromolecular por el “para dar una a-lactona, y luego el ataque en esta lactona por el ion hidróxido. Cada una procede con inversibn, para dar una retenci6n neta.

CAPITULO 20 SINFORIA

+ CH 3'

\

(Cowdrey, W. A., Hughes, E.D. e Ingold, C. K.,J. Chem. Soc., 1208 (1937).)

Ion amonio

O ,' \ i '

(d) -c- q Epóxido

Ion oxonio

Ion sulfonio

Ion bromonio

O / I

Cetona (Dienona)

ti

Epóxido protonado

Ion Bencenonio (Ion fenonio)

R , ,H C'

1 c t+ ,' '~ ( i ) C"C

1 1

Catión Ciclopropilmetílico

20.4 En la solvólisis con carkter S,1 (Sec. 6.9), el halógeno en la posición 2 podría ejercer dos efectos opuestos. Por su efecto inductivo atractor de electrones, tendería a disminuir la velocidad de la reacción al intensificar la carga positiva que se desarrolla en el carbono. Por medio de una ayuda aquimérica, tendería a incrementar la velocidad de la reacción, -X y "OBs solamente en los isómeros trans pueden tomar la configuración diaxial requerida para la ayuda anquimérica.

SINFORIA CAPITULO 20

1.

Los datos indican que no hay ayuda anquimtrica ni por el C1-cis ni por el C1-trans, ni tampoco por el Br-cis; d l o hay una fuerte desactivacibn esperada a partir del efecto inductivo. El compuesto Br-trans es mucho m& reactivo que el compuesto Br-cis, lo que indica la ayuda anquimérica -aunque no lo suficientemente fuerte para contrarrestar el efecto inductivo. Por último. el I-trans provee UM poderosa ayuda anquimtrica, mhs que compensar cualquier efecto inductivo, y produce una velocidad 18 O00 veces mayor que para el brosilato no sustituido.

Claramente, la habilidad de los hal6genos para dar ayuda nucleofílica cae en el orden

El grupo -1 es el mhs nucleofílico: tste es el menos electronegativo y, por tanto, el menos renuente a mantener la carga positiva que se desarrolla en 61. (Otro factor que contribuye a su carhcter nucleofílico puede ser su tamaflo: &te es el m& “suave” y el m& fhcilmente deformable en el estado de transición; hay orbitales vacíos de no muy alta energía que están disponibles para formar enlaces.)

(a) Sustituci6n nucleofílica en la cual tanto el nucldfilo como el sustrato son parte de la misma moltcula.

inversih ___f

R- A R .

(c) En el idmero trans, es posible tanto para el 4- como para el “ C 1 ser axiales y así permitir el desplazamiento (anti-petiplanar) por el lado de atrás.

O Epóxido cis

Isómero trans trans desplazamiento anti-periplanar

Esto no es posible para el idmero cis, y la reacci6n debe seguir otro curso.

m es posible el desplazamiento ant-periplanar

CI (por el lado de atrás) de -C1 por -0- CI 0-

Is6mero cis

CAPITULO 20 SWFORIA

2. (a) El ataque por el nucleófílo fuerte OH- ocurre en la posici6n menos impedida.

(b) La formación del ion sulfonio puenteado puede ser parecido a SN1 (dos pasos) O a SN2 (un paso).

La ruptura implica el ataque por le nucle6filo débil C1-, y toma lugar tanto por una reacción SN1 (dos pasos) como, al igual que en la etapa de apertura del anillo en la formación de una halollidrina ( S e c . 8.15), por un solo paso que tiene un considerable carácter S,1; en ambos casos se desarrolla una considerable carga positiva en el estado de transición, y la reacción ocurre en el carbono que mejor puede acomodar esa carga positiva, el carbono secundario.

(c) En cada caso hay un ataque nucleofílico por el OH- en la posición menos impedida: en el -CH,Br en I para dar directamente 111:

SINFORIA CAPlTULO 20

en C-I de I1 para formar IV, el cual más tarde reacciona intramolecularmente (pág. 701) para dar HI.

\'I

H . , I I 1 "Br OH B r

C'H, C'H C'H,

OH "Br Br I I I

La adición de bromo no solamente da el ion bromonio V esperado, sino también el ion bromonio VI, formado a través del puente por el 82Br ya presente en la molécula. VI es exactamente equivalente a V, excepto por la marca isotcipica, y sufre la apertura del anillo en la misma forma para dar bromohidrinas. (No podemos decir cuánto del alcohol secundario se forma a partir de cada ion bromonio, pero presumiblemente este se forma, como el producto menor, a partir de ambos.)

No podemos decir a partir de estas pruebas cómo se forma VI. Podría formarse de V a través de un ataque intramolecular por el -82Br, en una manera SN2 o SN1. Podría ser que VI se formara inicialmente (en parte) a trav&.de un catión abiertode vidacorta, con un cierre del anillo que implique a cualesquien de los bromos adyacentes.

(b) El "€1, más electronegativo, tiene menor tendencia aactuar como un nuclebfilo interno y acepta una carga positiva.

349

http://trav&.de

CAPITULO 20 SINFORIA

4. truns-l,2-Dibromociclohexano.

Ambos alcoholes, cis y truns, dan el mismo producto porque forman el mismo ion bromonio cíclico por la pt5rdida de agua de un ion oxonio inicial: el alcohol trans quizA por una reacción tipo SN2 (reacción (1). pig. 722); el alcohol cis necesariamente a travCs de un carbocatión abierto. El ataque del B r por el lado de atds del ion puenteado da el dibromuro trans.

a::2+ -

ris

H

d Br (y Br

trans

trans

5.

<"c'I2 "PR H ~ O H#R OH-_ f R

o

__f + H"., -R'

I O ..

H R' R' + enantiómero OH

+ enantiómero + enantiórnero

H

H H

\ R' O

+ enantiómero

R = --(CHz)?COOH, R' = CHj(CH2),-

6. El proceso oxo equivale a la adicidn global syn de "CHO y "H (problema 14, Cap. 17).

La situacidn es exactamente análoga a la hidrogenación homogénea, la cual también implica una adición syn (Sec. 20.6), y el razonamiento sigue las mismas líneas. La esterquímica observada es el resultado neto de la adición syn en el paso (3), y la migración con retención en el paso (4). (Véanse las págs. 741-742.) En el paso (3) el metal y el

SINFORIA CAPITULO 20

hidrógeno se unen ellos mismos simultáneamente a los carbonos del doble enlace. Por razones geoméuicas - e l metal y el hidrógeno esth unidos el uno al otm en el reactante- esta adición debe tomar lugar en la misma cara del doble enlace. En el paso (4) el grupo alquilo migra del metal al ligando mon6xido de carbono. Nuevamente por razones geométricas, el CO su une por sí mismo al lado frontal del carbono alquílico -el mismo lado que estaba unido al metal en el reactante. El ataque por el lado de atrás no es posible, puesto que el metal mantiene tanto al carbono del CO como al carbono alquílicoen el estado de transición.

7. (a) n-C,0H21Br n-C,,,H2,C"CH -& n-C,,HzlC=CLi H(' ( 'Nd r r - l iu1 .1

.4 B

(CH,),CHCH?CH?CH-CH, ___ H Mr

per6xidos + i-HexCH,Br

C

I4 . i-HexCH, \ ,cloH2l-t~

/ \ B + C ~~ i-HexCH2C=CC,,H2,-n c';C D H H

E

H H hr('O1Otl I /

E i-HexCH? e, ,,C--~C,,,H:,-n O

Racémico Atrayente saual de la palomilla gitana

Disparlure

(b) La molécula es quiral, como lo muestra el hecho de que las imágenes especulas no son superponibles:

El material natural consiste en (un exceso de) uno de estos enantiómeros. La síntesis en (a) da la modificación racémica; en condiciones aquirales, la unión de O a cualquier cara del alqueno es igualmente probable.

F (d)Paraproporcionarunambientequiralenelcuallaformacióndeunep6xidoenantiomé~co se favorece sobre el otro.

(e)La respuesta de la hembra de la palomilla gitana, al igual que otros procesos biológicos, es estereoespecífica (véase la Sec. 4.1 1).

35 1

21

Aldehídos y cetonas Adición nucleofi'lica

21.1 No, porque hay que obtener el compuesto organocúprico a partir del reactivo organolítico, y el grupo nitro interferiría cualquier intento de formar dicho reactivo.

h a CHlCHzCHzCOOH + HOOCCH, , I

21-2 (a) CH1CH2CHzfC-fCH2CH3 ' / I 1

O "3 CH,CH,COOH + HOOCCW2CH3

(b) 0' + OUd. HO-C(CH2).,C-OH, ácido adipic0

O I ¡ o

CAPITULO 21 ALDEHIDOS Y CETONAS

H I CN H+ I ! y N E

(b) Ph-C-O A OH + HO H

Ph Ph

Modificación racémica Una fracción

Inactiva, pero se puede resolver

CH3 I CH3

I C H 3 " C " C N

I OH

Un solo compuesto Una fracción

Inactiva: no se puede resolver

(c) CH3-C:O H t +

CHzOH CHzOH CHzOH

Diastereómeros Dos fracciones

Activo Activo

(e)

OH

OH

HO H + HO H

CHzOH CHIOH CH20H

Racémico Racémico Racémico Diastereoméricos D o s fracciones

Cada una inactiva, pero se pueden resolver

(f) No cambia, puesto que no se rompe, ningún enlace en el carbono quiral.

ALDEHIDOS Y CETONAS CAPITULO 21

21.4

21.5

21.6

21.7

Laformacióndelasemicarbazidaesreversible.Laciclohexanonareaccionamás~i~ente, pero el benzaldehído da el producto más estable. Al principio se aísla el producto del control ejercido por la velocidad; más tarde, despuCs de que se estableci6 el equilibrio, se aísla el producto del control ejercido por el equilibrio.

Cuando la concentración del alcohol es alta y la del agua es baja, los equilibrios hemiacetal-acetal y aldehídehemiacetal (pág. 769) se desplazan en dirección del acetal. Cuando la concentraci6n del alcohol es baja y la de agua es alta, se desplaza el equilibrio en dirección del aldehído.

(a) Síntesis de Williamson de Cteres. (b) Sinforia. (c) Acetales (cíclicos).

(d) El tratamiento con ácid0 da HCHO y catecol, o-CaH4(0H),; no hay reacci6n con la base, lo que es típico de los acetales (y otros Cteres).

Un intento por hidroxilar la acroleína misma produciría la oxidación del grupo “CHO. Sin embargo, el grupo acetal no se ve afectado por el permanganato o el medio de reacción alcalino, y se convierte en “CHO una vez completa la hidroxilaci6n.

CH2=CH“CH(OEt)z CH2-CH-CH(OEt)2 H20’ Ht> KMnO CH2-CH-CHO

Dietil acetal de la acroleína

OH OH I I

OH OH Gliceraldehído

21.8 El paso determinante de la velocidad es la formaci6n de un cati6n análogo a I (págs. 769-770); cuanto más estable es el cati6n, m k rápido se forma.

/OR‘ 20 R ‘

F, (a) R-C’ }~3 > R-C, > R“CH2’ OR‘ H

A partir de: orto éster acetal éter

+ + + (b) R,C=OR’ > RCH=OR’ > H2C=OR’

A partir de: cetal acetal formal

En (b), R estabiliza al catión (en relación con el reactante) más de lo que podría hacerlo H, debido a que (i). R libera electrones, y (iz) R es más grande, de ahíque favorezca el cambio del reactante tetraédrico (sp’) al producto trigonal (sp3).

355


2 1.9

21.10

21.11

H I

H I

H Hz180 I

R-C-0 R-C==OH+ <t R-C-OH Aldehído no marcado Material de partida

I 180HZ+

- H+ll H+

H I I

'8OH

R-C-OH

Aldehído marcado Producto de intercambio

(b) La pérdida del ion hidruro da directamente el RCOO-(111), estabilizado por resonancia.

I I II I

D I

D I

Utilice R-CEO, y vea si un segundo D aparece en el alcohol, R-C-OH. I D

PHYFls D

R-C=O + R-C-0- + R-C-O- + RCOOH u l b I OH D

1.H. 1 - H .

D I I D

R-C-OH KCOO-


21.12 Con ambos fundamentos, electrónicos y estkricos (Sec. 21.7). se esperaría que la reacción (l), pagina 772, fuera mcis rúpida para HCHO que para otro aldehído, y que la posici6n del equilibrio se encontrara mas a la derecha. Si la reaccih (1) es la determinante de la velocidad, el HCHO es el principal donador de hidruro debido a que Qte forma I m k @ido que el otro aldehído. Si la reacci6n (2) es la determinante de la velocidad, el HCHO es el principal donador de hidruro, ya que el equilibrio (1) proporciona m& I derivado del HCHO que del otro aldehído. (Estudios cintticos indican que la reacci6n (2) es la determinante de la velocidad.)

21.13 Reacción de Cannizzaro interna cruzada:

d E ) Ph Ph I I I I I I

-0 o OH

21.14 Ph-C-C-Ph a Ph-C-C-OH - Ph-C-C-OH --f Ph-C-COO I I I 1 O 0

Al utilizar OC%- en lugar de OH- se obtiene el Cster por la misma ruta.

21.15

Alcanos Alquenos Alquinos Alquilbencenos Alcoholes 1"' Alcoholes 2"'

RCH(OH)CH, RCH(OH)CH(OH)R'

Alcoholes 3"' Eteres Acidos carboxíícos Aldehídos Cetonas

RCOCH,' RCOCH(0H)R' RCOCOR'

caliente KMnO,"

-

+ + + + + + + -

-

- + - - + -

'Se decolora. bCanlbia de color. 'Precipita CHI, amarillo. 'AgNO, da precipitado blanco de Ag ClO,. 'Espejo de plata. 43 EtOH da la prueba. 'Excepciones m6s adelante. 'RCH(OH)CH, da la prueba. 'R puede ser H. CH,CHO da la prueba.


21.16 La formación de la oxima consume la base, hidroxilamina; el cambio en el pH se manifiesta con el cambio en el color del indicador.

21.17 Adicione lo siguiente a la tabla de las respuestas a los problemas 18.5 y 19.26. Para agentes oxidantes, vea la respuesta al problema 21.15 recién vista.

c o m Ir ío fum. cr!ci.j> FIJO4'' KMHO,b BrZh C'rO3' f j 2 S 0 , U AICII' ?JU*

Aldehídos + + - + i- Cetonas + + "Se disuelve. bSe decolora. "Cambia de color. "Jjurbujas de hidrógeno. 'Lento. libera HRr.

- -

- - - - -

1. (a) CH,CH2CH2CH,CH0 CH,CH?CH?COCH, CH,CH,COCHICH, n-Valeraldehído Metil n-propil cetona Etil cetona

Pentanal 2-Pentanona 3-Pentanona

CH,CH2CH(CH,)CH0 (CHJ2CHCH2CH0 (CH,)2CHCOCH, a-Mctilbutiraldehído Isovaleraldehído Isopropil rnetil cetona

2-Metilbutanal 3-Metilbutanal 3-Metil-2-butanona

(CHACCHO Trimetilacetaldehído 2,2-Dirnetilpropanal

(b) PhCH,CHO Fenilacetaldchído Feniletanal

m-CHSC,H,CHO m-Tolualdchído

2. (a) CH,COCH,

(c) CH,COCHzCH(CH,)2

(e) PhCOCH,

(g) (CH,),CHCH?CH?CHO

(i) PhCOPh

PhCOCH, Acetofenona

p-CH3C,H,CHO p-Tolualdehído

O - C H ~ C ~ H ~ C H O o-Tolualdehído

(b) PhCHO

(d) (CH,),CCHO

(0 PhCH=CHCHO

(h) PhCH,CHO

( j ) C2H,CHCH2CHCH0


(m) (CH3)2C=CHCOCH3

(o) CH,CH2CHCH2CH0 I

OH

(9) o - H O C ~ H ~ C H O

(S) ~ T Z - C H ~ C ~ H ~ C H O

3. (a) PhCH2COO- + Ag (c) PhCHzCOOH (e) PhCHzCH20H (g) PhCH,CH,OH (i) PhCH,CHOHCH(CH,), (k) PhCHzCHOHCN (m) PhCH2CH=NNHPh (o) PhCH2CH=NNHCONH2

( I ) CH,CH:=CHCHO

(n) PhCH-CHCOPh

(p) PhCHzCOPh

(r) (p-HOC6H4)2C=O

(b) PhCH,COOH (d) PhCOOH (0 PhCH2CH20H (h) PhCH,CHOHPh 6) PhCH2CHOHC-CH (1) PhCH,CH=NOH (n) PhCH,CH=NNHAr (p) PhCH,CH(OEt)z

4. (a) no hay reacción (b) no hay reacción (c) no hay reacción

(d) HOOC(CH,),COOH (e) ciclohexanol (0 ciclohexanol

(8) ciclohexanol

(p) Se podría predecir que no hay reacción; en realidad, se obtiene el cetal

5. (a) Reacción de Cannizzaro:

2PhCHO * PhCHzOH + PhCOO-Na'


(b) Reacción de Cannizzaro cruzada:

PhCHO + HCHO % PhCH?OH + H C O O - N a +

(c) PhCHOHCN. mandelonitrilo (d) PhCHOHCOOH. &ido mandélico

(e) PhCHOHCH,, alcohol a- fcniletilico ( f ) PhCHZCH,, estireno

(8) PhCHOH'4CH(CH3)2 (11) PhCHIxO

(b) C H J C H ~ C O O H e C H J C H 2 C H 0

(c) CH,CH2CHCOOH H 2 0 , H ' C N - . H ' CH3CHzCHC ~N +- CHJCHzCHO

OH OH

(d) C H j C H 2 C H S C H j c- CHICHzCHO + CH3MgBr

OH I t

(e) CH,CH2CHkPh - CH,CHzCHO + PhMgBr

OH 1 :

/ O

(d CHjCH2C\ c- CH3CHzCOOH (from b) t H *

OCH2CH2CH3

(h) C H 3 C H , C H k H ( C H , ) 2 f- CH3CH2CH0 + BrMgCH(CH3h 1 :

OH

7. (a) PhCHzCHj - PhCOCHl Zn(Hg). H+

(b) PhCOOH - PhCOCH3 NaOl


CH.! I , I ' I 1 OH O

(e) Ph-CiPh - PhCCHl + PhMgBr

CH.! CH3

I I I1

H20. H ' I (f) Ph-(!-COOH - Ph-C-C"N - PhCCH3 CN- , H +

OH OH O

8. (a ) (CHdzCHCHO f

C',H,NHCrO,Cl ~so-BuOH

PhMgBr (apartirdeC,HJ

(b) PhCH2CHO C5H,NtiC'rO)C'l P h i C H z C H z O H

-H2C"CH, (Sec. 19.11) 'd

(d) CH3CH2COCH3 4 'Io3 sec-BuOH


I - " ? Me CuLi (a partir de MeBr)

r E I ~ C U L I (a partir de EtBr)

ALDEAIDOS Y CETONAS CAPITULO 21

9. (a) PhCH2CH2CH2CH3 Zn(Hg) HCI Ph-CCH2CH2CH3 AIC,, C6H6

I 1 I1 O O

ClCCHzCHlCH,

(b) n-PrCHCOOH H+ n-PrCHC"N n-PrCHO 4 n-PrCH,OH CN- K z C ~ Z O I

I OH OH

I

(c) CH3CH2CH2CH2 iCH,CHCH3 : I

CH3

" (CH3CH2CH2CH,),CuLi CH 3 (a partir de n-RuOH) - CH3CH,CH2CH2SCCHCH, Zn(Hg) 0 1

HCI I I 1

O i CHI I CH3CHCOCI

(a partir de i-BuOh como en 8g)

( 4 "+" CH3 ' CH3CHCH2-C-CHCH3

I I I i-BuzCuLi

CHj HO CHI CH3CHCH2+C-CHCH3 ( a partir de i-BuOH) I I / I I

CH3 O CHI CH3CHCOCI I

CH3 (corno cn 8g)

(e ) O2N @HCOOH 0 2 N o y H C = N ,CN H + o , N o CHO OH OH

(página 751)

Ph # I 1 1

(f) PhCH2+C-CH3 +" PhCH,MgCl + PhCOCH3 (página752)

OH

Ph EtMgBr

I-

"1 AlCl,

PhBr t" Brl. Fe

PhCCl I 1 O

PhCOH / I O

363


CHI 1

CH, calor I

(h) CH3C"CHCOOH CH3CHCHCOOH I OH

CH 3 I

I OH

CH3 I Hz0 CHKHCHCN CH,CHCHO

C',H.NH<'rO,C'I

i-BuOH

CHJ I ,o I

(a) C l , H , 4 0 2 --"+ Ph-C-CH2-C' PC1 3 L/

\ 10. CH3 CI

A

Hay firdidas de HCl pero no cambia el número de carbonos al pasar de A a B, lo que indica que la acilación de Friedel-Crafts es intramolecular:

U

A B C

(b) C también se produjo p o r una alquilación de Friedel-Crafts.

C OH

D

11. Compare con la sección 38.14.

- "(OH

CHzOH CHzOH COOH F H J

Meso Opricamente imcfiwo


K Un cetal cíclico

(b) En el isómero trum, los g r u p o s 4 H están demasiado alejados para formar la estructura cíclica.

14. Un prodn se adiciona muy rápidamente al doble enlace, ya que esta adición da el ion oxonio VII, comparativamente estable. Entonces, la adición se completa para dar el hemiacetal, que, por supuesto, se hidroliza rápidamente.

15. Este es un ejemplo de una sustitución electrofflica aromática, en la que el grupo saliente IX es un aldehído protonado. El complejo intermediario sigma, VIII, es un ion oxonio con la mayor parte de la carga localizada en el grupop-metoxi. La formación (1) de VI11 es

VI11 u


H IX

J- Hf

reversible; la adición de B r acelera la inversión de (1) y aumenta la fracción de VI11 que retrocede al material de partida. (Esto es, k-,[Br] se incrementa en relación con k2) La liberación de electrones por G estabiliza al grupo saliente IX y al estado de transición que da lugar a su formación; así, k, se incrementa en relación con k-, [Br], y con ello se acelera la velocidad de formación de los productos.

16. El producto inicial de la reacción deGrignardes, desde luego, la sal de magnesiodel alcohol, el bencidrol. Este es oxidado a la cetona, benzofenona, probablemente por una transferencia de hidruro -al exceso de benzaldehído- lo cual se lleva a cabo con ayuda de la carga negativa del oxígeno del alcóxido.

H PhMgBr + PhCHO - Ph -C-O-(MgBr)'

Ph

Si bien aquí se trata de una reacción colateral no deseada, la transferencia de hidruro de un alcóxido a un g u p o carbonilo es la base de la oxidación de Oppenauer (Djerassi, C., Organic Reactions, Wiley, Nueva York, Vol. VI, Cap. 5),

I-BUOK RzCHOH + CH,COCH\ RzC=O + CHJCHOHCHI

y de la reacción inversa, la reducción de Meenvein-Ponndorj-Verley (Wilds, A. L., Organic Reactions; Wiley, Nueva York, Vol. 11, Cap. 5),

R2C-O + C H ~ C H O H C H J e - 2 RzCHOH + CHICOCH3 41(0P,- i ) t

siendo ambas reacciones sintéticas muy suaves y selectivas.


17. (a) Un Cter THP es un acetal: un acetal cíclico en el que una de las moltculas del alcohol paterno forma parte del anillo. Como cualquier acetal, en presencia de ácid0 acuoso rápidamente sufre las reacciones inversas de (1) y (2) de la página 769.

QOR + - ' O OR 0 + ROH

Un éter THP Un acetal

H o X

Un ion oxonio

0 o + H20 CIOH,, ;:$.,, +

X XI

Un hemiacetal

Esto da el hemiacetal XI, el cual, como otros hemiacetales, sufre una rápida hidr6lisis para dar el aldehído y el alcohol - q u e resultan ser parte de la misma molkula.

XI Aldehído y alcohol Un hemiacetal

(Observamos que el intermediario clave "aquel cuya estabilidad es la que facilita que la reaccidn ocurra en ambas direcciones- es el ion oxonio X, el cual corresponde al ion oxonio I de la pág. 769.)

18. (a) Eugenol e isoeugenol son is6meros (CloH1202), siendo el primero un alilbenceno (pág. 550): prácticamente lo únicoque puede suceder es un desplazamiento del enlace doble hacia la conjugaci6n con el anillo.

367


Esta isomerización queda confirmada por la Hrdida de dos carbonos en la oxidación siguiente.

L C12H1403

(b) Puesto que el reactivo es una base, su función m& probable es la de extraer un prodn. La separación desde un carbono contiguo al anillo genera un anión alílico-bencílico, estabilizado por resonancia,

H O - +ArCHlCH=CH2 e ArCH:--CH--CH2 + HIO a ArCH- CHCHl + O W

7 Más estable

que puede recibir nuevamente el protón en una u om de dos posiciones. El equilibrio favorece al alqueno más estable, en el cual el doble enlace está conjugado con el anillo.

o-CH2 O'CH2 o - y 2 \ \

(c) &O E?"+ calor &O - KZCr207. H + &o CH2CH"CHz CH-CHCH, CHO

Safrol lsosafrol Piperonal

19. El aldehído protonado es un electxóffio y, el doble enlace es un nuclhfilo; la reacci6n entre ambas funciones cierra el anillo; la hidrataci6n del carbocatión resultante produce un diol.

Aldehído Catión 3' protonado Un anillo de seis

miembros

Diol

20. N y O son estereoidmeros. Para cada uno de ellos, la conformación preferible es la que tiene la maym'a de los voluminosos grupos "CCl., en posiciones ecuatoriales. En N. todos los H son equivalentes y axiales (64.28). En O, hay dos H axiales (64.63) y un H ecuatorial (a campo mk bajo, en 6 5.50).


N O

Esta interpretación es consistente con la observaci6n general de que, si las otras condiciones no vm’an, los protones ecuatoriales absorben a campo más bajo que los protones axiales (problema 10, Cap. 16, pAg. 612).

21. Aquíocurre el ciene anular al anillo de 5 miembros

T - C O O H ph$rh espreferible a PhCH2$ 11 Aglomerados

H H

CHzPh H IV

Aquí ocurre el cierre anular al anillo de 6 miembros

ph*ph

C O O H Y COO H CH2Ph

es preferible a Aglomerados

H H H CH2Ph

V

1 H

cis

o>) El isómero trans tiene el fenilo axial; la unión por puentes de hidrógeno que incluyen al “ O H y a los oxígenos del anillo contribuyen a estabilizar esta conformaci6n.


23. (a) reactivo de Tollens (b) reactivo de Tollens (c) 2,4-dinitrofenilhidrazina (d) prueba del yodoformo (e) prueba de Schiff o Tollens (f) prueba de Tollens (g) ácido, luego la prueba de Schiff o Tollens (h) prueba del yodoformo (i) 2,4-dinitrofenilhidzina, o bien, CrO,/H,SO, (i) Acido, luego la prueba (k) ácido y calor, luego la prueba de Schiff o Tollens de Schiff O Tollens

24. (a) PhCOCH., da la prueba del yodoformo positiva. PhCH,CHO da la prueba de Tollens positiva. Oxidar los tolualdehídos isoméricos a los ácidos mlúicos o ftdicos, e identificarlos por sus p.f.

(b) La metial cetona da una prueba de yodoformo positiva. El hidrocarburo es insoluble en H,SO, conc. frío. El alcohol se pude oxidar a PhCOOH @.f. 122" C).

(c) La cetona insaturada decolora al BrJCCl,. El alcano es insoluble en H,SO, conc. frío. El éter se disuelve en H,SO, conc. frío. El alcohol da inmediatamente un color verde con CrOJH,SO,.

(d) p-C1C,H4CHzC1 da AgCl con AgNO,. p-CIC,H,COCH, da la prueba del yodoformo positiva. EI compuesto nitro da prueba positiva para N después de la fusión con Na.

25. La prueba de Tollens indica que el citral es un aldehído; la ruptura en tres fragmentos por oxidación indica dos dobles enlaces. Reuniendo los fragmentos de acuerdo con la regla isoprénica

llegamos a:

f

El citral a, como el geraniol, tiene H y CH, trans; el citral b, como el nerol, tiene H y CH., cis.


26. Evidentemente, el compuesto es insaturado (KMnO, positivo) y es una cetona (NH20H positivo, Tollens negativo). La primera hidrogenacih da una cetona saturada (KMnO, negativo, NH20H positivo); la segunda da un alcohol (Kh4n0, negativo, %OH negativo, CrOJH2S0, positivo). La f6rmula del alcohol indica la presencia de un anillo.

C l o H z z O alcohol saturado de cadena abierta - C I O H 2 , 0 carvomentol

2H faltantes, significa 1 anillo

Si reunimos los fragmentos de oxidacidn, tomando en cuenta la regla isoprhica,

4 O O

,A

c\ /,

C ,'

COOH HOOC c :"c, c "C

c-c \ c, /, '\ c- C\ ~c-c - C"C e-c o e-c c / \ //

c-c C-- COOH O c/ \ /I C - c

O ,5

C-COOH c, :"-c, c\ /

C' C"C, HOOC-C t- C-C c-c

'C COOH /, \ //'

c-c

concluimos que la carvotanacetona es

Carvotanacetona

27. (a> CH,CH>.CCHi (b) CH--CHO (C) CH,-CH"CH"CH3 \

O I I CH3 I

OH 2-Butanona Isobutiraldehído 3-Buten-2-01

(V&nse los espectros acotados que se indican en la p4g. 857 de esta Guía de Estudio.)

28. (a) CH,C'H2CH,CCH2CH2CH, (b) CH3CH,CH,CH,CCHCH3 I1 O O

I t

4-Heptanona 3- Heptanona

(c) CH3CH2CH,CH2CH2CCH,

O I I

2-Heptanona

( V h s e los espectros acotados que se indican en la p4g. 858 de esta Guía de Estudio.)

371


CHI I 29. (a) CH,CH,CH,CCH, (b) CH,"CH--C--CH, (c) CH3CH2CCH,

I O O O

I I , I

2-Pentanona Isopropil metil cetona Etil metil cetona

(Véanse los espectros acotados que se indican en la pág. 859 de esta Guía de Estudio.)

30. p-CHJOCbHdCHO p-CHJOC6H4CCHj C ~ H ~ - C - C H ( C H A ) ~

O O p-Metoxibenzaldehído ,p-Metoxiacetofenona Isobutirofenona

P Q (Isopropil fenil cetona) R

(Véanse los espectros con acotaciones de las págs. 860 y 861 de esta Guía de Estudio.)

31. CH,, CH, , C I C H ~ ~ C H ~ ~ C H , ~ ~ C H ~ ~ C H ~ ~ C H O

CH, 3,7-Dirnetil-6-octenal

Citronelal S

( V h s e los espectros con acotaciones de la phgina 862 de esta Guía de Estudio.)

22

Estereoquímica 111. Ligantes y caras enantiotópicas y

diastereotópicas

Dos pares

373

d CAPITULO 22 ESTEREOQUIMICA 111

Un par Ninguno Un par

22.3 En estos casos, la cspccificación se rcficre a la cara que se encuentra volteada hacia arriba y hacia nosotros.

(a) C,H, H H C 2 H j (b) cHi, ,,CHI (C) C,H, CZH, \(.’ ‘\ /

K c S i Ninguno o” \ C H I CH, i \ 0

C c o I o I 1 b cH--/H cH,$H

<‘ C‘

Enuntiotcipicns K r Si

Dia.stcreot6pica.s

(d) En este ejemplo, C-2 tiene caras enantiotópicas. Para discernir la prioridad relativa de los tres ligantes unidos a este carbono trigonal, debemos aplicar la Regla Secuencia1 3 (pág. 141): donde hay un doble enlace, se consideran ambos átomos por duplicado. En este caso no duplicamos al átomo de carbono trigonal mismo, ya que Re y Si estlin comprometidos solamente con tres ligantes. Pero consideremos que

H / I

C~, iguala a $’ H ) I I H

c

y, por lo tanto, tiene prioridad sobre “CH,.

374

ESTEREOQUZMICA 111 CAPITULO 22

H 1

H 1

I I H H

C Br > C <' > V H

Enantiotópicas (g) Aquí, como puede verse ambos carbonos trigonales del doble enlace tienen c a m s hetero- tópicas; simplemente se trata cada UM en forma individual como si fuera la Única cara heterotópica de la molécula.

H\ ,,Cl Re C si c C1\ /H

/ I I / Re C Si C

H' 'CH , / \ CH, H

c' ( ' I > C' [I > H Dos pares de caras enantiotópicas

CAPITULO 22 ESTEREOQUIMICA m

(dl w , CH.3 SCH 3

.:$:Y +OH +OH

CH,

H OH . , I*H H T i H R H T O H

CH, CH3 CH, RCH3 Ligantes diasterotópicos Ligantes enantiotópicos Ligantes Ligantes

(VCase la respuesta al enantiotópicos enantiotópicos problema 8(g), pág.

66 de esta Guia de Estudio)

CH, Caras diastereotópicas Ninguno

k n HS HK I I

Ligantes enantiotópicos Ligantes enantiotópicos Ligantes diastereotópicos

Ligantes enantiotbpicos Caras enantiotópicas Caras enantiotópicas Caras diastereotópicas

I t ,í.

Dos pares equivalentes Ligantes Re S 1

de caras enantiotópicas diastereotópicos Caras enanfiotópicm

ESTEREOQUIMICA III CAPITULO 22

2. (a) Alcohol I. (b) NADD.

OH I1

OTs OH I

La inversión en la hidr6lisis del tosilato da el etanol I, el cual, por supuesto, transfiere D al NAD+ para dar NADD.

3.

Z Z z NADH NADD(i) NADD(iv)

El NADD(v) es una mezcla: 44% de NADD(i) y 56% de NADD(iv). No es sorprendente que la reducción química del NAD+ sea (casi) no estereoespecífica.

Resulta claro que la transferencia de hidruro es estereoespecífica, no sólo con respecto al etanol/acetaldehído (Sec.22.4) sino tambi6n con respecto al NAD+/NADH. El NADH contiene dos hidrógenos, químicamente equivalentes pero estereoquímicamente no equivalentes: enantiotópicos o diastereotópicos. (En realidad, debido a la quiralidad del resto de la mol6cula de NADH, son diastereotópicos.) El NAD+ S610 contiene un hidrógeno en esta posición, y evidentemente es no saturado; contiene un par de caras enantiotópicas o diastereotópicas.

2 Z

NADH NAD

(i) Cuando se reduce (enzimáticamente) por el CH$D,OH, todo el D se transfiere justo a una de las caras del NAD'; el NADD(i) formado contiene D tan sólo en una de las dos posiciones estereoquímicas.

- 1 Z Z

NAD' NADD(I)

CAPITULO 22 ESTEREOQUIMICA TI1

(ii) Ahora, cuando se usa el NADD(i) para reducir el CH$HO, la reacci6n es la inversa de aquella en la que se formó el NADD (i) +talizada por la misma enzima y pasando a través del mismo estado de transición- y el hidr6geno se transfiere de regreso desde la misma posición estereoquímica en la cual se había recibido; solamente se transfiere D, y el NAD+ (ii) formado queda sin D.

z Z NADD(1) NAD'()])

No contiene D

(iii) En seguida, el NADD(i) se utiliza para reducir un compuesto diferente -un aldehído distinto (Sec. 38.3)-, la glucosa. Esta reacción también es completamente estereoespocífica, catalizada por una enzima diferente; y, como suele suceder, tiene exactamente la estereoespecificidad opuesta a la de la reacción con el acetaldehído. Ahora solamente se transfiere el protio del NADD(i), y todo el deuterio permanece en el NAD+ (iii).

2 Z NADD(i) NAD+(¡¡])

Contiene un D por molécula

(iv) Cuando se reduce el NAD(iii) por el CH$$OH ordinario, recibe, por supuesto, un protio ordinario. La reacción (iv) tiene exactamente la misma estereoquímica que la reacción (i), y el hidrógeno se llega a unir a la misma cara del NAD+. Pero esta vez el D ya estaba presente en la molkula, y es el hidrógeno el que ahora se unid. El producto NADD(iv) es el estereoisómero de NADD(i).

(v) Comenzamos nuevamente con NAD+ ordinario y lo reducimos químicamente en presencia de D,O. Nuevamente el NADD formado contiene un D por moltkula. Pero ahora en la reacción participan reactivos químicos ordinarios, y esta es casi completamente no

ESTEREOQUIMICA III CAPITULO 22

estereoespecífica. El D se une a cualquier cara del NAD+, y el NADD(v) obtenido es una mezcla de NADD(i) y NADD(iv).

Z 2 Z NAD' NADD(¡) NADD(1v)

(56'A (44 ;; ) NADD(v)

(vi) Cuando se reoxida NADD(v) por el CH$$OH, el hidrógeno es transferido, por supuesto, pero a partir solamente de una posición estereoquímica: UM parte de &te es deuterio (56%), y el resto es protio. En el NAD+ (vi) se mantiene el deuterio (44%) que ocupaba la posición opuesta. Así, el NAD+(vi) es UM mezcla 56:44 de NAD+ (ii) y NAD+ (iii).

Y Y D

2 Z NADD(1v) NAD'(¡¡¡)

(448,) (44"")

Para un análisis general, v h s e Levy, H. R., Talalay, P. y Vennesland, B., "The Steric Course of Enzymatic Reaction at Meso Carbon Atoms; Application of Hydrogen Isotopes", Progress in Stereochemistry; Butterworths, Washington, 1962, Vol. 3, págs. 299-344. Véase tambiCn Loewus, F. A., Westheimer, F. H. y Vennesland B., "Enzymatic Synthesis of Enantiomorphs of Ethano-1-d",J. Am, Chem. Soc., 75,5018 (1953); Westheimer, F. H., Adv. Phys. Org. Chem., 21,1(1985).

4. (a) La (S)-Alanina se deberá formar a partir de la amida V. No se rompe ningún enlace en el carbono quiral en este paso, y la reacción deberA ocurrir con retención.

CAPITULO 22 ESTEREOQUIMICA III

t i .

H

Acido l-acetmid opropenoico

5. Podemos usar la misma posición que en la figura 22.3 (pág. 799). Colocamos la molécula de etanol en la posición de enlace (u) de la única manera en que puede ajustarse: con el H, en el agujero pequeño y 4 apuntando haciaarriba. Solamente este H que apunta hacia arriba se puede transferir al NAD+.

6. (a) Krebs consideró que la molécula del ácido cítrico era simétrica y que contenía exactamente dos grupos “COOH terminales equivalentes. En la conversión al ácido a- cetoglutíirico, éI esperaba un “revoltijo” de la marca isotópica entre los dos grupos “COOH del producto.

Este razonamiento fue aceptado por los dos grupos de investigadores que llevaron a cabo los experimentos de marcaje (en 1941 y 1942). y ambos grupos concluyeron que el ácido cítrico no podía ser un intermediario en la formación del ácido a-cetoglutárico.

(b) La línea de razonamiento no es válida. Reconocemos los dos grupos “COOH como enantiotópicos y como estereoquímicamente no equivalentes; una enzima podría distinguir uno de otro y dar los resultados del marcaje observados.

(El hecho de que una enzima pueda diferenciar tales grupos fue seilalado por A. G. Ogston en 1948; sus ideas, en última instancia, dieron lugar al conocimiento que tenemos hoy día sobre la discriminación estereoquímica.)

(c) EI ácid0 cítrico puede ser un intermediario en el proceso -y, en efecto, generalmente se acepta que lo es.


7. Si: a, b, d, e, f. No: c.

(a) El carbono de carbonilo tiene caras que no son equivalentes, las cuales, debido a la quiralidad en C-2, son diastereot6picas; la uni6n con el hidruro podría suceder preferencialmente en cualesquiera de estas caras. (Compárese con la reducci6n del acetaldehído en la Fig. 22,2. pág. 792.)

I

CH; CH, Reacción

en caras diastereotópicas

(Los estudios con deuterio han demostrado que, con la alcohol-deshidrogenasa como enzima, el hidruro en realidad se adicina solamente a la m a Re.)

&)Los grupos -CH,OH en los dos extremos de la molkula son enantiot6picos; dependiendo de cuál de éstos reacciona, se formara uno u otra de un par de enantiómeros.

,CH,OH C'H,0P0,H2 CH20H

+OH ~~ f +OH .+-OH

JH,OH CH,OH CH,0P03H2 Reacción en Enantiómeros

ligandos enantiotópicos

(El trabajo realizado a base de marcado con 14' demostr6 que la glicerol quinasa solamente cataliza la fosforilación en los grupos pro-4.)

(c) Los dos grupos "€$OH son estereoquímicamente equivalentes; cualquiera que sea el extremo que reaccione, el producto será el mismo.

CHzOH CH20POjH: CHzOH

HO H$:H - H:$ZH H:$ZH

CH,OH CHzOH C H 2 0 P 0 , H , Idédcos

CAPITULO 22 ESTEREOQUIMICA III

(d) Como en (b), los grupos <$OH situados en los dos extremos de la molkula son enantiot6picos; dependiendo de cuA1 de Cstos reaccione, se formad uno u otro de un par de enanti6mems.

RCHzOH :I:: ---+ ,I::: $:: CHLOP03Hz CHzOH

,yCH20H CHzOH CH20P0,H2 Reacción en Enantiómeros

ligandos enantiotópicos

(De hecho, se ha encontrado que esta reacci6n es estereoespecífica en un sistema biol6gico.)

(e) El Acido fumárico tiene dos tipos de caras enantiot6picas; la uni6n del “ O H podría ocurrir en cualquier cara (no importa en cud carbono) para dar cualquiera de un par de enantiómeros.

H, ,COOH HOOC, ,H COOH COOH Rc, C S I c Re C 1 1 S/ c ! I +OH .o+

HOOC’ “H H’ “COOH CHIOH CHzOH ( R I (S)

Del ataque Del ataque en la cara Re en la cara Si

Enantiómeros

Pero el “H tambih se estA adicionando al doble enlace; Qte podría unirse a la misma cara que el “ O H (adici6n syn), o bien a la cara opuesta (adici6n anti).

(En presencia de la enzima fumarasa, la uni6n del “ O H realmente tiene lugar sólo en lacara Si, paradar únicamente el kid0 (S-mAlico. Los estudios con deuterio han demostrado que el -H no se une sino a la cara Re, por lo que la adición es ant¿. Así, de cuatro estereoidmeros posibles a partir de la adici6n de -D y “OH, en realidad S610 se obtiene uno, el 2S, 3R. Sin embargo, hay dos combinaciones igualmente probables que dan esta estereoquímica: el “ O H se puede adicionar a cualesquiera de los carbonos del doble enlace y el -H al otro.)

ESTEREOQUIMICA ru CAPITULO 22

(f) El &ido succinic0 contiene dos pares de hidr6genos enantiot6picos equivalentes. Tanto si la eliminaci6n es anti como si es syn, los dos hidr6genos que provienen de carbonos diferentes deben perderse en pares espec@cos, como se determina por su estereoquímica: si es anti, dos 4 o dos Hs; si es syn, un H, y un H,. (En realidad, se ha encontrado que esta eliminaci6n es anti.)

/ \ c COOH

HOOC H

Dos pares equivalentes de hidrógenos enuntiotópicos

23

Acidos carboxílicos

273 454 63.7 X - x -

23.1 A 110°C: 0.11 g vol. a TPN - - - 383 760 - p.m. (glmol) 22400 mL/mol 22400

p.m. = 63.7 x - x - =.91 (a 1lOOC) 0.11 x 22400 383 760

273 454

66.4 X - X - 273 458 0.081 429 760 p.m. 22400

A 156°C: - - -

p.m. = 0.081 x 22400 429 760 = 71 (a 156 oc) 66.4 213 458

x - x -

El monómero, CH,COOH, tendría un p.m. de 60. Hay asociación aun en la fase gaseosa, y disminuye con el aumento de temperatura.

23.2 (a) ( I ) peróxido "+ Rad.

(2) Rad. + CH3CH2CH2COOH "+ RadH + CH,CH2CHCOOH

(3) n-BuCH=CH2 + CHjCH2CHCOOH "+ n-BuCH"CH2-CH-COOH

CAPITULO 23 ACIDOS CARBOXILICOS

(4) n-BuCHCH2CHCOOH + CH3CHZCH2COOH n-BuCHzCH2CHCOOH 1 1

C2HS C2H5

+ CH3CH2CHCOOH

por lo tanto, (3) , (4), (3) , (4), etc.

El ataque porradicales libres favorece la separación de un hidrógeno alfa, probablemente porque la resonancia estabilizm'a el radical libre:

CH, I

CH,

(c) Acido 2,2-dimetilcodecanoico, CH3(CH2)9CCOOH ,

COOEt

(d) n Actilmalonato de etilo. CH,(CHz),?H

COOEt

Cpetrow, A. D., Nikischin, G. I. y J. N. Ogibin, "Freiradikale Anlagerung von SPuren und Alkoholen zuden a-Oletinen", Tercer Congreso Internacional sobre Agentes Tensoactivos, Colonia, Septiembre de 1%0, vol. l . , Sec. A, phgs. 78-83.)

233 (a) Es evidente que el catión 1-pentilo es un intermediario:

CH3 1

CHIC-CHCH,

CH3 I

CH3 I

I I CH3 CHJ

--t CHlCH2C@ 3 CH3CH2C-COOH

Catión Acido t-pentilo 2,2-dimetilbutanoico

ACIDOS CARBOXILICOS CAPITULO 23

23.4

23.5

23.6

El mecanismo más probable de su reacci6n con mon6xido de carbono implica la generaci6n e hidrataci6n de un ion acilio, un cati6n que debe su considerable estabilidad al hecho de que cada uno de sus átomos

R + + :C+O: -+ R-C-O:+ R-C-O - +

Carbocatión Monóxido Ion acilio I OH

Acido carboxílico

de carbono

tiene un octeto completo (Compkese con la Sec. 10.15.)

Catión sec-butilo

Acido 2-metilbutanoico

OH

(Koch, H. y Haaf, W., "Über die Synthese verzweigter Carbonsiiuren nach der Amerisensiiure-Nlethode", Ann. Chem., 618; 25 1 (1958).)

B r B I

Acido p-bromobenzoico

Br Br Br B r Acido

p-bromofenilacético

El ion carbonato es un hibrido de tres estructuras de igual estabilidad. Cada enlace C-4 es doble en una estructura y sencillo en dos; estos enlaces tienen menor carácter de unión doble y, por 10 tanto, son más largos que los enlaces del ion formiato.

0- / o 2-

~ 0 "-c \ 0- 'O

Vea la sección 25. l . t


23.7 (a) F > C1 > Br > I.

(b) Atractor de electrones.

Para el anih, una estructura como &a implicaría la separaci6n de las cargas positiva y negativa doble.

23.9 (a) Se rompe el enlace C 4 H :

0) Se rompen el enlace C 4 H del ácido, y el CO-H del alcohol:

(b) n-CI,HZ3CH2COOH n-CIIH,,CH2MgBr Eg- n-CIIHZ3CH2Br t- (a)

O bien, através del nitrilo: RBr "+ RCN "+ RCOOH

H2C"CHz

(c) n-CIIHz3CH2CH2CH20H f-" n-CIIHZ3CH2MgBr +" (b) \o/

(d) n-CloH21CH=CHZ +KoH(a'c) n-CIIHZ3CH2Br +" (a)

(e) n-C,oH21CH2CH3 Pt n-CloH21CH=CH2 t- (d)


(i) n-CloHzlCOOH n-CloH21C-CH3 c- (9 ) (Sec. 18.9) / I O

(j) n-C,,H25CHOH-CH, <CH3CH0 n-Cl2Hl5MgBr n-C12H2,Br - (a)

CH3 I (k) n-C12H25C"CH3 <

I OH

H+ CH~COCHJ n-C12Hz5MgBr a n-C12H25Br - (a)

Br I

H

Br

Elr2. CC14

H

Acido trans-2-butenoico

H COOH

Br "'T: COOH

H$: H COOH

Emmtiómeros Acido eritro-2,3-dibromobutanoico racémico

Ph H (c) PhCHOHCHzCOOH -& \ /

\ ,c=c

H COOH (principalmente trans)


(d) La única manera de perder HzO (C,%O, - H,O=C,H,O,) dentro de una misma molécula (sin aumento en el número de carbonos) es mediante una esterificación intramolecular, para dar un éster cíclico (una Zactona, S e c . 24.15).

9 O

Un éster cíclico

23.12 Para evitar la generación de HCN por acción del ácido sobre cianuro de sodio.

23.13 (a)Debemos aiiadn dos carbonos:

HOOC(CH~)~COOH Calor NFC'(CH:)\C'=N +- H I O . H' 2c N Br(CH2)\Br

L 14OCH2CH2CHZOH 21181

exceso

(b) Debemos degradar un ácido C,, a un fragmento C,:

CHI(CH2),CH=CH(CH2),COOH "-f

0 1 1120. H ' F HOOC(CH2)7COOH

(c) HOCf I2C=<CH2OH ll;s HOC. H,CH2CH2CH20H - K M , 7 0 4 t HOOCCHzCH2COOH

23.14 (a) El diéster, EtOOC(CH,),COOEt. (b) El mondster, EtOOC(CH,),COOH (c) El diol, HOCH2CH2CH,CH,0H. (d) El monobromoácido, HOOCCH,CH,CHBrCOOH. (e) El cloruro de diacilo, p-C,H,(COCl)?.

Br COOH

\ COOH

Acido maleico

COOH

(Acido cis-butenodioico) ; COOH -- BrF H

COOH

Enmtiómeros Acido 2,3-dibromobutanodioico racémico

ACIDOS CARBOXKICOS CAPITULO 23

23.15 El grupo "COOH es atractor de electrones y aumenta la acidez, en comparaci6n con -H o bien con "CH,.

HOOC--COOH H-COOH HOOC-CHz-COOH H"CH2-COOH K , : 5400 x 10-5 > 17.7 x 140 x 10-5 > 1.75 X 10-5

23.16 A medida que aumenta la distancia entre los grupos<OOH, se debilita el efecto inductivo de uno sobre el otro.

HOOC-COOH > HOOC-CH2-COOH > HOOC"CH~CH2"COOH > K, : 5400 x 10-5 140 X 10-5 6.4 x 10-5

HOOC"CHzCH~CH2"COOH 4.5 X 10-5"

23.17 (a) C2H20, ácido oxálic0 + C2H,02 etilén-glicol

- C,H,O, producto C,H*O,

_ _ ~ 2 H 2 0 pérdida: debió haber doble esterificación

C o/ \ p 2 OH HO

Acido oxálico Elitin glicol Un diester cíclico

(b) C,H,O, ácido succinic0 - C&03 producto

H,O pérdida: debió haber formación intramolecular de &í&ido O

o O Acido succínico Anhídrido succinic0

Un anhídrido cíclico (C) C & , O , ácido tereftálico

+ C2H602 etilén-glicol

C,"H,@, -C,,H,O, unidad de Dacron

2HzO: doble esterificación

Dacron Un poliéster

CAPITULO 23

23.18

ACIDOS CARBOXILICOS

H,SO,' KMnO,b H$O; CHCI,, conc. frio BrIb Cr0,c fwn. AICI,' NodNoOH' NoHCo;

Alcanos

Alquenos t + Alquinos + + Halogenurn de alquilo - Alquilbencenos J

Alcoholes 1"' + Alcoholes 2"' t

Alcoholes 3"' + Eteres + Aldehídos t +

t - + + - +

+ - t + - + t

+ +

" + +

f -

+ + - t - + -

Cetonas + t Acidos carboxííicos t t +I t + Fenoles + +' - t + t J

'Se disuelve. bSe decolora. Cambia de color. ' Burbujas de hidrógeno. Se disuelve, con burbujas de CO,.fLos 1 alquinos dan la prueba.# Decoloran el KMnO, caliente. 'Reacción explosiva. Liberan HBr. j l m fenoles con vanos sustituyentes que atraen electrones, dan la prueba.

23.19 Acido o-clorobenzoico, C,H,O,Cl p.m. (y peso equiv.) 156.5. (2,6-C1,C6&COOH tiene peso molecular de 191 .)

23.20 (a) ~~ ~ x 0.0972 equiv. de &ido= 0.187 g 1 000

1000 I 18.7 0.0972

1 equiv. de ácido = 0.187 x ~~~ x -__ = 103 g

@)Es ácido etoxiacético, C~H,OCH,COOH, p.m. (y p. equiv.) 104. Los otros no pueden ser: ácido n-Caproico, n-C,H, COOH, p.m. (y p. equiv.) 116; ácido metoxiacético, CH,OCH,COOH, p.m. (y p. equiv.) 90.

23.21 (a)Dos; p. qui . = p.m./2 = 16612 = 83.

(b) E.N. = p. mol./número de H ácidos por mol&ula.

(c) 70 (p.m./3), 57 (p.m./6).

23.22 Carbonato de sodio, N%CO,.

1. C-1: fdrmico, metanoico C-2 acético, etanoico C-3: propibnico, propanoic0 C 4 : n-butirico, butanoic0 C-5: n-valeriánico, pentanoico C d : n-caproico, hexanoic0 C-8: n-caprílico, octanoic0 C-10: n-cáprico, decanoic0 C-12: láurico, dodecanoic0 C-16: palmítico, hexadecanoic0 C-18: esteárico, octadecanoico


2. (a) (CH3)?CHCHICOOH Acido 3-metilbutanoico

(c) CH,CH2CH2CH(CH,)CH(CH3)COOH (d) n-BuCH(Et)CHzCH(CH,)COOH Acido 2.3-dimetilhexanoico Acido a-metil- y-etilcaprílico

(e) PhCHzCOOH Acido feniletanoico

(0 PhCHzCHzCHzCOOH Acido 4- fenilbutanoico

(g) HOOCCHzCHzCHzCHzCOOH (h) p-CH,C,H,COOH Acido hexanodioico Acido 4-metilberu.oico

(i) o-C,H,(COOH), (j) m-C,H,(COOH)2 Acido 1.2-benccnodicarboxílico Acido 1,3-benccnodicarboxílico

(k) p-C,H,(COOH), (1) p-HOC,H,COOH Acido 1,4-bencenodicarboxílico Acido 4-hidroxibcnzoico

(m) CH3CH2CH(CH3)COOK 2-Metilbutanoato de potasio

(n) (CH,CHC1C00)2Mg a-Cloropropionato de magnesio

( O ) (2)-HOOC“CH=CH“COOH (p) HOOCCHBrCHBrCOOH Acido (a-butenodioico Acido 2,3-dibromobutanodioico

(4) (CH,)?CHC=N 2-Metiletanoniuilo

(r) 2,4-(02N)&H3C=N 2,4-Dinitrobenzonitrilo

3. (a) Igual número de carbonos:

PhCH, K M ~ O J , OH

calor PhCOOH

(b) Agregue un carbono:

PhBr 2 PhMgBr PhCOOMgBr PhCOOH M

(c) Igual número de carbonos: H 1 0 PhCEN 7 PhCOOH + NH4+

(d) Igual número de carbonos:

(e) Igual número de carbonos: hidrolice el trihalogenuro.

O PhCC13 OH-_

// Ph-C,

OH


(0 Elimine un carbono (mediante la reacción del haloformo, sec. 18.9):

4. (a) Igual número de carbonos: alcohol 1 O +. ácido. oxid

(b) Agregue un carbono mediante el ion cianuro:

No se puede emplear para preparar (Cy) ,--COOH a partir de t-BuBr. (Véase eliminación contra sustitución, Sec. 7.24.)

(c) Agregue un carbono mediante Grignard y CO,:

n-PrCOOH c-- - n-PrMgBr E n-PrBr m n-PrOH H' col

(d) Elimine un carbono mediante la reacción del haloformo, sección 18.9.

n-Pr C-+CH, a HCI, + n-PrCOO- n-PrCOOH 1 1 I

O yodoformo

5. En todos los casos es necesario romper el éter (abrir el anillo), para obtener el halogenuro, el alcohol o ambos.

(a) Igual número de carbonos:

Eter 4c

4c 4c

(b) Debemos airadir un carbono adicional, probablemente a travks de CN-:

Lo) calor +

tlCI (ac) HOCH>(CH?)zCH2CI a HOCHz(CH2)3CN K M n 0 4

+ HOOC(CH2)2CN Monohalogenuro Alc. I" Nifrilo Acido N i t r i b

4c 4c 5c 5c

I HzO, H '

HOOC(CH2)3COOH Diácido

5c


(C) Debemos agregar dos carbonos mAs, probablemente mediante CN-:

HCl(ac) CKCH2)4CI "-+ NC(CH214CN HOOC(CH2)4COOH Dihalogenuro Dinitrilo Diácido

2CN- calor +

4c 4c 6C 6C

6. (a) PhCOOK (d) PhCOONa (i) PhCOCl

(4) PhCOO-n-Pr No hay reacción: f,h,m,p.

7. (a) C,H,COOK (d) C,H,COONa (i) C,H,COCl (m) C,H,CHCOOH

I Br

No hay reacción: f,h,l,n,o,p.

(b) (PhC00)3AI (e) PhCOONH, (i) PhCOCl

(c) (PhCOO),Ca (g) PhCHzOH (k) PhCOCl

// \

O O 8. (a) i-Pr-c i-PrCOOH + HOEt (b) i-PrC:' i-PrCOOH

OEt \ c1. Ester Cloruro de ácido

/,' ,o O (c) i-Pr-C i-Pr-C 5, + (b)

\ NH2 'CI

Amida

Sal

O (e) i-Pr--CH20H _H' i LiA'H4 i-Pr-C, /'

Alcohol 1 'O H


CI

(d) Hay que deshacerse del "COOH. Un método antiguo es el calentamiento intenso con cal sodada (una combinación de NaOH y CaO). Compare con el problema 27, más adelante.

PhCOOH cal sodada

PhCOONa ce PhH

O 4 \

O (e) Ph-C c- Ph-C, (deb) + n-PrOH

Y

O--Pr-n CI

u Br m-Bromofenol

(h) PhCHzOH + L l A ' H 4 PhCOOH

10. (a) Neutralice el ácido con NaOH ( ac).

(b) Esterifique el ácido con EtOH.

(c) Caliente el ácido con SOCl,.

(d) Permita que el cloruro de ácido (de c) reaccione con N%.

(e) Brome el anillo con Br,, Fe.

(f) Nitre el anillo con HNO@i,SO,.

(g) Reduzca "COOH a --CH,OH con LiAlH,.

(h) Brome la cadena lateral con B r p (reacción de Hell-Volhard-Zelinsky).

(i) Trate el bromoácido (de h) con N&.

(j) Hidrolice el bromoácido (de h) con NaOH (ac), caliente.

(k) Agregue un carbono extra: probablemente mediante CN-.

Ph-CH-COOH - Ph-CH-COOH E Ph-CH-COO- c- (h) HzO. Hi

calor I I COOH C =N Br

ACIDOS CARBOXLICOS CAPITULO 23

Podrá encontrar una alternativa en el capítulo 25: una condensación de Claisen cruzada entre fenilacetato de etilo y c ~ b o ~ t o de etilo,

11. (a) PhCOOK

(c) HOCHZCH,CHLC'H,OH

EtO---C-OEt I 1 O

(e) PhCOOCHz NOz (y el isómero orto)

(g) COOH

Acido ciclohexanocarboxílico

(d) PhCOOCHZPh, benzoato de bencilo

(0 CH,CH2CHBrCOOH

COOH

Acetato dc p-nitrobencilo

ácido esteárico (p) n-C8H,,COOH + HOOC(CHz),COOH

H H H i i I + O-CCH2C--0 + O --C'(CH2),COOH (r) igualproductoqueg


(b) CHICH214CH2COOH a Et"THzMgBr EtI4CH20H

13. (a) P h C 0 0 H 1 PhCHl KMnO

COOH COO H

(0 Similar a (b), excepto que primero hay que bromar el tolueno en la posición para.

(g) PhCHCOOH zc PhCH,COOH +- (b) I Br


14. (a> CHjCH2CHCOOEt + EtOH, Hi

1 CH 1

CH,CH,CH"COOH a src-BuMgBr (de sec-BuOH) ,

CH3

(d) CH3CHCOOH ,OH- CHjCHCOOH CH3CHICOOH < KMno4 I I CHjCH2CH20H

O H Br

n-BuCOOH n-BuMgBr ,Mg a n-BuOH

(de EtOH) + CH,CHO


15. Los sustituyentes atractores de electrones aumentan la acidez; los sustituyentes liberadores de electrones la disminuyen. Cuantos más sustituyentes hay, tanto más grande es el efecto. En compuestos saturados, el efecto es tanto mayor cuanto más cercano al "COOH se encuentra el sustituyente.

(a) CH,CH2CHCOOH~CH~CHCH~COOH iCHLCH2CHzCOOFI > CHICHLCHICOOH ,

Br Br Br

(b) tri-CI > di-CI > mono-CI > ácido no sustituido

CI es atractor de electrones respecto a -H

(g) HOOCCHzC'OOH > HOOCCH,CH,COOH j CH,COOH

16. Cuanto más débil sea el ácido, tanto más fuertemente básico será su anión.

NaCzH, > NaNH2 > NaC"CH > NaOEt > NaOH > NaOOCCH.3 > NaHSO,

17. La separación es aquíexactamente como se describe en la sección 23.4, en donde el formiato de sodio toma el lugar del bicarbonato de sodio. Se elige el formiato de sodio porque cl ácido fórmico es más fuerte que el benzoico, pero más débil que el o-clorobenzoico.

o-C'IC,H,COOH + HCOO T.+ o-ClChHeC00 t HCOOH Acido más Base más Base más

fuerte fuerte débil débil K , I 2 0 * I O K , 17.7 i I O

Acido m á s


18. Los factores estkricos controlan en la esterificación (o en su inverso, la hidrólisis): cuanto más impedido se halla un ácido o alcohol, tanto más lenta es la reacción. En particular, el orden usual para alcoholes es MeOH > 1 > 2" > 3'.

(a) MeOH > n-PrOH > .crc,-BuOH > alcohol t-pentílico

19. (a) Vea la figura 23.8 que se presenta a continuación.

COOH COOH I

COOH

COOH 1 COOH I

COOH 1

CH3 1 I I

CH 8 CH 1

Acido eritro-2,3- Acido treo-2,3- dibromobutanoico dibromobutanoico

Racémico Racémico A o B B O A

Figura 23.8 Bromación a del ácido Pbromobutirico (problema 19a).

(b) Vea la figura 23.9 que se muestra a continuación. OH I COO H

COOH

Idénticos Acido meso-tar&ico

Aquiral C

Figura 23.9 Hidroxilación de k ido fumárico con HC0,OH (problema 19.b).


(c) C,H8Br, - C6Hs = CBr,, lo que indica que el metileno CBr, se agrega al dieno. La estructura cis de D, E y F se deduce de la estereoquímica (syn) de la adición del CBr,.

Y Y DBr KM&,> H O O C C H Z ~ ~ ~ Br ~ H:, N I HOOCCHl-" adcsyn.

; Br \

HOOCCH2---, HOOCCH, H H H

D E F Un compuesto meso Un compuesto meso

20. HC-CH + CH,MgBr - CH, + H C X M g B r Acido &S Acido m á s c; fuerte débil

El compuesto I sufre hidratación, la que podría suceder con dos orientaciones, a o b:

H ~ - C 7 -~COOH - H-C CH,--COOH t'Iu1om.

I 1 1 HO H o HC CCOOH % Enol Aldehído

;-c.+ H C- ~C--COOH ___f CHI- C - -COOH Noseform tautom.

I H OH o

t no1 Cetona

El hecho de que J se oxide a un ácid0 sin pérdida de carbono nos revela su estructura e indica que la orientación es como en a.

H - C ~CH?- -COOH >- HO-C -CH2~ C~ OH K M n O

1 1 o O o J Acido malónico

21. (a)NaHCO,(ac) (b) NaHCO,(ac) (c) NaHCO,(ac) (d)AgNO, (e) NaHCO,(ac) (0 NaHCO,(ac)

Precipitado de AgCl en (d); desprendimiento de COZ en todos los demás.


Acido benzoic0 Benzoato de sodio

(a) p.e.bajo p.e.alto (desc.)

(b) p.f.bajo p.f.alto (desc.)

(c) insoluble H,O soluble H,O

( 4 soluble E$O insoluble EGO

(0 ionización parcial ionización completa

(g) ácido más fuerte, ácido más débil,

(e) ionización completa ionización completa

base más débil base más fuerte

Esta comparación generalmente es válida para Acidos carboxílicos y sus sales. (por lo común, sólo son solubles en agua las sales de los metales alcalinos.)

23. (a> RCOOH, RCOOR' (líquidos)

7 RCOO-Na+ + HzO RCOOR'

HCi(aC) Seque; destile.

RCOOH

Extraiga con éter; seque; destile

(b) El Acid0 n-butirico es demasiado soluble en agua para utilizar el procedimiento (a).

RCOOH, ROR (líquidos)

RCOO - N a ' + HzO ROR

I- __

H?O,evap. Seque; destile

RCOO - Na +

1 H,SO, conc.

RCOOH

Destile


(c) Como en (b), pero quedando 1-hexanol en la capa orgánica.

( d ) R C O O ~ N a - , R,COH (sólidos)

éter

RjCOH + Et20 RCOO N a ' I"

i "" "~ .

I 1 , O c\. i ip. Recoja sobre filtro

R {COH

Recoja el rcsiduo

24. (a) KMnO,. (b) CrO,/H,SO,.

(c) El ácido mesotartárico reacciona con KMnO, caliente; análisis elemental para los otros tres ácidos.

(d)Eláccidovaleri~micodapruebadel hal6genonegativa;utiliceequivalentesdeneutralización para los demás.

(e) Equivalentes de neutralización; o bien, el kido 3-nitroftálico da un anhidrid0 @.f. 162"C, compuesto neutro) cuando se le calienta.

(f) El ácido cinámico reacciona con KMnO,; análisis elemental para los otros.

(g) Ensaye las pruebas más sencillas primero; si una de ellas es negativa, siga a lapr6xima.

(1) Sólo el ácido 4-metilpcntanoico reaccionará con NaHCO, (ac) con desprendimiento de CO,, y se disolved.

(2) Solamente reaccionará con AgNO,, el cloruro de a-feniletilo, para dar un precipitado de AgCI.

( 3 ) Sólo la o-toluidina es suficientemente básica para que se disuelva en HCl (ac) diluido.

(4) Linalool es el Único alcohol y el único compuesto que responderá con rapidez al reactivo CrO,NSO, (naranja rojizo "+ verde).

(5) P-Cloroestireno es el Único alqueno; ensaye con KMnO,, frío (rojo-violeta) "+ MnO, (café).

(6) Trate de disolver la sustancia desconocida en H,SO,, concentrado tibio. De las posibilidades que restan, sólo son insolubles en H,SO,, concentrado tibio la cis-decalina y el 2,4-diclorotolueno; y de Cstos, hicamente el 2,4-diclorotolueno dará una prueba


positiva para C1 en un adlisis elemental, al ser fundido con sodio. (El isodureno sc sulfona con facilidad mediante H2S04 concentrado los demás forman sales de oxonio solubles, R,OH+HSO;.)

Si la sustancia incógnita se disuelve en &SO, concentrado tibio, siga a (7). (Restan tres posibilidades.)

(7) Someta la sustanciadesconocida a una fusión con sodio y a un analisis elemental para hal6geno. Si se observa prueba positiva para el C1, se trata de o-cloroanisol.

(8) Si la prueba (7) es negativa, la inc6gnita (reducida ahora a dos posibilidades) debe ser un éter o un hidrocarburo, p-cresil etil éter o isodureno. El éter podrá ser roto por HI concentrado y caliente, dando EtI, P.e. 72°C; si la prueba es negativa, la sustancia desconocida debe ser isodureno.

25. K, m-C1C6H4COOH; confirmar mediante su amida (p.f.134"). (m-BrC6H4COOH tiene E.N. 201.)

L, ácido adípico o 2,4,6-Me3C,HzCOOH; ; se lferencia por el equivalente de neutralización (73 contra la), o mediante el Csterp-nitrobencílico (106" C contra 188°C).

M, 2,5-Cl2C,H3COOH o p-C1C,H40CH2COOH; se diferencian por sus amidas (155OC contra 133°C).

N, trans-CH,CH=CHCOOH o PhCHzCOOH; se distingucn por la acci6n del KMnO,; o bien, mediante la oxidación del PhCH,COOH a ácido benzoic0 (p.f.122"C).

O, CH,CH2CHOHCOOH O ICHzCHzCOOH ; s e distinguen mediante un análisis elemental.

P,HOCH,COOH; confírmelo mediante su amida (120"C), o su éster p-nitrobencílico (107°C). (El &ido a-hidroxiisobutirico es un alcohol 3", negativo frente a CrOJIzSO,.)

1 000 12.4 x 0.098 equiv. de ácido = 0.201 g

1 equiv. de ácido = 0.201 x ~~ ~ x = 165 1000 1

12.4 0.098

El ácido es o-02NC6H,COOH, E.N. calc. = 167) (El Acid0 antranílico, o-H,NC,H,COOH, tiene un E.N. de 137.)

27. El punto de partida más adecuado para resolver este problema es T, p.f. 121-122"C, E.N. 123 + 2. Un poco de arirmética química.

405

CAPITULO 23 ACIDOS CARBOMLICOS

I23 ? 2 T - 45 PCOOH

78 k 2 da C,H,-, p.m.77

y una mirada a la tabla 23.1, página 804, indican que se trata de Acid0 benzoico. Por lo tanto, S debe haber tenido una sola cadena lateral. ( M A S cadenas laterales habrían dado, desde luego, un ácido con más de un grupo "COOH.)

Latabla15.l,página525,indicaquelaúnicaposibilidadparaSesetilbenceno(p.e. 136°C). Por lo tanto, Q es uno de ires isómeros:

Et Et

S Q

Pero la oxidaci6n de Q dio R, que debe ser Acid0 isoftdico; puesto que éste es el idmero meta, también Q debe ser el idmero meta.

R Q Acido isoftálico Acido m-etilbenzoico

P.f. 348°C E.N. calc. 150 E.N. = p.m./2 = 83

La oxidaci6n de U da un ácido V, de p.f. muy elevado y que no aparece ni en la tabla, 23.1, ni en la 23.3. La aritmética química,

Ensaye : E.N. = p.m./l Ensaye : E.N. = p.m./2 Ensaye : N.E. = p.m.13

p.m. 7 70 p.m. -: 140 p.m. =- 210 ~ COOH -~ 45 2 -COOH - 90 3 COOH ~ 135

50 15 -P

- "

2s ~~

insuficiente para insuficiente para C,,tlI : 75 anillo bencénico anillo bencénico

indica que V debe ser un ácido tricarboxílico, C,H,(COOH)I.. Por tanto, U debe ser un ácido dimetilbenzoico, (CH,),C,H,COOH.

Tablas más extensas de constantes físicas demostmrán que V es 1,3,5-C6H,(COOH),, lo que significa que la orientación de grupos en U es

ACIDOS CARBOXILICOS

COOH COOH

CAPITULO 23

V U Acido trimésico Acido

P.f. 380°C 3.5-dimetilbenzoico E.N. calc. 70 E.N. calc. 150

28. (a) El ácido trópico contiene "COOH y un grupo alcohol 1" o 2"; y, puesto que el kid0 trópico de ácido benzoico, todo esto debe encontrarse en una sola cadena lateral de un anillo bencénico.

El Acid0 hidratrdpico tiene el mismo esqueleto; sin embargo, ya que el " O H ha sido reemplazado por "H, su cadena lateral no contiene om grupo funcional aparte del "COOH.

Hasta este punto, los Acidos podrían ser:

Ph -CH--COOH + Ph-~CH-PCOOH I

CHzOH CHI O

Ph- CH- CH2 -COOH I

OH O Ph--~CH*--CH* PCOOH

Ph- CH?-~~CH--COOH

OH Acido trópico:

estructuras posibles

(b) Con base en la síntesis siguiente,

Acido hidratrópico: estructuras posibles

CHI Acido hidratrópico

407


podemos asignar las estructuras que siguen:

Ph CH COOH Ph C--COOH i '

C H ~ O H CH?

Acido trópico Acido atrdpico

29. Siguiendo el procedimiento general descrito en el cuadro de la página 251 de esta Guía de Estudio, se hace un poco de aritmktica química, se delinean las estructuras tentativas, se eliminan los isómeros imposibles y se intenta decidir considerando los idmeros posibles

( a ) C,HSCIO2 ~~ c - 0 0 ~ (tentativo para señal 6 11.22)

c, H ?CI significa un grupo saturado equivalente a C,H, ~ ~

Es posible escribir dos estructuras:

De ellas, S610 la primera puede dar una seííal3H; el compuesto es

11 /I <'

C H I - C , - H ( ' O O H

í I Acido or-cloropropiónico

(b) La ausencia de seAJes para H ácidos sugiere la presencia de ésteres (dos oxígenos), RCOOR', en este compuesto.

C3H,C'IO: ~~ coo de K C O O R '

C , H ,C. l . que debe repartirse entre R y R'

Sin examinar más los datos de RMN, podemos visualizar cuatro posibilidades:

o o jl o 5.0

C.IC.H,C''' ( ' t i ;c H c HC, OC H OC'H,CI oc t l c H i OC'HzC'H2CI

I I I1 CI I1

il I

La presencia de dos seiiales 3H y 2H no desdobladas en el espectro de RMN descarta a todas, excepto i y ii. Para ii esperaríamos 3H en 6 2.0, aproximadamente, y 2H a campo considerablemente más bajo que 64.08. El compuesto debe ser


h O CICH2CC u

Cloroacetato de metilo OCH 3

(c) Como en (b), parece probable que sea un tster en lugar de un hcido.

C,H7Br02 - coo de RCOOR‘

C3H7Br, que debe repartirse entre R y R’

El triplete-cuarteto 3H + 2H apunta a -C$CH,, como es usual,

lo que s610 deja -CH,Br para ser ajustado. El singulete 2H a 63.77 es --CH2-, desplazado campo abajo por “ B r y “COOR’ (compare con la sefial b del compuesto (b) antes visto). La sustancia debe ser

h O

BrCH2C, OCH2CHJ

(’ (I

Bromoacetato de etilo

(d) Esto tiene el aspecto de un ácid0 (seilal d a 6 10.97).

La seilal u es “CH,, desdoblada por dos protones; la seilal 6, un quinteto, es “CH,, desdoblada por el “CH, y por -CH- ; ; la seilal c es -CH , desdoblada por

--CH2-, y desplazada a campo muy bajo. Así ,las piezas que se deben reunir son: I I

Con base en los desdoblamientos de las sefiales y de sus valores 6, sólo cabe la posibilidad de UM estructura:

a h c (1

CH ICHLCHCOOH I Hr

Acido a-bromobutírico


(e) El singulcte a 610.95 indica-COOH; el sistema triplete-cuarteto apunta a-CH,CH,.

Esto deja S610 oxígeno. En ausenciade UM seiial para--OH, debe tratarse de una unidn ttcr y, además, debe separar Et- de X%-, puesto que la %Ííal b no es afectada por los protones del grupo -CH,-. El compuesto solamente puede ser:

u b c ll

CH,CH,OCH*COOH Acido etoxiacético

30. (a) CH3CH-CHCOOH (b) C,H5CHOHCOOH (c) p-O?NC,H,COOH Acido crotónico Acido mandélico Acido p-nitrobemoico

(Vhnse los espectros rotulados en la pág. 863 de esta Guía de Estudio.)

24

Derivados funcionales de los ácidos carboxílicos

Sustitución nucleofi’lica del acilo

I - RCOO

Este es un caso excepcional que no se ajusta a la generalización presentada en la sección 24.4: aquí, una cetona sufre una sustitución nucleofílica, pero sólo porque los tres átomos de halógeno hacen que el CX,- sea una base más débil, y, en consecuencia, sea mejor grupo saliente que la mayoría de los R-.

Esta constituye otra excepción, pero también es fAcil explicarla: el o-F, poderosamente atractor de electrones, estabiliza al anión saliente, transformándolo en una base más débil y mejor grupo saliente que la mayoría de los Ar .

L o s grupos “COOH están separados por la misma distancia o casi la misma en los hcidos cis- y trans- 1,2-ciclohexanodicarboxíIicos, por lo que el puente anhídrido se puede generar fácilmente en ambos. Vea la respuesta al problema 24.3 (b).

En el ácid0 frans-l,2-ciclopentanodicarboxílico, la formación del puente anhídrido sometería a la molécula a una tensión prohibitiva.

41 1

DERIVADOS FUNCIONALES DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS CAPITULO 24

24.3 (a) El ácido cis es el Único capaz de formar un anhídrido cíclico.

Acido cis Anhídrido cíclico

(b) En ambos ácidos, los dos grupos "COOH están apartados por la misma distancia.

COOH

COOH

trans-1,2-Diácido ci.Y-1.2-Diácido

(c) Si; sólo el ácido cis puede formar el anhídrido cíclico (diaxial).

H T k > C O O H anhídrido No es posible cíclico un HOOC

trans-l,3-Diácido COOH H


24.4 Vea la figura 34.3, página 1167. A, ácido pbenzoilpropiónico. B, Acido y-fenilbutírico. C, cloruro de ácido. D, a-tetralona. E, alcohol. F, alqueno. G , naftaleno.

24.5 (a) PhMgBrZ 9,

O I ! Ph OMgBr Ph OH

D (problema 24.4)

Ph OH 1-Fenilnaftaleno

24.6 Acilación de Friedel-Crafts.

O O

b ' I o

C14H1003 c14ho2

Acido o-Renzoilbemoíco 9.10-Antraquinona (VCae l a Sec. 34.18)

24.7 Vea las páginas 1173)-1174.

24.8 La reacción del anhídrido ftálico con un alcohol racémico da un ftalato Bcido de alquilo, el cual tiene una parte ácida. Esta parte permite la reacción con una base ópticamente activa para generar sales diastereoméricas, las cuales se pueden separar por cristalización fraccionada. Una vez separadas, cada éster se puede hidrolizar a un alcohol ópticamente activo. Dado que la hidrólisis de un éster carboxílico generalmente no implica la ruptura del enlace alquilmxígeno (Sec. 24.17), no hay pkrdida de la actividad óptica en el paso de la hidrólisis.

CAPITULO 24 DERIVADOS FUNCIONALES DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS

COOR( + 1 COOR( - )

COOH COOH

COOR( + ) COOR( - )

C O O - ( + )-BH +

I

OH e (+ ) -ROH

L-oH- ( - ) -ROH

Enanti6meros nwdificacibn

racémica

Enanti6meros modificacibn

racémica

Diastereois6meros separables

Enanti6meros resueltos

O I d

Acido Succinimida succinámico

24.10 En el anión del amoniaco, la carga negativa se localiza en el nitrógeno. En el anión de la benzamida, éSta es acomodada por el nitrógeno y un oxígeno, y en el anión de la ftalimida, por el nitrógeno y dos oxígenos.


8 J Más estable

Menos estable

24.11 La mezcla se agita con benceno, el cual extrae el ester y el ácido benzoico. El tratamiento del extracto de benceno con Nazco, (ac) separa el ácido benzoico como sal de sodio soluble en agua. La destilación de la capa de benceno húmeda primero separa el agua y el benceno; al final se colecta el ester seco a 200°C.

PhCOOH, MeOH, H20 , PhCOOMe, H2S04

benceno

PhH, PhCOOH, PhCOOMe MeOH, HzO, HzS04 (se descarta)

H 2 0 , PhCOO-Na+ PhH, PhCOOMe, (H20) (se descarta) -7" destilación

alta temp. ,

PhH, H2O (se descarta)

PhCOOMe

24.12 (a) Un producto de seis carbonos requiere la combinación de dos residuos de ácido láctico:

C6H ,206 2 ácido láctico

4H + 2 0 significa pérdida de 2H,O - C6H804 producto


El agua se pierde a traves de una doble esterificación en la que participan los extremos opuestos de dos moléculas de reactante.

o Acido láctico

Dos moles

O Lactida

Un éster doble cíclico

(b) La unión de moléculas polifuncionales a través de la esterificacidn del 4 H de una molécula con el "COOH de otra para dar un polhero lineal. (El proceso de este tipo se llama reacción de polimerización por pasos, Sec. 36.7.)

24.13 (a) La atracción de electrones por G acelera la reacción acelerando el primer paso: contribuye a dispersar la carga negativa en desarrollo sobre el oxígeno.

R ,/:z Z Z \ r C O e [ R-JC~~~~] e R-;,C, 1 R\ / o - c o + : w

w w 0- Z,"

R = p-GC6H1

(b) Br, activante; NH,, desactivante; ?-Bu, desactivante.

(c) NO, > H > CH, > NH2. Aquí, la atracción de electrones acelera no solamente el primer paso, como sucedió en (a), sino tambidn el segundo: disminuye la basicidad de W; convirtiéndolo en un mejor grupo saliente.

24.14 (a) Un efecto estérico, y liberación electrónica por los grupos alquilo (compárese con las páginas 757-758).

(b) Formiato > acetato > propionato > isobutirato > trimetilacetato

HCOOMe > CH,COOMe > CH,CH,COOMe > (CH,)?CHCOOMe > (CH,),CCOOMe


24.15 Uno de los factores es la basicidad del grupo saliente: las bases más débiles abandonan al intermediario con mayor rapidez.

Basicidad: C1- < RCOO- < OR- < NH2

24.17

24.18

O I 1

CH3-C

La aglomeración de grupos voluminosos en los intermediarios tetraédricos los hace menos estables, por lo que resulta más difícil lograr los estados de transición correspondientes; esto disminuye la velocidad de la reacción.

(a) La hidrólisis de estos Csteres de alcoholes terciarios se efectúa, evidentemente, mediante cationes terciarios, en una reacción SN1 de los ésteres protonados.

CH~-C---O-R OH\.

O-R + H + e Y 10 -+ CH,COOH + R'!' O

i l !) CH,-C-O-R I

H

(b) En este caso, como en S,2 contra SN1, hay competencia entre una reacción bimolecular y otra monomolecular. Pero en la hidrólisis de Csteres son posibles muchas reacciones y la competencia ocurre entre las mcis fúciles. La reacción monomolecular más fácil es S,1. La reacción bimolecular más probable no es el ataque a un carbono alquílico mediante agua, sino a uno acílico (véase la Sec. 24.4). El cambio de mecanismo da como resultado, entre otras cosas, un cambio en el punto de ruptura.

417


Los Csteres t-alquílicos sufren SJ con la mayor rapidez por razones electrónicas, y experimentan sustituciones de acilo con la mayor lentitud por razones estkricas. Si ha de haber un desplazamiento del mecanismo en la hidrólisis de los Csteres, es aquí donde ciertamente esperm'amos observarlo.

O H I

3-Etil-3-heptanol 'I n-BuCOOMe - n-BuCOOH 2EtMgHr MeOH, ti'

24.20 (a) Los Csteres del ácido fórmico.

R I I

O H

O H-C--R t- H-C .(/

\ + 2RMgX

OR'

Un alcohol 2" Un formiato

H I

(b) n-Pr-C --Pr-n t- 2n-PrMgBr (de n-PrOH) + HCOOEt (de MeOH y EtOH)

OH 4-Heptanol

24.21 1-Octadecanol, y 1-butanol. L a s condiciones de la hidrogenólisis también conducen a la hidrogenación del doble enlace.

(b! PhCHzO C CI <- 'Cl -c-Cl + PhCl12OF1

¿i o Carbobenzoxicloruro Fosgeno Alcohol bencílico

Ester-cloruro de ácido Un m o l


24.23

24.24

24.25

24.26

24.27

24.28

Es lineal: hibridación sp del carbono. Los enlaces son de igual longitud (más largos que uno triple, más cortos que uno simple); carga distribuida por igual entre los nitrógenos.

Hidrólisisdelniuiloydelaarnida(odeladi-imida).Losproductossonurea(intermediario), carbonato de calcio, amoniaco.

(a) El enlace triple cxbono-nitrógeno (grupo nitrilo). Por ejemplo:

(b) Adición nucleofílica (seguida de desplazamientos de protones ).

(c) H20, MeOH, H2S, NH, son reactivos nucleofílicos que se adicionan al enlace triple carbono-nitrógeno de la cianarnida. En ácido, se protona primero el E N; en base acuosa, el nucleófilo es el OH-.

(a) RCOCl

(b) RCOO NH,', RCONH?, R C N , midas de bajo p.m., minas

(c) RCOO- NH, + (dl (RCO)ZO (e) RCOOR'

o (a) CHIC\ + O H - C H 1 C 0 0 - + ~ I - C ~ H ~ O H

O C , H 7-11

Acetato de n-propilo

Un mol de éster requiere un mol de OH- para su hidr6lisis (saponificación): el equivalente de saponificación (E.S.) = p.m. del éster = 102 (C,H,,OJ.


24.29

1.

(b) Los ocho tienen la misma fórmula, C,H,,O,, con cuatro carbonos divididos entre el ácid0 y el alcohol. Por lo tanto, en ROCOOR', R puede ser H, Me, Et, n-Pr, iso-Pr; R' puede ser Me, Et, n-Pr, iso-Pr, n-Bur, iso-Bu, sec-Bu, t-Bu (pero no H). Las nueve combinaciones permitidas son:

(c) En RCOOH, C5H,,0,, R debe ser un grupo de cuatro carbonos: n-Bu, iso-Bu, sec-Bu, t-Bu son posibles, dando lugar a sólo cuatro ácidos con pesos equivalentes de 102.

(d) Menos útil, debido al gran número de combinaciones posibles deR y R' en RCOOR'.

Ftalato de metilo P.m. 194

Se emplean 2 moles de OH-; E.S.= p.m./2=194/2=97.

(b) E.S. = p.m./número de grupos éster por mOléCUh. (c) E.S. = p.mJ3 = C,,H,,,OJ3 = 890/3 = 297.

(a)En el orden en el cual aparecen sus estructuras en la respuesta al problema 24.28 @> recién visto: formiat0 de n-butilo acetato de isopropilo propionato de formiato de isobutilo acetato de n-propilo formiato de sec-butilo formialo de t-butilo

n-butirato de metilo isobutirado de metilo


(b) Obviamente, Cstos contienen un anillo aromhtico. Por ejemplo, C,,%02- COOCH, = C6HS

Benzoato de metilo Formiato de bencilo Acetato de fenilo

Formiato de Formiato de Formiato de o-cresilo m-cresilo p-cresilo

(c) Estos son diésteres (por eso hay cuatro oxígenos):

C,H , 2 0 4

- 2 COOCHJ C I

C?H6 lo que significa una cadena abierta sat.: 4 - C - C - - , -c-c-, " C

c C

Las tres posibilidades son:

y ?

CH,O-C-CHzCHzCHz"C--OCHi CH30--C-CH2"CH--C-OCH, 1 1

O O I ¡

Glutarato de metilo a-Metilsuccinato de metilo O

I 1 O

I :

y 3

CH,O-C-C"C"OCH,

O CH3 O 1 1 I ~1

Dimetilmalonato de metilo

2. (a) n-C,H,COOH Acido n-butírico

nButirato dep-nitrofenilo

(b) n-C3H,COOCH(CH3)2 n-Butirato de isopropilo

(d) n-C,H,CONH, n-Butiramida


(e) cH3O$xz ~-c3H7-n ::

n-Propil p-toluil cetona (p-Metil-n-butirofcnona)

(8) n-C,H,COONa n-Rutirato de sodio

o I1

N-Mctil-n-butiramida ( i ) n-C3H7 C NHCH,

t

CHINHJ'CI Cloruro de mctilamonio

(k) no hay reacción

(m) PI1 C C ,H7-n

o n-Butirofenona

(Fenil n-propil cetona)

(f 1 no hay reacwión

(h) n-C,H-COOEt Y AgCl n-Rutirato dc etilo

(Cl13)2Nf42 ' CI Cloruro de Dimetilamonio

0 ( I ) ~I-CIH: C N H P h

n-Butiranilida

PhTuH3'CI Cloruro de anilinio

Ph ( n ) tr-C3H7 PI1

OH

1,l-Difenil-I-butanol

3. En (b), (c), (e), y (1) se forma una cantidad equimolecular de kid0 acético junto con el producto indicado.

(a) 2C:H,COOH Acido acético (Dos moles)

(b) CH,COOCH(CH,): Acetato de isopropilo

o ' I

(C) CH, C C ) ( ~ ) ~ O ~ (d) CH,C'ONHI + CH,COO NH, ' Acctamida Acetato de amonio -~ i

Acctato de p-nitrofenilo


O Metil p-tolil cetona

@-Metilacetofenona)

(g) CH,COO-Na+ Acetato de sodio

o 1 1

(i) CH3-C-NHCH, N-Metilacetamida

+ CHlCOO"H3NCH3

Acetato de metilamonio

(k) no hay reacción

4. (a) Na' - 0 0 C C H 2 C H , C 0 0 - N a ' Succinato de sodio

(c) HOOC(CHJ2CONH2 Acido succinámico

(e) HOOC(CHJ2COOCH2Ph Succinato ácid0 de bencilo

(f) no hay reacción

(h) CH,COOEt + CH,COOAg Acetato de etilo Acetato de plata

O I "

(j) CH,--C-N(CH,)~ N,N-Dimetilacetamida

+

(1) CH,CONHPh Acetanilida

(b) NH,+ -0OCCHZCH2CONH2 Succinamato de amonio

H2C " /

I I O

Succinimida

(f) CHI a C ( C H , ) 2 C O O H I O

Acido & @-toluil) propiónico

5. (a) PhCHzCOOH + NH,Cl (b) PhCH,COO-Na+ + NH,

(a) PhCH2COOH + NH,Cl (b) PhCH2COO-Na+ + NH,


7. En cada caso se forma una cantidad equimolar de metano1 junto con el producto indicado.

(a) n-PrCOOH Acido n-butírico

(c) n-PrCOOCH(CH,),3 n-Butirato de isopropilo

(e) n-PrCONH2 n-Butiramida

(b) n-PrCOO-K+ n-Butirato de ptasio

(d) n-PrCOOCHzPh n-Butirato de bencilo

( f ) Ph2C(OH)CH2CH2CH3 1,l -DifeniI-I-butanol

(g) (~so -Bu) ,C(OH)CH~CH~CH~ (h) n-PrCH20H 2,6-Dimetil-4-n-prapil- Alcohol n-butílico

4-heptanol

189 ' 8 0 I ' ¡ I

(c) Ph-C I W C H ..t- Ph-C-CI (de a) + CHjt80H (deb)

Lahidrólisisde PhCO1*OCH, o de PhC'80180CH, da CH,l*OH; la hidrólisis de PhC"OOCH, da CH,OH.

CH.,"CH,Li C- CH3"CH20H +LiA'''4 CHI,14COOH t-" " T O 2 PBr\ CH3MgBr

14CH3fCH20H - HCHO 14CH3MgBr f- comoen (b)

(e) Ph14CH2CH3 <';gg) P h 1 4 C i C H 3 i Ph14COCI - PC15 Me,CuLI

I 1 : O

Ph14COOH < PhMgBr 1 4 ~ 0 ~

(8) Et-C-Me Ef , ( 'ULI CI-C-Me t- PC1 j CH,C1802H H21*0 I 1

I *O I 1

'*O

10. (a) Un éster reacciona con amoniaco para dar una mida y un alcohol.

% HOCH2CH2CH2C, // O

Y NH2 y -Butirolactona Alcohol Amida

Ester

(b) Un éster se reduce a dos alcoholes por el LiAIH,.

G- o - LIAIH, H O C H ~ C H ~ C H ~ C H Z O H Alcohol Alcohol

(c) Un Cster sufre transesterificaci6n.

Alcohol Ester "nuevo" 'hevo"


11. Hay precisamente tres pasos. En el primer paso no se puede romper un enlace del carbono

Et Et t t O f!t "1: i c n v e w o n S I 1

Ts ( ' I H-i O--<'-H ----+ 7 ' s ~ O - ( ' ; - ti ~ ~~ + }{-<'-()-\CPh * H - C - 0 - H 8 :

MC M C M C M C

OOC'Ph H o (+ )-Alcohol t )-Tositam (-- )-Rcnzosto alcohol

quiral, debido a la mera naturaleza de reactantes y productos, como tampoco se rompe en el tercer paso (SE. 18.5). Por lo tanto, la inversión debe ocurrir en el ataque por el ion bcnzoato al tosilato de sec-butilo, evidentemente en una reacción SN2.

12. Aquí, como en el problema 24.18, hay una competencia entre una reacción bimolecular y una monomolecular. Con una alta concentración de nucleófilo (NaOH 5N) hay una sustitución nucleofílica (bimolecular) en el acilo, con la ruptura del enlace entre el oxígeno y el grupo acilo:

RCO t- OR'

No se rompe el enlace con el carbono quiral, y hay retención de la configuración en el producto.

Con una concentración baja del nucldfilo (NaOH dil.), la reacción bimolecular es desplazada por la reacción monomolecular: una reacción SN1 del Cster neutro, la cual es posible gracias a la estabilidad del catión bencílico-alílico generado. Ambos ésteres dan el

o C K ' I o

13. Los toluatos y el fenilacetato se pueden distinguir por hidrólisis y determinación dc los p.f.

Los dos benzoatos se pueden distinguir por su equivalente de saponificación, opor el p. f.

El acetato de bencilo es el Único que da un líquido, un ácido soluble en agua después de

de los ácidos resultantes.

del Cster 3,5"initrobenzoato dcl alcohol obtenido por hidrólisis.

hidrolizarlo.


14. (a) NaHCO, (ac) da CO, con ácido.

0) El EtOH da un éster de aroma agradable a partir de RCOCl; el RCOCl también da CO, a partir de NaHCO, (ac).

(c) NaOH, calor; prueba para NH, con tornasol. (d) BrJCCL,, o KMnO,.

(e) NaOH, calor; prueba para NH, con tornasol. También observe la lenta disolución del nitrilo.

(f) NaHCO, (ac), caliente.

(9) Cr03/H2S04. (h) La sal de NH,' da una evolución inmediata de NH, por acción del NaOH (ac) en frío. (i) AgNO, alcohólico.

15. (a) PhCOOH + PhCOOEt 7"

RCN + RCOOH

PhCOO N a - PhCOOEt

IH+ Secar; destilar

PhCOOH

Colectar por filtración

RCOO ~ Na ' RCN (en solución)

I t i 20 evdp

RCOO ~ N a (sólido)

I H 2 5 0 4 : destilar

RCOOH

(c) PhCOO N H , ' + PhCONH, -__-

PhCONH2 (en sol.)

\

PhCOO ~ N H , +

Colectar por filtración

I evap. del éter

PhCONH?

427

CAPITULO 24 DERIVADOS FUNCIONALES DE LOS ACZDOS CARBOXILICOS

16. El éster THF' se forma por la adición, catalizada por ácido, de RCOOH al doble enlace, lo cual se lleva acabo fácilmente por la estabilidad del catión intermediario I, que es en realidad un ion oxonio:

La hidrólisis, catalizada por ácido, del éster THP también es fácil, ya que implica la formación del mismo catión I. Se forma un hemiacetal cíclico y, al igual que otros hemiacetales, regenera el aldehído y el alcohol, que en este caso forman parte de la misma molécula. (Compárese con el problema 17, Cap. 21, pág. 777.)

O H C ,/ H o'

Aldehído-alcohol

meso A

racémico B

B es la modificación racémica, y da la monolactona 11; pero como el " O H y el "COOH restantes son cis, I1 puede reaccionar posteriormente para formar la dilactona.

428


A es el compuesto meso, y da la monolactona 111; aquí, el " O H y el "COOH restantes son trans, y no es posible una reacci6n posterior.

A I l l

Monolactom

18.

19.

El empleo de catalizadores de transferencia de fases incrementa en gran medida el poder nuclmfílico de los aniones carboxilato, y acelera la reacci6n drásticamente.

(a) H2N-C-NH2 2NH, + N a z c o l

O I I

Di-mida C

(b) CI-C-CI - EtO-C-CI I t EtO--C-NH2 ElOH NH

I 1 o

I 1 O O

I t

(Di) cloruro de Ester-cloruro Ester-mida ácid0 de ácid0 D

C,Hz ;CH:

(c) PhBr * PhMgBr o - PhCHzCHzOH PhCH2CHZBr' H+ PBr,

E F G

PhCH2CH2Br - P h C H 2 C H z C r N ~ ; r PhCHzCH2COOH + NH4' C N - H 2 0

G H I

429


I

CI J K

1 -1ndanona (Véase el problema loa, pág. 776)

- O "'OH

K L M 1 -1ndanol Indeno

(V6ase la respuesta al problema 22. pág. 558)

20.

Estigrnasterul


Ph I Ph

U V W

X Y

Pregnenolona Z Progesterona

@)El espectro ultravioleta indica que la progesterona tiene un enlace doble conjugado con el grupo ceto C-3. En el último paso de la síntesis, la doble unidn se desplaza, generando el producto mAs estable.

21. (a)

AA BB cc DD

EE FF GG HH II

JJ KK LL

MM

NaHCO, no ácid0 no ácid0 no ácido no ácido

OH O H AA

(b) N no ácid0 no ácid0 no ácid0 ácid0 éster Et

no ácid0 no ácid0 no ácid0

no ácido

Ac,O d o 4 H d o 4 H un “ O H no--OH

CH? --CH-

OH BB

aHC0, un “ O H U - O H un “ O H no “ O H no “ O H

no “ O H dos “ O H no “ O H

un “ O H

Tollens Schiff HIO, “ C H O no “ C H O no no es 1,2- diol “ C H O no “CHO no 1,2-diol “CHO no - C H O no no es 1,2-diol acetal acetal no es 1,2-diol

-CH2 CHiOCHzCHz HZC -OCH3 1 1

OH OH OCH, cc DD

Ac,O Tollens Schiff HIO, “CHO “ C H O a-hidroxi aldehído a-hidroxi cetona-CHO no a-hidroxi cetona “ C H O “ C H O a 4 H no “CHO no “CHO no no es 1.2-diol “CHO “CHO no no es 1.2-diol

“CHO no “CHO no no es 1.2-diol “CHOno “CHOno 1,2diol acetal acetal 1,2-diol implicad0

“CHO no “CHO no 1,2diol formado

(debe ser formiato)

en acetal

por acción del HzO

431


CHTFHCHO CH3- C-CH? CH2CH2CH0 CHiCHzCOOH HCOOC2H5 I ' I

O H O O H O H

EE F F GG H H I f

CHOH O-CHz

CHOH O-CHZ 0 OH CH ,COOCH) CH:' 1 HZC"CH---CHl

'\ H r C / j % /

JJ K K L L M M

22. (a)NN y O0 son Acidos malónicos sustituidos; pierden CO, cuando se calientan (C,H,,O, - CO, = C,H,,O,). Son estereoidmeros, y difieren en la relación entre grupos -Cq, los cuales pueden ser trans o cis.

C H I N N

trans

Racémico

CH 1

PP

Racémico

CH 3

Un producto

COOH

H

O 0 cis

Aquiral meso

H H

QQ RR

Diastere6meros Aquiral Aquiral

Dos productos

(b) Sólo se puede resolver el isómero trans; el idmero cis es aquiral y meso.

23. (a) La eriuosa es un aldehído y contiene tres "OH. La ruptura con 3HI0, indica que presenta la siguiente estructura, que contiene dos carbonos quirales:

432


Laoxidaci6n de (-)-eritrosadaun kidodicarboxílico, HOOCCHOHCHOHCOOH. Puesto que este hcido es 6pticamente inactivo, debe tener la configuraci6n meso, lo que indica que la (-)-eritrosa es el compuesto 2R,3R, o bien su enanti6mero.

CHO

O H H

COOH COOH COOH 2R,3R meso-¿ícid0 2S,3S mismo meso-ácido

La (-)-treosa debe ser un diasteretimero de la eritrosa, ya sea el idmero 2 S , 3R, o bien el m, 3s.

CHO COOH I

CHO I I

COOH I ';p,t" HTzH __f HNO, '$OH

OH M 0 HO H

CHZOH COOH CHzOH COOH I

2S,3R Acido activo 2R,3S Acido activo

(b) H ~ O H A CN- H i

CHzOH

R-Gliceraldehído

CHO I He H'1 H z 0

H

CHzOH

Hof H

H OH

CHzOH

H -1HzO

COOH CHO

Br2. H z 0 - H OH

CHzOH CHzOH ( - )-Trcosa

(Compárese con el problema 11, Cap. 2 1, pAg. 776.)

Los nombres de estos compuestos forman la base para las designaciones eritro y treo (vtase la phg. 354) que se utilizan para especificar ciertas configuraciones de compuestos con dos carbonos quirales. El idmero eritro es aquel que puede convertirse (al menos en principio) en UM estructura meso, mientras que el idmero (reo se puede transformar en UM modificación radmica.

433


24. (a) Las tres seiiales con la misma área en el espectro de RMN a temperatura ambiente deben provenir, por supuesto, de los tres grupos metilo de la amida. Los dos grupos metilo en el

nitrógeno no son equivalentes, lo que indica que está impedda la rotación alrededor del enlace C-N. Aun a temperatura ambiente, la rotación es lo bastante lenta para que el espectrómetro de RMN vea estos grupos por separado: uno cis y el otro trans con respecto al oxígeno. Conforme aumenta la temperatura, la rotación se acelera, y a 110°C los dos grupos se observan en un solo ambiente promedio.

Esta rotación impedida sugiere que el enlace C-N tiene carácter de doble enlace, el cual se atribuye a la resonancia que involucra a estas estructuras:

Como veremos después (Sec. 40.8), hay otra prueba que apoya el carácter parcial de doble enlace para el enlace C-N en las amidas: la longitud del enlace y la coplanaridad de los seis átomos participantes.

@) Esperm’amos que el espectro de RMC mostrarael mismo efecto de la temperatura que el espectro de RMN protónica: tres señales a temperatura ambiente, dos de las cuales se juntarían en una a 110°C. Esto es lo que en realidad se ha observado.

(Abram, R.J., y Loftus, P., Proton and Carbon-13 NMR. Spectroscopy, Heyden, Filadelfia, 1978, págs. 171-174.)

O

OCHZCH? X. (a) C H ~ C ~

\ (b) CHL=C- COOH (c) CbHsCH2CONH:

1 C H ? Fcnilacetamida

Acetato de etilo Acido rnetacrílico

(Vhnse los espectros rotulados de la pág. 864 de esta Guía de Estudio.)

Formiato de n-propilo Propionato de metilo Acetato de ctilo

(Vhnse los espectros acotados de la pág. 865 de esta Guía de Estudio.)

434

DERIVADOS FUNCIONALES DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS

Anisato de etilo

(Vhnse los espectros rotulados de la pág. 866 de esta Guía de Estudio.)

CAPITULO 24

Acetato de isopropilo y-Butirolactona


O O 29. (a) CH2=C(CH,)CH

\ OCH,CH,CH2CH,

Metacrilato de n-butilo Acetato de ciclohexilo

C2H,00C,, , H (c) ,C =Ci

H COOC, H

Fumarato de dietilo

(Véanse los espectros con acotaciones de la pág. 863 de esta Guía de Estudio.)

30. C H X , 40 O

C,HJH~C/( C&fKH2CHzCOOH O C H Z C ~ H , OCHj Acido hidrocinhico

Acetato de bencilo Fenilacetato de metilo SS

uu TT

(V&nse los espectros rotulados de las págs. 868 y 869 de esta Guía de Estudio.)


OCH==CHZ Acetato de vinilo

vv (Véame los espectros acotados de la pág. 870 de esta Guía de Estudio.)

COOEt H COOEt I

32. (a) Et00C(CH2),COOEt (b) Et- -C-Ph (c) CHI C .-N-C - H I '

Adipato de etilo I I COOEt 0 COOEt

Etilfenilmalonato Acetamidomalonato de etilo de etilo


25

Carbaniones I Condensaciones aldólicas y de Claisen

25.1 111, en la cual la carga negativa reside en el oxigcno, el Atom0 que mejor la puede acomodar.

25.2 El hidrógeno más ácid0 es el que se encuentra unido al carbono situado entre los dos grupos carbonilo. La eliminación de un protón genera un anión muy estabilizado porque la carga negativa se acomoda en dos oxígenos (y no en uno solo).

25.3 Mediante una resonancia como la de los radicales libres ( S e c . 15.15) y carbccationes (SCC. 15.17), un grupo fenilo estabiliza un anión bencílico; cuanto más grupos fenilo hay, tanto mayor es la estabilización.

25.4 (a) El CN- se adiciona al sistema conjugado de la manera que genere el anión más estable, aquel en que la carga es parcialmente acomodada por el oxígeno, que es el átomo que mejor lo puede hacer.

(b) Este anión acepta un protón ya sea en el carbono a, o bien en el oxígeno, para generar ya sea la forma cetbnica o la forma enólica del producto. En cualquier caso, al final se obtiene el mismo producto, principalmente la cetona.

431

CAPITULO 25 CARBANIONES I

CN H CHJ I ' I I

CH J

CH?- C-C C~ -OH Forma enol

IT C N

Opticamente inactivo: modificación racémica

438

CARBANIONES I CAPITULO 25

Cuando el carbanión recobra un protón de H : B, el protón puede unirse a cualquier cara del carbanión y, dependiendo de la cara a la que se una, dará uno u otro enantiómero. Puesto que la unión a cualesquiera de las caras tiene la misma probabilidad, los enantibmeros se forman en cantidades iguales.

(b) I1 puede dar un carbanión, el cual, como en (a), pierde fácilmente su configuración. I11 no tiene hidrógeno en a, y no puede formar un carbanión.

(c) El paso determinante de la velocidad en el intercambio de hidrógeno es el mismo que en el caso de la racemizacih y, en consecuencia, de la bromación: aquel en que se forma el carbanión.

CH3 I y 3 (1) Ph--C-C-C2H5 + OD- - Ph-CC--C-C2H, + HOD Lenfo

I I I 1 ; ) O H O_/ o

Sin marca Hidrógeno separado Opticamente activo Aquiral

CH, CHI I ( 2 ) I'h-C-C!-C2H5 + D 2 0 --f Ph-C-C-C2H5

A A O D I I I Marcado con D

Opticamente inactivo

Este es el eslaMn final en la cadena de pruebas que demuestran que la pérdida de un hidrógeno en a es el paso determinante de la velocidad en la halogenación. Cuando el carbanión recobra un ion hidrógeno, (i) este ion, por probabilidad estadística, tiene la misma oportunidad de atacar cualquier cara del carbanión y así generar una modificación rackmica; y (ii) este ion, tambiCn por probabilidad estadística, es casi seguro que sea deuterio, ya que el ácid0 (el disolvente) es en su mayor parte D,O. Una vez establecido que el carbanión es el intermediario tanto en, la racemización como en el intercambio de hidrógeno, y en vista de la relación que guarda la racemización y la halogenación podemos concluir, razonablemente, que el intermediario en la halogenación tambiCn es el carbanión.

25.6 (a) Como en el problema 25.5 (a), la racemización se lleva a cabo a traves de un carbanión aquiral, y el acomodo de la carga negativa es realizado por el oxígeno del acilo.

O //" Ph-CH C -OEt 5 Ph C :C O E t

! I I I

O H OH Aquiral

(b) Es más difícil que se genere el anión con doble carga (el carbanión y el ion carboxilato) que un anión con una sola carga.

o Ph C H COO Ph C -6- O

OH OH i


(c) Muy lenta (si es que ocurre), pues no hay en a un hidrógeno disponible para que, por su eliminación, se forme el carbanión.

25.7 Se esperaría que la velocidad de racemización fuera el doble de la de intercambio, puesto que la ganancia de un deuterio significm'a casi la p6rdida de actividad óptica de dos moléculas. (Véase la respuesta al problema 5.5, pág. 184), en el cual la velocidad de racemización es el doble de la del intercambio isotópico.)

25.8 (a) Ambas reacciones proceden mediante el mismo paso lento (2), página 896, la formación del enol. (b)Igual que en (a).

25.9 (a) HSO,

O H

H3C 1

CHI YH3 Ph i I

(c) Ph- C -0 + [PhCOCHJ - Ph -C-CH2COPh - Ph-C ~CH-C ~0 - H 2 0

OH

H Ph ( e ) PhCH2C O + [PhCHCHO] --f PhCH2CH - -CHCHO

i Y",.

1 O H

(Unaresefia de la condensación aldólica, puede encontrarse en Nielsen, A. J. y Houlihan, W. J., "The Aldol Condensation", Organic Reactions; Wiley, Nueva York, Vol. XVI.)

25.11 Se obtiene una mezcla de productos aldólicos, pues se puede formar cualesquiera de dos

carbaniones, que luego se adicionan a la cetona.


25.12 CH3-C-H + H' J CHj--C H T", CH2 C--H + H '

O I 1

@ O H O H

Electrófilo Nucleófilo Aducto protonado Aldol

25.13 (a) El paso (2) es mucho más rápido que la inversión del (1); apenas formado el Cgrbanión (paso l), reacciona con una segunda molkula de CH,,CHO (paso 2) antes de poder hacerlo con agua (paso 1 invertido) para formar una molkula de acetaldehído que, en D,O, contendría deuterio. Más exactamente,

Velocida$= k,[carbanión][aldehído] velocidad -,=k-] [carbanih]

Evidentemente, k,[aldehído] es mucho mayor que k-,, y la velocidad, es mucho mayor que la velocidad-, . (b) De segundo orden.

Velocidad=k, [aldehído][base]

En los términos más exactos del párrafo escrito con letra pequefia en la phgina 19 1,

k , [aidehído] [base]

1 + - k - k 2 [ aldehído ]

velocidad=

Cuando [aldehido] es elevada, k, [aldehído] es mucho mayor que k-,, y el término k-,/k, [aldehido] es muy pequefio en comparación con 1 y desaparece.

(c) Cuando [aldehído) es baja. k, [aldehído] deja de ser mucho mayor que k-,, y velocidad, ya no es por más tiempo mucho mayor que velocidad-,. En consecuencia, un número significativo de carbaniones sufren el paso (1) invertido, en lugar del paso 2, con lo que toman deuterio para formar CH,DCHO. Cuando estas molkulas de acetaldehído marcadas eventualmente sufren la condensación aldólica, se transforman en aldol marcado.

(d) El paso (2), la adición al carbonilo, es más lento para una cetona, no siendo ya mucho más rápido que el inverso del paso (1).

441


25.14 Es una condensación aldólica inversa de la acemna (uldol retrógrada o retro aldol). De acuerdo con el principio de reversibilidad microscópica (phgina 288, todos los pasos de la condensación aldólica, están involucrados, pero en el orden inverso:

CHs I

O H i

O

CH?

I O o ' i

CH3--C--CH2--C -CHI + OH- e CH, C - ~ C H L -c ~ - c H ~ + t 4 2 0 I

CH 1 I

I 1 O

[CHlCOCH;] t HLO C H I C + OH

25.15

El traslapo de orbitales IC de los enlaces dobles carbono-carbono y carbonooxígeno, muy similaradelosdienosconjugados(v6aselaFig. 10.5,págg.393)yaldelosalquenilbencenos.

25.16

O (de i-PrOH)


Ph I Ph

Ph

(d) PhCH2CH2CH--CH,0H f " A Ni PhCH,CH=C-CHO 4 - H z 0 : I

PhCHzCH-: CHCHO 1 : OH

i OH

2PhCH2CHO (de PhCH2CH20H)

2PhCCH 1

O I

(de PhCHOHCH,)

25.17 Et

I red. I Et

EtCH,CH-CHCH,OH t- EtCHzCH -CHCHO 2EtCH2CH0 f-" w B u O H oxid.

I O H OH

''6-12"

25.18 Vea las páginas 1053 - 1054.

25.19 P h C H O (de PhCH,)

(a) PhCH2CH2FHCHj i Ni PhCH=CHCCH3 +r I 1 '

OH O '- CH,COCHJ (de i-PrOH)

CAPITCLO 25 CARBANIONES I

PhCHO f" PhCH, (b) PhCH2CH2CHPh - PhCH CHCPh 43$L Hz, N I

I O H

I o CH %CPh origina 752)

! (C) PhCHzCHzCHzPh C-" PhCH2CH"CHl'h PhCHlCHZCHPh t- ( b )

H,. NI ~ ti .o

I OH

Ph I

Ph - PhCHO (de PhCH,)

'-- PhCHICHO (de PhCH,COCI) (d) PhCHlCHCHzOH PhCH CCHO + - H 2 0 I

H,, U1 OH

7PhCHO (de PhCH,)

CH3COCH 1 (de i-PrOH) (e) PhCH CHCCH CHPh

O L

25.20 (a) El hidrógeno en y será ácido, puesto que la carga negativa del anión es acomodada por el oxígeno elcctroncgativo a través del sistcma conjugado.

(b) PhCH C H ~ C H CH CHO *-% PhCHO -t CH3CH CHCHO 2CHiCHO

25.21

CH ,COOFt + [CH,COOEt] - PhCH - CH,COOEt PhCH ~ CH,COOEt Otl PilC'HO

I l 0- OH

PhCH CHCOOEt Cinamato de etilo

25.22 En todos los casos (exccpto en d), la base separa un protbn, el cual se encuentra en posición ulfa respcclo a uno o más grupos atractores de electrones (--NO,. ---C"N, ~ C -:=O, incluso 2,4-(N0,)zC,H3-~) para dar uno de los siguientes aniones:


Ya formado el anión, éste se adiciona al aldehído o a la CetOna para dar un producto similar a un aldol; se protona el grupo alcoxi, y se pierde agua. En (e), también se necesita hidrolizar el anhídrido intermediario.

(Para una revisión de estas reacciones, v6ase Johnson, J. R., “The Perkin Reaction and Related Reactions”, Organic Reactions, Wiley,NuevaYork, Vol. I, Cap. 8; Jones, G., “The Knoevenagel Condensation”, Organic Reactions, Wiley, Nueva York, Vol. XV, Cap. 2.)

25.23 Una eliminación ”+ 1- y 2-buteno.

(Para un análisis general de la reacción de Wittig, véase Trippett, S . , “The Wittig Reaction”, Q. Rev., Chem. Soc. 17,406 (1963).)

25.24 En todos los casos, con excepción de (c), hay dos combinaciones de reactivos que, en el papel, podrían dar el producto deseado. Se indica la mejor combinación en (a), (b) y (d); en cada una de las alternativas, la preparación del iluro se vería acompañada en gran medida por eliminaciones. Compare con el problema 25.23.

(a) CH,CH2CH2CH-CCH2CH3 t- CH3CH2CH2CH- PPh, + O-CCH2 CHI I I

CH3 CHz 2-Butanona

C W I

CH, I

(b) Ph-C-=CHCH*Ph + Ph-C ~0 + Ph,P= CHCHzPh

H I

(c) Ph-CH ZCH-Ph + Ph-C= O + PhjP-- CHPh

(e) PhCH ~ CH-CH- CHPh - PhCH-=CH-&-=O + Ph,P- CHPh


(b) PhCOCHI +- benceno t anhídrido acético AICI,

P h l P CHCHzPh +%- BrCHzCHzPh HOCHzCHzPh (página703) PBr

(c) PhCHO a-- PhCHCl? f--------"- PhCHj ZCI?, calor

Ph,P CHPh C1CH2Ph -- PhCH3 cl2, calor

PhCH-CHCHO PhCHO (Como enc) + CHiCHO EtOH KCr207

Ph3P=CHPh +" como en (c)

CH,=CHCHO c-" Glicerol + NaHSO, (Véase el problema31.5 pág. 1064) calor

PhiP CCOOMe % BrCHCOOMe CHJCHzCOOMe Ph3P

CH3 C H j 1

CHjCHzCOOH - n-PrOH K MnOd


H H I I I I

H

PhO-C-CCH,CHI - O-=C-CHCH~CH,

HO CH, CH, Hemiacetal C

Una regla general: la ruptura de los éteres vinílicos es particularmente fácil (cornpáresecon el problema 14, Cap. 21, pág. 777).

La secuencia constituye una ruta general para obtener aldehídos.

H

C O PhlP-CH \

PhlP--CH / CH2

Wittig doble

I

H E F

CARRANIONES I

25.29

\ H

ci.r-2-Octcno Ph2PCCI 3

I t

Ph2PCH 1 I *

y cniant6metro H

Los equilibrios (1) y (3) en la condensación (pág. 906) son rcvertidos p o r el EtOH. Cuando la reacción se lleva a cabo cn éter, toda la condcnsación continúa hasta la formación de producto.

(Para una rcsciia dc la condcnsación de Claisen, vCase Hauser C.R. y Hudson, B.E., Jr., "The Acetoacetic Ester Condcnsation and Certain Related Reactions", Organic Reactions, Wilcy, Nucva York, Vol. I, Cap. 9.)


(c) No, porque es difícil hacer anillos de 3 y 4 miembros.

La aparición de 12 carbonos en el producto indica que esth implicadas dos molkulas de succinato de etilo; la p6rdida de 2C,H,OH sugiere una condensaci6n de Claisen doble.

C l h H 2 X O H 2 succinalo de etilo -C ,?HI ,O , producto

C 4 H I 2 O 2 cquivale a 7C2HsOH

ckfooEt c t-” Clalsen HI$’ ‘YHCOOEt

[EtOOCCH CH, EtOOC’ y’ kc<

o O GOEt

(Para una revisión, véase Schaefer, J. P. y Bloomfield, J. J., “The Dieckmann Condensation”, Organic Reactions, Wiley, Nueva York, Vol. XV, Cap. 1.)

El PhCOOEt se mczcla con NaOEt, y luego se ailade lentamente CqCOOEt. HCOOEt y NaOEt, luego lentamente C4COOEt. Oxalato de etilo y NaOEt, luego lentamente CH,COOEt. Carbonato de etilo y NaOEt, luego lentamente PhCH,COOEt.

En todos los casos se mczcla un &ter sin a-H con la base, y luego se agrega un Cster que contenga a-H. El primer éstcr no puede sufrir aumondensación, de modo que es estable frente a la base. Cuando se afiade lentamente el segundo Cster, este seconvierte en un anión en presencia de una gran cantidad del primer Cster, y una muy pequeila del segundo; por consiguiente, y por razones estadísticas, el carbanión se aAade principalmente al primer Cster para dar un producto cru7ad0, con buen rendimiento.

(a) Reemplace el anión I de la las pAginas 906-907 por CH,COCH,,, el cual se obtiene mediante la acción del OEt sobre la acetona.

n I1 Lf

(b) CHJCHlC-OEt + -CH?COCH, --j CH.3CHI-C-CHZ- C-CHI

O I / O

I 1 O

2.4-Mcxanodiona

CARBANIONES I

/"l I I / I O O

I 1 O

(C) PhC-OEt + -CHzCOPh "+ Ph-C-CH2-C-Ph

Dihenzoilmetano

Ph

25.33 (a) PhC-f-CH-C-OEt -+S ! I PhCOOEt + PhCH2COOEt

O I I

O I 1

COOEt OEt EtOOC COOEt + EtOOCCHzCHzCHzCOOEt

O 0 Oxalato de etilo Glutarato de etilo

o Ftalato dc etilo

H Ph 1- I

1. (a) P h C H 2 C ~ = 0 + [PhCHCHOI- '- PhCH2CH-CHCHO I

OH

Ph

(b) Como en (a), luego PhCH2CH-C-CHO - H20 H+ t PhCH2CH-(!-(!--=O I

I 1 OH H

Ph H

(c) Lo mismo que en (a).


(d) PhCHzCHO Br2'CC'4+ PhCHCHO I

Br

H 1

(e) PhCH2C=0 + Ph,P=CHz ~ Ph ,PO PhCH>CH=CHz

(b) Como en (a), luego O H

- H2O

(c) Lo mismo que en (a).

( e ) c) O + Ph,P=CH* ~ Ph \PO CH2 (vCasc la pág 893)

3. (a) No hay reacción

H I H H H

O H - 1 1 (C) PhC--~O + C H I C H O + PhC-C - C = O

Cinamaldchído

CARBANIONES I

H I

H H I 1 (e) PhC--O + CHI - C ~ CHI -- OH + PhC--C--- C-CH,

1 1 ¡ I O O

Bcnyalacctona (Ef benzal es I'hCHx)

CH!C\\ Acido cidmico o

( k ) Cannizzarocruzado: PhCHO 4 HCHO PhCH20H -t HCOO N a '

(Compkcse con cl problema 25.20, phg. 903.)


H I

(m) PhC=O + Ph3P=CHCH=CH, - PhJPO z PhCH ~CH-CH CH2

I-Fenil-1,3-butadieno

H I H

I H H (n) PhC-O + PhjP-C-OPh - PhjPO I I

PhC=C-OPh

H H I / n+ (O) PhC=C-OPh m PhCHzCHO

(de n) Fenilacetaldehído

Los &eres vinilicos se rompen fácilmente; compare con el problema 14, Cap. 21, página 777.

(e) CH3CH2CH CCHO producto (a)

CH

(dl CHjCH>CH=CCH?OH c-- - producto (c) 9 - H B N

I HOCH,CH.NH, CH 1

(e) CH,CH~CH--CHCH~OH Hz* N' I t OH CH,

producto (a)

( f ) CHjCH2CH2CHCOOH < I

CH 3

calor producto (b)

(8) PhCH=CCHO PhCHO + CHICHzCHO I

CH3 - H2O

(h) CHjCD2CHO + CHjCHZCHO + DL0 + OD

El hidrógeno cx ácido se intercambia fácilmente con deuterio.

( i ) CH3CH2CH"O t- CHACHlCHO + H2'R0 + H'

Compare con el problema 21.9, página 771.


5. (a) Es necesaria la eliminación de IC: pruebe la reaccidn del haloformo (Sec. 18.9).

Ph 1

(C) CH, CH CHI CH Ph t i (producto (b) H , , N I

O H 1

6. Todas estas reacciones son condensaciones de Claisen, por Io que dan productos p dicarboníhcos.

CARRANIONES I CAPITULO 25

(d) HCOEt + CHzCOOEt HC--CHCOOEt I 1 I ¡ I ~

O CH 3 O C H I (sólo se conocen a m o derivados del sodio)

(e) El oxalato de etilo es un diéster, por lo que puede participar en dos condensaciones de Claisen sucesivas:

EtOOC COEt + CHLCOOEt a EtOOC C CHCOOEt I I I 1 I O CH2COOEI O CH2COOEt

Oxalato de etilo Succinato de etilo

EtOOCCH, + E t O C C CHCOOEI ~--% EtOOCCW C-C- CHCOOEt

EtOOCCHz O O CHzCOOEt EtOOCCH, O O CH2COOEt I / I I I i 1 1 1 1

Succinato de etilo Producto de primer Una a-dicetona Segundo mol P a 0

El producto inicial no sufre condensación de Claisen intramolecular (condensacidn de Dieckmann), evidentemente por su renuencia a formar un anillo de cuatro miembros.

La condensación cruzada de Claim del oxalato de etilo es el primer paso de una ruta útil para la obtención de a-cetoácidos (véase el problema 30.9, pág. 1049) y de allí, la de a- aminoácidos (problema 40.13, pág. 1332).

(f) PhCOEt t CHICOOEt x PhC CHCOOEt

o Ph 1

O Ph

O O

(h) PhCH2COEt + CH3CPh PhCH2C"CHlCPh OEt-

1 1 I / I I I 1 O O O O

(i) También el carbonato de etilo es un diester, y puede participar en dos condensaciones de Claisen sucesivas:

EtOCOEt + CH,CPh 3 EtOC-CHZCPh / I I I I / I I O O O O

Carbonato de etilo

PhC-CH3 + EtOC-CH2CPh PhCCH2-C-CH2CPh

O I ¡

O I 1

O / I

O 1 1

O o ¡I

Acetofenona Producto del Una tricetona Segundo m o l primer paso

El carbonato de etilo es 6til en trabajos de síntesis para la introduccidn de un grupo carbetoxi, "COOEt, tal como en el primer paso de este problema. (Véase otro ejemplo en la pág. 908.)


(a) CH,C-CH2COOEt CH,C-CHCOOEt CH3CH2C-CHCOOEt I, 1 1 I1 I O O CH? 0 CH3

(b) No. Dm'a un rendimiento muy pobre para cualesquiera de ellos, contaminado por los otros dos.

PhCOOEt + CHJCH2COOEt

h PhCOCH,CH3 + EtOCOEt b I 1

O Carbonato de etilo

Ph I /

(b) PhCH,C/C-COEt t" PhCHZCOOEt + PhCHZCOOEt OEt-

O H 0 1 1 : I I I

C H j ! I

I l l 1 ~

O H 0

(c) EtOOC-C+C -COEt EtOOC -COOEt + CH3CH2COOEt Oxalato de etilo Un mol

H O ¡ I

(d) P h d ~ COEt e HCOOEt + PhCHzCOOEt

H C O - - .,- - -

(f) P h C k H 2 C C H 3 a PhCOOEt + CHICOCHl

o I ¡ : O

: I

o o

(h) EtOC-CHCH,COEt toE' HCOOEt + EtOOCCHzCH,COOEt " I o Formiato de etilo Succinato de etilo o"-;"-

Un mol HC O


9. Recuerde que a menudo es posible obtener el isómero cis mediante la hidrogenaci6n de un enlace triple con el catalizador de Lindlar (Sec. 1 1.8).

CH3 I I ' I O H o O

10. (a) CH3-C-CH2-C-CH, - OH ~ 2CH3CCH, m i-PrOH

(c) CHjCH ==CHCHO t-" CHJCH ---CH2CH0 2CHlCHO (de EtOH) - H20

OH I

(d) PhCH=CHCHZOH < NaBHI PhCH==CHCHO PhCH-CHICHO [ OH I

t- PhCHO + CHjCHO (de (de EtOH)

PhCHs)

_OH- N 0 2 0 C H 0 + CHjCHO

(página 751) (de EtOH)

CAPITULO 25 CARRAMONES I

( f ) CH3CH -~CHZCH* CHJCH-CHZCHO c-- 2CHjCHO (de EtOH) Hz, Ni OH ~

I O H OH OH

CHI I I

OH (de sec-RuOH) (de acclileno)

CH3

(h) CHICH2C-C:~CH t- C H , C H 2 C - - 0 + NaC-YCH

,-- P h C H ~ - - C H C H O (página 902)

(1) P h C H C H C H C H C H - C H 2

I- Ph,P=CHPh s CICt+:Ph (de PhCH,)

(j) P h C H C H C H C H C H C H P h

I-- p h C H = C H C H = = C H C H O A PhCH-CHCHO (página 902)

C H , C H O (de EtOH)

o Acido cinimico

COOH Y H H \

H---OH

(m) Ph

Ph OH H Acido trans-cinámico

(problema 25.22, pág. 903)


11. Por medio de una condensación parecida a la aldólica se forma un y-hidroxikido, el cual posteriormente produce la y-lactona (&ter cíclico).

Me COOH Y B

MeCH-CHCOOH H >CCOO H t- CHjCHO + I

OH CHzCOOH H2CCOOH O

c(

Una y-lactona Una yhidroxiácido Un éstet cíclico

t- ZCH3COCH:j base - H z 0

Acetona

13. (a) La acilación puede ocurrir en cualesquiera de los carbonos c1 de la cetona.

PhC"CH2CCH,CH, I I 1 1 O O

PhCOEt + l l O

CH,C--CHCH, ¡ I I o C"0

I Ph

(b)Una prueba con yodoformo ( S e c . 18.9) podría distinguir los dos posibles compuestos.

14.

(a) CH3-C=C-COOEt * , H20 Hg2 + + [ CH,-Z-;CH-COOEt "-f CH,-C-CH2-COOEt 1 O I I

CAPITULO 25 CARRANIONES I

15. Una condensación aldólica cruzada convierte el HCHO en un grupo metilol, -€H,OH.

Otras dos conversiones de este tipo (ya que todavía hay dos hidrógenos a) darán un compuesto tri-metilol.

H H H CHzOH I HCHO I HCHO I 1

O -=C-CHZ-CHZOH OH O = C-CH --CH*OH O-C--C "CHzOH ~ I

CHzOH CHzOH

En este punto se han consumido todos los hidrdgenos a, pero ahora puede ocurrir una reacción de Cannizzaro:

H CHzOH I 1

CHzOH 1

I 1 base HCHO + O-C-CH2OH + HCOO- + HOCHz-C-CHzOH

CHZOH CHzOH No hay hidrógenoa Pentaeritritol

16. Intercambiamos protio por deuterio de una manera conveniente y regioselectiva, tratando ía cetona con DzO en presencia de base o ácido (véase el problema 25.5 (c), pág. 895).

OH Q

H X I t 17. (a) H-C-C-C-H Ani& mbs esfuhle

H X I t I ! I I

H-C-C-C-H

H O H H ! ! I I

8 O H

L.--+ H - C d - C - H No se forma

La atracción electrónica por parte del halógeno hace que los hidrógenos unidos al mismo carbono con el cual el halógeno se acaba de unir, sean más ácidos y, en consecuencia, se puedan eliminar más fácilmente por la base para permitir la sustitución posterior.

OH OH (b) RP-C-CX, *

I / I I I O O

R-AeCX, - R-(! + CX3- - RCOO- + HCX,

TO -

CARBAMONES I CAPITULO 25

La atracción electrónica de los tres halógenos hacen que CX3- sea una base muy debil (si se compara con un carbanión) y, por lo tanto, sea un buen grupo saliente.

Asi pues, los dos aspectosesenciales de lareacción del haloformo-la regioespecificidad de la halogenación, y la ruptura- están controlados por el mismo factor: la estabilización de un carbanión a traves de la atracción electr6nica por parte del halógeno.

18. A juzgar por la acidez de los hidrógenos y de los aldehídos a, & - n o saturados (problema 25.20, pág. 903) y en vista de la estructura del citral (problema 25, Cap. 21), proponemos:

CH, H I 1 1 cond. aldólica I

CHI H I CH, I CHJ H I CHJ-C CH PC -0 + CH,"C-zCH"C=O CHJ-C-=CH"CH-~ CH-C CH PC O

P-Mctilcrotonaldehído Deshidrocitral Dos moles

19. Por reacciones de Wittig en dos puntos de la molkula.

Brornuro dc isopentilo

20. El éster acetoacético es lo bastante &ido para desplazar CH, a partir de CyMgI.


21. (a)

(b) En la formación de C se genera el nuevo doble enlace carboncbcarbono con las dos configuraciones posibles, para dar una mezcla de diasteredmeros: (9Z, 11E) y (9E, 11E). Aunque no podríamos haber deducido esto de las pruebas presentadas, la feromona real tiene la configuración (9Z, 110 .

462


A partir de este indicio no podemos deducir la estereoquímica en la posición 10, esto es, la configuración del doble enlace generado en la formación de J. La feromona real es el isómero (IOE, 122).

"\ ,x

n-C3H7, / C.=C \ \ ~

,e-c

,CHL(CH>);CH:OH

\ H H H

(lOE, 12Z)Hexadecadien-l-ol Bombicol

Atrayente saua1.de la polilla del gusano de la seda

23. (a) Tautomerización catalizada por base:

H I I I -C-C-+ : B a H : B + - C - C - T : B + ~C C

o ' Base O / > Base OH 1

Forma ceto Anión híbrido Forma enol

Tautomerización catalizada por ácido:

H I

H ! I

-C-C- + H : B e : B + -C-C- e H : B + C C

O I' Acido 1 1 I Acido OH I 3 OH

Forma ceto Catión Forma enol

(b) y (c) El enol esd estabilizado por: (i) la conjugaci6n del C= O restante con el C=C, y (ii) el puente de hidrógeno intramolecular:

I C ,y \ -c-c-c- PC c- I 1 I ~l O H 0 OH O

I / :

Forma ceto Forma enol Conjugación

Quelación Compuestos 1,3- o Pdicarbonflicos

24. (a) C I ~ H ~ O O , material de partida - C1oH1402 compuesto A

C2 H6 0 lo que significa p6rdida de EtOH

http://saua1.de


La pérdida de EtOH sugiere una condensación de Claisen interna entre el grupo &ter y un carbono a de la cetona. De las dos posibilidades, escogemos la que da un anillo de seis miembros.

La pérdida de 2C,H,OH sugiere una doble condensación de Claisen.

.. + enantiómero

M

l o o

Las proporciones de a:b, y de 2d:c son iguales; el valor de las mismas (5.6: 1) indica que hay aproximadamente un 85% de enol.

Todo es enol. La conjugación del doble enlace cubone-carbono con el anillo estabiliza el enol y excluye a la forma ceto.


26

26.1

Aminas I. Preparación y propiedades fisicas

RNH2, RH, RCOOH

HCO,-(ac)

4, RCOO

J.

RNH2, R H

H+ (ac) Hi (ac)

RCOOH

'.

La mezcla sólida se puede tratar directamente colectando cada compuesto insolubre en un filtro. Los líquidos son más fáciles de manejar si previamente se disuelven en éter; los componentes de la mezcla se separan mediante un embudo de separación, considerando que las sales solubles en agua serán insolubles en éter, y que los compuestos insolubles en agua serán solubles en éter.

26.2 Al igual que el amoniaco, el carbanión tiene una barrera energética, baja y fácil de superar, entre los arreglos piramidales que son imágenes especulares entre sí. La unión de un cuarto grupo al carbanión puede ocurrir sobre cualquier arreglo, y dar así la modificación rackmica.

465

CAPITULO 26 AMINAS 1. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

26.3 A temperatura ambiente, la inversión sobre el nitrbgeno es lo suficientemente lenta para que la RMN detecte dos tipos de protones en el anillo: dos protones cis y dos protones trans al etilo. A 120°C, la inversión es tan rhpida que los cuatro protones se ven en posiciones promedio: son equivalentes.

H

H H

26.4 (a) IV existe como dos pares de enanti6meros, y cada par es diastereomkrico con respecto al otro. En un par, el -CH, y el 2 1 esth cis, y en el otro par, trans.

La interconversión de diastere6meros requiere la inversi6n sobre el nitrdgeno, la cual - probablemente debido a la rigidez del anillo de tres miembros" es tan lenta a 25°C que los diastere6meros se pueden separar.

(b) La peroxidación de un doble enlace carbono-nitr6gen0, al igual que la de un doble enlacecarbonmarbono, produce un anillo rígido de tres miembros, que contiene nitr6geno y oxígeno.

Este existe en formas enantiomkricas:

Ph Ph

1 Ph Ph

Enantiómeros

El estado de transición para laepoxidaci6n contiene tanto elcentroquiral del peroxiAcido como el centro quid que se desarrolla en el ep6xido; en consecuencia, existen configuraciones diastereoméricas de diferente energía. Puesto que el peroxiácido es ópticamente activo, predomina un diastere6mero en el estado de transicidn, lo cual hace que predomine uno de los epóxidos enantiomCricos "y, por lo tanto, el producto es 6pticamente activo". (Este

AMINAS I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS CAPITULO 26

proceso se conoce, como inducción asimétrica.) La interconversión de los epóxidos enantiomCricos requiere que se lleve a cabo UM inversi6n sobre el nitrógeno, la cual, como en (a), evidentemente es muy lenta.

(Brois, S. J., “Aziridines. XII. Isolation of a Stable Nitrogen Pyramid”, J. Am. Chem. Soc., 90 508 (1968).)

26.5 (i) Degradación de Hofmann:

(ii) A travCs del nitrilo:

n-CSHIINH2 H?, N I n -C4HPC”N + rl-BuBr t- n-BuOH C N PRri

(iii) A VavCs del halogenuro:

26.6 (a) PhCHzNHz d N H PhCHzCl +‘I2’ PhCHj

N H 2 O

(C) PhCHzCHzNHz 4 Hz, Ni PhCH>C= N PhCHzCl (Como en a)

(d) C H ~ Q N H ~ Fe, H+ CH3@O2 H N O I , H ~ S O I PhCHj

(e) PhNHz f PhCONHz t- PhCOOH J PhCH? OBr N H I PCI‘ K M n O

CAPITULO 26 AMINAS I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

1. (a) I " CH,CH,CH,CH,- NH2 CH3CH2CHCH3 I

NH2 nSutilamina sec-Sutilamina

H CHI H H ! ! I 1

2" CH,CH2CH2--N--CH, CH3CH-N-CH3 CHjCHZ"N--CH2CH-, Metil-n-propilamina Metilisopropilamina Dietilamina

CHI I

3" CHjCH2-N-CH3 Etildimetilamina

(b) 1' PhCH2NH2, bencilamina; o-, m-, y p-CH,CeHJNHZ (las tohidinas)

H I

2" Ph-N-CH,, N-melilanilina

3" ninguna

3. (a) N% en exceso (b) C5H5NHCr0,Cl; N H 3 , H ? , Ni ( c ) N H ; . H z . N i (d) Fe. H ' . calor ( c ) Hz. Ni ( f ) 8 r 2 , OH ~

(g) K > C r 2 0 - : SOC'I, : N H.? ; O B r (h) HBr. N a C N ; H , , N i

Anilina: de (y, en condiciones muy vigorosas, a) Bencilamina: todas (excepto la primera parte de h)

468


(b) n-BuCH2NH2 rc-Bu-C-N c- rl-BuBr C N YI-BuOH

CH EtNHz 1

EtBr e EtOH

(d) CHICH N-~CHLCHJ

H - CHjCOCH, t-" CrO, CHICHOHCHI

Anhídrido acético (prig. 852)

(e) PhCHCH, i NH' ' H z ' Ph-CCH,

N Hz O ~ " C6H6

-I EtCOCl t-- EtCOOH SOCI,

( i ) ,,-Bu ~ CH-Et + H 2 , Ni t7-BU-C -Et

(de n-PrOH) I IN

N HZ O n-BuzCuLi s L n-BuLi

(de -BuOH) Et Br (de EtOH)

(j) PhNH-Et

PhNHz t" PhNO2 ChHh Fe H ' H N O I , H2.501

c Me,CuLi +Gl MeLi

(1) PhCHzCHCHz t--"- PhCHzC-CH, t-

I I 1 N Hz O PhCHzCOCl t-

N H J H2 Ni (de MeOH)

SOCI2

PhCHzCOOH (página 811)

469

CAPITULO 26 AMINAS I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

(n) PhCH-CH2 H:. N I PhCH C--N +!$& PhCHO PhCHC12

OH NH2 I 1

OH (de PhCH,)

5. (a) El mismo número de carbonos:

(b) Un carbono más:

(c) Un carbono menos:

(d) Dos unidades C,;

6. (a) BrCH2CH2Br - NCC2HdCN (+8H)r H2N(CH&NH2 2 C N ~ red

Putrescina

Cadaverina


O I 1

P

o Anhídrido succinic0

9. (a) Par de enantiómeros: carbono quiral. (b) Un compuesto inactivo: aquiral. (c) Par de enantiómeros: nitrógeno q u i d (d) Par cis-trans inactivo: compare con los ciclohexanos 1,4-disustituidos (Cap. 12). (e) Par de enantiómeros: molkula quiral. Los planos de los anillos son perpendiculares entre sí. (Compárese con el problema 6, Cap. 12, pág. 465.)

espejo

N x x N

"

No superponibles

(f) Par de enantiómeros; nitrógeno quiral.

10. (a)

(b) La configuración electrónica sobre C=N es similar a la de C=C ( S e c . 7.2,7.5 y 7.6). Donde los dos orbitales sp2 del C= es& unidos a dos sustituyentes, un orbital sp2 del N= contiene un par de electrones no compartido. Larotación impedida sobre el doble enlace carbono-nitrógeno permite aislar los estereoidmeros.

471

AMINAS 1. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS CAPITULO 26

(c) Ph2C-NOH : no (los dos grupos sobre el carbono tienen que ser diferentes, Sec. 7.6). Los OLTOS dos, sí.

,CHI Ph, ,CHI Ph, Ph \ C N N

I N N

OH HO' Ph Ph' N \~ N \

trans cis Oxima de l a acetofenona Azobenceno

O O 8 ,

O O Ftalimida A

A d a Sal de la irnida

O B

tI-PrNH2 + ocOo COO c'

D

(b) Debido a que el N sólo se puede alquilar una vez, la síntesis de Gabriel produce minas primarias puras, libres de la contaminación de minas secundarias y terciarias. La síntesis se basa en la acidez del enlace N-H de la irnida (en la cual hay dos grupos acilo presentes que aumentan la acidez de dicho enlace).

27

Aminas 11. Reacciones

27.1 (a) Un grupo nitro en posición orto o para al "NH, estabiliza la amina a travks de estructuras como

(b) Tales estructuras no son posibles para el idmero mera. (Trate de dibujarlas, S610 para cerciorarse.)

27.2 (CH3)3A:BF3

27.3 (a) I - CH,CH2CH2CH2CH2NMe2

I1 "+ CH3CH2CHCH2NMe2 I

CH3

(b) CH3CH2CH2CH2CH2Br + Me2NH - CH,CH2CH2CH2CH2NMe2

CH3CH2CHCH2Br + Me2N "+ CH3CH2CHCHZNMe2 I I

CHI CH3

27.4 I --f CH2"CHCH2CH=CH2 isom.' CH3CH =CHCH :CH2 Dienoconjugado calor

más estable

I1 "-+ CH2=CH"C-=CH2 I CH3

CAPITULO 27 AMISAS 11. REACCIONES

27.5 La eliminación E2 de iones-omis (amonio, sulfonio) procede através de un estado de transición semejante a un cxbani6n. La orientación es de Hofmann: hay UM separación preferente de un protón de el carbono que mejor puede acomodar la carga negativa parcial, es decir, se separa el protón más ácido; por ejemplo:

(a) En este caso sólo puede suceder la eliminación en el grupo 2-metil-3-pentilo. La pregunta es: ¿de cuál rama de ese grupo se pierde el protón?

H CH, I CH3

CH- , "CH-CH"CH"CH\ -%= i I

CH-,--CH-CH -CH"CH, + Me,N

'ON Me, Producto principal: protón del C 2"

CH3 CH3 I !

CH3--CH2 -CH P C - -CHI CH,-CH,-CH ~ &CH, + MeiN I 1

a protón del C 3" MeiN H Producto secundario:

(b) En este caso, la eliminación puede ser en uno u otro de dos grupos: un etilo O un n-propilo. ¿De cud de ellos se pierde el protdn?

C'HZ-CH?

H

Producto principal: protón del C 1 O

CH2C-H I

0 ,

H CH2 - C H j

C H , ~ - C H - C H ? ~ - N ~ - ~ C H 2 -CH2~-CHI % CHJCH- -CHI + n-PrNEt? I Producto principal:

protón del C2"

(c) Como en (b), siendo los grupos etilo y 2cl0roetil0.

CH I

I i CHx H Producto principal:

CHI - -CH2--N~-CHr--CHCI 3 CH2 CHCl + EtNMe, + I 1

protón del Z H 2 C l

AMINAS 11. REACCIONES CAPITULO 27

(d) Como en (b), siendo los dos grupos etilo y n-propilo.

Producto principal: protón del C 1

CH3 i' ,

CH, -CH2 ' N - CHz--CH CH, CH2-~-CH CH, + EtNMe: 1 I

CHI H Producto principal: protón del C2"

27.6 (a) El ion etóxido es una base fuerte y produce UM eliminación E2 con la orientación de Hofmann esperada. El ion yoduro y el disolvente, etanol, son bases dtbiles, y la principal reacción es la eliminación El; se forma el catión 1-pentilo, el cual pierde un protón con la orientación de Saytzeff esperada.

(c) Aquí, la sustitución en competencia con la eliminación es SN2, con ataque preferencial en el grupo metilo menos impedido.

27.7 En el bromuro de 2-feniletilo, el grupo fenilo que atrae electrones está unido al carbono que pierde H; al dispersar una carga parcial negativa, el fenilo estabiliza un estado de transición semejante a un carbanión y acelera la reacción.

Br

C H , ~-~CH+Ph 6.

H - B

CAPITULO 27 AMINAS II. REACCIONES

(Este efecto es adicional al ejercido en los bromuros de 2- y I-feniletilo: mediante la conjugacib, el fenilo estabiliza el doble enlace incipiente del estado de transici6n.)

27.8 (a)"@) En el ani6n del amoniaco, la carga negativa se l o c a l i z a sobre el nitr6geno. En el anión de una amida, la carga es acomodada por el nitr6geno y oxígeno. En el ani611 de la diacetamida, la carga se acomoda por el nitr6geno y dos oxígenos, tal como se encuentra

en el ani611 de la ftalimida (problema 24.10, phg. 857) o en el ani6n de una sulfonamida, y tiene definitivamente el mismo efecto sobre la acidez.

27.9 (i) El ataque nucleofílico sobre el azufre del grupo sulfonilo es más dificil que el araque sobre el carbono del grupo acilo. El carbono del grupo acilo es trigonal; el ataque nucleofílico no e sa impedido, e implica la fomaci6n de un intermediario tetratklrico. El azufre del grupo sulfonilo es tetraMco; el ataque nucleofílico esd relativamente impedido, e implica la uni6n temporal de un quinto grupo.

O O - 4 I Sustitución

nucleofílica en el grupo acilo

R-C + : Z "--f R-C-Z \

W W ~

C trigonal C tctraédrico Ataque relativamente Octeto estable

libre

O I Sustitución

I Ar---S--W + : Z + nucleofílica

en el grupo sulfonilo

O S tctraédrico S pentavalente

Atuque impedido Deceto inestable

(ii) El ataque nucleofilico en el carbono de un grupo alquilo de un éster sulfónico es más fácil que el ataque en el carbono de un grupo alquilo de un éster carboxilico. El desplazamiento del ion sulfonato, menos bhico, es m& fkil que el del ion carboxilato. Así como el ion sulfonato se separa con mayor facilidad del hidr6geno con su par de electrones

AMINAS II. REACCIONES CAPITULO 27

que el ion carboxilato (como lo indica la acidez relativa de los dos ácidos), de la misma manera el ion sulfonato se separa del grupo alquilo con su par de electrones más fkilmente que el ion carboxilato.

O

Ar-S-O-R 7 ”+ R-Z + ArS0,- I

O Z : Base débil:

1 9

buen grupo salieue

4 O

R”C ”+ R-Z + R COO- Ocurre ocasionalmente ‘0% &,, Base fuerte:

Z : grupo saliente pobre

27.10 Una explicaci6n lógica seria la siguiente. Si bien hay muy poca anilina libre presente, la que hay es mucho más reactiva que el ion anilinio y da el producto para. (La activaci6n por el grupo amino es enorme; en la halogenaci6n en donde la protonacidn de la amina no es importante, ila dimetilanilina es 1019 veces m k reactiva que el benceno!)

Sin embargo, a juzgar por el trabajo de J. H. Ridd (University College, Londres), parece ser que el ion anilinio por sí mismo sufre una considerable sustituci6npara. Ridd propuso que, en comparaci6n con el -NC(CHJ,’, la carga positiva en el -NH; se encuentra muy dispersa debido al puente de hidr6geno entre sus muy iicidos protones y las molkulas del disolvente.

27.11 Un grupo “NH, aromático (Ka - 1 W o ) es considerablemente m b débil que un grupo - NH, alifhtico (Ka -lW5), y no puede neutralizar en forma apreciable al grupo “COOH (Ka - 10-3. Por supuesto, Io que sípuede es neutralizar el grupo -SO,H, fuertemente hcido, como en el hcido sulfanílico.

27.12 (a) Cati6n n-butíico

(b)

CH3CH2CH2CH2NH2 CH3CH2CH2CH2(t H O N O 11’ n-BuoH

25 y”

- H + > CHjCH2CH-CH2 1 transp.

CHzCH . CHCH,

CH3CH2CHCH3 sec-BuOH ‘3 13%

sec-BuCI 3 :/o

CAPITULO 27 AMISAS 11. REACCIONES

27.13 (a)

I I

transp. i :But ---r 1-BuOH

""t muc1

catión 2O

H (h) A r H -t HONO -> f?' -+ O H

\ N O

27.15

27.16

.. I x , *... .~ ""

AMMAS II. REACCIONES CAPITULO 27

(a) Ninguno de ellos. (i) anillo, casi con la misma en los dos grupos debed

Los dos grupos, -N(CHJ2 y "NHCH,, liberan electrones al I intensidad (ii) Además del efecto estérico modesto, el nitrógeno ser casi igualmente susceptible al ataque.

(b)Por supuesto, hay algo en lo que "NHCH, difiere completamente de -N(CH,),: el primero contiene un protón unido al nitrógeno.

En ambos casos es probable que el ataque electrofílico inicial ocurra en el mismo lugar, aquel en donde los electrones no compartidos están m k disponibles: en el nitrbgeno, para formar un ion amonio cuaternario inestable.

En el caso de la amina secundaria, en este intermediario el nitrógeno puede perder un protón para dar el productoN-nitroso. EstaN-nitrosucibn es una sustitución electrofílica en dos pasos análoga a la sustitución electrofílica aromática.

CH3 p 3 C H l I 01 - 11 I

H H Compuesto N-nitroso N O + + Ph---N "--j Ph"N--N=O - Ph-N--N=O

I I

En el caso de la amina terciaria, el ion cuaternario intermediario ya no tiene protones que pueda perder. En lugar de ello, pierde NO' y se regenera la amina, la cual en un momento

Ph ~ N - N -O No puede perder un protón

NO+ + Ph-N

I CH?

Compuesto C-nitroso

dado sufre una sustitución en el anillo (nitrosucih en el carbono). Así, la C-nitrosación es una alternativa que adopta la reacci6n cuando la N-nitrosación fracasa.

Vea la página 487 de esta Guía de Estudio, en donde se plantean los procedimientos que se siguen para resolver los problemas de síntesis de compuestos aromAticos.

m-Nitrotolueno N2 + Ñ H >

CH3 e3 (página 962) NO?

NHCOCH, v

NHCOCHl

479

CAPITULO 27 AMINAS 11. REACCIONES

6 Br Br Br Br Br Br iHIP02 6 HONO 6 -0 0 (página 921)

1,3,S-Tribromobenceno N2' NH2 NH2

0 COOH N2 +

H20. t i+ G C H 3 iCuCN 0 /\CHj 4p HONO 6 2CH 3 (página 962) calor

Acido o-tolúico

Acido m-tolúico


m-Dibromobenceno

I

O B r &Br (como el anterior)

m-Bromoyodobenceno

27.18

27.19

27.20

27.2 1

CH, C H j B r o Br H,PO> B r O Br + HONO Br 6 0 Br + B r 6 j B r +m+ 6, 26Dibromo N2 + NH2 NO2 NO2

tolueno (página 498)

Br W B r

3,5-Dibromo- N2+ nitrobenceno

(a) La atracci6n de electrones por parte de los grupos nitro hace que los iones diazonio sean más electrofílicos.

(b) Es menos reactivo debido a la liberación electrhica por parte del grupo 4 4 .

Para prevenir el acoplamiento del ion diazonio con la amina que no se ha consumido. En exceso de ácido, la mayor parte de la mina se encuentra protonada y, por lo tanto, no se puede acoplar. Laconcentraci6n de la amina libre y su velocidad de acoplamiento son bajas.

(a) En una amina aromática hay dos posiciones ricas en electrones, propicias para un ataque electrofílico: el átomo de nitrógeno y el anillo. Al igual que en el caso del NO' (problema 27.15), al ArN,' encuentra que el ataque en el átomo de nitrógeno es más fácil, y así forma el intermediario I. En el caso de UM amina primaria o secundaria, I puede perder un protón para dar 11, un compuesto dzuzoamino, el cual es un idmero del esperado compuesto azo IV.

Sustitución en el nitrtigeno R

I I

Un compuesto diazoamino

481


Sustitucibn en el carbono

I I1 I L '

Un compuesto aminoazo

(b) La formación de I1 es fhcil, pero reversible; el ataque electrofílico por parte del H+ regenera la amina y la &N,+. Estas reaccionan nuevamente, una y otra vez, hasta que se lleve a cabo el ataque sobre el anillo para formar el complejo sigma 111, y a partir de éste el compuesto azo IV. Una vez formado, IV persiste, ya que su formación no es reversible.

27.23 M e , N ( O N H , + A r N H 2 d SnCl M e , h . O N :NAr t- Me,N 0 + A r N 2 + ",

p-Amino-Nfl- dimetilanilina

(página 931)

Para ArN;, usualmente se escoge -O,SC,H,N; (del Acid0 sulfanílico, pAg. 951); cuando se regenera este ácido (como ArNHJ en el paso de la reducción, su característica de solubilidad (véase la Sec. 27.9) difieren bastante de las de la amina que se desea obtener, lo que permite una fácil separación.

27.24 (a) Sustitución nucleofílica.

(b) UM amina terciaria puede reaccionar como en (a) para dar el derivado de una amina secundaria. Conclusión incorrecta: que la amina es secundaria.


27.25 (a) Conclusión incorrecta: que la amina es terciaria.

(b) Filtrar (o separar) y acidular la solución acuosa. Se formará un precipitado si la amina era primaria.

(a) n-BuNH3+CI- (b) ~ I - B u N H ~ + HSOl

(c) ~ I - B u N H J + - 0 O C C H J (d) no hay reacción

(e) CH,C-NH-Bu-n y el producto de (c) (f) (CH3)2CHC--NH-Bu-n y ¡ I I 1 O O

n-BuNH,' -0OCCH(CH1)2

(g) o ~ N ( O ) ~ - N H - B ~ - ~ y O H ' c 1 - (h) PhS02N-Bu-n c Na' I1 O

Et Et Et I I I

I Et Et

(i) n-BuNHz'CI-, n-BuNH+CIF, n-BuN"Et+CI-

CHlPh 1

(j) n-BuNH*+CI- , etc. ( k ) no hay reacción

( I ) u-BuNMe> 'OH (m) CH,CH2CH=CH2 + Me,N

(n) ~I-BuNHCH(CHJ)Z (O) Vea el problema 27.12, página 955

COOH C-NH-Bu-n

O I I

(r) 2,4,6-(02N)3CbH,NH-Bu-,r

2. Las aminas alifáticas son más básicas que las aminas aromáticas (Sec. 27.3). Los grupos que liberan electrones incrementan la basicidad; los grupos que atraen electrones la disminuyen ( S e c . 27.4).

(a) ciclo- C,H,,NH, > NH, > C,H5NH2

(b) CH,CH2NHZ > HOCH2CH,CH2NH2 > HOCH,CH,NH,

(c) p-CH3oC6H4NH2 > C,H,NH, > p-O?NC,H,NHl

(d) m-EtC,H,CH,NH, > C6HSCH,NH, > m-ClC,H,CH,NH,

(e) p-CIC,H,NHMe > 2,4-Cl,C6H,NHMe > 2,4,6-Cl3C,H,NHMe


3. En una solución acuosa de Me,N+OH-, la base es el OH-, que es mucho m k fuerte que la Me,N.

4. (a) Las tres forman sales de amonio solubles.

(b) PhNHz A PhN2+ HONO Solución incolora

CH3 I CH3

HONO I PhN--H "---+ PhN-NLO compuesto nuetro, amarillo

(c) Las tres forman sales de amonio cuaternarias.

H (d) PhNH? - ArSO,N-~-Ph Es ácida: soluble en base acuosa

C H 1 CH 1

Phr?- H "+ ArS0,N"Ph Es neutra: insoluble en &ido o base

9 , Phl'j~-CH, - 'no hay reacción Permanece básica: insoluble en base, soluble en &ido

S i se hace con cuidado

(e) PhNHL -+ PhNHCOCHl Es neutra: insoluble en &ido o base diluidos

CHI CHI PhN--H - PhNCOCH3 Es neutra: insoluble en &ido o base diluidos

CH, I

P h N C H , - No hay reacción Permanece básica: soluble en Cicido, insoluble en base

(f) Como en (e), con "COPh en lugar de "COCY. (g) Las tres sufren una rdpida bromaci6n en el anillo, para dar los productos mbromados.

5. (a) Los t res forman sales de amonio (como en 4a).

(b) La EtNH, da N,; la Et,NH da un compuesto N-nitroso neutro (amarillo); la Et,N da el mismo compuesto N-nitroso y, ademl, productos de r~paUa

(c) Las t res forman sales de amonio cuaternarias.


(d) La EtNH, da una solución, la ETJW da un dlido y la EGN no reacciona (como en 4dj.

(e) Las amidas neutras de aminas 1" y 2"; no hay reacción con la amina 3" (como en 4e).

( f) Lo mismo que en (e) (y como en 40.

(g) Se podría no tener conocimiento de esto, pero las aminas 1" y 2" dan las N-bromoaminas (compárese con la pAg. 1083). No hay reacci6n con las aminas 3".

6. (a) p-CH,C6H4N2 + CI (b) /I-O =NChHJNEt?

(c) n-PrOH, iso-PrOH, CH3CH-CH2 (compare con el problema 27.12, pág. 955)

CH3 I (e) C6H5N-N=0

(f) 2-Meti1-2-buteno. t-PeOH (g) C1- + N 2 ~ N z + C I -


8. (a) H , P 0 2 , H,O.

(b) $0, H’, calor, separando inmediatamente el cresol por destilación con arrastre de vapor.

(c) CuC1. Calentar la solución de la sal de ArN;CuCl,-.

(d) CuBr. Calentar la solución de la sal de ArN;CuBr;.

(e) KI.

(f) HBF,; aislar la sal de ArN;BF; calentar la sal seca.

(g) CuCN. Calentar la solución de la sal de ArN,’CU(CN);.

(h) C H I ( @ N = - N - a N M e 2 f- H’ C H 3 0 N 2 * + QNhle,

Resorcinol

Me

9. (a) n-PrC-NHCH3 + MeNHItCI- (b) PhN-CCH, + CH,COOH ‘ I I 1

O O

(c) n-Pr3N + CH,CH -=CH2 (d) i.yo-BuC”NEt, + EtZNHl’CI

O I 1

(e) MeOH + Me3N ( f ) Me3NH+ -OOCCH,

(g) Me2NH2’CI- + CH,COOH (h) PhNHl + PhCOO-Na’

( i ) MeOH + PhNH-CH

O

( j ) MeNHCNHMe (N,N’-dimetilurea)

O + MeNH,+CI-


Síntesis: un enfoque sistemático

Puesto que las síntesis que estamos planeando se vuelven más y más complicadas, ha llegado el momento de emplear un enfoque sistemático: quizás ya lo estamos haciendo aunque sin damos cuenta cabal de ello. Esbocemos formalmente los pasos que pueden pensarse para un enfoque como Cste. Se utilizará la síntesis de compuestos aromáticos como ejemplo, pero el enfoque es general y, con las modificaciones apropiadas, se puede aplicar a la síntesis de todo tipo de moléculas, por más complicadas que sean.

Como ya es usual, vamos a comenzar con la molkula que deseamos obtener -la molécula objetivw y trabajamos retroactivamente. Nos planteamos las siguientes preguntas en el orden dado:

Pregunta (1). ¿Se puede introducir cualesquiera de los sustituyentes de la molécula objetivo a travCs de una sustitución electrofílica aromática directa, y con la orientación adecuada? Si no, entonces:

Pregunta (2). ¿Hay en la molécula objetivo algún sustituyente que se pueda formar por la oxidación o reducción de algún grupo relacionado? Por ejemplo, “COOh c“. “CH, o -m2 +“ -NO,. Si no, entonces:

Pregunta (3). ¿Hay en la molécula objetivo algún sustituyente que se pueda introducir por desplazamiento de algún otro grupo? Por ejemplo, -CN t -N;, o bien, “ O H t- “€1 (en anillos activados). Si no, entonces:

Pregunta (4). ¿Hay en la molécula objetivo un hidrógeno que haya llegado a esa posición por desplazamiento de algún sustituyente? Por ejemplo, -H t- -N; o --H t- S 0 , H .

En todos los casos en que la respuesta a una de las preguntas sea “sí“, sacamos ese grupo (Pregunta 1); o lo transformamos (Pregunta 2) en su precursor (digamos “COH t- “CH.& o lo reemplazamos (Pregunta 3) por su precursor o precursores (p.ej., ArCn e“ ArN,+ e-“ ArNH,); o bien (Pregunta 4), sustituimos ese -H (o, quizás -D o -T, en compuestos marcados) por el grupo que ocupaba previamente esa posición.

Ya que se han efectuado las transformaciones que implican las respuestas afirmativas, planteamos de nuevo todas las preguntas con la nueva estructura que acabamos de generar. Estos pasos se repiten tantas veces como sea necesario hasta que, trabajando en retroceso, encontremos finalmente un material de partida como benceno o tolueno.

Tenemos ahora un conjunto de pasos retroactivos conocidos como tranrformaciones, los cuales ponen de manifiesto las diferentes reacciones que se necesita llevar a cabo (como la nitración, lareduccióndel ion diazonio, la reacción de Sandmeyer, etc.), pero no necesariamente en el orden apropiado. A continuación revisamos nuestro procedimiento antitético ordenando l a s transformaciones independientes en una secuencia sintética fácil de manipular y constituida por pasos progresivos (reacciones).

Al hacer esto, debemos tener presente que con frecuencia es necesario utilizar elementos de control: éstos son grupos que introducimos para asegurar la selectividad (la regio selectividad o la estereoselectividad) en un paso posterior. Los elementos de control pueden proteger un grupo, o bien disminuir su efecto activante (la acetilación de UM amina, por ejemplo); también pueden bloquear UM posición o, a la inversa, aumentar la reactividad en algún punto en particular. La necesidad de utilizar estos elementos de control puede no ser obvia mientras se trabaja en las transformaciones antiteticas, pero suele hacerse evidente cuando tratamos de armar todo el conjunto para esclarecer una serie de reacciones sintéticas.

modo particular en que se formulan estas preguntas puede tener algún viso de familiaridad, Y así debería ser. Este enfoque se deriva del que se ha desarrollado - e n forma especialmente destacada por E. J. Corey, de la Harvard University- para el uso de los computadores en el disefio de síntesis orgánicas. Véase Corey, E. J. y Wipke, W. T., Science (Washington, D . C) , 166, 178 (1969). Corey, E. J., et al., J . Am Chem. Soc., 94,421,431,440,460 (1972).

487

CAPITULO 27 AMINAS H. REACCIONES

(o)

C H ,

0 NMe3+I

Et

Br Br CH,

NO, CH3

H

O

Apliquemos nuestro procedimiento general a la síntesis de este compuesto y veamos cómo trabaja.

(i) Pregunta (1): ninguno de los grupos se puede introducir por sustitución directa (desde luego, con la orientación apropiada), de modo que proseguimos con la siguiente pregunta.

Pregunta (2): El -N% se puede formar por reducción de un "NO,, así que escribimos este paso de la síntesis.

(ii) Ha hiendo hecho esto, comenzamos nuevamente, planteando nuestras preguntas ahora con respecto al nuevo compuesto (el nitro).

Pregunta (1): se podría introducir el -NO, por sustitucih directa: pero se podría hacer lo mismo con el -Br, y, m& aún, con regioselectividad. Asi que tratemos de probar un paso de bromación, retrocediendo hacia un compuesto m8s simple.

(iii) Despuks de esto comenzamos nuevamente, y contestamos las preguntas sobre este nuevo compuesto.


Pregunta (1): El " N O , se puede introducir por nitracibn -y, casualmente, el is6mero parusepuedesepararconf~ilidaddelis6meroorfo-.Asi, hemostrabajadoretroactivamente hasta llegar al tolueno, un material de partida aceptable.

Reuniendo todo esto, tenemos lo siguiente:

Si revisamos esta secuencia de transformaciones nos encontramos con que es fk i l de manipular y constituye una síntesis aceptable del producto que queremos.

Aplicando nuestro procedimiento general, llegamos a la siguiente secuencia de transformaciones.

Ahora revisamos esta secuencia para ver si corresponde a una ruta sintktica viable. Nos damos cuenta de que si bien podemos, en efecto, bromar la p-toluidina, con eso se introducirían dos -Br. Sin embargo, si primero acetilamos el -9, hacemos que disminuya la velocidad de la sustitucibn lo suficiente para que s61o ocurra lamonobromacibn; despuCs de eso podemos eliminar con facilidad el grupo acetilo.

Llegamos, pues, a la siguiente síntesis aceptable:

Br: 6 Br " G3 (página962)

NH2 NHCOCH, NHCOCH3 N H2

Se han agregado dos pasos, la acetilación y la hidrblisis subsecuente, pero gracias a ellos se obtuvo el control en la parte m& crítica de toda la síntesis, la introducci6n del bromo.

489


Aqui,nuestroprocedjmientogeneraldalugaralasiguientesecuenciadetransformaciones.

Encontramos que esta es una ruta sintktica defectuosa. No podemos tener libres un grupo -NH, y un grupo -SO,Cl en el mismo compuesto: e s t o s dos grupos reaccionm'an entre sí. Como en (b), protegemos temporalmente al -N% por acetilación. En el paso final se elimina el grupo acetilo mediante una hidrólisis en tales condiciones de reacción que no se hidrolice también el grupo sulfonamida, menos reactivo (v&se la pAg. 954).

ÑOl Ñ o

(página 962)


11. (a) De los seis isómeros, el más difícil de sintetizar es el 2,3-dibromotolueno. Utilice el enfoque antitético presentado en el cuadro de la página 495 de esta guía, y observe cuán limpiamente el procedimiento de preguntas y respuestas conduce hacia la obtención de una materia prima fácil de conseguir.

Isómero 4 s difícil de hocer

t I H o N o

Más o menos a la mitad del proceso retroactivo el lector se puede enfrentar a la siguiente alternativa: ¿cuál de los " B r se deberá introducir al último, el que está situado junto al - CH,, o el otro?


La respuesta depende de otra pregunta: jcuál de las dos aminas recien mostradas es la m& fAcil de hacer? Es la amina I, como se muestra en la respuesta completa esbozada antes, pero es conveniente tratar de disefiar una ruta sintktica para la mina I1 con el Único fin de verificar, cuál es la más fácil de hacer.

El "NO, tiene una funci6n clave, pues debe se colocado temporalmente en el anillo para bloquear una de las dos posiciones activadas por el -N%.

(de o-CH,C,H,HN,, pág. 962)

Fe 6 3 (página 498)

NO?

AI hacer el isdmero se recorre todo el esquema hasta la pregunta 4 ( v h e el cuadro de la pág. 495 de esta guía), antes de contestar afiiativamente. La secuencia es

492


Al observar el idmero vi, podemos reconocer que ambos " B r deben haber entrado al anillo bajo la influencia de un grupo, ya desaparecido, mucho más poderoso como orientador que el 4%. El grupo -N, es la opción lógica, ya que se trata de un orientador orto, para, que puede eliminarse con facilidad a travb de una desaminacidn reductiva (diazotación y reducción).

(página 962)

(O bien, comenzar con m-nitrotdueno, a partir del problema 27.16, pág. 963.)

( i i i ) $,, +"- Como para el isbmero orto,.excepto que

c1 se comienza con elp-nitrotolueno (pág. 497)

(Separado del isómero pura)

(iii) 6 f- como para el idmero orto que se acaba de mostrar,

F excepto que se comienza con el p-bromonitrobenceno.

493

CAPITULO 27 AMTNAS 11. REACCIONES

El m-nitroetilbenceno que sc necesita se elabora de la misma manera que el m-nitrotolueno (en el problema 27.16), comenzando con etilbenceno (phg. 551).

AMINAS H. REACCIONES CAPITULO 27

(página 963)

N o2 (página 498)

13. (a) HOOC(CH2),COOH + H,N(CH2)6NH2 ---f sal

calor - tf?o -C(CH2)4C--NH(CH2)6NHC(CH2)4C-NH(CH2),NH- I

I1 O

/ I O

I1 O

I t O

Una poliamida

(b) Hidrólisis ácida de las uniones amida.

14. (a)Vea la página 1188. (b) Vea la página 1193.

15. Un mal grupo saliente (OH-) se convierte en un buen grupo saliente (OTs-).


16. (a) El ion halogenuro compite con el agua como nucledfilo:

LA reacción del Ph-N,' es parecida a una S, 1:

(1) Ph-NL!' "+ Ph + + N 2 + Lento, determinante de la velocidad

(2) Ph+ + : Z "+ Ph---Z

La concentración y naturaleza de los nucleófilos no afectan la velocidadde la reacción @aso 1 ), pero si la composicidn de los productos, la cual está controlada en el paso (2): cuanto más ion halogenuro esté presente, tanto más halobenceno se formará.

La atracción electrónica por parte del "NO, abate la formación del catión aril0 a partir de p-NO,C,H,N,', y la reacción ocurre por una sustitución semejante a una SN2:

En esta reacción de un solo paso, la concentracidn y la naturaleza de los nucleófilos afectan tanto la velocidad como la composicidn de los productos.

(b) El N,, que casi no presente propiedades básica, es un grupo saliente extraordinariamente bueno.

17. (a) Prueba de Hinsberg (b) HONO, luego Pnaftol

(c) Prueba de Hinsberg (d) Prueba de Hinsberg

(e) Sal 3' + olor o de vapores básicos de la mina. O H .

(f) AgNQj (-+ AgCl del PhNH-j'CIW

(g) CrOJHZS04

(1) BaClz (d Baso4 del sulfato)

( k ) HCl(ac)disuelve PhNH?

( h ) HCl(ac)

(j) AgNO, (--> AgCl del E tNH,+CI )

( I ) RaClz (--1 BaSO, del sulfato), O Hz0 (disuelve la sal), O NaOH (libera PhNH?)


18. Compare con la respuesta que se dio al problema 26.1.

(a)-(d) Disuelva laamina bbica en kid0 acuoso. El compuesto neutro (alcano, Cter, a m i d a , ion dipolar) no se ve afectado y se puede aislar por destilaci6n o filuaci6n. Luego la mina se regenera de su sal a partir de la solución hcida por acci6n de una base fuerte.

(e) Transforme a la amina 2' en una a m i d a neutra con anhídrido acCtico; la mina 3" permanece sin acetilar. En seguida proceda con la separaci6n de la amina bhsica y la a m i d a neutra como en (c). Finalmente, recupere la mina 2' por hidrólisis bhsica de la amida P, y coléctela por destilaci6n.

(0 Separe primero el ácido, disolviendo en NaOH acuoso; en seguida proceda a separar la amida insoluble, y el hidrocarburo como en (a). Regenere el hcido de su sal a partir de la solución alcalina con el uso de un hcido fuerte.

(g)-(h) Proceda como en (c).

19. (a) HONO, luego p-naftol para la anilina; en seguida la prueba de Hinsberg (2' contra 3").

(b) HC1 (ac): la base contra la amida neutra.

(c) Prueba de Hinsberg para distinguir las aminas 3' y 2; s610 una de las aminas 1' (la o-toluidina) dará una prueba de diazotaci6n y acoplamiento.

(d) El NaOH (ac) caliente da14 9 a partir del oxamato de etilo (RCONH,).

(e) La HCONH, es soluble en H,O; la mina 3' bkica es soluble en HCl (ac), pero el nitrilo, neutro, es insoluble.

(f) Só10 la amina básica es soluble en HCl (ac); el NaOH (ac) caliente sobre el nitrilo d a r A NH,; el PhNO, no reaccionará.

(g) Por medio de un andisis elemental se pueden distinguir el cloruro de tosilo ( S , Cl) y las dos sulfonamidas (S,N), las cuales, posteriormente, pueden distinguirse con NaOH (ac) a la manera de la prueba de Hinsberg.

El análisis elemental distingue a la p-cloroanilina (Cl, N) y al cloruro dep-nitrobencilo (CI,N), los cuales se pueden distinguir ulteriormente con AgNO, (Cl cadena lateral + AgCl). De los compuestos que restan, S610 la amina 3" es incolora; la o-nitroanilina

(Kb6X1O"3 es más soluble que la 2,4-dinitroanilina (K, de alrededor de en HCl (ac); y la 2,4-dinitroanilina, cuando secalientecon NaOH (ac). da NH, mediante una sustituci6n nucleofílica aromática ( v h s e la Sec. 29.7).

20. Ensaye la amina con el procedimiento de Hinsberg. Si es 3', pruebe para C1.


Si es 2*, haga cl derivado acetilado y determine su p.f.; si el p.f. es de 5 4 - 5 5 O C haga la

Si es la, pruebe para Ci. p-toluensulfonamida para distinguir las posibilidad.

21. (3)

El hislrcixido de amonio cuaternariio se encuentra completamente ionizado, por lo que da una solucicin fueemente bbica.

(b) La f6nnuh se ve incremenlada por <:,fa ,o, lo que indica el reemplazo de "H por CH,CQ-- I

CH3('OCH*C'H,NMe;+Ott

o Acetilcolina

22. (a) Párrafo 1 : una amina 1" aromhtica y básica.

soluble en agua.

anfotérico y presenta también un grupo amino.

La zitrnktica quimica: c'-H,C)?N cyt, H N

Párrafo 2: fa hidrólisis de un derivado de Bcido da la sal del ácido y un alcohol o una amina

Párrafo 3: precipitacicin de RCOOH. La disolución posterior indica que el ácido es

C'00f-1 ~- CbH4 N H ? C.(, H f > N NH? indica ChH4 " ~" -~ "~ /'

COOH

El p.f. no deja otra alternativa para A que la del Bcido paminobenzoico (Tabla 23.1, pág. 804).

Regesernos a la Novocaína original. Dado que Csta es un derivado de Bcido, podemos restar el grupo xi lo de A.


Aún tenemos un nitrógeno sin asignar; todavía no podemos decir si se encuentra en un grupo amida o en uno amino, ya que en cualquier caso la Novocaína sería soluble en ácido debido al grupo -NH, de A. Así que debemos investigar el residuo de la mezcla de la hidr6lisis: la solución ettrea de una amina (o posiblemente de un aminoalcohol).

P h f o 4: B es una amina. La reacci6n con anhídrido acttico produce una sustancia C. que aun es básica y, por lo tanto, todavía es una amina. Así, B sólo puede ser una mina terciaria. (las aminas terciarias no forman amidas.) Esto significa que la Novocaína es un éster, y no UM amida. Por consiguiente, C tiene que ser el tster acetato de un alcohol.

CxH1702N C - CzH20 se adiciona un grupo éster

ChHlON = B

En consecuencia, la Novocaína es el &ter p-aminobenzoico del alcohol B;

Novocaína

Novocaína

COCI COOH

r- L C" (página 498)

23. D es un compuesto neutro. Su lentadisoluci6n en NaOH caliente sellala que es un derivado de ácido. La formaci6n de E, una base y, por consiguiente, UM amina, indica que D es una amida. E mismo es una amina 2' que da G , PhS0,N RR', una sulfonamida neutra. El Bcido F, libre de nitr6geno p.f. 180°C. es kidop-tolúico (Tabla 23.1, pág, 804).

Como de costumbre, la aritmética química es útil:

C I S H I S O N compuesto D - CH3C,H4C0 grup6acilo de F

C;HxN porción amina de la amida


E comienza a tener aspecto de UM mina aromdtica, C,HRN

- C h H , ____

CH,N

ysindudasetratadeN-metilmilinaC,H,NHCH,. Porlotanto,Ges PhSO,N(CH,)Ph.

Combinando toda esta información obtenemos D:

H I J

N Me3 + OH

L

M B;

~.3.5-Ciclooctatrieno N

N Mez H O - +N,Mej

/ N Me2

O

H O - + N M e 3 0 P 1,3,5,7-Ciclooctatetraeno

(véase el problema 13.7, pág. 484)


Esta síntesis del ciclooctatetraeno fue llevada a cabo en 191 1-1913 por el gran químico alemhn, y ganador del Primer Nobel, Richard Willstlitter. Como ya habíamos visto anteriormente(prob1ema 13.7,pBg.484),seencontr6queelproductoposeíalaspropiedades normales de un alqueno y, en consecuencia, no es aromtitico. El la actualidad, un estudiante que se inicia no lo encuentra sorprendente: diez electrones no se ajustan a la regla 4n + 2 de Hiickel para la aromaticidad. Sin embargo, hace cincuenta aiíos este hallazgo fue una de las pruebas mas importantes de que la estructura del benceno era muy especial "aunque no se supo en quC estribaba este rasgo sino hasta 193 1, cuando Hiickel formuló su regla. (Por diversos motivos, muchos químicos dudaron que Willstlitter hubieraobtenido realmente ciclooctatetraeno; la síntesis fue repetida laboriosamente "y el descubrimiento fue confirmad- por otros investigadores en 1948. Si Willstlitter hubiese observado las propiedades que entonces se esperaban del ciclooctatetraeno, podemos preguntamos, Lesas dudas hubieran sido tan trascendentes?

25. El Bcido pantothico es un Bcido monocarboxílico: da una monosal y un mondster. TambiCn parece ser una amida: contiene nitdgeno no bhsico y se hidroliza al ticido p- aminopropiónico y a V. Puesto que V no contiene nitdgeno, el Bcido p-aminopropiónico tiene que proporcionar el nitrógeno de la amida:

R"C"NHCH2CH:COOH I I O

La aritmética química,

C9H17O5N ácid0 pantotknico - CONHCH2CH,COOH amida

C5H, ,O2 indica que that V es (C5Hl ,02)--COONa

indica que V es saturado y de cadena abierta, y que contiene oxígeno en uniones alcohol o Cter.

La ruta de síntesis nos lleva al compuesto T. Este es un

IJ

Un y-lactona


y-hidroxiácido que espontAneamente forma la y-lactona U. El tratamiento de U con base de V, la sal sódica de T.

O

NaOH , coo - Na'

U

Una lactona es un Cster. Los Csteres reaccionan con amoniaco para dar amidas ( S e c . 24.19) y, como era de esperar, con aminas para dar amidas sustituidas. U reacciona con el grupo amino del kid0 P-aminopropi6nico para dar la amida sustituida que es el kid0 pantotknico.

O HO 1 1

H - P \ H 3c I l~ O

I I'CH, H3C OH

C H ,

O + NHzCHzCH2COOH "---, HOCHz- - C-CH"C--NHCHLCH2COOH CH3-c / Acido fl-aminopropi6nico I 1

Acido pantoténico La forma S-(+)- es biolbgicamente activa

26. Es evidente que W es el clorihidrato (soluble en agua, reacciona con NaOH para perder CI) de una amina aromhtica 1' (diazotación y acoplamiento con Pnaftol). Suponiendo que es la sal de UM monoamina, ArNqCl-, podemos utilizar e1 equivalente de neuualizacidn para determinar la estructura.

131 +- 2 ArNH3+C1- - 52.5 NH,'CI- _____

7 8 . 5 k 2 equivalente a C,H5-

W es el cloruro de anilinio, C6H,TC1-, y el líquido es la anilina, C6H,W.

27' (a) CH3CH2CH2CH2NH2 (b) HCONHCH3 (C) m-CH3OC,H,NHz n-Butilamina N-Metilformamida m-Anisidina

(V&nse los espectros rotulados de la phg. 873 de esta Guía de Estudio.)



Ciclohexilamina 4-Metilpipcridina 4-Etilpiridina


p-Fenetidina Etilbencilamina @-Etoxianilina)

X Y

Cetona de Michler

Z

(Véanse los espectros con acotaciones de las phgs. 876 y 877 de esta Guía de Estudio.)

28

Fenoles

28.1

28.2

28.3

28.4

28.5

Los puentes de hidrógeno intermoleculares en los is6meros meta y para disminuyen o desaparecen en la dilución con CHCl,; en el is6mero orto, los puentes de hidrógeno intramoleculares (pág. 982) no se ven afectados.

Puentes de hidrógeno inuamoleculares:

8”

H

Para el nitrilo, la geometría no es la adecuada: el grupo -C= N, con un carbono diagonal (sp), es lineal, lo cual coloca al nitrógeno muy lejos del “OH. El grupo 2% en el o-cresol no forma puentes de hidrógeno.

Vea la figura 28.8, página 506, de esta Guía de Estudio.

Alquilación de Friedel-Crafts: benceno, propileno (de la pirólisis), HF.

Debido a que los grupos nitro aumentan la acidez, estos fenoles son lo bastante ácidos (valores de Ka de 10-4 y otros “muy grandes”) para permitir la reacción con el HCO; que es una base débil.

505

CAPITULO 28 FENOLES

A r O H , ArCOOH, ArNH:, ArNOL (solución cdrca) T ~ .

I NJtIC'O,(ac)

ArOH, ArNH2, ArNOz i

A r o N a '

J.

ArOH

Figura 28.8

28.6

capa acuosa \capa &ma

ArNH + CI

i Nd) t 1 (ac)

A r N H l

Separación de la mezcla del problema 28.3 "-

ArNOz "

O N a ' OH

( ' I CI (problcrna 28.12)

Pág. 985 (problema 28.4, poco antes)

FENOLES CAPITULO 28

Compare con el problema 5 (c), phgina 518.

28.9 La volatilidad del idmero orro es mayor debido al puente de hidr6geno intramolecular. (CompArese con el problema 28.2, phg. 984.)

28.11 (a) Esta es una nitrodesulfonucibn: el grupo -SO,H es desplazado por reactivos electro- fílicos, en este cam por el "NO;.

'3 ,, so3 - ArS03- + N O 2 + "+ Ar, "-+ ArNO2 + SO3

\

N 0 2

(b) Hay menos oxidación destructiva por el agente nitrante.

28.12 La sulfonación es reversible. Se forma m k rhpidamente el idmero orto; el idmero pura es m& estable. Entre 15 y 20°C la velocidad ejerce el control y detemina la composición del producto; al 100" C es el equilibrio el que ejerce el control. (V&se la Sec. 10.27.)

CAPITULO 28 FENOLES

O

Aspirina Acido salicílico Salicilato de (a partir del fenol) metilo

28.15 (a) La eliminación del protón es más fácil en CHCl,, que es más ácid0 que el CHCI,; es imposible en CCl,, pues no tiene protones. Confiia el paso (1).

(b) La eliminación del protón en CHCL, genera un anión que puede adquirir D del D20, dando (2x4. Confirma el paso (1) y su reversibilidad.

(c) El paso (2) - y con él, el paso (1)" se invierte, C1-en excesoconfirma el paso (2) y su reversibilidad.

(d) El paso (2) -y con é1, el paso (1)- se invierte, esta vez a causa del I-. Confirma los pasos (1) y (2), y su reversibilidad.

(e) El nucldfilo CI,C- se adiciona al grupo carbonilo. Confirma el paso (1).

28.16 ArONa, ClC%COONa, caliente, acidule. (Compárese con el problema 28.6, pág. 994.) Los equivalentes de neutralización de los ácidos ariloxiacéticos sec. 23.21 serían útiles en la identificación de fenoles.

OH OH

FENOLES CAPITULO 28

ONa OH

calor, preslon

ONa S03Na

o S 0 3 N a t" N a O H

0 N a calor fuexte

CAPITULO 28 FENOLES

6' ~ HONO 6' (página 951)

NZ + NHI

6 (de PhCH,)

CH3

FENOLES CAPITULO 28

(de PhCH,)

(problema 18d, pág. 557)

CH(CH3 12

HCHO. OH- 6:cHj ~ M e l . OH- @H (página 998)

CAPITULO 28 FENOLES

8

(VCase la Sec. 23.16)

(n) no hay reacción

SO,H

(b) no hay reacción (c) no hay reacción (dl 0::;'

COOH CHO

(S) igual que (r) Br

Todos los demás: no hay reacción

(u ) igual que (t)

FENOLES CAPITULO 28

7. (c) PhCH2Br (h) PhCH20CCH3 (i) igualque (h) OCHzPh I I COOH O

(k) P h C H 2 0 - C a I 1 NO2

O

O

(1) PhCH20-S-Ph (n) PhCH2CI I

O

Todos los demás: no hay reacci6n

8. (a) PhS0,H > PhCOOH > PhOH > PhCHzOH

(b) H2S04 > H2C03 > PhOH > H 2 0

(c) m-NO, > m-Br > no sustituido > m-CH,

(d) 2,4,6- > 2,4- > p -

9. (a) NaOH(ac)

(b) NaOH(ac) para detectar el fenol. Luego, CrO, &SO, para distinguir el alcohol del 6ter.

(c) NaHCO, (ac) para detectar el ácido. En seguida, NaOH (ac) frio para distinguir el fenol del éster.

(d) HCl diluido.

(e) Los dos ácidos son solubles en NaHCO, (ac), pero S610 el &ido salicílico produce coloraci6n con FeC4. De los compuestos restantes, S610 el salicilm de etilo ("OH fen6lico libre) es soluble en NaOH (ac) frío.

(0 NaHCO, (ac) para detectar el &ido (desprendimiento de CO,; disolucih). En seguida, el NaOH (ac) disuelve el fenol. Luego, el HCI diluido disuelve la mina. El dinitrobenceno, neutro, permanece inalterado,

CAPITULO 28

10. (a)

FENOLES

PhOH, C6H4Me2

PhO- Na +

1 H i

PhOH

Extraer con éter

ArOH, ArOOCPh, ArCOOH (en éter)

o- xileno

1 NaHCO,(ac)

J.

ArCOO Na '

4, I H+

j.

ArOH, ArOOCPh

ArCOOH capa acuosa

1 /\ 1

A r o Na'

-.

v

ArOOCPh

iH+ ArOH

Destilar el éter

PhOMe, CH3C6H4NH2 (en éter)

4,

ArNH,'CI

Y

PhOCHI

I OH

ArNH2

Destilar el éter

FENOLES CAPITULO 28

( f ) ArNOz, ArNH2, ArCOOH, ArOH

NaHCO,(ac)

ArCOO- N a +

H'

ArNO:, ArNHz, ArOH

NaOH(ac)

A r O - N a +

-1 ArNOz, ArNHz

HCI (ac)

ArNH3'C1- ArNO,

O H O H

11. (a) ONH2 c- Sn. H + oNo2 t- como en 4 (k) y 3 (d), antes vistos

NH2 NO2

CAPITULO 28 FENOLES

(g) BrCH2CHzOPh t- BrCH2CH2Br + NaOPh f-" PhOH NaOH(ac)

(h) CH,:=CH-O-Ph e BrCHzCH20Ph t- (9)

+ (1) C H 2 - CH-O-Ph - CH2-CH-O-Ph H'

I H

Un hemiacetal CHlCHO + PhOH

(página 960)

FENOLES CAPITULO 28

G i I 3 C O O H CH-CHCOOH

12. (a) ‘ calor HBr O O C H , Ac2O. OAc- ‘ reacc. Perkin &CH3 OH OH (Prob. 25 22e) OH

Acido cafeico Vainillina

Aneto1

6C) ;CHzNHI ~ Hz , Ni &HC ==N

(c) CN-, t i + 6 OH OH ‘ calor H B r OH OH OH OH

Noradrenalina Vainillina

13. El ion fenóxido contiene dos sitios de reactividad nucleofílica: el a:-, y los electrones K del anillo. Este es un ejemplo de lo que Nathan Kornblum @due University) llamó anión ambidenfado (L.: ambi, ambos; dens, diente).

(a) Sustitución nucleofílica alifática en el carbono bencilico; el 4- del fendxido es el nucle6filo

PhCHlC1 + - 0 P h -+ PhCHzOPh + C1

(b) Sustitución nucleofílica alifática, como antes, pero ahora el anillo del fenóxido compite con el 4- como nucleófílo:

(Desde el punto de vista del anillo, la reacción es una sustitución electrofílica aromática.)

(c) En disolventes apróticos, el -0- se solvata sólo débilmente y, en consecuencia, es reactivo en alto grado; en agua, la solvatación debido a enlaces de hidrógeno disminuye el poder nucleofílico del “O-, de modo que el anillo comienza a competir con el éxito con él.

(d) MeOH y EtOH son menos efectivos que HOH para establecer puentes de hidrógeno. Los protones Acidos del PhOH y del CF,C%OH se enlazan fuertemente por puentes de hidrógeno.

517

CAPITULO 28 FENOLES

(Komblum, N., Berrigan, P. J. y IeNoble, W. J., “Solvation as a factor in the Alkylation of Arnbident Anions: the Importance of the Hydrogen Bonding Capacity of the Solvent”, J. Am. Chem. Soc., 85, 1141, (1963).)

14. Un ácid0 fuerte convierte reversiblemente el fluoroglucinol (R = €3) y sus éteres (R = Me o Et) en especies protonadas híbridas en esta estructura

+OR b H, o::.” R = H, Me, o Et R O’

H H a a

y de las estructuras correspondientes con la carga en los otros oxígenos. Estas especies son los familiares iones bencenonio (complejos sigma), los cuales son los intermediarios en la sustitución electrofílica aromática ”en esta ocasión con dos pmtones en el sitio del ataque (vhnse la Sec. 14.8; el problema 14.10, pág. 508, y el problema 4, Cap. 16).

El espectro se debe a los protones a (64.15) y b (66.12), que son protones alílicos y vinílicos desprotegidos por la carga positiva. Al diluir con agua se pierde un prot6n, por lo que se regeneran los productos originales.

En el D,SO, se reemplaan gradualmente todos los protones del anillo por deuterios gracias a una serie de sustituciones electrofnicas aromáticas a base de iones bencenonio similares. A partir de 1, 3, 5, -C,y(OCHJ, en D,SO,, se esperaría aislar el 1, 3, 5- C6D3(OCH3 ) 3’

15.

(1) La protonación de un aldehído. (2) La sustitución electrofílica, con un aldehído protonado como electrófilo. (3) La protonación de un “ O H y la @dida de %O para formar un catión alnico. (4) La adición electrofílica de un catión alnico a un doble enlace para formar un catión 3” y generar un segundo anillo. (5) La combinación de un catión 3” con el “ O H de un fenol para formar un éter protonado y generar un tercer anillo. (6) La pérdida de un protón para dar I.

(Taylor, E. C. , Lenard, K., y Shvo, Y., “Active Constituents of Hashish. Synthesis of d -A6-3, 4-trans- Tetrahydrocannabinol”, J. Am. Chem. Soc., 88,367 (1966).)

518

FENOLES CAPITULO 28

HO e N = N a O E t -0 m N = N a OEt

C

E t O o N = N a OEt

D

H

E t 0 ==NG OEt % 2 E t O ( 0 ) N H I CH3CoC1 E t 0 o r ! - c - c H 3 I1 O

Fenacetina D E

G H 3-Cumaranona

CAPITULO 28 FENOLES

p-Cimeno ' Y ' Asignación incierta

CH3 S 0 3 H 8

COOH COOH K

I o* 0 O S 0 3 H

Asignación incierta

EOOH COOH K

Por consiguiente:

9 S 0 3 H

A I J

Carvacrol y timo1 Asignación incierta

Aneto1 L M

L HBr. calor

Hexestrol

111 IV

OCH2CHZOCH2CH20

HO

FENOLES CAPITULO 28

VI

,OCH,CH,OCH,CH>O VI Q

OCH,CH,OCH,CH,CI El éter corona VI1

(b) Por supuesto, un fenol podria ser soluble en NaOH acuoso.

(c) Se forma un complejo soluble en agua entre el Na' y el Cter corona.

(d) De ordinario esperm'amos que la colisión "y la reacci6n- entre los dos extremos de una molécula como VI1 fuera sumamente improbable. En cambio, esperm'amos que VI1 reaccionara con una nueva molécula del cloroéter para alargar la cadena.

(e) El ion Na' o K' actúa como un patr6n en la formaci6n del Cter corona. A medida que se forman las uniones éter, la molkula gira en torno al cati6n; los dos extremos de VI1 se encuentran sujetos en la posición correcta para que se lleve a cabo el cierre del anillo.

En realidad este es un efecto sinf6rico; los htomos que van a reaccionar se acercan y se mantienen en la relación espacial apropiada gracias al cati6n metAlico. De esta manera, el catión metálico ejerce su efecto fundamentalmente en la misma forma que lo hace un metal de transición o una enzima (véase la pág. 735).

O

POCl, 18. OH CICH~COCI G o H o 60, o G O ~ - ? - C H 2 C l

C-CHZCI CH2COCl I

O N ? N ? N ?

Por aciiación Por alquilacibn Por esterijicación del anillo del anillo

C"CH2CI / I O N Esta es la única

posibilidad que podría dar CHX,

COONa COOH Acido

3,4-dihidroxibenzoico

CAPITULO 28 FENOLES

o N

o o

OH (+)-Adrenalina

19. (a) El felendral es un aldehído (prueba de Tollens) capaz de oxidarse a un Acido que contenga una insaturaci6n susceptible dereduccibn, indudablemente undobleenlacewbomxxrbono. Con esto en mente, hagamos un poco de aritmética química en el kid0 saturado.

ClOHlBOZ C9H 19 si R fuese cadena abierta - COOH -CgH17 ~"

C9H I 7 significa R 2H faltantes signifcan 1 anillo

Sabemos ahora que el felendral tiene un anillo, un enlace doble y un grupo "CHO. La síntesis por un camino bien determinado nos da su estructura.

(b) El felendral sintético es la modificacidn racémica:

i-Pr

K->-CHO OHC--

H ( ? )- Felandral H

La quiralidad que persiste en el felendral se genera en la conversi6n de U en V: el doble enlace se puede formar en una u otra direcci6n desde el carbono portador del "CN, dando cualquiera de un par de enanti6meros. Laeiiminaci6n es igualmente probable en cualesquiera de las dos direcciones, por lo que se obtiene la modificaci6n racémica. De esta etapa en adelante no hay más cambios estereoquímicos.

522

FENOLES CAPITULO 28

Enantirjmeros Se forman en cantidades iguales

(c)Compare con los problemas 12.13 (e) y (f), ptigina 455.

CHO COOH H~ COOH H COOH

Tollens HZ. ca!. 0 y Ho H Pr-i Pr-i

(- )-Felendral Acido (-)-felfindrico Acido dihidrofelándrico Diastereómros:

ambos son aquirales

20. Y es m-cresol, el único cresol que puede dar un compuesto tribromado.

21. (a)Z y AA son neutros: el oxígeno es "OH, OR o bien -C =O. Son no saturados. La oxidaci6n vigorosa a kid0 anísico indica lapresencia (y retención) de un enlace éter, pero también la pérdida de dos carbonos de una cadena lateral. Hasta aquí, podemos reconocer la presencia de los siguientes elementos estructurales:

C H 3 0 G " C - + dos C adicionales en cadena lateral

La aritmética química

C3H5 cadena lateral

establece la cadena lateral como C,H,; las pruebas químicas mostraron que ésta es no saturada, y no un anillo de ciclopropano.

Por lo tanto, las estructuras posibles son:

cis- o rrans-CH30 QCH-CHCH, ( : H 3 0 ~ C H Z C H = C H 2 C H , O o C - C H : I CH3

523

CAPITULO 28 FENOLES

(b) La hidrogenación al mismo compuesto, CIJ-Il,O, demuestra que el esqueleto de carbono de la cadena lateral insaturada es el mismo en Z que en AA; esto descarta la estructura de cadena ramificada, de modo que ahora S610 quedan tres posibilidades:

cis- O tmns-CHjO o c H = C H c H 3 C H , 0 ~ c ~ ~ 2 c ~ - - = C H 2

(c)Ozonólisis, o bien, isomerización de uno al otro mediante un calentamiento fuerte con KOH.

(d) La síntesis implica el acoplamiento de un reactivo de Grignard con un halogenuro de alilo.

C H , O o B r Mg\ CHjO 0 MgBr + BrCH,CH CH2 - p-Bromoanisol Bromuro de dilo

C H 3 0 { o C H 2 C H =CH2 + MgBrz

p-Alilanisol Z

(e) El calentamiento con base fuerte convierte el dilbenceno Z en el más estable AA, que tiene el enlace doble conjugado con el anillo. De los dos isómeros geomkuicos, es de esperar la obtención del isómero trans, más estable.

r \ H - H + - t H + H \ /’

/ ‘,

cis-p-Propenilanisol

p-CHIOChH4CH2CH- CH2 G-, f p-CH30C,H4CH-CH-CH2 ---+ c -:C t H +xF p-CHjOChH4 CH 1

+ t i . 17 - t{+

\~ / CH, ,c-c H

p-CH30ChHA H tram-p-Propenilanisol

A A

‘~

Isómro mris estable

trans

f N a N H 2 C H 3 0 0 C CH

Brl c-

FENOLES CAPITULO 28

C H j a C H = C H 2 f-" - Hz0 H+ C H 3 O a C H C H 3 I

OH

c-" CHICHO C H , O o M g B r C H 3 0 0 B r

22. Evidentemente, BB es un fenol, lo que justifica la presencia de un oxígeno @or lo menos). También parece ser un éster (lo que justificatía los otros dos oxígenos), por su lenta hidrólisis a un alcohol que da una prueba positiva de haloformo, esto es, la hidrólisis a RCH (OH) q .

CIOJ312O3 BB CloH I 1 0 2 C4H702

ClOHllO2 C4H702 C3H7

-OH fenólico -C6H4 anillo aromático - COZ éster

Un residuo de C,H, indica que el alcohol es iso-FWH.

/ OH

OH- /

\

0- OH C6H 4 , i-PrOH + C6H4

H + /

\ 22 + CnH4 COOPr-i coo COOH

R D

El Único kid0 hidroxibenzoico que es volhtil con vapor es el idmero orto el &ido salicílico; CC debe ser éste, y BB tiene que ser salicilato de isopropilo.

23. Sus características de solubilidad indican que el chavibetol es un fenol.

(a) La metilaci6n con Me,SO,/NaOH introduce un metilo,

'CI I H , 4 0 2 DD - CloH IZO* chavibetol

lo que indica que hay un grupo fenólico en el chavibetol.

(b) La ruptura con HI caliente para dar CqI demuestra que el chavibetol es un metil Cter, lo que justifica el segundo oxígeno. Al prever su conversih en vainillina, tentativamente

CI ,HI2O2 chavibetol CIOHI 10 C9Ha -OH fenólico - OCH3 éter - C,H3 aromático trisustituido ___ __

ClOH I IO CyHx C ~ H S

525

CAPITULO 28 FENOLES

suponemos que, al igual que la vainillina, el chavibetol es un compuesto aromático trisustituido y que el oxígeno del tter se encuentra unido al anillo.

El residuo de C,H, de nuestra aritmttica química corresponde a una cadena lateral no saturada (compárese con el problema 21 recien analizado).

(c) El tratamiento del chavibetol con una base fuerte caliente da por resultado la isomeración a EE; podemos explicar esta conversión de la siguiente manera:

O\, o\, C h H l ~ C H I -CH-CH? o H

/ ,C,HjCH=CHCH 3

C H 3 0 CH ,o' Chavibetol EE

C l O t ~ l 2 0 2 CloH~zOz

Sin duda ocurre la misma isomerización cuando DD se trata de una manera similar.

CH 10, CH 30,

C H 3 0 CH,O

oti-

/ 'C6HI CH2 CH CH2 calor-

/ ChH ,CH=CHCH 1

DD FF e, ,HIJO' CI 1 H 1 4 0 2

Ahora debemos encontrarla orientación de los compuestos. Este problema se simplifica mediante la ozonólisis.

Es fácil interpretar el resultado de FF:

O H

Vainillina

OCHJ OCH 1

FF

OH

GCH, Uno de éstos es chavibetol

¿Cual de las dos posibilidades es el chavibetol? Sabemos que los grupos de EE (1- carbono, 3-oxígeno, 4-oxígeno) tienen esencialmente la misma orientacidn que los de FF; por lo tanto, el Único isómero posible de la vainillina que se puede formar por ruptura de EE es uno que tenga invertidos los grupos --OH y "2%.

FENOLES

CHO

EE -% ojOH CAPITULO 28

OCH 3

Isórnero de l a vainillina

Finalmente, entonces, llegamos a la estructura del chavibetol:

OCH , OCH, E E Chav~beto l

24. (a) La piperina es una amida de la piperidina (Sec. 35.12) y de un ácido, llamado pipérico, RCOOH, en el que R = C,,H90,.

O

R -C-N ' ' 3 ____f H- N C > + RCOOH HIO. OH-

Piperidina ( R = C I I H ~ O ? )

(b) El p.m. del ácido pipérico (C,,H,,,O,) es de 218; su E.N. es de 215 It 6. Es evidente que el ácido pipérico es monocarboxílico.

A juzgar por el bajo contenido de hidrógeno en R, es evidente que contiene anillos, enlaces no saturados, o ambos. La bromación (sin sustitución) da C,,H,,04Br4; concluimos que probablemente hay dos enlaces dobles activos, los cuales emplearían cuatro de los doce carbonos.

El residuo indica un anillo aromático (seis C), pero quedan un carbono y dos oxígenos sin asignar los cuales no se pueden hallar en otro "COOH porque el ácido pi@rico sólo tiene uno de estos grupos (recordemos que p.m. = E. N.), y ya lo tuvimos en cuenta.

Pasando por alto este último problema por el momento, echemos un vistazo a la insaturación. LA degradación oxidativa del ácido pipérico nos da varios productos, dos de los cuales identifican de modo clarísimo todos los carbonos: el ácido tartárico, HOOCCHOHCHOHCOOH, y otro ácido, C,H604, que resulta diferente de todos los ácidos ftálicos, C6H4 (COOH),, y al que los investigadores originales dieron el nombre dc piperonílico.

Podemos relacionar los ácidos pipérico y piperonílico de la manera siguiente:

C ~ H ~ O Z - C O O H t HOOC--CH -CH -COOH t- ¿mid

OH OH I 1

Acido piperonílico Acido tartárico

C7H:OZ- C H l C H ~ Cf1- CH COOH

Acido pipérico Parcial

527

CAPITULO 28 FENOLES

No podemos postergar más el estudio del carbono y los dos oxígenos “que faltan”. Fenoles y alcoholes son imposibles, porque la oxidación los descompondría. Un grupo carbonilo de un carbono sería un aldehído que, oxidado a “COOH, conduciría a un ácido ftálico en lugar del pipcronílico. Sólo nos quedan las uniones éter como respuesta para los oxígenos. Pero, jcomo se obtienen dos enlaces elkricos para un solo carbono?

La ruptura del éter es la clave: se generan formaldehído y dos grupos fenólicos.

Acido piperonílico

Partiendo de esta estructura, tenemos el camino despejado hacia el ácido pi@rico y la piperina:

Piperina

(c) La secuencia sintética confirma nuestra estructura en todos los aspectos.

Catecol GG

H H Pipcronal

FENOLES CAPITULO 28

piperonal 7 C H S H O CH-CHCHO %+ NaOAc

I [

CH=CHCH=CHCOOH

Acido pipérico

soc12 CH-:CHCH=CHCOCI -+ acido pipérico - piperidha

JJ

Piperina

25. Sus características de solubilidad indican que la hordinena es un fenol y una mina. La prueba de Hinsberg revela que se trata de una amina terciaria; si bien el cloruro de benecenosulfonilo puede reaccionar con el grupo fen6lic0, deja sin modificaci6n al grupo amino, con su carkter bAsico intacto.

Una vez mAs, la degradaci6n oxidativa brinda mucha informaci6n; sin embargo, debido a la sensibilidad de los fenoles la hordinena debe metilarse primero.

HOArR - CH30ArR

Hordinena

Me>SO4 OH- C H ~ O 0 C o o H

LL Acido anísico

Sabemos ahora que la hordinena tiene un " O H fenólico para con respecto a una cadena lateral, única, portadora del grupo amino. Puesto que este grupo es terciario (lo que requiere tres carbonos como mínimo), dicha cadena lateral no puede contener m b de dos carbonos:

Esto queda confirmado por la generación dep-metoxiestireno a partir de LL, probablemente con eliminación de M e w .

Me2NH + CHJO a C H = = C H 2 c-- calor C H , O o C 2 H 4 N M e 2

p-Metoxiestireno LL

CAPITULO 28 FENOLES

(a) Hasta este punto, hay dos estructuras que concuerdan con los datos:

(b) Cualesquiera de las dos estructuras se puede obtener por aminación reductiva (Sec. 26.1 1).

H " " CHJ

Acido p-tolúico M M N N O 0 I

COOH PP

FENOLES CAPITULO 28

27. El alcohol conifenlico es soluble en NaOH, pero no en NaHCO,, por lo que debe ser un fenol. El tratamiento con cloruro de benzolio (para dar S S ) aumenta en 14 el número de carbonos, lo que indica que se agregaron dos grupos benzoilo y, por consiguiente, que se han esterificado dos "OH. La reacci6n con HBr frío, para reemplazar " O H por "Br, demuestra que uno de los " O H es alcohólico. La ruptura con HI para dar CH$ revela la presencia de un grupo metil éter.

La aritmética química sugiere la presencia de una cadena lateral no saturada:

C l , , H I ?O3 alcohol coniferílico CIOH I 1 0 2

-OH fenólico - O H alcohólico

C l o ~ l l o z C' I OH I 00

CI~JHIOO CQH 7

CvH7 C , h

-OCH, Cter ~ C6 H anillo aromático ____ __

En formacongruente se halló que S S (con sus funciones fenol y alcohol protegidas) decolora tanto al KMnO, como al Br,/CCl,: es prueba de insaturación. Hasta aquí, las estructuras posibles son:

/

\

OH /

\\

OH CbHJ ~ - O C H j ChHj --OCH,

CH ~ CHCHzOH C=CH2

CHzOH I

Finalmente, la ozonólisis da resultados que no dejan margen para dudas acerca de las estructuras del alcohol conifenlico, S S y 'IT.

H H Mcl CH ,O o]b==C I CH,OH OH- '

CH 1 0

TT

28. (a) UU es un acetal (estrictamente, un cetal) y una lactona. Se forma por la captura intramolecular (nucleofílica) del ion bencenonio que, de ordinario, conduce a la sustitución electrofílica aromática. (Este parece ser el primer caso de este tipo que se ha descubierto.)

53 1

CAPITULO 28 FENOLES

g + C H I Br

xx

(1) Sustitución nucleofílica con catálisis hci& (de Lewis) mediante Ag', que ayuda a extraer Br para permitir la entrada de -02%. (2) Reduccidn de dos enlaces dobles. (3) Hidrólisis alcalina de una lactona (un ester) que da un alcohol (un hemiacetal) y un anión carboxilato. (4) Como otros hemiacetales, tste es inestable y genera un compuesto carbonílico y un alcohol (un hidroxiácido).

Por ejemplo, la ruptura de UM unión 6ter (ROCH,) en XX y la deshidratacidn del alcohol resultante darían origen a VIII, complethdose así la transformación de un fenol en un sistema alifático polifuncional. Con un grupo carbonilo en la molkcula - e l grupo funcional más importante de la química orghica- se abren docenas de rutas de síntesis.

S32

FENOLES CAPITULO 28

29.

VI11 IX X XI

Se pueden introducir otros grupos, aparte del - O C Y , en el paso (1): acetato. por ejemplo. La cetal-lactona se puede romper antes de la hidrogenacibn para producir estructuras como IX. Se puede extender el proceso a sistemas aromáticas policíclicos (Cap. 34), con la formación de compuestos tales como X y XI.

(Corey, E. J., Barcza, S . y Klounann, G., "A New Method for the Directed Conversion of the Phenoxy Grouping into a Variety of Cyclic Polyfunctional Systems", J. Am. Chem. Soc., 91,4782 (1969).)

CHO

Piperonal (pág. 778) Vainillina (pág. 986) Eugenol (pág. 986) A A A B B B ccc

(y HH en el problema 24, visto poco antes)

6 CH(CH 1 h &OC", CHI \j

CH ~ CHCH, CHICH-zCH? Timo1 (pág.986)

DDD Isoeugenol (pág.986)

EEE

Safrol (pág. 986) FFF

Primero revise sus respuestas comparándolas con las indicadas arriba. Tanto si estuvo en lo correcto como si no, trate de ajustar las estructuras correctas a los espectros. En seguida, consulte los espectros rotulados de las páginas 879 a 881 de esta Guía de Estudio, y coteje sus asignaciones de sefiales con las que allí se indican. Finalmente, revise el análisis de estos espectros, expuesto en la página 883 de esta Guía de Estudio.

29

Halogenuros de arilo Sustitución nucleofi7ica aromática

29.1 (a) Vea la sección 10.15 0) Vea la sección 14.19

29.2 Hay un enlace &--O más fuerte en los fenoles debido al carácter de doble enlace parcial, de hibridación sp2 o ambos, del carbono aromkico.

29.3 (a)

O = - N O O H KOH\ O=N 0 0 - K '

p-Nitrosofenóxido de potasio

@)Sustitución nucleofílica aromática.

(c) Atracción elecrrónica-o, más apropiadamente, aceptación de electrones"pore1 grupo nitroso, lo cual estabiliza el estado de transición que conduce al intermediario I.

EtOH

535

CAPITULO 29 HALOGENUROS DE ARIL0

29.4 (a) Hay sustitución nucleofílica aromática de “ O H por “$, con activación debida a ambos grupos -NO,, ubicados orto y para respecto al 44.

(b) El producto de la hidrólisis, lap-nitroanilina, es activado hacia la sustitución nucleofílica aromática por el grupop-nitro. En medioalcalino,parte del producto sufre el desplazamiento de “NH, por “OH, para dar p-nitrofenol, con lo que disminuye el rendimiento, además de que el fenol y sus productos de oxidación dificultan la purificaci6n del producto.

o’ o y

(c) Ocurre que desplazamiento nucleofílico del “ C 1 por el ”S0,Na. Aquí el reactivo, SO,%, es un nucledfilo que posee un par de electrones no compartidos sobre el azufre. En una sulfonaci6n ordinaria, el reactivo SO, es un electr6fil0, con un azufre deficiente de electrones.

(d) No es un método general, puesto que requiere que el anillo esté activado por sustituyentes como -NO,, ubicados orto, para, o ambos, con respecto al punto de ataque. Además, no se puede utilizar este tipo de sustitución paradesplazar H-, sino que sólo resulta para grupos salientes débilmente bhicos, tales como C1-. No se podría emplear para preparar &ido bencenosulf6nico.

(e) Como en (c), hay sustitución nucleofílica aromatics con SO,” como nucldfilo y, esta vez, NO; como grupo saliente. En los is6meros orto o para, cada NO, activa al otro, de modo que se obtiene una sal de bencenosulfonato hidrosoluble:

El isómero meta no reacciona, y permanece insoluble

536

HALOGENUROS DE ARIL0 CAPITULO 29

29.5 El -NO puede ayudar en la dispersión de cualquier tipo de carga, negativa o positiva, desarrollada en el estado de transición que lleva hacia el intermediario en la sustitución aromhtica.

-E ~ O : Electrofilica Y -

29.6 La ariunCtica quimica indica la adición de edxido de sodio,

C,H,,08N3Na producto - C7H507N3 material de partida

C2H50Na equivale a etóxido de sodio

o bien, en el segundo caso, de medxido de sodio. El producto I1 es el mismo en ambas

OzN G k o z 0 2 N 6 0 2

NO2 y M e 0 OEt NO2

0 2 N o N o 2 ‘.-.I +

NO2

02N&2 LC I1 02N&Oz

NO2 NO2 Mezcla

reacciones, y es un ejemplo estable del intermediario en la sustitución nucleofilica aromi- tica por medio del mecanismo bimolecular.

29.7 El anión fenilo, C,H,-, es UM base mis fuerte que el anión 2-F-3-CqoC6q-, el cual contiene dos sustituyentes que atraen electrones y debilitan el carkter bhico: -F y 4%. Por el contrario, el o-fluoroanisol es un &ido m& fuerte que el benceno.

29.8 El compuesto organolítico reacciona como un reactivo de Grignard:

(a) con CO,, para dar un Acido carboxílico:

CAPITULO 29 HALOGENUROS DE A R E 0

(b) con una cetona, para dar un alcohol terciario:

(c) El magnesio reaccionaen el enlace-Brparadar el reactivo de Grignard, que es andlogo al producto organolítico de la reacción (5). pzigina 1036, y reacciona como en (6) para generar bencino.

aBr+ Mg - &:Br "-j MgBrF + 0 F

Bencino

29.9 (a) AgNO, (b) &NO,

(c) Br,/CCI,, o KMnO, (d) prueba del yodoformo; o 0 , /H2S04

(e) prueba del yodoformo

29.10 (a) Oxidación a ácidos; luego determinación de sus p.f. (aunque ambos son muy elevados), o de sus equivalentes de neutralización (201 contra 123).

(b) Ozonólisis e identificación de fragmentos (C&CHO contra HCHO), o bien, isomerización de un isómero (el compuesto alílico) al otro (el idmeropropenílico) mediante KOH caliente (véase problema 21, Cap. 28).

No hay reacción: b, c, d, e, f, g, k, 1, n, o.

2. (a) n-BuMgBr (b) n-BuOH

(c) CH,CH2CH=CH2 (d) n-BuC"CH

(e) n-Bu-+Et (f) n-BuNHz

(g) n-BuCN (1) Ph-Bu-n y Ph-Bu-see

No hay reacción: h, i, j, k, m, n, o.


(f) CHjCI, AICII

(Véase el problema 3b, poco antes)

( k ) a - C H 2 C H = = C H , c- MgBr (como en g)- BrCH2CH=CH2

(m) NaNH,/NIl,(líq)


(e) PhCHzOH (f) PhCHOHCHi (g) PhCHOHPh (h) p-CH,C,H,CHOHPh

Ph CH, I 1 I

OH

(m) Ph3COH (n ) Ph--C -CH-CZHS (o) C6H6 + HC=CMgBr

Opticamente activo

Modificación racémica: f, h. k, (Opticamente inactivos.) Unico compuesto 6pticamente activo: n. Todos los demás: compuestos únicos, ópticamente inactivos.

6. (a) 2.4.6-triNOJ > 7 ,4 -d iN02 > o-NO, > m-NO:, no sustituido.

(b ) 1'hCH: > PhH > I'hCI > PhN02

(c) CHICHCH -CHJ > CH*CH?CH--CHZ > CH,CHLCH"CH I ~ I Br B I- Br

Alílico Alquilol" Vinílico

(d) I'hMe > p-BrC,H,Me > f'hBr > p-BrChHJBr

(e) I'hCH2CI > EtCl > PhCl Bencílico Alquilo 1" Aril0

( f ) PhCHCHj > PhCH2CHL > PhCH-CH I I I

Bencílico Alquilo 1" Vinílico B I Br Br

7. NaHCO, acuoso, para reducir al mínimo la sustitución nucleofílica por OH-, que convertiría parte del producto en 2,4-dinitrofenol (comphrese con el problema 29.4b).


Arino Anión más estable (Véase la Sec. 29.14)

k i n 0 Anión más estable (Véase la Sec. 29.14)


Br Br

Br Br

(problcrna 27.16, pág. 963)

(corno en d)

HALOGENUROS DE ARIL0

10. Vea la sección 35.10

CAPITULO 29

1 l. En algunos de los pasos el tipo de reacción depende del punto de vista.

Protonación del aldehido.

Protonación de un alcohol.

Sustitución electrofilica aromática: segundo paso de una reacción SN1 del alcohol protonado.

Segundo mol

CI DDT

Clorobenceno Bencino

Bencino Fen01 Ion fenóxido


El ion fenóxido es un anión anbidentado que puede reaccionar en el oxígeno o en el anillo; compare con la respuesta al problema 13, capítulo 28.

Reacción en el oxígeno

(=&+o*- - i Difenil éter

Bencino Ion fenóxido

p-Fenilfenol Reacción en el anillo

13. El intercambio de hidrógeno sucede, como hemos visto, por la vía de un carbanión (págs. 1034-1035). Su velocidaddepende de larapidez de formación del carbanión. Esto, a su vez, depende del acomodo de la carga negativa desarrollada en el estado de transición que conduce a la formación del carbani6n. Mediante su efecto inductivo, el flúor contribuye al acomodo de esta carga negativa. El efecto inductivo depende de la distancia al carbono negativo, siendo mucho mds poderoso desde la posición orto que desde las posiciones meta o pura. (Véase la referencia dada en la respuesta al problema 23, más adelante.)

14. El grupo -N; activa muy poderosamente el anillo hacia la sustitución nucleofílica aromática. El ion cloruro desplaza gran cantidad de -Br antes de que ocurra la reducci6n.

15.

\ NR2 XI


Bunnett (pag. 274), quien realizó este trabajo, ha ofrecido esencialmente la siguiente interpretación. (Haypruebasadicionalesquecontribuyen adescartarciertas interpretaciones alternativas.)

Cuando X = F, el intermediario se forma reversiblemente (1). Una parte de X continúa a productos (2) por Nrdidas de X-, pero otra parte, se revierte a ArX por Nrdida de R,NH, débilmente básica; esta inversión de (1) retarda la reacción global. Mediante la ruta (3), la baseconvierte al intermediario X en XI, que se transforma con rapidez en productos (4), por pérdida de X-, en lugar de volver a ArX por pérdida de la fuertemente básica especie aniónica R,N-.

Cuando X = Br (2) es mucho más rápida porque el enlace C-Br es más débil. X se forma irreversiblemente, convirtihdose todo en producto ya sea con o sin la acción de la base.

(Bunnett, J. F. y Randall, J. J., “Base Catalysis of the Reaction ofN-Methylaniline with 2,4-Dinitrofluorobenzene. Proof of the Intermediate Complex Mechanism for Aromatic Nucleophilic Substitution”, J. Am. Chem. Soc., 80,6020 (1958).)

16. (a) Hay un efecto isotbpico primario. Considere la respuesta al problema anterior, en que X = OPh, o bien, WPh. Los pasos (2) y (3) son mQ lentos para el is6topo m8s pesado y, mediante el paso (1) invertido, se revierte más del intermediario hacia el material de partida.

(b) La piperidina aumenta la velocidad de (3) en relación con la reacción inversa de (l), de manera que una fracción mayor del intermediario continúa hacia producto, indepen- dientemente de si se pierde OPh- o WPh-.

17. En el disolvente aprótico, el ion azida se encuentra poco solvatado (no hay formación de puentes de hidrógeno) y, en consecuencia, es un nucleófilo más fuerte.

18. (a) 28, N,; 44, CO,; 76, bencino; 152, bifenileno, un dímero del bencino que se forma gradualmente.

Bencino Bifenileno Dos moles

Acido o-aminobenzoico (Acido antranílico)

545

CAPITULO 29 HALOCENUROS DE ARIL0

(La dimerización del bencino en la parte (a) es una cicloadición tkrmica [2+21, y esd prohibidupor la sirnetria (Sec. 33.9). Seguramente, o bien la alta energía de las particulas que intervienen hace posible la difícil reaccidn o bien la reacción procede según un mecanismo no concertado por pasos.)

19. Primero hagamos un poco de aritmktica química:

C,H & I clorobcnccno C2,H2,,CIK reactantes t CIPHISK PhJCK ~~ C25H2o productos " ." _____ C,,H*OCIK KC1 se pierde; esto sugiere que el producto es

Si suponemos que el producto es tetrafenilmetano, podemos escribir la siguiente serie de reacciones:

Clorobenceno Bencino Ph

Tetrafenilmetanobase

La KNH, es necesaria para generar el bencino; el anidn Ph,C-, estabilizado por resonancia, es una base demasiado débil para formar el bencino, y un nucle6fílo demasiado débil para llevar a cabo un desplazamiento bimolecular.

Un carbani6n bencílico, al igual que el ion fendxido (problema 12 recién visto o una mina aromática (problema 27.15, pág. 956, y PPoblema 27.21, pdg. 9661, podría ser un reactivo ambidentado (véase la respuesta al problema 13, Cap. 28). Debemos considerar la posibilidad de que el bencino -por razones estéricas- no reaccionara en el carbono de la cadena lateral para dar Ph,C, sino en el anillo para dar XII, una estructura que nos recuerda al dimero del trifenilmetilo (I, pág. 545).

XI1

20. (a) A 340°C, la reacción procede, al menos parcialmente, mediante el arino XI11 que adiciona agua de dos maneras diferentes para dar tanto m- como p-cresol.


A 250°C la reacción procede a traves de un desplazamiento bimolecular, dando solamente p-cresol.

(b) Se forma el arino XIV (compare con el problema 18, poco antes), el cual adiciona t-BuOH en las dos formas posibles.

XI v

(c) Se forma el arino XV, que no sólo adiciona NH, (como -q), sino tambien CqCN (como %€€$N). Aquí, los productos posibles son los idmeros orto y meta y. como en la página 1035 predomina el isómero mera: tiene gran preferencia la generación de la carga

COOH

5H c1 N a N H ? , N H I cH x v

NH2

negativa sobre el carbono adyacente al sustituyente atractor de electrones. (En las partes (a) y (b) de este problema, las opciones son los isómeros meta y pura, y se manifiesta escasa preferencia por uno u otro.)

21. Tanto 11, como III generan el mismo arino, XV1,el cual da XVII porreacción intramolecular.

,CH3

\

/

\

CH3 11

H I CH3

H XVI XVII

c1 1 "etil- 111

2,3-dihidroindol


22. (a) Sólo Br(CH,),Br reacciona con AgNO,. Só10 p-BrC,H,CH=CH, reacciona con KMnO,.

(b) Se oxidan todos a ácido, BrC,H,COOH, y se determina el p.f. : o-, 148 C ; nz-, 1 56 C : p- , 254 P C.

(c) Sólo PhCH,Cl reacciona con AgNO,. o-C,H,CI, no reacciona con KMnO, caliente.

(d) Sólo el alquino decolora el Br,/CCl,.

elemental (para Cl).

soluble en ácido sulfúrico fumante.

Los alcoholes reaccionan con CrO,/H,SO,, y pueden distinguirse mediante el análisis

De los compuestos restantes, sólo el etilciclohexano no contiene C1, y sólo PhCl es

(e) El halogenuro de aril0 es negativo frente al AgNO,. Los demás se deben oxidar a ácidos, los cuales se distinguen mcdiante sus p.f. (aunque

ambos son muy elevados) o bien mediante sus equivalentes de neutralización (83 contra 162).

23. (a) Un mecanismo basado en un bencino justifica algunos de los hechos.

Rr

Br Br Br

1v X V l l I v

VI I VI11

IX

(b) Se sabe que los bencinos reaccionan con el ion halogenuro. Si el bencino XVIII es un intermediario, como se postula en (a), debería reaccionar con el yoduro agregado para dar VIII, lo que es contrario a los hechos.

Br O B r B:_ o~r l b B r 8 : ~ \ I O j B r

Br Br Br Br No se obtienen IV XVllI v I I I en estas condiciones

\


(c) Básicamente, la danza de los halógenos ocurre en dos pasos.

( i ) Ar-H + B: e Ar:3 + B : H

El paso (i) es la familiar separación de un protón mediante UM base para generar un carbanión. El paso (ii) es un desplazamiento nucleofílico sobre un halbgeno, con un arilxarbanión como nucleófilo y otro aril-carbanión como grupo saliente.

Para explicar todos estos hechos, sólo necesitamos estos dos pasos, más una regla como guía: los únicos carbaniones suficientemente estables para participar son los que tienen la carga negativa orto respecto al halbgeno. Como se ha ejemplificado con los datos del problema 13, antes visto, el efecto inductivo del halógeno es mucho más poderoso desde la posición orto que desde las posiciones meta y para, m& distantes.

Según se sugiere en el problema, comencemos con V y la base, en presencia de VI, y veamos cómo se puede formar IV. Descubrimos que la clave es la transformación del uibromocarbanión XIX en su isómero XX, cuyos Br se distribuyen como en IV.

Br Br v XIX

XIX VI VI xx

x x IV

Mediante la inversión exacta de los pasos recién indicados, podernos explicar la conversión de IV en V, en presencia de VI.

Br Br

(4) oBr + B : I_ ’oBr + B : H

Br I V

Br xx

Br xx VI

Br VI x IX


Br X I X

Br

V

Comenzamos a vislumbrar el papel especial que representa el compuesto tetrabromado VI: contiene Br con la misma distribución que tiene tanto IV como V y, por pérdida de uno u otro Br, puede convertirse con IV o en V.

A continuación, comencemos solamente con 1V y la base, y veamos Cómo se f o m ~ n todos los productos.

Br Br

Br I V

Br

-;o Br Br

x x

+ [O Br

Br

Br 1V

Br x x

Br 61 Br

/y”,’ \ B r 6 Br

QBr

:-r

Br

R: QBr

Br m-Dibromobenceno

Br i r V I p-Dribromobenceno

La secuencia (4), (7) de m- y p-dibromobencenos y genera el compuesto tetrabromado VI. Con VI ahora presente, puede ocurrir la secuencia (5), (6) para dar V.

Los pasos de (7), (4) invertidos convierten los m- y p-dibromobencenos otra vez en IV, pero el bromo que se incorpora no tiene que ser necesariamente el que antes se perdió del IV. El resultado neto, después de muchos ciclos, es UM distribución completa de un Br marcado en IV. (Escriba una serie de ecuaciones para comprobarlo.)

Las reacciones del compuesto dibromoyodado VI1 son adogas a (4) y a (7). Los compuestos mbromo y bromodiyodados se obtienen por cierto tipo de “dismbución”, esta vez no con isótopos sino con diferentes halógenos, el Br y el I. (También escriba las ecuaciones que demuestran esto.)

Finalmente, la parte más difícil: ¿Por qué se debe adicionar VI para llevar a cabo la isomerización de V, pero no la de IV? Escribimos ecuaciones análogas a (4) y a (7), ahora comenzando con V en lugar de I V .

o ( I ) + B : e + B : H

Br V

Br X I X


Br Br XIX V

Br Br

VI X X I ano es

respecto orto a X

Para que V genere el compuesto clave tetrabromado VI debe separar un Br de otra molécula de V; pero esto no puede ocurrir, ya que la reacción requeriría la formación del carbanión XXI, en el cual la carga negativa no orto respecto al halógeno.

¿Por que no es necesario adicionar V para llevar a cabo la isomerización de IV? La respuesta, como Bunnett señala, "está casi ante nuestros ojos": en la secuencia (4), (7), VI se genera a partir de la reacción de la base con IV cínicamente.

(Bunnett, J. F., "The Base-Catalyzed Halogen Dance, and Other Reactions of Aryl Halides", Ace. Chem. Res., 5, 139 (1972).)

30

Carbaniones I1 Síntesis malónica y acetoacética

30.1 Utilizamos el procedimiento general, tal como se describe en las páginas 1043-1045.

Acido deseado: Se necesita: Se alquila el éster malónico con.

(a) CH,CH2CH2-CH2COOH R = n-Pr- n-PrBr

CH3 I CH3CH- CHZCOOH R = ;so-Pr- iso-PrBr

CH3 I CH,CH>-CH COOH R = Et-

R ' = M e -

EtBr MeBr

No se puede obtener ácidos acéticos trisustituidos mediante la síntesis malónica porque sólo es posible introducir dos grupos alquilo.

Síntesis malónica con R = iso-Bu-

(La bromación Y la amonólisis se reali~an mejor con el Acid0 libre que con el éstcr.)

CAPITULO 30 CARBANIONES I1

(c) CH,CH2CH- CHCOOH f- como en (b), apartir de C H $ . ~ ~ C H CH z~~~~ I

NH2 Isoleucina I'

Síntesis malónica con R = sec-Bu-

30.2 (a) En la síntesis del ácido adípico, el exceso de ester sodiomalónico ocasiona el desplazamiento de ambos Br del bromuro de etileno.

En la síntesis del ácido cíclico, el exceso constante del halogenuro orgánico asegura la monosustitución:

(EtO0C):CH- + BrCHzCHzBr (EtOOC),CH -~CH2CHzBr + Br

Luego, la adición de un segundo mol de etóxido genera un carbanión que cierra el anillo mediante un ataque nucleofflico intramolecular.

Br

Acido ciclopropanocarboxflico

(b) Igual que para ácido ciclopropanocarboxflico en (a), salvo que hay que emplear BrCH,CH$H,CH,Br.

CH2 1, \-

H2C ~ - - CH2 \ f -

HLC __CH COOH

Acido ciclopentanocarboxflico

CARBANIONES II CAPITULO 30

303 (a) La reacción de Kncevenagel es una condensación similar a la aldólica (problema 25.22f, pág. 904).

CH,(COOEt), + PhCHO PhCH=C(COOE t )z

(b) PhCH=C(COOEt) calor OH-. H 2 0 PhCH=C(COO-)Z - PhCH C(COOH)? t í+

A PhCH-CHCOOH calor - co2

Acido cinámico

(c) Mediante la condensación de Perkin (problema 25.22e, pág. 904).

30.4 (a) La reacción de Cope es una condensación similar a la aldólica (problema 25.228, pág. 904).

--O + CH,-COOEt

CN CN

(b) O = f - C O O E t H+ z

calor =C"COOH A O = = C H - C O O H

C N COOH Acido

ciclohexilidenoacético

30.5 CH,CHCH,COOEt 1

CH(COOEt), - A

A se forma tal como se describe en la sección 31.7

30.6 ~ustituciónnuc~eof~ica,cone~imi~cióncomoreacci6ncompetitiva(Sec.7.~4).Rendimien~ en producto de sustitución: 1" > 2" >> 3". No se puede usar halogenuros de aril0 (Sec. 29.4).


H H I

1 1 I 1 I - co Y a 'X

O ¿!H*COOEt O CH2COOH O 1 1

CH,C-C-COOEt CHjC--C"COOH A CH,C-CH?"CHZCOOH

Un ycctoácido

Observamos que, de los dos grupos carboxilo, el que se pierde es el que se halla beta con

El empleo del ácidobromoacético simplemente convertiría el derivado sodado nuevamente respecto al grupo ceto.

en éster acetoacético

H (b) [CH,COCHCOOEt]-Na' + CI-C-Ph + CH,C--C-COOEt + NaCl

I1 O

, ¡ I O C-Ph

O i l

H H I - CO-. P @

CH,C-C-COOEt "-3r CH,C"C"COOH __f CH,C-CH,-CPh ! I I 1 , I I I I I O C-Ph O C-Ph O O

I1 II O O Una P-dicctona

H

[CH,COCHCOOEt]-Na+ + CICHzCCHl --f CH,C-c"COOEt + NaCI o I I I

0 CHzCCH,

o H

I H i -coz r a 3 CH,C--C--COOEt - CH,C--C"COOH - CH3C"CH2"CH2"CCHj

O CHZCCH, O CHzCCHl O O I 1 1 I 1 1 / I / I

O I 1

O I 1 Una ydicetona

30.8 Seguimos el procedimiento general de las páginas 1047-1048.

Cetona deseada: Se requiere: Se alquila el éster acetoacético con:

(a) CH3CHzCH2~-CH2CCH, R = n-Pr- n-PrBr I / O

CH, 1

(b) CH,CH--CHzCCH, I I O

R = iso-Pr- iso-PrBr

CH3 I I I

R = Et-

O R' = Me-

(c) CH,CH~-CHCCHJ EtBr

MeBr

CARBANIONES 11 CAPITULO 30

(d) No se puede preparar acetonas trisustituidas mediante la síntesis acetoacCtica, puesto que sólo se pueden introducir dos grupos alquilo.

(f) CPI3CCH2-CH2CCH3 I 1 I 1 O O - sintesis acetoacéticacon R = CH3CCH2- (RX = CH3COCH2C1)

I t O

O bien, sería m& conveniente proceder como sigue:

EtOOC COOEt I t

I t / / O O

2Na+ -[CH,COCHCOOEt] + I z "+ 2NaI + CH3CCH-CHCCH3 "-+ OH- - H'

- CO2 - CHjCCH2"CHZCCHJ / I 1 1 O O

(g) PhCCH2-CH2CCH3 / I

O / I O

+" síntesis acetoacética con R = PhCCH2- (RX = PhCCH,Br) 1 1 O

I I O

Bromuro de fenacilo

30.9 Hay una condensación de Claisen cruzada para dar A, seguida de la hidr6lisis y descarboxilación de un pcetodcido. (Como en el problema 30.7 (a), vemos aquí que, de los dos grupos carboxílo se pierde el que se halla beta con respecto al grupo ceto.) Un a-cetodcido

CH3 I CH3 - EtOH I EtOOC-C-OEt + CH2COOEt ___f Et00C"C"CHCOOEt

I 1 O

1 1 O A

CH3 H + I A - HOOC-C-CHCOOH HOOC-C-CH2CH3

Hz0

O ii I 1

O Un a- cetoácido


COOEt S I

30.10 (a) HOOCC--CH2CH(CHh " + EtOOCCtCHCH(CH,)2 ! I I 1 8

O O Acido a-cetoisocaproico

EtOOC-C~-OEt + EtOOCCHlCH(CH3)2 I / O

Oxalato de etilo Isovalerianato de etilo

COOEt

(b) HOOCC-CH2Ph <-Too, H O O C C i C H P h S E t O O C - C - O E t + EtOOCCH,Ph , I

! I I1 I

O O I 1 O

Acido a-ceto-p- . fenilpropiónico

Oxalato de etilo Fenilacetato de etilo

COOEt H + I I

(C) HOOCC"CH2CH2COOH f -coo, EtOOCC-kHCH,COOEt ' I ; I I

O Acido a-cetoglutárico O ]OEt-

EtOOC-C-OEt + EtOOCCHzCH2COOEt ~

O Oxalato de etilo Succinato de etilo

(d) HOOCCH-CHZCH(CH,)~ ' N i N H , . Hz HOOCC"CHzCH(CH3)l t-

I NH2

I como en (a) o

Leucina

Acido glutámico

30.11 (a) El extremo cargado pirde CO,. El anidn resultante (similar a I, pág. 1049) se estabiliza por el acomodo de la carga negativa en el oxígeno.

(b) Un ani& doblemente cargado, ")C-CH;, sería menos estable, y el estado de tmnsición que condujera a é1 se alcanzm'a con dificultad.


30.12 En este caso, la descarboxilación da 2,4,6-(N0,),C6H,-, que se encuentra estabilizado en relación con la mayoría de los aril-aniones por los tres grupos poderosamente atractores de electrones.

30.13 Intervienen intermediarios capaces de reaccionar con Br, y I,. Es bien sabido que los dos intermediarios que se proponen para la descarboxilación, el carbanión I y el enol (pág. 1049), reaccionan con los halógenos. (Secs. 25.3 y 25.4.)

n 30.14 HO-C-CH2-COOH HO==C"CH,-COO" "-+ COZ + HO"C---CH2 1 1 \ :! O

I ,a OH OH

Enol

HO"C"CH3 / I O

30.15 PhC=C-C02- 9 t- COZ + PhC-C:'

PhCYCH

La descaboxilación da PhC C- que, a semejanza con los aniones de otros acetilenos terminales, es relativamente estable (Sec. 11.1 1).

30.16 Seguimos el procedimiento general de las páginas 1051-1052.

Acido deseado: Requiere: Materiales iniciales: (a) CH,CH2-CH-COOH R = H-

I H R' = CH3CH2- R'X = EtBr

CHJCOOH

(b) CH,"CH"COOH I

CH3 R'= CH3- R'X = MeBr

R = H- CHjCOOH.

R" = CH3- R"X = MeBr

( C ) CH3"CH"COOH 1

CH3 R'= CHJ- R'X = MeBr

R CH3- CH3CH2COOH

(d) PhCH2-CH-COOH I

R = H-- CH3COOH

H R'= PhCH2- R'X PhCH2Cl

CARBANIONES TI CAPITULO 30

(Meyers, A. I., et al., "Oxazolines. IX. Synthesis of Homologated Acetic Acids and Esters", J. Org. Chem., 39,2778 (1974).)

30.17 Como es normal, el compuesto de organolitio se adiciona al grupo carbonilo del aldehído para dar el alcohol 2".

A

AH?SO,' ' > I EtOH n-C H CH-~CHZCOOEt

O H B

Un P-hidroxiéster

(b) Igual que en (a), excepto que se utiliza (r~-Pr)~c=O como compuesto carbonílico.

(c) Igual que en (a), excepto que se usan PhCHO y I = Et).

Ph---CHSCHCOOEt I I

OH

30.18 El anillo de oxazolina protege al grupo carboxilo, de manera que se pueden llevar a cabo reacciones de Grignard en otros sitios de la molécula.

C

D

CAPITULO 30 CARBANIONES II

P h ~ - C O O E t

E

O I1

/ c H,C \

H2C \ c’ (b) P h i CCHzCHzCOOH PhH + 1 O Acilación de Friedel-Craps AICI,

8 / I O

Un ycetoácido I 1 O Anhídrido succinic0

Ph Ph Ph

Et ’ OH I OH I (c) ‘C--CHCH,COOH EI-C-CHZCH~COOH C Et-C-CHZCHZ- I I

N CH,

(Meyers, A. I., el al., “Oxazolines. XI. Synthesis of Functionalized Aromatic and Aliphatic Acids. A Useful Protecting Group for Caboxylic Acids against Grignard and Hydride Reagents”, J. Org. Chem., 39,2787 (1974).)

30.19 Se fOrma un complejo Acido-base; dentro de Cste, se transfiere un prodn mediante un estado de transici6n cíclico.

CAPITULO 30 CARBANIONES XI

0 / R' R' R O=C

/ R O-C &' RJ ($0 - B \ / \O

R' '2 H R' R-H

BrCHzCOOEt (de CH,COOH)

3 f-- CH,C -CH2 9-URN I

r- isa-BU-B

CARBANIONES I1 CAPITULO 30

(Brown, H. C., Boranes in Organic Chemistry, Cornel1 University Press, Ithaca, N. Y., 1972, págs. 372-391; o bien, Brown, H. C., Nambu, H. y Rogic, M. M. J. Am. Chem. Soc., 91,6852,6855 (1969).)

30.21 Seguimos el procedimiento general expuesto en la página 1056.

Para sintetizar: Alquilar o acilar la enumina de:

e;

o O

(i O

Con:

PhCH2Br

CH2 =CHCHzBr

CH3 I BrCHCOOEt

BrCH2CCH3 I I O

CH 3 CH3 : I I

I CH3

(f) CH3CtC"CHO I I : I

H--C-CHO CH ,-C-CI

O CH, I / O

(House, H. O., Modern Synthetic Reactions, W. A. Benjamin, Nueva York, 24 ed. 1972, págs. 766-772.)

30.22 (a) En UM condensaci6n tipo alddica, el carbono nucleofílico de la enmina ataca al carbono del grupo carbonilo del aldehído.


A

(b) La imina C es lo suficientemente ácida corno para descomponer el reactivo de GrignNd y formar la sal de magnesio; esta sal tiene un carbono nUdeOfík0, por 10 que se alquila con el cloruro de bencilo.

H H I

(CH3)*C-C-=0 + H2N -Bu-r - H20, (CH3)2C- C N -Bu-{ I . .

1 H

~

H

C Una imina

H

C2H5--MgBr 3 MgBr +

D E

1. Seguimos el procedimiento general esquematizado en las páginas 1043-1045.

Se alquila el &et

Acido deseado Requiere: malónico con:

(a) CH3CH2CH2CH2 -CH2COOH R = n-Bu- n-BuBr

CH3 I

(b) CH3-CHCOOH

CH3 I

(c) CH,CH"CH,COOH R = iso-Pr-

CH,Br CW3Br

iso-PrBr


CH3 I

(d) CH3CH"CHCOOH I

CH,

R = iso-Pr- R' = Me-

( e ) C2H5-CHCOOH I

R = Et- R' = Et- C2H5

iso-PrBr MeBr

EtBr

EtBr

(f) PhCH2-CHCOOH R = PhCH2- PhCH2Br I

CH2 Ph R' = PhCHz- PhCH,Br

(9) HOOCCH-CHCOOH I /

R = CH3CH- I

CH3CHBrCOOEt

H3C CH3 COOEt

R' = Me- MeBr

O, lo que es más conveniente, oxidar dos moles de &ter sodiometilmdónico con I,. (Compárese con el problema 30.8f, pág. 1049.)

2Na+ -[CH,C(COOEt)21 + I2 - 2NaI + (Et00C) ,C-c(c00Et) , H', I I

H3C CH3 - co:. - HOOCCH-CHCOOH

I I H3C CH3

(h) HOOCCH2+H 2iCH2COOH

AAada un mol de C$Br,a dos moles de éster sodiomalónico; luego hidrolice y descarboxile como siempre (Véase el problema 30.2, pág. 1046.)

Airada un mol de éster sodiomalónico a un exceso de BrCH.$%CH,Br; luego agregue un mol de NaOEt y, finalmente, hidrolice y descarboxile como siempre. (Vhse el problema 30.2, pág. 1046.)

2. Seguimos el procedimiento general indicado en las paginas 1047-1048.

Cetona deseada: (a) CH3-CHzCOCH3

Alquile el ester Requiere: acetoacktico con:

R = Me- MeBr

(b) C2H,-CHCOCH3 R = Et- EtBr I

C2H5 R' = Et- EtBr

CAPITULO 30 CARBANIONES Il

(C) CHjCH2CH2-CHCOCH3 I

C2H5

(d) C H CHCHZ--CHzCOCHr 5 l CH3

R = n-Pr-

R' = Et-

n-PrBr

Et Br

R = EtCHCHz- EtCHCHzBr I I

Me

(e) (CH3)2CHCH2CH2-CHCOCH3 R = iso-Pe-- iso-PeBr

CH3 R' = Me- MeBr

CH3CHCOOEt

Br

(g) HOOCCH2-CH2yHCH3 < H?. N I H O O C C H Z - C H Z I C H ~ I

OH O

t- a.a.e. síntesiscon RX = CICH,COOEt

+" a.a.e síntesis con R X = n-PrBr

y R'X = MeBr

(j) CH,CH2CH2CH"CHzCOOH Prob. I , a.a.e. alquilado con 2-PeBr conc.OH-

I CH3

(k ) CH,CH-CHzCOOH f Prob, I , a.a.e. alquilado con iso-PrBr conc. OH

1 CH3

I CH,

( I ) HOOCCH-CH,COOH < Prob. I I a.a.e. alquilado con CH3CHBrCOOEt conc. OH-

566


3.

(m) CH3CHCH,--CH2CHCH3 L Hz N I CH3CCH2+CH2CCH3 - Problema 30.8 (0 I

OH I

OH O O I I ' I /

o O ,coo -

__f

2-Carbetoxi- Ciclopentanona ciclopentanona Un p-cetoéster

/ I v U

ciclopentanona

I /

CHzBr NaCH(COOEt), ,CH,pCH CHz-CNa 1 NaOEt /

I HzC, + - H2C\ - H2C\ \

CH2Br NaCH(COOEt), + /CH2

CHz-CH CHZ-CNa I 1

(COOEt), A

(COOEt),

I

d o o H

(COOEt),

, COOH C

I I CH CNa Br / /

I H2C-Br NaCH(COOEt)2 H2C NaOEt H2C \ CH2 + H2C-Br NaCH(COOEt), " I - I + I

H2C, H2C, / CH2

CH 1

C Na Br

(COOEt), D

l

(COOEt),

COOH 1

F

(COOEt), E

CAPITULO 30 CARBAMONES II

EtOOC COOEt EtOOC COOEt

EtOOC COOEt EtOOC kOOEt

1 1 H & O + e & H + I z d HC--CH + 21

I

G

HOOC COOH OH- H ' I 1

+ HC-CH HOOCCHz-CHlCOOH calor G G i 2 I 1 - 2 c 0 2

HOOC COOH H Acido succinic0

COOEt

C -COOEt i COOEt

'C -COOEt 9

I

I COOEt COOEt I

COOH H I

O H - % HLC - ~ - C -COOH calor H2C- C CGOH 'calorT 1 1 H2C- C--COOH -''O' HzC--C -COOH

A 1 1

1

COOH H

J

COOH Y I >CH ,b u.l- L \ .

Acido 1,3-ciclopentmo dicarboxílico

Acido 1,2-ciclopentmo dicarboxílico

dicarboxílico

Aciab ciclopentano-1,j"dicarboxílico. Se afiade un mol de BrC$C%Br a un exceso de éster sodiomalónico (como en el problema 30.2). Luego se agregan 2NaOEt, seguidos de CHa,. Se hidroliza y se descarboxila.

Acido ciclopentano-l,2-dicarboxílico. Se procede igual que parael compuesto 1,3-,pero usando BrCH,CH,CH,Br en lugar de BrCH2CH,Br, y I, en vez de CH,I,. (Compárese con el problema 4 (c), anterior.)

Acido ciclopentano-1 ,I-dicarboxílico. Los mismo que en el problema 1 (i) recién visto, pero usando BrCH,CH2CH2CH2Br en vez de BrCH2Ch,C$Br, y no hay que descarboxilar después de la hidrólisis.

CARBANIONES 11 CAPITULO 30

5. 2CH2=CHCH2Br+ Mg+ BrC H2CH-CH2 ”+ CH2=CHCH2-CH2CH=CH2 +MgBr2 K

CH 3 I f CH~CHCH~CH~CH-CH(COOE~)Z 2HBr NaCH(COOEt)2 K ”--+ CH3CHCH2“CH2CHCH,

I I Br Br Br

1

L M

CH3\./H CH3 COOEt

COOEt

N ”+ OH- -% COOH __+ calor QCOOH COOH -‘O2

CH, O

6. (1) cI~c-coo- - coz + CI3C:- calor

Tricloroacetato

(2) CI,C:- :CCl* + c1- Dicloro- carbeno

La descarboxilación de C1,CCoO- (1) es relativamente fkil debido a la estabilidad del carbanión que se genera. (Compárese con los problemas 30.12 y 30.15, págs. 1049 y 1050.) Una vez que se ha formado C1,C-, siguen (2) y (3), como en la pdgina 461.

7. (a) Muy similar al procedimiento del problema 30.2 (a), excepto que utilizamos dos moles de éster acetoacético en lugar de éster malónico.


O O

CHjCCHZSCH2CH2SCH2CCHj ! I ' !

t P O

I 1 CHjCCH--CH2CH2-CHCCH, a CH3COCH2 + BrCHzCHzBr + CHzCOCHi

COOEt COOEt COOEt COOEt I I , I

(b) Se realiza una condensación aldólica intramolecular. De las dos posibilidades, la reacción sucede de modo que se forma el anillo de cinco Atornos, y no el de siete.

(c) Igual que en (a), pero empleando CH&, en vez de C%BrCH,Br.

CHJCOCH2 + CH212 + CHzCOCHl I I

COOEt COOEt

(d) Probablemente una condensación aldólica intramolecular, y de manera que dé un anillo de seis Btomos y no uno de cuatro.

8. (a) En el compuesto I, página 909, observamos dos "COOEt beta con respecto al C=O y, por consiguiente, susceptibles de descarboxilarse con facilidad.

calor t l ' OH-. H1O EtOOC. cyrCooEt - COI

4 --- Como en el problema 25.33(b), página 909 heat

o 'o

CARBAMONES II CAPITULO 30

(b) Seguimos el procedimiento general para la preparación de a-cetoácidos, como se ilustra en el problema 30.9 (pág. 1049).

COOEt

CH3CH2CH2 + EtOC --COO Et 1 1

nButirato de etilo

9. Todos ellos se preparan por reacci6n de la urea con el Cster malóni sustituido:

o Oxalato de

etilo

co apropiadamen Ite

O H / \ /O

/ \ EtOH \ I b > c \ R ,

\O H' N -C,, \\

,NH2 C~HSO--C R N -7 o =c

\ + C ___, o=c¿ \ ' OEt- / 3 \ , R

NH2 CzH50-C R'

O U rea Ester malónico Acido barbitúrico

disustituido disustituido

Los Csteres malónicos se preparan mediante alquilaciones sucesivas con:

(a) C,H,Br, dos veces.

(b) CH,CH2CH,CHBrCH, ; CH,=CHCH2Br.

(c) (CH,),CHCH2CH2Br; C,H,Br.

10. (a) La eliminación de un porrón en el C-5 del ácid0 barbitúrico da lugar aun anión aromático estabilizado por resonancia (seis electrones x: dos del C-5 y dos de cada uno de los dos nitrdgenos); el Veronal no tiene protones en C-5, por lo que no puede formar un anión como el anterior.

(b)El Veronal es una imida, con dos grupos acilo por cada uno de los grupos N-H.

11. (a) Esta es UM condensación rem-Claisen: consiste en una serie de pasos que son esencialmente los inversos de aquellos en los que se forma el &ter acetoac6tico. Aquí, el equilibrio se encuentra desplazado en la direcci6n que produce los iones acetato no

571

CAPITULO 30 CARBAMONES II

reactivos, estabilizados por resonancia. Esta reacción se conoce como ruptura ácida del Cstcr acetoacético, en contraste con la más familiar ruptura cetónica utilizada para producir cetonas.

( 3 ) CHjCOOEt + O H - * CHjCOO- + EtOH

(b) Se debe alquilar el éster acetoacético de la manera usual, luego se calienta con UM base concentrada para originar una condensación rerro-Claisen (ruptura ácida).

R I

I I . I 1 I O O R'

CH,C-CH,COOEt + CH,C-.C--COOEt ___f CHJCOO- + RR'CHCOO OH conc.

i c ) YOOEt I

CH,COCHCOOEt- + CH3CH2CH2Br --f CH3CH2CHZ -CHCCH3

o / I

I '0" - "++ CHjCH2CH2CH2COCHj Ruptura cednica

C H J C H ~ C H ~ C H C C H ~ I1 O 't CHJCHrCH2CH2COOH + CH3COOH

Acido a-valeriánico Acido acético

Ruptura ácida:

reacción colateral

La cetona cruda contiene agua, EtOH, ácid0 adtico y Acid0 n-valeriánico. Se eliminan los ácidos lavando con NaOH acuoso. Luego se destila y se aislan el agua, el EtOH y la cetona. Se eliminan el EtOH y algo de agua al agitar con CaC1, concentrado en solución acuosa. Al separar la cetona de la capa acuosa, se seca sobre MgSO, anhidro y se destila.

12. (a) En el problema 25.32 (pág. 909), vimos que las cetonas sufren una condensación de Claisen cruzada con los Csteres para dar pdicetonas. Igual que la cocdensación de Claisen ordinaria (problema 1 1 recién visto) también Csta se puede invertir para generar la cetona y un anión carboxilato (en vez del Cster original). Usando el ejemplo del problema 25.32


G) ; CH,"C"CH2CCH, - CHJCOOH + -CH2COCH, + CHJCOO- + CHjCCH,

1 I I OH O I 1 O

Si este retro-Claisen se aplica a &dicetonas ciclicases posible obtener productos útiles, con grupos carboxilato y ceto en una misma molkula.

Cctona Enamina p-Dicetona N ? H , base 1 HOOC(CH2)bPh

(c) Como en (b), excepto que utilizamos ClCO(CHJ7COOEt en lugar de PhCOCl. (El hcido azelaico, HOOC(CH,),COOH, es asequible por la degradacidn oxidativa del Acid0 oleico, presente en las grasas (pág. 802).)

13. n-CbH,,CHO + BrCH2COOEt __f Z n n-C6H13CHCH2COOEt I

OH P

n-C6HI3CHCH2COOEt 3 I

n-C,H,,CCH,COOEt

OH o P Q

Un p-cetoéster


14.

Una mezcla T

Puro U

"0 "0 HzO2. IOf*.

>Oti

H r O ? , UZO?

HO OH 1,4-di0l 1,5-diol

La hidroboración de les enlaces dobles sucede en las dos formas posibles para dar T, una mezcla de isómeros1,4- y 1,5-. El calentamiento ocasiona un equilibrio, posiblemente por una hidroboración reversible, dando casi por completo el isómero 1 5 , U, m& estable, el cual contiene dos anillos de seis átomos. U es 9-BBN (Sec. 30.7).

Durante la oxidación se retiene la configuraci6n (problema 17.9, pgg. 638). Por consiguiente, la formación de los cis-dioles indica que el puente es cis tanto en el 1,4-, como en el 1J-borano, lo que era de esperarse por consideraciones estkricas.


(Knight,E. F. y Brown, H. C., "Cyclic Hydroboration of 1,5-Cyclooctadiene. A Simple Synthesis of 9-Borabicyclo [3.3.1] nonane, an Unusually Stable Dialkylborane", J. Am. Chem., Soc., 90,5280 (1968))

H H I I

OH

Ar-C-O- + OH- e Ar-C-O- + H 2 0 1

0- I

Ar- + H20 --3 ArH + OH-

(Bunnett, J. F., Miles, J. H. y Nahabedian, K. V., "Kinetics and Mechanism of the Alkali Cleavage of 2,6-Dihalobenzaldehydes", J. Am. Chem. Soc., 83,2512 (1961).)

16. La aritmética química,

indica la combinación de dos moles de lactona con pérdida de un 30, lo que sugiere indudablemente una condensación de tipo aldólica, seguida de una deshidratación:

O

yButirolactona Dos moles

V

V es una lactona (un éster) y un éter vindico. Ambos grupos funcionales son rotos por HCl concentrado: el vinil éter da una cetona y un alcohol (véase la respuesta al problema 14, Cap. 21); la lactona da un alcohol y un &ido carboxílico. En este instante tenemos un


O\\ CH C- OH

/ \ 2 CH2

H20 H2C C-CH ' OH a H,C' 'C--CH2 CI

H2C\ O HZC"CH2 HZC\ O H2C-CH2 " P I ' . \ ' - co1 1 II \ /

OH CI

Eter-ester vinílico Cetona-alcohol Acido-alcohol Diclorocetona V Un dihidroxi-P-cetoácido W

dihidroxi-pcetodcido; la descarboxilacidn y el reemplazo de los dos "OH por el 2 1 da W.

En presencia de ácido, la cetona W sufre UM alquilacih intramolecular en cada uno de los carbonos a para dar diciclopropil cetona.

Diciclopropil cetona

COOEt I

COOEt I

coo - I

17. (a) RX + NaCHCCH, - RCHCCH, % RCHCCH, caliente RCH2CCHj I , I1 1 ,

O O O o X Y

Nerolidol


18. (a) En el primer paso se pierde C,H,OH (C, zH,20, - C,,H,,O, = C2H,0H) lo que sugiere una condensación de Claisen intramolecular (condensación de Dieckmann, problema 25.30, pág. 908). Esto podría ocurrir en una de dos formas:

COOEt BB Estructurac. posibles

Dependiendo de cuál sea la estructura correcta para BB, la mentona podría tener una u otra de dos estructuras:

CC ? Mentona Estructurmposibles ( 1 ) OEt - T (2) i-Prl I

I

C c' ' c

Más probable: dos unidades isoprénicas

(c) La reducci6n confirma la estructura indicada en (b).

4-Isopropil- 1-metilciclohexano A A Mentona


CH2COOEt I I

CH2COOH I I

CHlCOOEt

H I

COOEt H KK LL M M

CH3COCCH2COOEt A CHjCOCCH2COOH 2EtOH. Hi I

- CO? CHjCOCCH2COOEt

Un S-cetoéster

HO CHzCOOEt HO CH2COOH CHJMgl HlO I 1 I 1 M M z - CH,-C-CCH,COOEt - "+ CH,--C"CCH2COOH

OH- H i

I / I 1 H& H H3C H

N N O0

Un y-hidroxiácido

o

Acido terpenílico Una y -lactonu

21. -0oc 1 - 2 ' I 1 -c-c- + -C=C- + COZ + HZP04' ' '(!)PO3H2

El ion dihidrogenofosfato, H.$'O,, es mucho mejor grupo saliente, que el OH-, mhs fuertemente bhico. La pérdida de CO, no conduce al carbani6n inestable, sino a un alqueno neutro, estable, siendo el H2Po, el que se lleva los electrones.

En todas estas biosíntesis se manifiesta la quimica de los carbaniones -o algo que le asemeja-. Las unidades acetato se combinan para formar acetoacetato mediante lo que viene a ser una síntesis mal6nica (Sec. 4 1.7). En UM condensaci6n de tipo ald6lico se alrade otro acetato al acetoacetato para dar 3-metil-3-hidroxiglutarato, un precursor de seis carbonos del ácido mevalónico. Aquí apreciamos la pMida de CO, que finalmente genera el esqueleto isoprenoide - c o n lo que queda claro el camino hacia geraniol, farnesol, escualeno, lanosterol y colesterol; o bien en un organismo diferente al caucho-. (Vhse la referencia citada en la respuesta al problema 22, Cap. 10.)

Compuestos carbonílicos a, p -no saturados

Adición conjugada

31.1 (a) CH,CH,CH,COOH

(c) PhCH=CHCOO- + CHI,

( e ) CH,CH=CHCOO- + Ag

(g) CH3CH2CH2CH20H

(i) racémico HOOCCHOHCHOHCOOH

(b) CH3CH=CHCOO- + EtOH

(d) CH,CH=CHCH=NNHPh

(f) PhCHO + PhCOCHO

(h) meso-HOOCCHBrCHBrCOOH

31.2 A, PhCHZCHzCHO B, PhCH2CH2CH20H C, PhCH=CHCH,OH

(b) PhCH=CHCHO - Hz0 PhCHO + CH3 HO

(c) PhCH=CHCOOH + 2tfi PhCHO + (CH3C0)20 (Condensación de Perkin, problema 25.22e)

(d) (CHJ,CHCH=CHCOOH + (CH&CHCH2CHCOOH - como en el I Br problema 30.1 (b)

581

CAPITULO 31 COMPUESTOS CARRONILICOS

31.4 (a) CH,=CHCN - H z O Hi CHzCH2CN CH2--CH2 < HOC1 C H I - CH2

Acrilonitrilo I 1. OH OH CI

(b) CH2=CHCOOMe < -;io CH2CHzCOOMe M$H CHzCH,CN + corno en (a) Acrilato de metilo I

OH OH I

CH3 CH, I I CH? i

(C) CH2=CCOOMe <-::o CH3CCOOMe 4 M$H CH3CCN CH3CCH3 Mctacrilato de metilo I I I I

OH OH O

CH3 i

(d) -CHzCH- --CHzCH- -CHZC- I 1

CN COOMe COOMe Orlón Acryloid Lucite, Plexiglhs

31-5 (a) CH2CH-CH2 - H 2 0 tautom. t CHzCH=CH CHzCHzCHO

- H z 0 + CH,==CHCHO I 1 I I I I

OH OH OH OH OH OH Acroleína

Glicerol

(b) CH,=CHCHO CH2==CHCOOH Acroleína Acido acrílico

31.6 Todas son menos estables que I.

31.7 IV es una mida, formada por la adición nucleofílica y el subsecuente cierre del anillo mediante la formación de una mida.

COMPUESTOS CARBONILICOS CAPITULO 31

31.8

31.9

31.10

Mediante dos adiciones nucleofilicas sucesivas. CH,=CHCN + N H j - CHzCHzCN

I NH2

CHzCHzCN I I

CHZCHzCN

CHZ=CHCN + HzNCHzCHzCN "+ H-N

Mediante dos adiciones nucleofílicas sucesivas.

CHZ"=CHCOOEt + CHjNH2 CH2CH2COOEt

C H ~ N H CHzCH2CQOEt

I I I

CH2=CHCOOEt + CHzCH2COOEt - CH3-N

CHjNH CHzCHzCOOEt

(a) CH,CH--CHCOOEt - CH3CHCH,COOEt "+ "+ - CH,CHCH2COOH I I I

COOEt HIC-COOEt H-C-COOEt CHzCOOH

I COOEt

A B

(b) CH2-CHCOOEt - CHzCH2COOEt _____f CHZCHzCOOH ruptura acetona

I I I

COOEt H 2C"COCH 3

H-C-COCHj CH2COCH3

I COOEt

C D

(C) CH2-CHCOCHj "-+ CHzCHzCOCH, I I COOEt

E

HzC-COOEt H-C-COOEt I

COOEt

(d) PhCH -CHCOPh "+ PhCHCH2COPh I

CHZCOPh

F HCHzCOPh

(e) CHz-zCHCN "+ CHzCH2CN "'O' CH2CHzCOOH I I

HzC-CN H-C-CN H-C-COOH

I CH=CH2

I I CH-CHZ CH=CH2

G H

583

CAPITULO 31 COMPUESTOS CARBONILICOS

(f) EtOOCCECCOOEt + EtOOCC- CHCOOEt

HlC-COCH3 H-C-COCH~

I

COOEt I COOEt

I

(g) EtOOCC=CHCOOEt ____f HOOCC-CHCOOH Ruptura a Úcido~ OH- conc.

I I i

COOEt

H -PC "COCH 3 CHZCOOH

I J

31.11 (a) C,H,,O, éstermalónico C*H, 4 0 5

+ CH,O formaldehído - C,H,,O, producto K

OS pérdida de H,O: sugiere condensación aldólica

H I COOEt

HC O + H,C(COOEt)Z H,C--CH(COOEt)2 ___f H,C-=C, - n 2 0 /

I OH 'COOEt

K

EtOOC, COOEt EtOOC,

EtOOC COOEt EtOOC COOEt

/ / CH2 + HzC C ,

COOEt

( b) / CH PCH2- CH, / t-" M~chael

L Ester malónico K

EtOOC, COOEt HOOC, ,COOH

EtOOC 'COOEt HOOC 'COOH (c 1

/ CH--CHz -CH,

- 2c0, -3 CH -CH2 -CH ____,

/ /

L

HOOC(CH2))COOH Acido glutárico

U C I a l v I l a Ciclohcxanona M V K


O o

(CH3)zC Oxido de mesitilo Ester malónico

O 9

M

H H

31.14 PhCH"CH2"C Br +"---- PhCH=:CH-C Mlchael

O ¡ I o G B r + Q 1,3-Ciclopentadieno Acido (Sec. 13.10)

N


(b) Cuando se adiciona el ani6n del malonato de etilo al ion íminio, no se forma un carbani6n como el I de la página 1067, sino la molkula neutra V, mucho más estable.

(c) Una amina terciaria no tiene prodn que perder, por lo que no es capaz de generar un ion iminio.

31.16 D d - A l d e r o

I ' I I C h H s 0 C,H5

O

1,4-Difenil- Anhídrido 1,3-butadieno maleico

O O

1,3-Butadieno 2-Ciclopentenona

1,3-Butadieno Dos moles

31.17 (a) ""@ t"- t),ela-Alder -+ ;"i \ I 1

O O 1 3-Etoxi- p-Bcnzoquinona

1,3-pentadieno


O OH

31.18

31.19 (a) Su facilidad de oxidación.

+ 6 + 2H' + 2e-

O

(b) Su facilidad de reducción.

31.20

N-OH Fen01 p-Nitrosofenol Monoxima de la

p-benzoquinona

1. Acroleha: CHz=CHCHO < - E l o + OH- HCHO + CHICHO (Oelproblema31.2,

Crotonaldehído: página 892. pág. 1062) Cinamaldehído: página 893. Oxido de mesitilo: página 892. Benzalacetona: página 893.

"

- Benzalacetofenona: página 893.

CAPITULO 31 COMPUESTOS CARBONJLICOS

Dipnona: PhC CHCOPh +!E$ PhC==O + CHjCOPh I 1

CH? CHI

Acido acrílico: de acrilonitrilo, problema 31.4 (a), p6gina 1063.

Acido crotónico: rrans- CHICH -CHCOOH Ag(NH,)z' trans-CHjCH- CHCHO (pág.892)

Acido isocrotónico: cis-CH,CH= CHCOOH + H > . P d CHJC-CCOOH f" coz

CH3C=CMgBr * McMgBr CH,C"CH

Acido metacníico: página 761.

Acido sórbico: CH3CH=-CHCH =CHCOOH 4 Ag(NH')2+ CHjCH-=CHCH= CHCHO

m- 1- H 2 0

CH3CHO + CH3CH"CHCHO (página 892)

Acido cinámico: problema 25.22(e) (condensaci6n de Perkm), página 904.

Acido maleico:

HC-CH cis-HOOCCH-=CHCOOH * / \ - cis- y trans-HOOCCH=CHCOOH 25lt300 C

+ I KOH(alc)

HOOCCHZCHZCOOH HOOCCHrCHCOOH (problema 5a, pág. 836) I

Br

(En realidad se obtiene mediante anhídrico maleico por oxidaci6n catalítica del benceno.)

Acido fumárico: rrans-HOOCCH=CHCOOH 4 trace'HBr c~s-HOOCCH =CHCOOH (Veáse el problema 12 pág. 556)

luz Acido maleico

(véase un poco antes)

HC-CH

C Anhídrido rnaleico: 1 \ +"- ácido maleico o fumáriico (véase un poco antes) calor

04 \()/ \o


Acrilato de metilo: problema 31.4(b), pdgina 1063.

Metacrilato de metilo: problema 31.4(c), página 1063.

Cinamato deetilo: PhCH XHCOOEt PhCHO + CH,COOEt

Acrilonitrilo: problema 31.4(a), página 1063.

(C) PhCH CHCOONa t CHI, (d) PhCHO + CH3CCH0 (e) PhCH-CH-CCH3 / I I I I I O Br Br O

( f ) PhCHCH2iCHj (g) PhCHCHlCCH, 1

CI O

(h) PhCHCHlCCH, I ' I 1 1 1 Br O OH O

( i ) PhCHCH2CCHl I l l I I I 1

( J) PhCHCH25CH3 ( k ) PhCHCH2CCH3

OCH, O CN O CHj-NH O

( I ) PhCHCH2CCH3 (m) PhCHCH2CCHJ I I I I 1 1 I I 1

NH2 O NHOH O

( n ) PhCHCH2CCH,

PhNH O

(o) PhCH=CHCCH -CHPh I / O O Ph

(p) CH,CCH2CHCH(COOEt), 11 I

(9) CH,$CH,yH-?HCOOEt (r) CH!CCH,CH-C(COOEt),

O Ph CN I 1 I I O Ph CH,

(S) CH,CCH,CH"CHCOOEt ( t ) I 1

O Ph COCH, Ph CH,C-O 9 (") A C O C H , \ Ph

Ph


3. El enlace C-C formado en cada una de las adiciones de Michael se indica mediante la línea punteada. El "€00- perdido en descarboxilaciones posteriores (ve& el problema 4, más adelante), se indica con letras en negrita en los incisos (aHi).

Ph H I : I

' I (a) Ph--C-CH,CH t C - C N

COOEt I 1 o

Ph H I ' i

(b) EtOOCCH2CHi-C-CN

COOEt ' I

COOEt COOEt

(c) EtOOCCH,CH+-CH ~- COOEt 1 :

: I (d) EtOOCCH -C+ CH-COOEt

I : : I

COOEt COOEt

HIC H H 3C Q ! : I

( e ) CH,--C---CH2C+C ~-COOEt (f) CH3~-C"CH2C+CH-C -CH3 I :

¡ I I ; I I 1 I : / O HXC COOEt 6 H3C COOEt

H3C CH, I : I

I ! (g) EtOOCCH,CH+C -COOEt

COOEt

(h) E tOOC-CHiCH, iCH--~COOEt 1 : : I

EtOOC COOEt

CH3 O : I ' I !

( i ) CH,-C-CH~CH+CH-C-CH~ (j) MeO0CCH2CH2SCH2NO2 I I I I : I O COOEt COOEt

H3C H CH3 CHzCHzCN

( k ) EtOOCCH2CH+C+,CHCH,COOEt 1 : I ; I

(I) NCCH2CH2tCKH2CHZC N ,"-,

: I ' : i '-

NO2 NO2

(m) NCCH2CH2-CC13

Ph I

Ph I

4. (a) Ph-C-CH2CH---CH2COOH / I

(b) HOOCCHzCH--CH,COOH

O

COOH I

(c) HOOCCHzCH-CHZCOOH

COOH I

(d) HOOCCH-C-CH2COOH

590


CH3 I I

CH3 I I 1 I I 1

O O CH3 O

(e) CH~"C"CH2C-CH2COOH (f) CH~"C-CH2C-CH2"C"CH~

I' CH,

H3C CH3 I 1

(g) HOOCCH2CH"CHCOOH (h) H O O C C H ~ - C H ~ " C H ~ C O O H

CH3 I I1 I I

( i ) CHj-C-CHZ- CH-CH2-C-CH3

O O

5. (EtOOC),CH, + PhCH=CHCCH=CHPh + HZC(COOEt), Doble I 1 O

H Ph Ph H I 1 I 1 I I I I I I

EtOOC-C-C-CH2CCHz-C-C-COOEt

EtOOC H O H COOEt A

O / I O c 6

I1 I I I HC/ ,Michaelintemo ~ H2C' 'CH,

PhCH ,,CHPh C

/ \ EtOOC COOEt

PhCH ,CHPh CH

/ \ EtOOC COOEt

\

B C

o

S91


o O

O , , I O

CH 3

1,4-Dimetil-

?

Anhídrido maleic0


1,3-Butadieno Bexualacetona

COOH I

C

'S, COOH C I

1,3-Butadieno COOH Acido acetileno dicarboxílico

(e) A O

o O 1.3-Ciclopentadieno p-Benzoquinona

W-8 \ + O

1.1'-Biciclohexenilo 1,4-Naftoquinona (I, pág. 1076) (11, pág. 1076)

-o+ CHCHO I / CHCH,

1,3-Ciclopentadieno Crotonaldehido

1,3-Ciclopentadieno dos moles


8. Si trabajamos este problema despreciando por el momento la estereoisomeria, llegamos a:

O I O

O Anhídrido maleic0

o D

E F Acido 1.2-ciclohexano-

dicarboxilico

H, ,COCI C

I I C

COCl COOH &

H 2 , N I

COOH COOH ClOC’ ‘H G H 1

Cloruro de Acido 1.2-ciclohexano- fumarilo dicarboxílico

Los productos finales F e I deben ser, por consiguiente, los &idos 1,2ciclohexa- nodicarboxílicos estereoisomCricos: (!-? $z:> q”z$)

HOOC COOH F

Meso: m se puede resolver Recémico: se puede resolver Acid0 cis-1,2-ciclo- Acido tram-1,2-ciclo- hexanodicarboxílim hexanodicarboxíh

H COOH HOOC H I

Trabajando retroactivamente a partir de estos últimos, podemos apreciar que la reacción de Diels-Alder implica una adición syn. (7

H H

f- Adición syn

D Producto cis

G Producto trans

CAPITULO 31

c + Ho O

O cis (meso)

OH

KMnO, frio

H \

O I1 610 \

O

- KMnOl. calor

(a partir de (c), justo aqtes)

Y IH

COOH meso

HO &O0 H COOH

meso

O

H H H

" COOH HO - - COOH -- COOH

H H H H

CHzCOOH HOOCCHz

HOOCCH~ FH 0 rf.. COOH

COOH CHzCOOH

meso

10. (a) Se produce el conocido desplazamiento -1,2 de metilo para generar un carbocati6n más estable, seguido de la eliminaci6n de un prot6n.


(b) Ya vimos en el problema 25.20 @ág. 903) que los hidrdgenos y de los compuestos carbonííicos a, pno saturados son kidos; el carbonidn que resulta de eliminar uno de esos protones interviene en UM condensación de Claisen.

EtOOC-C-CHzCH=CHCOOEt

O

(c) El grupo fosfonio, atractor de electrones, activa el doble enlace hacia una adicidn nucleofílica por el ion fenóxido; el producto de adicidn XI1 sufre luego una reaccidn de Wittig intramolecular.

(d) El carbono del iluro tiene carhcter nucleofílico y, en el primer paso de la adición nucleofílica conjugada ataca al ester a, /%no saturado del C-3 para generar el ani6n XIII. A continuación, el PPh, se desplaza en UM reaccidn intramolecularde sustitucidn nucleofílica.

XI11

CH,"CH"CH"COOEt + PPhj \ /

CH2

(e) Se forma bencino, que sufre una reaccidn de Diels-Alder con el furano.

O I \

Furano Bencino (Cap. 35)

Br

COMPUESTOS CARBOMLICOS CAPITULO 31

11. La adición nucleofílica de H20 a un aldehído a,p no saturado genera el aldol, XIV.

1 CHjCHO

El equilibrio se desplaza hacia la fragmentación al eliminar uno de los productos (acetaldehído) por destilación.

12. (a> HOOC-CH=CH-CH=CH-COOH 4 KoH(a'c) HOOCCHCH~CH~CHCOOH ! I

Br

Br i 2Brl P

HOOCCHzCH2CHzCHzCOOH Acido adípico

H H base I i (b) HCgC-CHO + HCzC"CH(OEt), - HC-C-CH(OEt), I Br

I ! Br Br

CH,TCH"CH(OEt), (L del problema 14a, que se verá enseguida)

" C H O protegido

597


(d) CH3-C---CH=CH2-CH, --C"CH - CH2 + H,O, Hg'.

I ; I O OH Vinilacetileno Ceto En0 I

H b HC=-C"CH=CHZ

EtOOC, (e) HOOCCHz-CHCH2COOH d&s - co

I / I CH--CHCH,COOEt

Ph EtOOC Ph

Adic. de Michael 1 EtOOC,

/ EtOOC Cinamato de etilo

CH2 + PhCH=CHCOOEt

(problema 1, visto antes)

EtOOC ,COOEt

E t O O é COOEt un Michael) O bien, vía \Hz + PhCHO + HzC, (Knoevenagel, seguida por

( f ) HOOC---YH -CHzCOOH ~ N ~ ~ C - C H - C H z C O O E t f - - " h C H - C H C O O E t Cinamato de etilo

(problema 1 antcs visto)

H 2 0 cw- I

Ph Ph

T Michael

H H I

13. .Espermina N C ~ C H * C H 2 - N ( C H 2 ) ~ ~ - ~ C H * C H 2 C N t i7

14. (a) CH2"CH---CH2 -(~rob)~~yf CHl-CH-CHO H?SOn, calor

I I I OH OH OH J, acroleína


CH,=CH--CHO "-+ HCI

J

CH2-CH2-CHO l

. CI

H

] ::2-CH2-C-OEt I I OEt

K Aldehído protegido por

formación de acetal

CH~"CHz--CH(OEt)2 OH- CH,=:CH-CH(OEt), K M n o 4 CH2"CH--CH(OEt), I

C1 1 1 OH OH

K L M

CH2-CH-CH(OEt), - H' CH,-CH-CHO Hidrólisis del

OH OH OH OH I I I 1 acetal a aldehído

M N, gliceraldehído (Prob31.IOf)

(b) EtOOC-C~-C-COOEt + H2C-COOEt EtOOC-C-CH-COOEt Mlchael

I COOEt

HC-COOEt I I

COOEt O

O "-j -OOC-C -CH-COO- - HOOC-C-CH-COOH H+ calor - coz

OH calor I

I coo ~

H-C-COO- I CHzCOOH

P, ácido aconitic0

Q -00C-CH-CH2-C00- - OH- H + calor

I I

-c02 ' HOOC"CH"CH2-COOH H-C-COO- I CHzCOOH

coo - R, ácido tricarbalilico

Ph Ph \ / c-c

O 0

( 4 l i I 1 Ph \ /

Ph base -

aldol doble P i El anillo se forma por la

Ph' \C' Ph moléculas bifuncionales PhCH2 CHzPh c c interacción base de dos

\ / C I1 / I O O

S, tetrafenilpentadienona ("Tetraciclona")


o

Ph o

S Anhídrido maleic0

PI

o// ' o e l T

Ph O

calor - C O . - H I

Ph Ph O

U Anhídrido

tetrafenilftálico Aromatizacidn mediante la pérdida de CO t 11,

Aromatización por O pérdida de CO

Ph Dlels-Alder

calor Ph 6 H Ph H Ph

Ph

C " P h -

Ph - C O Ph

Ph

V S W Pentafenilbenceno

CH3 CH3 CH3 I I H + I 1 1 I I O OMgBr

(f) CH3-C + BrMgCzCOEt __f CH,-C--C-COEt + CH,-C-C=COEt OH

X

Pd/CaCO, H z i CH 3

I I

CH,-C-CH=CHOEt

OH Y


CH3 I I

CH,-C-CH-CHOEt

OH Y

Un iter vinílico

CHJ H I I I

CH3-C"CH2-C-O

OH

CH, H

I H 2 0 CH,"C--CH2"C=O I I Fúcil ruptura de un

H +

OH éter vinílico (problema 14 ,pág . 777)

CH3 H H ' CH,-C=CH"C"O I I H 2 0

P-Metilcrotonaldehído (Tiene el esqueleto del isopreno:

útil en síntesis)

CH 3 I CH3

(h) CH~-CC=CHCOCH~ + H2C-COOEt 3i% I I

COOEt H-C-COOEt I CH3-C-CH2COCH3

I COOEt

cc

COOEt +

CHBrJ

coo - I


H I

H I ! I O - OH

(i) CH3C=0 + -:C--CCHJ - CH3-C-C-CCH3 - CH3-CH-C-CCH3 H +

DD

YK2cr201 CH3-C-C~CCH3

1 1 O

€E, 3-pentin-2-ona

(,) CH~-C-C-C-CHJ H20 z CH3-C-C-C-CH3 CH3-C-CH2-C-CH3 tautom.

II I 1 I ! I / O H OH

!I O O O

H + , H g ' +

EE (inmediatamente antes) Enoi FF, acetilacetona (2,4-Pentanodiona)

Hidratación de un alquino

(Sec. 11.10)

CH3 CH3 CH3

I I ! I I 1 I HOC1 I I H 2 0 . H +

CH3 I I I

(1) ~ H ~ - C = C H I CH2-C-CH2 C H , " C - C H 2 y HC=C-CH2

CI HO C1 CN HO CN H H I 1 JJ

c1 COOH COOH

/CH2\COOEt OEL- O

(m> HZC, Condensación de Claisen intramolecular

,CH2 (Dieckmann) (problema 25.30, pág. 908) CH2 I

COOEt COOEt

K K

K K LI

o

a C H 2/'H ' c ~ 0 base ,

- H 2 0 Condensación aldólica intramolecular no así los vinílicos

EtOOC COOH L L MM


C l C l

N N , un cetal

CI N N

(0) COOEt

O 0

La hidrólisis del cetal descubre la cetom

COOEt

PP

,I:1:::::; 1 H +

QQ, 7-cetonorborneno

COOEt I

COOEt H&H CHI-CHCN

I COOEt

Mlchael

COOEt I

COOEt 1 EtOOCQNH

+ HC-CH2CH2CN

xx YY O zz

Una amida


604

o AAA BBB

ccc ( )- Prolina

15. Al igual que otros reactivos nucleofílicos, el de Grignard puede adicionarse de manera conjugada a compuestos carbonílicos a, p n o saturados.

O p I 1

PhCH=CH-C-CH3 , I

PhCH-CH=C-CH, MgBr+ - H+

I Et

O PhCH-CH2-C-CH3 '" OH-,

/i CHI,

I Et

CH, I 16. (a) Et00C-CH-CH-CH-COOEt t" EtOOC-CH, + CH,CH:=C-COOEt Michael

I I I I

I 1 1

Una Gdicetona

HO, ,CHI C

H2C' 'CHCOOEt I ,

o""cH CHCH,

I COOEt

IV Una b-hidroxicetona

aldol L

/ ?> c

CH, O c

O" \CH, Cetona a, p-no saturada

aldol -H,O t

I COOEt

I l l


(b) IV es la estructura correcta.

f h

i d IV

El espectro de RMN es demasiado complejo para una molécula tan simCtrica como 111, de la cual sólo cabría esperar seis seilales.

U

f R d P f c a doblete, 3H b multiplete, 1H CH3CH2OC-CH-CH-CH-COCH,CH3 &iplete, 6H

I h 1

111

d doblete, 2H e singulete, 6H f cuarteto.4H

(Binns, T.D., y Brettle, R., “Anodic Oxidation. Part I. The Electrolysis of Ethyl Sodioacetoacetate in Ethanolic Solutions”, J. Chem. Soc., (C), 336 (1966).)

COOH I g+r: COOH

17. Dlels Alder CHzOH

C I

H DDD E E E

CHzOH + CI-C-OMe -+ calor ~ ,Q,CH~ +

I / O

-co2. - MeOH

E E E ‘O Me FFF Tolueno GGG

CAPITULO 31 COMPUESTOS CARRONILICOS

La estructura asignada a GGG se hace más patente por su fácil conversión en su isómero, tolueno; junto con el hecho de que GGG nu es 1,3,5-~icloheptatrieno, esta conversión limita severamente la cantidad de estructuras posibles. El espectro ultravioleta (Sec. 16.5) indica una conjugación extensa. (En realidad, la absorción se halla precisamente en la longitud de onda pronosticada para esta estructura.) La conjugación también queda demostrada por la reacción de Diels-Alder. El espectrode infrarrojo (Sec. 16.18) indica un alargamiento C-H trigonal en 3020 cm", un alargamiento C= C conjugado en 1595, y la flexión C-H fuera de plano esperada (pág. 608) en 864 y 692 cm-'.

Finalmente, la estructura concuerda con el método de síntesis. La conversión de EEE en GGG es de interés particular. EEE es un éster alílico, y se cree

que sufre una transpusicio'n alílica a XV previa a la eliminación. Una transposición de este tipo pudria suceder por la ionización a un catión alílico y CH,OCOO-, seguida por una recombinación en un carbono diferente del catión híbrido; aquí lo que parece más razonable es que ocurran una ruptura y una reformación concertadas de los enlaces, tal como se ilustra a continuación.

La formación de GGG implica la pirólisis de un tster, un método suave y bien conocido de eliminación, como queda demostrado en este caso. Con base en la estereoquímica de las pirólisis de ésteres (syn), parece probable que también aquí intervenga una reacción concertada.

c;<iC; 1 (página 870)

Lo más interesante de todo esto es que sea posible aislar por completo GGG. Es unas 30 kcal menos estable que su isómero aromático tolueno, por lo que cabría esperar su transposición prácticamente instantánea al compuesto más estable. (De hecho, eso se predijo desde el año de 1943.) En realidad, aunque fácil, la conversión dista mucho de ser instantánea: necesita horas a temperatura ambiente. Es evidente que esta reacción tan endotérmica tiene UM energía de activación considerable, sorprendenle para una simple transferencia de hidrógeno. La explicación de este fenómeno no surgió sino hasta los aiios posteriores a 1%5, gracias al concepto de la simetría orbital (Cap. 33). Como veremos (problema 15 (b), Cap. 33) , la sencilla ruta de GGG a tolueno está "prohibida", de modo que la reacción se ve forzada a seguir un camino más difícil.

(Bailey, W.J. y Baylouny,R.A.,"CyclicDienes. XXVI. 5-Methylene- 1,3cyclohexadiene, an Alicyclic Isomer of Toluene", J. Org. Chem., 27,3476 (1962).)


18. La enamina 111 contiene un carbono nucleofílico por lo que sufre la adici6n de Michael al Cster a,pno saturado.

111

Una enamina (Sec. 30.8)

JJJ

CH2CH2COOCH3

K K K

19. (a) d H q 3 C H 3 los CH,

d H / a Y b

HJC \ o

VI1

Los cuatro metilos no son equivalentes: dos se hallan m k cercanos al puente de oxígeno que los otros dos.

m\ J H J -co H K , ,CHI 7 c-c

H3C/ 'C' \CH3 I 1

- /c=c \

Jc CH3

Ch.;..."- CH, O

CH,

O O XVI VI1

La pérdida de un CO da XVI (que puede ser singulete o triplete, Sec. 12.16). Cada uno de los carbonos terminales de XVI contribuye con un electr6n para formar un enlace y producir una ciclopropanona, la que pierde un segundo CO para generar el alqueno. Queda demostrado que XVI es intermediario por el hecho de que puede ser atrapado con furano, dando el producto VI1 de la adici6n- 1,4.


20.

21.

22.

C,H,CH O + P h N H , ‘ Z C‘,,H,C‘H NHPh t 1420 o

Un ion iminio

El ion anilinio reacciona con knzaldehído para formar un ion iminio, que es el compuesto al que realmente se adiciona la semicarbacida. DespuCs de la adicidn, el grupo -NHPh se hidroliza y se forma la semicarbazona.

Es mucho más rápida la adici6n al ion iminio que al grupo carbonilo, debido a que no hay un desarrollo de carga negativa que deba ser acomodada por la molécula (VCase la Sec. 21.7). Este mismo tipo de activación se podría lograr por la protonación del grupocarbonilo (Vhse la pág. 759), pero esto requeriría UM acidez tan elevada que gran parte de la semicarbacida existiría en su forma protonada, no reactiva (Sec. 21.12).

Aquí, como en el problema 3 l . 15 antes visto, apreciamos una catálisis para la adición nucleofílica ejercida por arninas, no precisamente por la basicidad de Cstas, sino por SU

capacidad de generar iones iminio intermediarios.

H COO- ”~, /’ coo ‘CHBr

\ < Brz c ,c\ -OOC--CH- ~ C H -COO- + ”---, O\ /‘ -0OC-C-Br C

Este experimento es prueba de que la adición del bromo se realiza en dos pasos y es electrofílica: el carbocatión (o ion bromonio) intermediario es atrapado por el ion carboxilato dentro de la misma moldcula, como antes por CI-, B r , I-, NO;, etc. (Sec. 8.14.)

(Tarbell, D.S. y Bartlett, P.D., J. Am. Chem. Soc., 59., 407 (1937).)

Como vimos en el problema 18, capítulo 29, se puede formar bencino por pérdida de N, y CO, de un orto-diazonio carboxilato (I, pág. 1040). Sabemos por la seccidn 13.10 que el ani6n ciclopentadienilo es aromático, por lo cual consideramos probable que la pérdida de N, y CO,a partir de la sal de IX dC el arino XVII, relacionado con este compuesto aromático no bencenoide.

- 0 O C D @ N2

IX X V l l Anión

deshidrociclopentadienilo Un arino

El arino XVII es atrapado por X para dar el aducto Diels-Alder XVIII, el cual, mediante la pérdida de CO, genera el nuevo anillo kncénico central de XI.


Ph Ph

Ph Ph Ph Ph

Ph Ph XI XVlII X XVll

Estos hallazgos proporcionan una prueba m& de la aromaticidad del ani6n ciclopentadienilo, y de la validez de la regla 4n + 2 de Hückel (Sec. 13.10 y 33.6).

(Martin, J. C. y Bloch D.R., "The Dehydrocyclopentadienyl Anion. A New Aryne", J. Am. Chem. Soc., 93,451 (1971).)

23. Observamos aquíunaseriedereaccionesnucleofílicas: adici6n tipoMichael;luego,adicidn a un grupo carbonilo y, finalmente, una sustitución nucleofílica intramolecular.

(EtOO),C -CH, \ /O\ /CH, ,c-c

NC CH., \

XI1

Transposiciones Carbono como vecino. Iones no clásicos

32.1 La transposición de Curtius implica un desplazamiento -1,2 hacia un nitr6geno deficiente de electrones, con la p6rdida de N, -, que es el mejor de todos los grupos salientes.

Y)/ O

R-C - R"N=C=O + N2

N-NKN o

Un azida de acilo

v R N H z + COZ'

(Smith, P.A.S., "The Curtius Rearrangement", Organic Reactions, Wiley, Nueva York, Vol. 111, Cap. 8.)

32.2 La lactama IV sólo se puede formar si 111 tiene la configuración cis. Puesto que I1 tambiCn es cis, la reacción debe efectuarse de tal manera que el grupo -NI-$ ocupe la misma

O\ Hoocv C O N H z "f HOOC vNH2 - H20 cv N --H

CH3 CH3 CHj I1 111 IV

Amida Amina Lactama cis cis cis

posición en 111 que el grupo "CONH, ocupaba en 11; esto es, la reacción se debe llevar a cabo con retención de la configuración en el grupo que migra.

611

CAPITULO 32 TRANSPOSICIONES

32.3 La conclusión es exactamente análoga a la expuesta en la sección 32.5 para la transposición de Hofrnann. El efecto del sustituyente @6g. 1090) demuestra que la migraci6n ocurre en el paso determinante de la reacción, de modo que hay dos posibilidades: que (2) sea rápido y reversible, seguido por un paso (3) lento; o que (2) y (3) sean concertados. Pero el paso (2) invertido es la combinación de la especie deficiente de electrones con el agua; si esto sucediera, el hidroperóxido sin transposición debería tener oxígeno -18, lo cual es contrario a los hechos. Nos quedamos con la reacción concertada (2,3).

(Bassey, M., Bunton, C.A., Davies, A.G., Lewis, T. A. y Llewellyn, D.R., "Organic Peroxides. Part V. Isotopic Tracer Studies on the Formation and Decomposition of Organic Peroxides", J. Chern. Soc., 2471, (1955).)

32.4 (a) Migración de Ii

q j 3 (Ar = p -Told)

p -Mctilbenzaldehído (61 %)

(b)El H rnigra más rápido que el p -tolil.

Migración de H

TRANSPOSICIONES CAPITULO 32

32.6 L o s carbocationes se forman como ya sabemos,

R X + A g ' + R. + AgX (página216)

Y

y luego Ocurren transposiciones semejantes a las pinac6licas.

H + d- H3 (c) Ph-CH-CH2 Ph -CH-C-H + PhCHzCHO - t i *

l l I I \ 1 OH OH ?OH

Caticin bcncílico

Ph I I

Ph H

9, I

Caticin bencílico

H + Id I O - H i (d) Ph-C-CH2 Ph-C--C--H + PhaCHCHO

HO OH - H 1 0

H

H + d" H3 (e) Ph~-CH-CH-CHA -HLO + Ph-CH-C~--CHA I 1

COH PhCH27CH3

OH OH O ~

Caticin bencílico


Catión bencílico

Me Et Id 1 3 ' : Me

I 1 I ¡

Me-C-C-Et Et-C-C-Et

Me O Catión 3"

(h) Me--C-C-Et I 1 - HLO

H O OH Et

H + I I 1 I O Me

Me-C--C~-Et --f Me-C-C--~Et

Catión 3"

Mezcla que . realmente se obtiene

An Ph

An-&C--Ph

O H

H O O H (An = p-CHjOC6H4)

O H Catión bencfiico

An I

Ph O I~

% And-C-Ph

(En realidad 72%)

An 4*+ I

I , I O Ph

(En realidad 28%)

+ An-C- C-Ph

32.8 Las tres reacciones dan la misma mezcla porque todas proceden por la vía del mismo intermediario: un carbocati6n real. Este posteriormente reacciona en una de dos formas que compiten entre si: por una transposición para dar pinacolona, o por combinaci6n con el disolvente para dar pinacol. Así, la transposicidn es del tipo S,].


Me Me I 1

I I Me-C-C--Me ___ HONO

- N2

H2N OH

Me Me

Me-C-C-Me I / 1 1

CI OH - AgC'I

Me Me I I

Me-C-C-Me ~

H +

\ / O

I Me Me I 1

_t Me-C--C-Me ___ 9 1

OH C'arhwatltin

Me tramp. I 7 Me-C-C-CH, I I 1

Me O Pinacolona

Me Me t H 2 0 I I - t lA - Me--- C-C--Me

I I HO OH

Pinacol

Si la transposición fuese del t i p SN2, esperm'amos diferentes proporciones de los productos a partir de l a s tres reacciones, ya que los distintos grupos salientes estarían parcialmente unidos en los diversos estados de transición.

(Para revisiones de la transposición pinacblica, v6ase Pocker, Y., En Molecular Rearrangements, Parte I; de Mayo, P., Ed., Wiley -1nterscience: Nueva York, 1963, Mgs. 15 -25; Collins, C. J., "The Pinacol Rearrangement", Q. Rev., Chem. Soc., 14,357 (1960).)

32.9 Consideremos el pinacol protonado. La sustituci6n de un grupo -0q sin marcas por UM molécula de disolvente. (H,'Q) compite con la transposición. Cada uno de estos procesos puede ser o bien del tipo SN1, o bien del tipo SN2. La respuesta del problema 32.8 indica que ambos son del tipo SN1. Concluimos que se forman carbocationes y que se recombinan con agua a una velocidad dos o tres veces mayor que aquella con la que experimentan la transposición.

Me Me I 1

Me-C-C-Me I I

HO OH

t i +

Me Me Me Me

Me O

615


(Bunton, C.A., Hadwick, T., Llewellyn, D.R. y Pocker, Y., "Tracer Studies in Alcohols. Part 111. Intermediates in the Pinacol-Pinacone Rearrangement", J. Chem. Soc., 403, (1958)J

Tosilato de treo -3 -fenil-2 -butilo

Opticamente activo

- OTs , H -

I / \ OAc

u\ I

H

III II y III son enantiómeros

Acetato de treo -3 - f e d - 2 -butiloracémico Opticamente inactivo

El ion puenteado I es aquiral, y debe conducir a productos ópticamente inactivos, espe- cíficamente debido a que los ataques a y b producen enantiómeros, y en cantidades iguales.

Ph

CH3

OAc V

HOAc Tosilato de IV

eritro -3 -feni1 -2 -butilo Opticamente activo Quiral O A c

H

VI V y VI son el mismo

acetato de eritro -3 -feni1 -2 -butilo Opticamente activo

El ion puenteado IV es quiral. El ataque ya sea por la ruta c o por la ruta d produce el mismo compuesto, ópticamente activo.


(Cram, DJ., “Studies in Stereochemistry. V. Phenoniwn Sulfonate Ion-pairs as Intermediates in the Intramolecular Rearrangements and Solvolysis Reactions that Occur in the 3 -Phenyl -2-butanol System”, J. Am. Chem. Soc., 74, 104 (1952).)

32.11

32.12

C H ~ C H ~ C I

CHzCHzOH

SOzCIF

” Q -

CH-CH,@ I I CHCH,

J Observado 1 OH

(Olah, C.A. y Porter R.D., “Stable Carbonium Ions. CXV. The Ethylene Phenonium and Ethylene-p-toluonium Ions”, J. Am. Chem. Soc., 92, 7627 (1970). Para conocer los antecedentes de la teoría de los carbocationes, con especial énfasis en la observacidn directa de loscarbocationes de larga vida, véase Olah, C.A., “Stable, Long-lived Carbonium Ions”, Chem. Eng. News, 76 (27 de marzo de 1967).)

(a) Partiendo del clorhidrato de canfeno, escribimos ecuaciones d o g a s a (1) y (2) de la figura 32.1 en la pagina 1099.

Clorhidrato de canfeno VI V I

Cloruro de isobornilo

5 7

C I 1

Clorhidrato de canfeno


El ion cloruro se pierde del clorhidrato de canfeno con ayuda anquimdrica del C-6, para producir el catión puenteado VI (un híbrido de las estructuras I y I1 l o c a l i z a d a s en la pág. 1098). El catión VI puede sufrir un ataque por abajo ya sea en C-1 (ruta c ) o bien en C-2 (rutad).Adiferenciadelasrutasaybparaelnorbomilo(pág. 1099),lasrutascydnotienen la misma probabilidad: C-2 lleva un grupo metilo y el C -1 no.

El ataque en el C -1 genera el producto de transposición, el cloruro de isobornilo. El ataque en el C-2 (en el grado en que ocurra) simplemente regenera el material de partida, el clorhidrato de canfeno, el cual nuevamente pierde C1- y tiene otra oportunidad en la transposición.

El ataque c en C-1 sólo genera el cloruro em, el cloruro de isobornilo. La formación del diastereómero endo, el cloruro de bornilo, requeriría que el ataque fuera por la cara opuesta (“por arriba”) de C-1, y éste se encuentra parcialmente unido a C-6.

(b) El catión puenteado I11 (pág. 1099) en el sistema norbomilo es aquiral, y el producto es por fuerza ópticamente inactivo; esto se debe de manera específica a que los ataques a y b dan enantidmeros y tienen la misma probabilidad de llevarse a cabo.

Aquí, el catih puenteado VI no es aquiral: tiene una estructura menos simétrica que 111 a causa del metilo en C-2 (al igual que los metilos en C-3). Genera productos cipticamente activos porque las rutas c y dno producen enanti6meros: dan lugar a diferentes compuestos, todos ellos 6pticamente activos.

(Para una serie de m’culos sobre iones no cMsicos, v h e Bartlen, P. D., Nonclassical fons, W.A. Benjamin,Nueva York, 1965.Paraelpunto de vistaopuesto: Brown, H.C., “The Nonclassical Ion Problem”, Chem. Eng. News, 86 (13 de febrero de 1967); o bien, Brown, H.C., “The Norbornyl Cation “classical or Non-classical?”, Chem. Br. 2,199 (mayo de 1966); o bien, (con comentarios de P. von R. Schleyer), Brown, H.C., TheNoncZassicalfon Problem, Plenum, Nueva York, 1977.)

Y finalmente (L?): Grob, C.A., “Inductivity and Bridging in Carbocations”, Acc. Chem. Res. 16, 42-31 (1983); Brown, H.C., “The Energy of the Transition States and the Intermediate Cation in the Ionization of 2 -Nohorny1 Derivatives. Where is theNonclassica1 StabilizationEnergy?”,Acc. Chem. Res., 1 6 , 4 3 2 4 0 (1983); Olah,G.A., Prakash, G.K.S. y Saunders, Martin, “Conclusion of the Classical “Nonclassical Ion Controversy Basedon the Structural Study of the 2-Norbornyl Cation”, Acc. Chem. Res., 1 6 , 4 4 W 8 (1983); Walling, Cheves, “An Innocent Bystander Looks at the 2-Norhmyl Cation”, Acc. Chem. Res., 16, 44&454 (1983).

1. Se llevan a cabo desplazamientos sucesivos de hidr6geno para dar la transposición: primero de un cati6n 1 O a un cati6n 2”. y luego entre varios cationes 2m Como se consume una parte de cada cati6n al reaccionar con %O, cada vez hay menos de ellos para la siguiente transposici6n.


V

( 4 3 CH.,CH--CHCHD2 3 CH3CH,CHCHD, o OH I

V

H -\ ? I .(

CH,CH-CDCH2D 3 CH,CH,CDCH,D o OH I

,"y- 73 o OH I

CH,,CH-CHCH2D CH,CHCHDCH,D

c

CH,CDCH2CH2D CH,CDCH,CH,D o I OH


2. Ocurre una migración del carbono del anillo.

3

o bien

Alcohol -cetom 7 -Hidroxi -2 -heptanona

3. (a) Ensaye las pruebas de yodoformo y de Tollens: bencil metil cetona, yodoformo positiva; a -fenilpropionaldeh, Tollens positiva; etil fenil cetona,yodofmo y Tollens negativas.

(b)Bencil metil cetona a-fenilpropíonaldehído etil fenil cetona a singulete, 3H a doblete, 3H a triplete, 3H b singulete, 2H b cuarteto, 1H b cuarteto, 2H c (aromático), 5H (probablemente desdoblado c (aromático), 5H

otra vez en dobletes) c (arom&ico), 5H d doblete, 1H (CHO)

4. (a) La transposici6n de Eossen implica la migraci6n a un nitr6geno deficiente de electrones, y el IX)CR' desempeiía el mismo papel que el Br-en la transposici6n de Hofmann (Sec. 32.2) o que el N, en la transposición de Curtius (problema 32.1, pdg. 1084).


(b) Los sustituyentes donadores de electrones en K aceleran la migración, tal como lo hacen en la transposición de Hofmann (Sec. 32.5). Los sustituyentes atractores de electrones en R’ hacen al W R ’ menos biisico y, en consecuencia, un mejor grupo saliente. La velocidad global depende, desde luego, tanto de la velocidad de migración de R como de la velocidad de migración de -0OCR’ que es lo normal si los dos procesos son concertados y Ocurren en el mismo paso.

(Pam una revisión de las transposiciones de Lossen y otras relacionadas, v6a.w Smith., P.A.S., en Molecular Rearrangements, Park I, de Mayo, P., Ed., Wiley-Interscience: Nueva York, 1963, pfigs. 528-558.)

5. (a) A, PhCONHPh; B, PhNH,; C, PhCOOH.

(b) Se observa claramente que ha ocurrido UM transposición: los dos grupos Ph es& unidos al carbono en la oxima, y uno esd unido al niu6geno en el producto.

O x i m OH

I O H Ph-C-N-Ph % Ph-C-N-ph I / I

Amida N -Fenilbenzarnida

(d) Por la transformación del “ O H en un mejor grupo saliente (menos bhico).

Ph ’ ‘OH Ph’ c?Cl I HzO - H + 1

PhCONHPh

Ph Ph 7 Ph’ ‘OH Ph’ COTS

\C=N 5 ’t/‘C,N ”+ PhC=N-Ph + OTS 9

H2O - H + I PhCONHPh

(En realidad, el papel que desempefian los iicidos en la transposición de Beckmann no está completamente aclarado. En (c) mostramos el iicido sulfúrico como un agente protonante del “OH, pero en lugar de ello puede convertirlo en “OS0,H. El PC1, puede transformar el “ O H en “OPCl,. Consulte las referencias que se dan m h adelante.)

621


CHf G\OH2+

H + C H 3 7 oxima de la (2') -acetofenona r V'C: N

Ph' 2 O H 2

kt* Ph 7 oxima de ( E ) -acetofenona I_ b:C--N,

+

O H ' I 1

CH,-C---N-- CH, N "etilacetamida

? H I 1

N "etilbenzamida "--f Ph-C---N-CH,

O H I 1 I

CH3"C---N"Ph CH3' 6 O H z + N -Fenilacctamida

oxima de la H+ Ph T

(2) -p -nitrobenzofenona Y C =N, "f

O H p-N02C6H4-C - N - Ph

p - ~ ~ z ~ 6 ~ 4 ' G \ o H ~ + N -Feni1 -p -nitrobenzarnida

oxima de la P - N O Z C ~ H ~ 0 7 ( E ) -p -nitrobenzofenona +zxx? H'

V'C / --N, "+ Phb C --N-C,H4N02-p

Ph GOHI+ A'-(pNitrofeni1)benzamida

cetoxima CH, -?q (Z) -meti1 -n -propi1 e )v\C ~ N< - H+

O H ' I

n-pr-c- N-CH, "

n-Pr ' G\OH2+ N - Metil -n -buliramida

O +. CH 3-C -N -Pr-n

I 1

cetoxima N -n -Propilacetamida

(0 Hidrolice las amidas e identifique las aminas y los Acidos formados.

(g) Ciclohexanona.

Las oximas sustituidas apropiadamente existen como isómeros geomkmcos (problema 10, Cap. 26), y el producto de la transposición depende de cud sea el isómero que participe: como se aprecia en (e), el grupo trans (an@ al grupo saliente es el que se transpone.

(Para una revisión de la transposición de Beckmann, vkase de la Mare, P.B.D., en Molecular Rearrangements, Parte I, de mayo, P., Ed., Wiley-Interscience, Nueva York, 1963, págs. 483-507; o bien, Heldt, W. Z., y Donaruma, L.G., Organic Reactions, Wiley, Nueva York, Vol. XI, Cap. 1.)

6. (a) Hay tres desplazamientos posibles hacia el oxígeno deficiente de electrones.

(i) Migración del hidrógeno

2 -Ciclohexenona


(ii) Migraci6n de un grupo alquilo, 4%:

Hemiacetal o bien

H O C H ~ C H ~ C H Z C H - C H C H O Alcohol -al&hído

6 -Hidroxi -2 -hexenal

(iii) Migraci6n de un grupo vinilo, <H= CH:

OH Alcohol -al&hído

Enol o bien

O H C C H Z C H ~ C H ~ C H ~ C H O Adipaldehído

Ceto

De Cstos, S610 el último produce adipaldehído. Mas aún, nos damos cuenta de que una condensacidn ald6lica intramolecular (catalizada por &ido) del adipaldehído puede producir el ciclopenten - 1 carboxaldehído. (Recordemos queen una condensaci6n ald6licacatalizada con &ido (problema 25.12, pág. 899) el ácid0 cumple Con dos funciones: cataliza la enolizaci6n de una molkula (el nuclehfilo), y protona al otro grupo carbonilo, haciCndolo más electrofílico.)

H C O H + CH 1

H2C' \ k H O I "f I

- H +

HzC, ,CHO CH2 CH2

Enol -aldehído protonado


adicionales que puede utilizar para formar uniones. La migración de un grupo vinilo no implica necesariamente un estado de transicih que contenga un carbono pentavalente (IV, pág. 1090) sino que también puede ocurrir por la vía de un ep6xido intcrmediario.

7. Transposición de Hofmann con R = NH,.

H,N--NHz + C'O,' Hidrwina

Ar,C~-O--OH Un hidroperóxido

Luego tste sufre UM transposici6n como la analizada en la sección 32.6.

?H H+

Ar,C--O-oH e Ar2C--O-OHz+ "f Ar2C-O--Ar H

Lf Ar2C-OAr

Hemicetal Midroperbxido

"-f Ar2C= O + ArOH Cetona Feno1


(b) La aptitud migratoria relativa (Sec. 32.7) de los grupos aril0 incluidos es

L o s productos principales esperados son:

9. (a)Se puede formar cualesquiera de los dos cationes 3-t y en seguida migra o bien el "CH, del anillo, o bien el C,H,.

1 protonado ( R = E t )

Catión 3' I1

(R = Et)

I protonado ( R = Et)

Catión 3" O H + O

Ill ( R = E t )

(b) Solamente se forma el catidn bencílico m& estable, por lo que sólo el "CH, del anillo puede migrar.

I protonado ( R = Ph)

Catión bencílica I1

(R = P h )

(c) Se puede formar cualesquiera de los cationes 3" y despuCs migra el CH, o el -€$del anillo.

Catión 3'

Catión 3'

625


(d) La pérdida de cualesquiera de los dos "-OH produce el mismo catión; predecimos la migraci6n más común del Ph.

Ph - t i + I

I1 1 __f CHI --C-C--CH,

O Ph 3,3 -Difeni1 -2 -bumona

Prueba de yodoformo positiva Producto esperado

+ PhCHzCHlCHO - H i

2 -Fenilpropanal Prueba de Tollem positiva

Producto esperado

"" - H i + PhCH*---C-CH-(

¡I O

Fenilacetona Prueba de Tollens negaliva


- H z 0 6 3 IO. CH2-CHz-CH2 t C H ~ - C H “ C H ~ @ - CH-CH-CH, + I I

OH ‘AHl+ O H CAH @

Catión 1’ Cati6n 2 O

CH“CH2-CH3 / I

+ O H Aldehído protonado

i- ”+ H

I O=CCHzCH, Propionaldehído

11. Ph Ph

I t Ph Ph Ph Ph I 1

Ph Ph - HZO I 1 - H+ I I Ph--C-C-Ph f Ph-C-C--Ph e Ph-C-C-Ph fFis’ Ph-C-C-Ph

\ / O 1 c‘ I /,Y@ \ / OH OH2+ HO 0, I

~ua””p. H Ep6xido Se hidroliza en el medio de reacción

pinacolona

(Pocker, Y. y Ronald, B.P., “Kinetics and Mechanism of vic-Diol Dehydration. I. The Origin of Epoxide Intermediates in Certain Pinacolic Rearrangements”.J. Am. Chern. Soc., 92,3385 (1970).)

12. (a) DesplazamienEo - 1,2 del R del boro hacia el oxígeno.

( I ) R,B + OOH- * RJB-O-OH

( 2 ) R2B-O-OH + R2B-O-R + OH- bf

luego (1). (2). (1). (2). para los otros R

(b)Retenci6n de la configuraci6n en el grupo R que migra. Esto es lo que se ha observado en otros desplazamientos 1,2 (Sec. 32.4).

13. Hay competencia entre la reacción en la que no migra el aril0 y en la cual la marca permanece inalterada,


y la reacción que implica la migración del arilo, en la cual la marca queda distribuida.

ArCOOH HOOCZA~ (SO” ,)) (-íU”<,)

Ya que el catión puenteado da un producto con la mitad de la marca en cada posición, la proporción de la reacción en la que interviene este intermediario es:

p-N02C,H4 1646, C,,H, 54’2, p-CHIOC,,H, 900“

Como era de esperar, los grupos donadores de electrones en Ar lo hacen más nucleofílico, lo que favorece la migración.

(Roberts, J.D. y Regan, C.M., “Rearrangements in the Reactions of 2 -(4 -substituted) -phenylcthylamines -1 -C14”,J. Am. Chem. Soc., 75,2069 (1953).)

La ausencia del producto de la migración de hidrógeno, AKHOHCH,, condujo a Roberts y a Regan a proponer que el catión abierto ACH,CH,’qu& no fuera intermediario, sino que más bien la migración del arilo era simultánea a la pérdida de N,. Trabajos estereoquímicos más recientes confirman esta suposición. Se ha encontrado que el 52% de PhCHDCHDNH, reacciona con retención de la configuración, lo cual concuerda en gran medida con el valor del 54% obtenido antes. Esto es una prueba contundente de que cada proceso es completamente estereoselectivo: inversión en la reacción en la que no hay cambio en la marca, y retención en la reacción en la que se distribuye la marca. La interpretación más verosímil es que la competencia ocurre entre el desplwamiento S,2 directo por parte del disolvente y la migración de tipo S,2, es decir, el desplazamiento del -N; facilitado por el ado. (Snyder, EJ., “Stereochemistry of Deamination of 2-Phenyle- thylamine”, J. Am. Chcm. Soc., 91,5118 (1969).)

14. (a) En el paso determinante de la reacción se pierde “OAc para dar un carkatidn abierto; ese catión se transpone rápidamente por la migraci6n de un fenilo hasta alcanzar el equilibrio estadístico de todas las marcas antes de que el catión reaccione con ácido acético para dar el producto: el * C de la cadena estádistribuido en la misma proporción en las dos posiciones posibles, y el *C del anillo esd distribuido en igual proporción en las tres posiciones posibles (Fig. 32.2, pág. 629 de esta Guía de Estudio). La velocidad ( K ,) a la cual el *C de la cadena se acerca a una distribución 5050, la

velocidad (K,) a la cual el *C del anillo alcanza una distribución 3357 y la velocidad a la cual el “OAC es sustituido por el 4 A c * son todas iguales, ya que Cada una es igual a la velocidad de la pérdida de “OAc.

628


En cambio, si el intermediario fuera un catión puenteado (formado ya sea por un mecanismo tipo S,1 o por un mecanismo tipo SN2), cada pérdida de "OAc conduciría a una distribución 50:50 de los productos *C del anillo. Esto es,

la velocidad que seria igual a K , y K,debería ser la velocidad a la cual el *C del anillo se aproximara a una distribución 5050, y no a una distribución 33:67. Aunque el *C del anillo pudera finalmente llegar a la distribución estadística 33:67, la velocidad a la cual haría esto (K,) seria menor que K , , lo que es contrario a los hechos.

El estudio de la reacción (3) fue necesario para descartar una posibilidad que podría no habérsenos ocurrido, pero que era una posibilidad real: el equilibrio a travb de un regreso interno. En ciertas circunstancias, la solvólisis genera pares iónicos (pág. 241) que se recombinan (sufren regreso interno) muchas veces antes de que el catión reaccione por último con un nuclehfilo externo. Si esto sucediera aquí, el equilibrio del *C de la cadena

Ph H 1 1

I 1 H OAc

( 1 ) Ph - C C * - Ph

Ph H 1 1

I 1 (2) PI1 ~ C ~ C ~~ Ph*

H OAc

Ph H 1 1

Ph O 1

+ Ph C C* Ph Ph C C Ph

H H I 1

Ph H 1 1

Ph--c' C* Ph 1 1

11 Ph I !

Ph- C C* Ph t i

H OAc AcO H

Ph H I /

I o

Ph PI1 * O 1 I O

I 1 H H

! I H H

- Ph C~ C Ph* J Ph C C Ph* e Ph C C Ph

H

Ph H I t 1 1

H OAc

H Ph I I

*Ph H ! I

Ph C C ~ P h I 1 I 1

Ph - C C Ph* Ph-C c' Ph*

AcO H H OAc

Ph Ph Ph H I 1

I / H OAc*

(3) Ph-- C -C- Ph --j cationes c y Ph C ~ C Ph I lOAc I 1

I 1 H OAc

Figura 32.2 Reacci6n del acetato de 1.1,2-trifeniletilo triplemente marcado en &ido acdtico (problema 14).

629


y el *C del anillo a travQ de cationes puenteados o abiertos se llevm'a a cabo antes que la reacci6n con el kid0 acktico externo (marcado). En este caso, Kl y K, serían iguales aun si intervinieran los cationes puenteados . Pero ICl y 4 serían mayores que K3, lo cual es contrario a los hechos.

Nota: Cuando aquí descartamos los cationes puenteados como intermediarios, los estamos descartando como intermediarios que se combinan con el &ido acético. La dpida transposici6n del fenilo se realiza a travQ de especies en las cuales - e n algún momento -el fenilo estA igualmente unido a los dos &tomos de carbono. Estas especies bien pueden corresponder a un mínimo (quiz8 sutil) en la energía potencial y, en consecuencia, podrían ser un compuesto intermediario, pero no persisten lo suficiente para reaccionar con el Acid0 a&tico.

(b) En este sistema estamos tratando con cationes bencílicos relativamente estables, los cuales tienen una menor necesidad de estabilizaci6n por formaci6n de puentes que, digamos, los cationes 2" en el sistema 3 -fenil-2-butilo.

(Para una descripcidn detallada de este refinado trabajo, v&se Bonner, W.A., y Collins, CJ., "Molecular Rearrangements. IV Triple -labeling Experiments on the Isotope Position Isomerization of 1,2,2-Triphenylethyl Acetate", J. Am. Chem. Soc., 77,99 (1955))

15. (a) La formaci6n de V podría provenir de una sustituci6n directa. Pero la velocidad anormalmente @ida hace que dudemos, y el aislamiento del compuesto VI de ciclopropilo nos da la clave. La reacci6n ocurre con ayuda anquimkrica de los electrones IC del doble enlace,paradarelcati6nciclopropilcarbiniloXXIII.Estecati6npuedesufrirunaeliminaci6n para dar VI o bien una sustituci6n, con apertura del anillo, para dar V.

IV

Esta interpretaci6n queda confirmada por el comportamiento del compuesto marcado IVa, el cual produce la mezcla de is6meros Va y Vb predecible por el ataque por las rutas a y b sobre el catión XXIIIa.


(Rogan, J.B., "The Acetolysisof4-Methyl-3-Penten-1- y 1p-Toluenesulfenate",J. Org. Chem., 27,3910 (1962). El experimento con marcado no se efectu6 realmente sobre esta reaccidn, pero se obtuvo una distribuci6n completa en una sustitucih muy p a r e c i d a de c10nu0 por cloruro (Hart, H. et d., "Alkylation of Phenol with a Homoallylic Halide", J. Am. Chem. Soc., 85,3269 (1963).)

(b) Los electrones x del doble enlace brindan la ayuda anquim6rica para expulsar el ONs-. El producto es el cati6n norbornilo que -ya sea cíclico o no - reacciona de la manera usual (Sec. 32.10) para dar el producto em -norbornilo.

VI1 Catión norbomilo IX e m -Acetato de norbornilo

(c) Mediante el ataque por atrh en el C-7, los electrones n: del doble enlace ayudan a expulsar el OTs-. El producto es el cati6n puenteado XXIV, que reacciona con el HOAc, con una segunda inversih, m a dar el acetato XI cuya configuraci6n es la misma que la del tosilato de partida.

X XXIV XI


En presencia de NaBH,, XXIV sufre un ataque por el H: - en cualesquiera de dos posiciones: en el C-7 para dar XI1 o en el C-2 (o en el C-3) para dar XIII.

" y,H 1,

(El descubrimiento histdrico de esta enorme ayuda homoalílica en la ionizacidn fue informadoporWinstein,S.,Shatavsky,M,,Norton,C. y Woodward,R.B.,"7-Norbomenyl and 7-Norbomyl Cations", J. Am. Chem. Soc., 77,4183 (1955).)

16. (at(b)PartiendodeXIV,podemosescribirecuacionessimilaresal~dela~gura32.1 @Ag. 1099) para el em "cloruro de norbornilo.

XIV xxv I

xxv 5 8

A xv

5 3

xxv \

XVI XVI


El ion brosilato se pierde (1) con la ayuda anquimbrica del C-6, para dar el cati6n puenteado XXV. El cati6n XXV sufre el ataque por atrh en una de dos posiciones: en C-2 (ruta c) para dar XV o en C-1 (ruta d) para dar XVI.

En la reacci6n del norbornilo, el cati6n intermediario (111, p&. 1099) era simbmco: los ataques en las dos posiciones generan enanti6meros y en cantidades iguales, esto es, se obtiene el producto racbmico.

Aquí, el cati6n intermediario XXV no es simttrico: hay un puente de un carbono (C-3) en un lado y un puente de dos carbonos (C-7 y C-8) en el otro lado. Los ataques por las rutas c y d no son igual de probables y no dan enanti6meros: producen compuestos diferentes, cada uno de los cuales es 6pticamente activo.

La ~ t a c produce XV, de la misma confíguraci6n que el material de partida XIV. La retenci6n global es el resultado de dos inversiones sucesivas: primero en el ataque por el C-6 y desputs en el ataque por el HOAc.

La ruta d genera XVI pero no XVII. Para la formaci6n de XVII se requiere que el HOAc ataque la cara de C-1 que esd unida al C-6.

(c) El ion brosilato se pierde de XVIII con la ayudaanquimbrica de los electrones K del doble enlace, para dar el cati6n puenteado XXVI. El kid0 adtico ataca este cati6n simtuico, ya seaporlarutaeolarutaf,paradarunoculquieradeunpardeenanti6meros:XVIIyXXVII. Las rutas e y f, tienen la misma probabilidad, por lo que seobtiene la modifícaci6n rackmica. XVI no se forma, ya que se necesikuía un ataque por el lado del carbono unido al CH,

que originalmente era de la cadena lateral.

XVIII

- OBs

9f AcO

XVII

OAc XXVII

H

AcO XVII

&/H OAc

XXVII

XVn y XXVIl son enantiómeros; se forman en igual cantidad


17. (a) XIX es una lactona y, por tanto, un Bster. Como cualquier Bster. reacciona con 0CI-I- sufriendo una sustituci6n nucleofílica en el ado: una transesterificaci6n (Sec. 24.20). El producto es un nuevo &&x y un nuevo alc6xido (o, en este caso, un fenbxido); &tos forman parte de la misma molCcula, XXVIII.

,,,*CHz:ir

[@)G-~ ~- \ xc )C ‘H- -- f / - o 1.01, C. ( ‘OOC‘Ci , = ~~~ C‘ ’ O j.HL h _,’ 0 ( ’

Ph’ C’H2C‘H2Br Ph <‘H?(’ti:Rr Ph’ COOC’H , XIX XXVIII XXVIII

I’tl (’OO<‘tI,

xx

XXVII sufre una sustituci6n nucleofílica intramolecular ”en realidad una síntesis de

La reacci6n anhloga con R,NH produce XXIX, el cual es a la vez una amida y un Williamson - para dar el t e r cfclico XX.

fen6xido. Como antes, hay una reacci6n de Williamson interna para dar el Cter, XXI.

w-57 , > ~ ‘ t l ~ %

t i lc ’K2 3 0 ,C‘ONR, .~ O- [‘ti ’ 2 C‘ ” \. C.

Ph CHzCHzBr Ph’ <’H2C‘H2Hr Ph’ ~\ CON R

XIX XXIX XXIX

P h”“CO N R

XXI

(b) La sustituci6n nucleofílica en el a d o , como se había propuesto en la secci6n 24.4, implica el ataque del nucle6filo al carbono del acilo para dar un intermediario teuakirico, el cual, en un segundo paso, expulsa al grupo saliente. Ya hemos visto (Sec. 24.17) las pruebas del intercambio isot6pico que apoyan esta proposici6n. Por ejemplo, en la reacci6n de XIX con HNR,, el intermediario debe ser XXX. La expulsi6n del fen6xido producirh la amida XXIX.


Pero en el intermediario XXX, el grupo acilo se convierte temporalmente en “o-. Este grupo es capaz de atacar como nucle6filo al carbono que tiene el -Br, para dar XXII. El compuesto XXII es, pues, el producto generado al arrapar internamente el intermediario tetr&drico, y su aislamiento es prueba fehaciente de la existencia de este intermediario.

GB, 1

XXII

xxx

33

Orbitales Moleculares Simetría orbital

33.1 El monocati6n que se form6 primero se convierte lentamente en el dicati6n, evidentemente m8s estable. La estabilidad de esta última especie, a pesar de su doble carga positiva, es congruente con la aromaticidad: contiene 2 electrones K (4n + 2, n =O).

CH3 p[ CH, CHALucH' CI cHAuCHJ CHj

-CI- -CI- + , I .., (3

CI CH.! CHI CHI CH,/ 'CH J /

Tres picos en RMN Un pico en RMN (Olah, G. A., Bollinger, J. M. y White, A. W., "Stable Carbonium Ions. LXXXIX. The

Tetramethylcyclobutenium Dication as an Aromatic 2 x-Electron System", J. Am. Chem. Soc., 91,3667 (1969).)

33.2 (a) Estos hechos indican que el compuesto I tiene una estructura dipolar; es bhico porque la aceptaci6n de un prodn elimina la separaci6n de cargas, con lo que la molkula se estabiliza.

R R

O- + HCIO4 -+

R' R

Todo esto proviene de la estabilidad del anillo cargado positivamente. Esta, a su vez, la atribuimos a su aromaticidad. El carbono "carbonílico" S610 comparte un par de electrones con el oxígeno; el orbital p vacío de este carbono no proporciona electrones R, por lo que el total para el sistema cíclico es el número de Hückel2 (4n + 2, con n = O).

@)El producto es el cati6n aromático 1,2,3-uifenilciclopropenilo (véase la respuesta al problema 13.6, pág. 483).

637

CAPITULO 33 ORBITALES MOLECULARES

(c) La descarboxilación del tricloroacetato es sencilla, debido a la relativa estabilidad del anión C1,C- que se forma.

(Paraunestudiogeneraldelaarornaticidad,consÚlteseBreslow,R.,"AromaticCharacter", Chem. Eng. News, 90,28 de junio de 1965.)

(a) El cierre anular abarca cuatro enlaces dobles del polieno y, por lo tanto, 8 electrones x; esto corresponde a 4n (n = 2). La tabla 33.1 predice que, para tal sistema, habrá una reacción electrocíclica térmica con movimiento conrotatorio.

I o III "+ producto tram II "-+ producto cis

El cierre anular fotoquímico, en este mismo sistema, se llevará a cabo con un movimiento disrotatorio.

I o III + producto tram II + producto cis

Echemos una mirada al proceso inverso, la apertura del anillo. Si no en la práctica, al menos en principio el rruns-dimetilciclooctatrieno se relaciona témicamente con dos polienos: I y 111, y con ambos mediante un movimiento conrotatorio, permitido por la simetría. Fotoquímicamente, el cis-dimetilciclooctatrieno se relaciona con dos polienos, I y 111.

Siempre habrá dos modos conrotatorios posibles.

/-A ,- y p, a Conrotatorio

y dos disrotatorios posibles:

g7 y ." 0 Disrotatorio

Estos pueden conducir al mismo producto, o bien aproductos diferentes, lo que depende del caso particular. Donde hay la posibilidad de dos productos, se pueden formar ambos o no.

Lafigura33.12(pAg. 1120),porejemplo,indicaqueelcis-dimetilciclobuteno~lop~ede dar un producto mediante un movimiento conrotatorio: el cis, trans-hexadeno. El trans- dimetilciclobuteno puede dar ya sea el dieno trans, trans (en el que los H giran uno contra el otro en el estado de transición), o bien el dieno cis, cis (donde los CH, giran en dirección opuesta). Sólo se obtiene el dieno truns,truns, sin duda por razones esk5ricas.

ORBITALES MOLECULARES CAPITULO 33

En la reacción inversa, el cierre anular del cis,truns-hexadieno (Fig. 33.15, página 1 123) sólo puede dar el cis-dimetilciclobuteno. El truns,truns-hexadieno genera uno de los enantiómeros del dimetilciclobuteno mediante un modo conrotatorio, y el OtrOeMntiÓmero por medio del segundo modo; en este caso ambos modos son igualmente probables, de manera que resulta el producto racémico.

Hemos de enfrentarnos a otras reacciones en las que interviene este factor, y ya consideraremos con todo cuidado cada caso individualmente.

33.4 (a) I// I (Fig. 33.7, pág. 11 14). El catión alilo tiene 2 electrones x. (b)4n + 2 térmica; se espera movimiento disrotatorio. (c)En el anión alilo hay 4 electrones x. Es 4n térmica: se espera movimiento conrotatorio. (d)En el catión pentadienilo hay 4 electrones x. Es 4n térmica: se espera movimiento conrotatorio.

33.5 (a)En el polieno (el tropilideno) participan tres enlaces dobles, o 6 electrones x. ES 4n + 2 térmica: apertura anular disrotatoria. Esta interconversi6n sucede tan rápido que S610 a-120°C el espectro de RMN de la mezcla en equilibrio presenta seaales completamente separadas para ambos compuestos. (Ciganek, E., "The Direct Observation of a Norcaradiene "Cycloheptatriene Equilibrium", J. Am. Chem. Soc., 87, 1149 (1965).)

Observamos que sólo puede ocurrir uno de los dos movimientos disrotatorios posibles: los H angulares deben girar alejúndose entre sí a medida que el anillo se abre. El modo alternativo generaría dos enlaces dobles trans, geomémcamente imposibles en un anillo de este tamaiio. No puede ocurrir la apertura anular fotoquímica, puesto que requeriría un movimiento conrotatorio con formación de un doble enlace tram en el anillo de siete miembros, lo que también resulta geomCtricamente imposible.

(b) En el polieno (el reactante) intervienen tres enlaces dobles, o 6 electrones x. 4n + 2 térmica: cierre anular disrotatorio.

(c) A lo largo de todo el proceso hay implicados tres enlaces dobles, o seis electrones x (4n + 2).

Primer paso. Cierre anular térmico disrotatorio. Segundo paso. Apertura anular fotoquímica conrotatoria. Tercer paso. Cierre anular térmico disrotatorio.

(d)En la primera reacción sólo participan dos dobles enlaces del polieno; en la segunda intervienen los tres enlaces dobles.

Primer paso. 4 electrones x (4n): apertura anular térmica conrotatoria. Segundo paso. 6 electrones x (4n + 2): cierre anular térmico disrotatorio.

Un catión Un catión alnico ciclopropilo 2 electrones n

Este es un ejemplo de la conversi6n de un catión ciclopropílico en un alnico (problema 33.4, pág. 1126): dos electrones x(4n +2), apertura anular drmica disrotatoria. Luego, el catión alnico se combina con agua.


En realidad, la apertura del anillo es estereoespecífica en otro aspecto adicional, que es el que indica que la apertura es concertada con la p6rdida del ion halogenuro. Los ciilculos conducen a otra regla, mediante la cual se puede predecir cu í1 de los dos modos disrotatorios posibles es el que ocurrirá: los sustituyentes del mismo lado del anillo ciclopropílico como grupo saliente rotarán hacia dentro (uno hacia el otro), y no hacia fuera. En el caso que estamos tratando, los sustituyentes situados sobre un lado del anillo ciclopropílico son carbonos del anillo de cinco miembros, y tienen que rotar uno hacia el otro, puesto que esth ligados entre sí por medio de un anillo más bien pequeno (5 -+ 6). El resultado es que el grupo saliente es el halógeno endo, tal como se ilustra.

(Pam conocer los detalles de este tema, consúltese alguno de los trabajos siguientes: Woodward, R. B. y Hoffmann, R., The Conservation ofOrbital Symmetry, Academic Press, Nueva York, 1970, págs. 46-48; DepUy, C. H., “The Chemistry of Cyclopropanols”, Acc. Chem. Res., 1 ,33 (1968).)

(f) La cetona protonada es equivalente al catión pentadienílico VI11 (4 electrones ~ , 4 n ) , el cual sufre un cierre anular conrotatorio térmico, generando el catión ciclopentinílico IX. (Véase el problema 33.4 (d), pág. 1126.)

8 OH ¡ I

R R

VI11 IX

, R R R R R K

Un catión Un catión pentadienilo ciclopentenilo

33.6 La interconversión sucede por la vía del ciclobuteno. Participan dos enlaces dobles del polieno, o sea, 4 electrones n. 4n tkrmica: cierre y apertura conrotatorios del anillo.

Observamos aquí los dos modos conrotatorios posibles de apertura anular (véase la respuesta al problema 33.3 pág. 1126), en que uno da IV, y el otro, V.

33.7 (a)Esta es una cicloadición tkrmica [4 + 21, la conocida reacción de Diels-Alder. La reacción permitida por la simetría es supra, supra, la que tambien es geom6mcamente fkil. Colocando el dieno en la configuración S-cis necesaria, arribamos a nuestro producto:


I "M H H H H

Anticipamos, entonces, la formaci6n del cis-3,6-dimetilciclohexeno.

f + I I -cHQ \ H

C H j CHI 'H

trans,trans- Etileno cis-3,6-Dimetil- 2.4-Hexadieno ciclohexeno

@)Es otra cicloadici6n thnica [4 + 21: supru,supru. Con el dieno en laconfiguraci6n S-cis, acercamos el dien6fiio. Con respecto al dien6fil0, la reacci6n conduce a una adici6n syn:

Me -,

en el producto, ambos H angulares se hallan cis entre sí. La reacci6n tambih es endo, y el puente anhídrido queda cerca del doble enlace en desarrollo (debajo de Qte, en la representaci6n anterior); en el producto, el grupo metilo se encuentra cis respecto al puente anhídrido.

trans-l,3-Pentadieno Anhídrido maleic0

(c) Es, como en (b), una cicloadici6n tbrmica [4 + 21 supra, supra. Recordamos una vez m8s: s-cis, syn, y endo.

o=rA.fo

H H

"f


En el producto, los Ph se encuentran cis entre sí (adición syn) y tambikn cis respecto al puente anhídrido (reacción endo).

trans,trans-l,4-Difenil- Anhídrido 1.3-butadieno maleico

(d) Es una cicloadición fotoquímica [2 + 23: supru,sllpru. Esto significa una adición syn a cada alqueno, de modo que los dos metilos de cada unidad de alqueno permanecen cis entre sí. Hay, sin embargo, dos maneras para que se junten las unidades de alqueno, así como

cis-2-Buteno Dos moles

B A cis-2-Butcno Dos moles

dos productos; un conjunto de metilos puede estar cis o trans respecto al otro conjunto.

(e) Como en (d). Aquipermanecen trans entre sí los metilos de cada alqueno. Nuevamente hay dos combinaciones, y también dos productos.

(0 E 1 cis-alqueno se puede adicionar al cis-alqueno como en (d), el trans al trans como en (e) y, además, el cisal truns. Hay cuatro productos: todoslos 1,2,3,4-tetrametilciclobutanos posibles.


33.8 (a) Se forma diciclopentadieno mediante una reacci6n de Diels-Alder, en la que una molkula de ciclopentadieno actúa como dieno, y la otra, como dien6fdo. La regeneracidn del ciclopentadieno es UM reacci6n refro-DielsAlder, en la que el equilibrio se desplaza para sustituir el componente más volátil, que se estA eliminando por destilaci6n.

Diem Dienifilo Ciclopentadieno I

Dos moles Diciclopentadieno

(b) La reacci6n es endo, y el anillo del diedfilo se sitúa cerca del doble enlace que se esd formando en la unidad diCnica.

o - / = =

H- H

"f Endo

Preferible Dara cicloadicic

I H ' H '

I

5n [4 + 21

Exo

33.9 (a) S610 intervienen dos enlaces dobles del trieno. Por lo tanto, la reacci6n es una ciclo- adici6n [4 + 21, que es supra,supra, y fiicil en vez de [6 + 23, la que tendría que ser supra, antara y, como consecuencia, geomttricamente difícil.

COOCzHS \ COOC2HS COOCzHS I

(b) Es una cicloadición fotoquímica [2 + 21 intramolecular. La estereoquímica supra,supru da la configumción toda-cis en el anillo de ciclobutano.


(c) La reacción es una cicloadición termica [6 + 41: se predice que será supra,supra -por lo tanto, geométricamente sencilla" con base en que i + j es igual a 10 y, en consecuencia, es 4n + 2.

o

Este fue el primer ejemplo informado de una cicloadición [6 + 41. (Cookson, R. C., Drake, B. V., Hudec, J. y Morrison, A., "The Adduct of Tropone and Cyclopentadiene: A New Type of Cyclic Reaction", Chem. Commun., 15 (1966).)

Una inspección más detenida nos muestra que, a diferencia de la cicloadición [4 + 21, esta reacción sucede en el sentido em.

Ex0

Preferible para la cicloadición [ 6 + 41

Endo

Veremos más adelante (problema 13, phg. 1144) que tanto la preferencia em en cicloadiciones [6 + 41, como la preferencia endo en cicloadiciones [4 + 21, se explican mediante la teoría de la simetría orbital.

(d) La reacción es una cicloadición tkrmica [8 + 21. Como en (c). la suma i + j es igual a 10; se predijo que la reacción sería supra,supra y, en consecuencia, geomktricamente fácil, como resultó ser en realidad.

COOCH 4 0 """$. ! l l I / I "-j a - . - C O O C H 3

COOCH,, COOCHj

(e) La reacción es una cicloadición [14 + 21. Puesto que i + j es igual a 16 (4n), se anticipa una reacción supra,antura. De hecho, &te es el caso : en la representación ilustrada en la página 1133, la unión en el lado izquierdo se efectúa desde abajo del polieno (el H angular está hacia arriba y hacia nosotros) y, en el lado derecho, la uni6n se realiza desde arriba (el H angular está hacia abajo y alejado de nosotros).


33.10 (a)La reacción es un desplazamiento [1,5] -H, y se anticipa que serh supra. Así es, efectivamente, y la transferencia sucede haciacualesquierade las caras del carbono trigonal.

Me

H Et Me Et Me Et

'\ D D Me D Me ',

(b) Estos resultados ilustran la preferencia por desplazamientos [ 1,5] de hidrdgeno sobre los [1,31 o [1,7]. Una serie de desplazamientos [1,5]-D distribuirh el deuterio sólo entre l a s posiciones 3,4,7 y 8, tal como se observó.

Una serie de desplazamientos [1,3]-D (o bien [ 1,7]-D), por otra parte, distribuirían la marca entre todas las posiciones, lo que contradice los hechos.

:5:: ;'D

(c) Se produce un desplazamiento [ 1,3]-C (supra), con inversibn en el grupo migratorio, tal como se anticipaba. (En cambio, si la arista del frente simplemente se desplazara del C-1

al C-3 con retención, el "CH,, habría pasado a la posición endo sobre el anillo, lo que contradice los hechos.)

1. (a) En cuanto a sus propiedades químicas, la tropolona se parece a los fenoles. No queda representada adecuadamente por la estructura I.


(b) Para ser fenol, la tropolona debe tener un anillo aromhtico. La aromaticidad también está indicada por otras propiedades: planaridad, longitudes de enlaces, calor de combustión. El momento dipolar sugiere una estructura dipolar. La tropolona es un híbrido de siete estructuras dipolares como las siguientes:

Tropolona Seis electrones z

Aromática

El anillo corresponde al del catión cicloheptatrienilo, que tiene 6 electrones x: y es aromático (véanse las Secs. 13.10 y 33.6).

(c) El momento dipolar de la 5-bromotropolona es menor que el de la t r ~ p o l ~ ~ , lo que demuestra que el fuerte dipolo de esta última es de dirección opuesta al del C-Br, es decir, hacia el oxígeno “carbonílico”. Esto concuerda con la estructura dipolar. (El momento

dipolar para el bromobenceno (Tabla 29.2, pág. 1021) es 1.71 D. Si el momento C-Br de la 5-bromotropolona fuese similar,anticipm’amos un momento dipolar para este compuesto igual a p = 3.71-1.71 = 2.00 D, bastante cercano al valor observado de 2.07 D.)

(d) En la tropolona hay un puente de hidrógeno intramolecular.

Tropolona

Hiickelpropusosuregla4n+2en 1931(Sec.33.6). En1945,M.J.S.Dewar(pág. 395) postuló que la tropolona era la unidad responsable de las propiedades extraordinarias ”es decir, aromáticas- de varios productos naturales. La propia tropolona fue sintetizada en 1951 por W. von E. Doering y L. H. Knox; esta confirmación de la proposición de Dewar ”junto con el reconocimiento de la aromaticidad del ferroceno en 1952 (pág. 481)“ desencadenó una gran ola dc trabajo experimental sobre la aromaticidad no bencenoide.

(Doering, W. von E. y Knox, L. H., “Tropolone”, J. Am. Chem. Soc., 73,828 (1951); Dauben, H. J., Jr., y Ringold, H. J., “Synthesis of Tropone”, J. Am. Chem. Soc., 73, 876 (1951); Doering, W. von E. y Detert, F.L., Cycloheptauienylium Oxides”, J. Am. Chem.


Soc., 73, 876 (1951). Como revisi6n, v&se Ginsberg, D., Ed., Non-Benzenoid Aromatic Compounds, Interscience, Nueva York, 1959.)

2. Para poder seguir la pista de los carbonos en las transformaciones siguientes, los n6me- ros utilizados en el material de partida se conservan hasta el final (aun cuando los números asignados de este modo en un producto no concuerden con el uso convencional). En muchos casos se indica sólo una de las dos posibilidades (equivalentes): por ejemplo, en el producto del primer paso en (a), se indicae1 doble enlace trans entre C-6 y C-7, y no entre C-1 y C-8.

(a) Primer paso. Se abre el anillo de ciclobuteno. Participan dos dobles enlaces en el polieno, o sea, 4 electrones x. 4n tkrmica: apertura de anillo conrotatoria.

Segundo paso. Un desplazamiento [ 1,5]-H, t6rmico: supra.

(b) Primer paso. Se abre el anillo de ciclobuteno. Intervienen dos enlaces dobles del polieno, o 4 electrones x. 4n tkrmica: apertura anular conrotatoria.

Segundo paso. Implica tres enlaces dobles del polieno, o sea, 6 electrones x. 4n + 2 tkrmica: cierre anular disrotatorio.

(c) En algunas moléculas se produce el cierre de un anillo de ciclobuteno. Participan dos enlaces dobles del polieno, o sea, 4 electrones x. 4n fotoquímico: cierre anular disrotatorio.

CH, El resto de las moléculas experimenta lo siguiente:

Primer paso. Un desplazamiento [ 1,7]-C, fotoquímico: supra.


Segundo paso. Un desplazamiento [ 1,7]-H, fot0químico:supra.

(d) Primer paso. Una cicloadición fotoquímica [4+4] intramolecular, i +jes igual a 8 (4n): supra,supra.

Segundo paso. Una ciclorreversi6n [4 + 21, i + j es igual a 6 (4n + 2), probablemente tbrmica: supra,supru.

(e) Un cati6n alílico (2 electrones IC) suhe una cicloadici6n [4 + 21 (termica, supra,supra), para dar el catión XIII, que luego pierde un prodn de cualesquiera de dos posiciones.

(0 El puente se traslada en tomo al anillo en una serie de desplazamientos [1,51-C supra (probablemente con retenci6n en el carbono que migra).

(g) Una cicloadici6n térmica [4 + 21 intramolecular (una reacción de DielsAldeO: supra,supra.

H

3. (a) Primer paso. Cierre anular que implica cuatro enlaces dobles del polieno, o sea, 8 electrones IC (4n): tkrtnico, conrotatorio. Uno de los R gira hacia arriba, el otro hacia abajo, de manera que en A se encuentran trans entre sí.


tram-7, X-Dialquil-cis,cis,cis- cicloocta-1,3,S-trieno

Segundo paso. Cierre anular en el que participan tres dobles enlaces del polieno, o 6 electrones x (4n + 2): tCrmico, disrotatorio. Desde luego, los R conservan su relación trans; el movimiento disrotatorio da una fusi6n cis de los anillos.

(b) Primer paso. Sólo es posible un desplazamiento [ 1,5]-H (el cual, como sabemos, tiene preferencia sobre uno [ 1,3l-H).

B C' 1 -1sopropenil- 2,4,5-Trimetil-3-metlén-l, 4-hexadieno

2,3,3-trimetilciclobuteno

Segundo paso. Sólo existe UM posibilidad de apertura anular electrocíclica e implica dos dobles enlaces del polieno, o 4 electrones x(4n); siendo térmica, es de suponer que sea conrotatoria.

(c) Primer paso. Se abre el anillo de ciclopropano. Intervienen cuatro enlaces dobles en el polieno (D), u 8 electrones x. 4n térmica: conrotatoria.

6 H 3 ' I .. 1 2 Me \ 9 ,Et f Me 1 9 - E

D

Segundo paso. Un cierre anular que abarca tres dobles enlaces, o 6 electrones x. 4n + 2 térmico: disrotatorio. Esto conduce a una fusi6n trans de los anillos: con base en las fórmulas mostradas, debe salir un H angular hacia nosotros y el otro en la dirección opuesta.

Sin embargo, hay dos modosdisrotatorios posibles (véase larespuestaal problema 33.3). El H angular en C-1 puede salir hacia nosotros o bien alejarse, es decir, puede estar en el mismo lado del anillo que el Me, o en el mismo que el Et. (Por cierto que el H angular en el C 4 hace lo contrario en cada caso.) Los dos modos dan productos diferentes (diastereomCricos).

(d) Primer paso. Cierre del anillo de ciclobuteno, en el que intervienen dos enlaces dobles del polieno, o 4 electrones x. 4n fotoquímico: disrotatorio.

649


E F. G cis,cis-Ciclo- cis-Riciclo[5.2.0]- cis,tranr-Ciclo- tram-Bi- nona-1.3-dieno nona-8-en0 nona- 1,3-dieno ciclo [5,2,0]-nona-8-eno

(e) Los desplazamientos de H son supra por razones geométricas. Son [ 1 S I si son térmicos, y [ 1,7], si son fotoquímicos.

Material de partida H

Material de partida I

4. Abarca dos enlaces dobles del polieno, o 4 electrones x. 4n térmica: conrotatoria. El movimientoconrotatoriodebe convertir unciclobuteno cis-3,4-disustituido en un cis,trans- dieno. Esto es fácil para el primer reactante, y es lo que efectivamente sucede. Pero el segundo reactante genera un anillo de siete miembros, que es demasiado pequeiio para acomodarunenlacedobletrans.Lasegundareacciónsiguela~tadisrotatoria,probablemente mediante un mecanismo de alta energía, no concertado @or pasos).


5. Primer paso. Cierre del anillode ciclobutano. Participan tres enlaces dobles del polieno, o 6 electrones n. 4n + 2 Ermico: disrotatorio para dar K con fusi6n cis.

K cis,cis,cis-Ciclo- cis-Biciclo [4.2.0]- octa-l ,3,hieno octa-2.4-dieno

Segundo paso. K sufre una cicloadici6n [4 + 21 (raEi6n de Diels-Alder) para &u L: supra,supra y endo.

K 1 Ciclobuteno Ftalato de dimetilo

Tercer paso. L sufre una ciclorreversión [4 + 21 (reacci6n retro Diels-Alder), pero con la ruptura de enlaces diferentes de los que se formaron en el segundo paso.

6. (a) Hemosdicho(Sec.5.23)quelatransposici6ndeuncarbocati6nimplicaun&splazamiento 12, y que se realiza mediante un estado de transicih, XIV, en el cual el grupo alquilo que migra (o un hidrógeno) se halla enlazado tanto al origen de la migración, comoa su &mino.

XI v

Utilizando el enfoque de la sección 33.10, consideramos que XIV proviene del traslapo entre un orbital de un radical libre (el grupo migratorio R) y un sistema x. El sistema x no es, en este caso, un radical libre alílico, sino un radical"cati6n vinílico: etileno, menos un electrón n. El HOMO es n en la figura 33.5 (phg. 1 1 1 2).

X I V

1;. 1

f IOMO Desplazamiento 1,2 en el carbocatión

Suprafacial Retención en el grupo migratorio


Observamos que, sobre esta base, el proceso permitido por la simetría es suprafacial y, por consiguiente, geornttricarnente factible. Debería proceder con retención en el grupo que migra, pues es la estereoquímica realmente observada para desplazamientos 1,2 hacia átomos deficientes de electrones (Sec. 32.4).

La transposición de carbocatwnespor desplazamientos[l,2] suprafacialessigmatrópicos procede con retención de la configuración en el grupo que migra.

(b) De acuerdo con el enfoque de (a), consideramos el sistema 7c como un dieno radical- catión: un dieno, menos un electrón x. HOMO es vz en la figura 33.6 @ág 11 13). Para un desplazamiento [ 1,4] suprafacial sigmatrópicoenuncati6nalílico,predecirnosunainversio'n de la configuración en el grupo migratorio.

Suprafacial Inversión en el grupo migratorio

Aun cuando estos desplazamientos [ 1,4] no son comunes, sí llegan a ocurrir, y se sabe que proceden con la inversión de configuración prevista. (Vrhe, p. ej., Hart, H., Rodgers, T. R. y Griffiths, J., "Stereochemistry of the Rapid Equilibration of Protonated Bicyclo- [3.1.0] hexenones", J. Am. Chem. Soc., 91,754 (1969).)

7. Por razones gwmbtricas, tal reacción debe ser supra,supra, lo que está prohibido por la simetría. Para H, el HOMO es o y el LUMO es o* (Fig. 33.4, pág. 11 11). Para el ctilcno, LUMOesn* y HOMOesn (Fig.33.5,pág. 1112).

Prohibido por la simetría Prohibido por la simetría


8. Una reacción de Diels-Alder intramolecular convierte a II en el intermediario XV, el cual sufre una cualesquiera de dos reacciones rerro-Diels-Alder (casi) equivalentes: UM, para regenerar 11, y la otra -mediante la ruptura de enlaces tal como se indica- para generar 111.

xv

9. (a) La sal de diazonio IV genera bencino (problema 18, Cap. 29),

IV Bencino

el cual sufre UM cicloadición [4 + 21 supru,supru con el dieno, para dar V. (VCase la respuesta al problema 10 (e), Cap. 31.)

(b) Una cicloadición térmica [2 + 21 esd prohibida por la simeuia. La reacción no es estereoespecífica porque no es concertada: probablemente ocurre en forma gradual, mediante dirradicales. Por ejemplo:

Bencino cis-l,2-Dicloro- U n dirradical eteno

(Jones, M., Jr., y Levin, R. H., "The Stereochemistry of the 2+2 and 2 4 Cycloadditions of Benzyne", J. Am. Chem. Soc., 9Z, 6 4 1 1 (1969).)


10. En todos los casos el anillo de ciclobutano se abre para dar un intermediario no aromático. Intervienen dos enlaces dobles del polieno, o sea, 4 electrones x. 4n t6rmica: conrotatoria. Este intermediario sufre después una reacci6n de Diels-Alder con el anhidrido maleico.

11. (a) Hay dos sustituciones nucleofílicas sucesivas: el nucleúfiloesel anión ciclopentadienilo en la primera, y el anión ciclopentadienilo sustituido en la segunda.

C'H I H

m s o 1 1 \ - \ ' 1 1

Dibromuro (página 1139)

(b) El cis-VI1 contiene cuatro protones olefínicos no equivalentes. El trans-VI1 contiene dos pares de protones equivalentes. (Recuérdese que los planos de los dos anillos son perpendiculares entre sí. Utilice modelos.)

(Kloosten,iel,H.,etaf.,"StereospecificityandStereochemisUyofaThe~alSigmatropíc [ I ,5]-Shift of an Alkyl Group", Chem. Commun., 1 1 6 8 (1970).)


12. (a)M y N son is6meros posicionales, ambos generados de la adici6n syn ex0 de B,D,. Análogamente, O y P son idmeros posicionales.

I M (or N ) O

oxido

H’ “D - -L

O

(Sabemos que la hidroboraci6n-oxidaci6n es syn (Sec. 17.11). Y, aunque no habíamos aprendido que la hidroboraci6n es estereoespecíficamente ex0 en reacciones como la que estamos considerando, eso es lo que sucede aquí. Consideremos la posibilidad de que, en lugar de ser idmeros posicionales, M y N fuesen estereoidmeros resultantes de la hidroboraci6n ex0 y endo. En ese caso, tambien serían estereoidmeros O y P, pero S610 se diferencim’an en cuanto a que -H o “D fuesen em o endo, con lo que difícilmente serían separables.)

La reducci6n de O convierte el grupo carbonilo en un nuevo centro quiral, dando las dos configuraciones posibles en tomo a dicho centro:

“ b . O H” D

O

U

ORBITALES MOLECULARES

H VI

(página 1138) Ciclopentadieno Acetato de vinilo

(Berson, J. A. y Nelson, G . L., “Inversion of Configuration in the Migrating Group of a Thermal 1,3-Sigmatropic Rearrangement”,J. Am. Chem. Soc., 89,5503 (1967); Berson, J. A., “The Stereochemistry of Sigmatropic Rearrangements. Test of the Predictive Power of Orbital Symmetry Rules”, Acc. Chem. Res., 1,152 (1968).)

13. (a) Elaboremos un diagrama similar al de la figura 33.20 (pág. 1130) para la dimerización endo del butadieno.

HOMO 9 2

LUMO 93

LUMO * 3

HOMO 92

Enlace secundario

Observamos, por cierto, el traslapo entre los lóbulos C-1 y C-4 del dieno y entre los del C-1 y C-2 del eno. Además, vemos que un lóbulo en el C-3 del dieno se acerca a uno de igual fuse en el C-3 de los carbonos del eno, los que ni siquiera se unen entre sí en el producto. Un enlace débil (temporal) entre estos átomos contribuye a estabilizar el estado de transición. Tal enlace secundario no podría ocurrir si la reaccih fuese em, puesto que los átomos implicados esm’an muy separados.


(b) Tracemos un diagrama similar al de (a) para la cicloadición endo [6 + 41 de un trienocon un dieno.

HOMO * 3

LUMO * 3

I

/

Antienlace secundario LUMO

*a

HOMO *z

Se puede observar el traslapo que conduce a la formaci6n de enlaces: entre los 16bulo: en C-1 y C-6 del trieno, y C-1 y C-4 del dieno. Sin embargo, los lóbulos yuxtapuestos en C-2 y C-5 del trieno, y C-2 y C-3 del dieno, se encuentran en fases opuestas: en vez de proporcionar un enlace secundario en el estado de transicidn, estas interacciones producirían antienlazamiento. El resultado es que las cicloadiciones [6 + 41 suceden de manera em.

Esto fue vaticinado por Woodward y Hoffmann en 1965 y, cuando se identificó la primera cicloadición [6 + 41, poco tiempo despubs, se vio que la predicción habh sido acertada (&se el problema 33.9 (c), pág. 1133).

Etileno 3-Metil- S 2-ciclohexenona

T U

V W X

Y


El primer paso es una cicloadici6n fotoquímica [2 + 21 supra, supra. Es &te el paso clave de la síntesis: genera el anillo de ciclobutanoque se necesita, y con larelación estereoquímica adecuada entre el 4% y el -H. Al mismo tiempo proporciona el primero de los grupos carbonilo, de cuyas propiedades depende la mayor parte de la química progresiva que sigue: bromación ara para dar T; adici6n de CYLi para formar V, que abre el camino hacia W, con un nuevo grupo carbonilo; la reacci6n de Wiuig para generar X con el grupo olefinic0 terminal. Varios de estos pasos merecen una atenci6n mayor.

Conversión de U en V. El CH,Ei ataca aU desde el lado más despejado (ruta a) y alejado del pliegue de la molkcula.

Conversión de V en W. Probablemente se hidroxila el enlace doble de V para dar un triol, el cual se rompe en dos lugares para formar W.

(b) La fórmula molecular para 2 indica una solvomercuración intramolecular. Esto sólo es geoméuicamente posible para aquel isómero en el que el doble enlace y el "€%OH sean cis.

Y Z

15. (a) La conversión de VI1 en benceno requiere la apertura de un anillo de ciclobuteno, e implica 4 electrones n del "polieno" (el knceno). El proceso permitido por la simetría es

hexa-2, 5-dieno "Renceno de Dewar"

conrotatorio, y generaría el cis,cis,trans-ciclohexa-l,3,5-meno, que resulta demasiado tenso para ser posible. La reacción debe proceder con movimiento disrotatorio y prohibido (es decir, difícil) "-0 q u k b mediante un mecanismo que no es concertado en absoluto, sino que evoluciona por etapas.


reacci6n debe proceder ya sea por la ruta supra prohibida, o bien mediante un mecanismo no concertado, tambitn difícil.

'acH Permitido por la simetría,

Antara

geome'tricamente imposible

H < 0T;'l: e CH 3 Geométricamerue fácil, Supra

prohibido por la simetría

GH

16. (a) Primer paso. Una apertura electrocíclica del anillo B. En el polieno participan tres enlaces dobles, o 6 electrones x. 4n + 2 fotoquímica: apertura conrotatoria.

(No puede ocurrir una apertura anular térmica: el movimiento disrotatorio permitido por la sirnetria generm'a un doble enlace trans, ya sea en el anillo A, o bien en el C, geomtuicamente imposible en un anillo de seis miembros.)

Segundo paso. Un desplazamiento [ 1,7]-H que, siendo térmico, es de suponer que sea untara.

(b) Estos tienen estructuras anlilogas a las del pre-colecalciferol y el colecalciferol, pero con una cadena lateral no saturada de nueve carbonos:


(c) Cierre electrocíclico del anillo B, que comprende tres enlaces dobles de polieno, o 6 electrones K. 4n + 2 tkrmica: disrotatorio.

Como se expuso en larespuestaal problema 3(c) antes visto, hay dos modos disrotatorjos posibles,

y aquí, como en el problema recién citado, dan estereois6meros diferentes: IX y X. En el ergosterol, el metilo C-1 es p y el HC-9 es a (vhnse las p6gs. 647-648). En IX y X, ambos sustituyentes son a en uno de ellos, y pen el otro.

,

IX ( O X) Pre-crgocalcifcrol x ( o I X ) .

(d) Es una apertura electrocíclica del anillo B, en la que intervienen 6 electrones n. 4n + 2 fotoquímica: conrotatoria, como en el primer paso de la parte (b).

Consideremos el proceso del cierre anular. Hay dos modos conrotatorios,

que, en este caso, dan estereois6meros distintos. Así, el pre-ergocalciferol se relaciona con dos compuestos mediante el movimiento conrotatorio: ergosterol y XI. En el ergosterol, el metilo C-1 es fi , y el H en C-9 es a; en XI, el metilo C-1 es a, y el H en C-9 es p.

x1 Prc-crgocalcifcrol

17. (a)El tram- XI1 sufre una apertura anular para dar un ciclodecapentaeno. Esto implica tres enlaces dobles del polieno, o 6 electrones K. 4n + 2 fotoquímica: apertura anular conrotatoria.

6

XVIa xvIb Ciclodcca-l,3,5,7,9-penlaeno

cis-XI1


Existen dos modos conrotatorios ( v h e la respuesta al problema 33.3, poco antes), y dan dos productos posibles: en XVIa los tres nuevos enlaces dobles son todos cis; en XVIb, son trans,cis,truns.

Evidentemente XVI, no tiene estabilidad t6rmica. y a temperatura ambiente su anillo se cierra con la participación de tres enlaces dobles, o 6 electrones A. 4n + 2 drmico: movimiento disrotatorio para dar cis-XII. De esta manera, XVI se relaciona con los dos estereoisómeros de XI1 con uno, fotoquímicamente; y con el otro. tkrmicamente.

XVI es estable a -19OoC, y no se convierte en cis-XII; sin embargo, se le puede reducir a ciclodecano.

Cuando se fotoliza trans-XI1 a -190°C. se forma XVI. Calenthdolo hasta alcanzar la temperatura ambiente se convierte en cis-XII, y Cste permanece sin cambio aunque la temperatura se vuelva a bajar.

(b) El ciclodecapentaenoes un polieno cíclico, completamente conjugado, con cinco dobles enlaces,osea, 10electronesIc;esdecir,setmtadel[10]anlJeno(problema9,Cap. 13).Pero 10 es un número de Hiickel(4n + 2, con n = 2) y debería dar origen a la aromaticidad - siempre que la geometríá lopermita-. (Como pudimos apreciar en el problema 13.7, pág. 484, el dianión ciclooctatetraenilo, con 10 electrones IC, es aromático.)

El interrogante es: ipermite la geometría la aromaticidad? La respuesta parece ser claramente negativa. Es casi indudable que el ciclodecapentaeno es el intermediario en estas reacciones; del mismo modo, no hay duda de que es inestable en gran medida y, por consiguiente, no es aromático.

La pregunta siguiente es: ipor qué no es aromhtico? La aromaticidad exige la deslocalización de electrones x, la que, a su vez, requiere que la molkula sea plana. Si XVIa fuese plana, sería un decágono regular, con ángulos de enlace de 1U0, 24" m& que el Angulo mgonal normal de 120". La tensión angular que acompafh aesta desviación es evidentemente mayor de la que la molkula puede soportar para admitir la aromaticidad. (El dianión aromático ciclooctateuaenilo tiene ángulos de enlace de 135", 15" más que los Angulos trigonales normales: es evidente que la molkula puede soportar esta gran tensión, acompallada por una carga negativa de doble.)

XVIb podría ser plana, sin tensión angularC"c4, pero surge aquíotro problema: los hidrógenos del C-1 y del C-6 apunm'an uno contra el otro, con lo que estarían aglomerados sin remedio. No es sino hasta el [ 18]anuleno (pág. 1 1 15) cuando el anillo es suficientemente grande para acomodar los hidrógenos que apuntan hacia el interior).

El aislamiento de un compuesto estable para establecer su aromaticidad puede resultar difícil, pero es directo. La interpretación del fracaso del aislamiento de un supuesto intermediario como prueba de que no es aromático es mucho más delicada. Aparte del aislamiento del producto de reducción, el ciclodecano, la validez de este argumento depende del diseno de los experimentos y, en último t6rmino, descansa en la fmeza de las reglas de la simetría orbital.

(van Tamelen, E. E., Burkoth, T. L. y Greeley, R. H. "The tram-9, 10-Dihydro- naphthalene-Cyclodecapentaene Valence Bond Isomer System", J. Am. Chem. Soc., 93, 6120 (1971).)

Compuestos aromáticos polinucleares

NOT NO2 Siete Tres

Mononitro: dos Dinitro: diez

NO2 NO2 Siete Siete

Nitronaftilaminas: catorce

trans-Decalina L/

cis-Decalina

CAPITULO 34 COMPUESTOS AROMATICOS POLINUCLEARES

trans: 2 enlaces ecuatoriales cis: 1 enlacc axial, 1 enlace ecuatorial

Debe ser más estable la trans-decalina: ambos grupos voluminosos (el otro anillo) se encuentran ecuatoriales en cada anillo.

(c) La hidrogenación es reversible: la hidrogenación syn para dar cis-decalina tiene Control cinético; la hidrogenación unti para dar trans-decalina tiene control termodinámico. Esto es comparable con la rápida adición 1,2 frente a la formación más lenta del producto de adición 1,4, de mayor estabilidad, a pamr de los dienos conjugados; con la conversión de los xilenos orto y para, que se generan inicialmente, en m-xileno, mhs estable, en la metilación de Friedel-Crafts del tolueno; con la conversidn del ácido O-f~nOlSUlf6niCO en SU isómero para, más estable, y con la conversión del ácido 1-naftalenosulfónico en Acid0 2-naftalenosulfónico. más estable.

34.4 H Rr

Tctralina Br

- H B r + HHr + HBr

(1" ) (2" 1 (3" ) + WBr

( 4 O )

Cada paso produce un mol de HBr en (1) una sustitución bencilica, (2) una eliminación, (3) una sustitución alíiica, (4) una eliminación, respectivamente.

/2 D C

664

A COOH H

I J K L

Cadaleno 4-Isopropil- 1,

6-dimetilnaftaleno

(b) El cadineno tiene el mismo esqueleto de carbono que el cadaleno; su estructura sigue la regla isoprknica.

Cadaleno Cadineno Esqueleto probable

(c) & d 0 0 -- como en (b)


COOH C N

t- como en (d)

C H ZCI CHIOH m f- comoeno)

COMPUESTOS AROMATICOS POLINUCLEARES CAPITULO 34

COOH MgBr

(b) m 2 m t- comoen(a)

+CHJCOCHJ Hr t- como en (a)

(X = CI, Br, I ) Un arino L mNc) - + H i I 1

CAPITULO 34 COMPUESTOS AROMATICOS POLTNUCLEARES

L o s tres halogenuros distintos dan la misma proporción de productos porque todos ellos generan el mismo intermediario: el arino. El producto favorecido es el 11, porque se forma a través del carbanión más estable: aquel cuya carga negativa se encuentra m& cerca del sustituyente atractor de electrones " e l otro anillo.

(b) Mediante el despla7amiento bimolecular directo de -F por la amina. El 2-C% imposibilita la generación de un arino.

(c) Ocurren tanto un desplazamiento bimolecular como una eliminación-adición. El fluoronaftaleno es el menos rcactivo para la formación de arinos ( S e c . 29.14), pero el m& reactivo en los desplazamientos bimoleculares ( S e c . 29.12).

COOH 5 H O O C F COOH HOOC

ácido 2-naftoico ácido 1,2,4-benceno- tricarboxflico P . f. 225-235"C, desc.

HOOC CH HOOC

ácido 1-naftoico ácido 1,2,3-benceno- tricarboxilico P.6 19O-I97"C, desc.

Me Me


6 Anhídrido succínico

producto ( e )

34.11 (a) La sulfonación tal como se describe en la sección 14.9, ladesulfonación como se describe la sección 14.12. @)Vea la figura en la pág. 670.

(b) mF m calor mN2’ f-- como en (a)


H H

( f ) m L=&!COOH A c z o , Prob NaoAc 25 22e producto (e ) (O mediante Reformatsky.)

fi-NaphS0,- + H'

1 Avance de l a sulfonación a Avance de la sulfonacicin p

Figura 34.6. Cambios de energía potencial durante el transcurso de la reacción: sulfonación a contra p del naftaleno (problema 34.11).


34.13 Reemplace CuBr del problema 34.12(a) por NO,, catalizador.

Orientación alfa en el anillo activado

Br

NO2

O" O

el anillo activado

Orientación alfa en el otro anillo

Br Br

(f) Orientación ara (posición 1, no 4) en el anillo activado

34.15 (a) moCH3 Orientación alfa (posición 1, no 4) en el anillo activado

COCH,

(b) CH,CO OCH 3 El complejo voluminoso busca la posición menos

impedida: substitución beta en el otro anillo

H03S 0 0 CH 3 La sulfonación a temperatura elevada (control

termodinámico) da una sustitución beta en la posición menos impedida

CH3 CH3 La sulfonación a temperatura baja (control cinético) da

una substitución ara en la posición menos impedida

La sulfonación a temperatura elevada da una sustitución beta

Orientación alfa en el otro anillo

NO2


34.16 (a) Compare con la preparación dep-nitroanilina (pág. 951).

NO, N, +

Como en (b), pero comenzando (página 1162) con

(0 Compare con la preparación de ácido sulfanílico (Sec. 27.9)

(página 1157)

NH2 SO3H NO? SO3H

(8) m a m H 2 S 0 4 0 0 (página 1161) c"'" (Separar del irómero 5-NO,)

(i) & Como en (h). pero usando el idmero 8-nitro.


34.17 Un grupo acilo desactivante se transforma en un grupo alquilo activante.

34.18 (a) Comiencela secuenciadeHaworth (pág. 1167) con tolueno (apartirdebenceno), y acile inicialmente en para con respecto al 4%.

succ. anh. ]Al,,,

a-Tctralona (página 1167)

(c) Utilicep-xileno con la secuencia de Haworth (pág. 1167).

CHTMgBr CH, t-" (como en a)


CHI OH

McHgBr

N I -H:O COOEt COOEt COOEt

H - €!OH t

Ph

( i ) 0 0 Como antes en (b), pero empleando PhMgBr en lugar de MeMgBr a 34.19 Vea la figura 34.5, página 1176.

O

Antraceno (84 kcal) - Naftaleno (61 kcal) = 23-kcal sacrificadas


O

P Fenantreno (92 kcal) - Naftaleno (61 kcal) = 31-kcal sacrificadas

34.21 En la sustitución electrofílica del anillo bencbnico, el cati6n intermediario (ion bencenonio) siempre pierde un protón para regenerar el sistema aromhtico. En este caso, el cati6n puede combinarse con un nucleófilo, con s610 un pequello sacrificio de energía de resonancia, para dar un producto que aún contiene dos anillos bencbnicos separados.

H NO2 \ /

' N O , d 6 H

IT* + EtOH

H OAc * H OEt

IV

V

34.22 (a) El dihidroantraceno m& estable es el compuesto 9, 10 (Sec. 34.17). En cambio, el tetrahidroantraceno m& estable es,

a023 I ,2,3,4-Tetrahidroantraceno


en el que sólo se destruye la aromaticidad de un anillo. La hidrogenacidn catalítica es reversible y, aun si la reacción siguiese por la ruta del compuesto 9, 10, finalmente daría el tetrahidrocompuesto más estable.

(b) La sulfonación es reversible. Aunque la sulfonacidn - c o m o la bromacidn y la nitra- ción- probablemente sea más rápida en la posicidn 9, tambiCn lo es la desulfonación. La reacción es controlada termodinámicamente (equilibrio), por lo que da el ácido 1-sulfónico, que es el más estable.

Acido antraceno-1-sulfónico

Anhídrido ftálico

I , O

20% rendimiento Separado del producto 22

o o-Xilcno

O O m-Xileno

(d) &CH\ Como cn (c), página 1174, pero comenzando

(Encambio,nohan'amos2-metilantraquinonaparadejarlareaccionarluegoconMeMgBr: las antraquinonas no muestran mucha reactividad carbnilica y, en todo caso, y hasta donde sabemos, la adicidn sería principalmente en la posicidn 10.)

con tolueno en lugar de benceno; RMg X = MeMgBr

(e) del naftaleno Como en (d), salvo que comenzamos con una acilacióc

676

34.24 El grupo acilo cercano al grupo nitro atractor de electrones es el m8s reactivo. (por ejemplo, v h s e el problema 24.13, p8g. 865.)

o o

1-Nitro-9. 10-antraquinona

o O

5-Nitro-2-metil- 9.10-antraquinona

O

9-Metilfenantreno o II 1-Metihaftaleno

(b) Como en el problema 34.18 (b), pero usando naftaleno (con acilaci6n P, en lugar de benceno.

4-Metilfenantreno I t Naftaleno en vez de a- tetralonu O

(c) Como en el problema 34.18@), pero empleando naftaleno (con acilación a) en vez de benceno.

O II

Acilación H2C CH3 inicial: @htermdiario: 8

1-Metilfenantreno II Naftaleno O O en vez de a-tetralonu

677


(d) Como en el problema 34.18 (d), pero con 1-metilnaftaleno en lugar de tolueno.

Dimetilfenantreno 6 1-Metilnaftaleno

(e) Como en el problema 34,18 (e), pero con 1-metilnaftaleno en vez de tolueno.

fi HzC- ', Acilación inicial:

CHS I 1 Naftaleno 1.4-Dimetilfenantreno o

(La acilación 01 parecería una alternativa válida; la síntesis dada a conocer utilizó realmente el producto-P.)

(g) Como en el problema 34.25 (0, pero empleando 1-metilnaftaleno (con acilación a) en vez de naftaleno.

O

Acilación inicial: I CH3 C / I 1 -Metihaftaleno

1,4,9-Trimetilfenantmo o

(h) El problema 34.15 (b), página 1164, establece que la acilación del 2-metoxinaftaleno puede ocurrir en la posición 6 (acilación m. En este caso, la secuencia de Haworth puede comenzar con la succinoilación del 2-metoxinaftaleno en la posición 6, y proceder en forma normal (fig. 34.5, pág. 1176) hacia la molécula objetivo.

2-Metoxifenantreno


34.26 Q 0 m acilaciónj3 , m k-CH2CH3 halogenacióna m ! ! - T H - C H 3

Br A B

(HOOC),CH, ,CH3 :H

(-OOC)2CH ,CH3 3 'YH

O0 alquilación ~ hidrólisis acidulación

C D E

HOOC"CH2

E - descarboxilación rn 'No red.de

F G H

H z z Clemm. aromatización

____f

I 2-Metilfenantrenoadición

34.27 n A B C

D t Fenantreno

El brornuro de P-feniletilo necesario se puede obtener as?

PhCH2CH2Br PhCH2CH20H + PhMgBr + H2C-CH2 \ / 0


34.28 A

A R C

D E F

F mtramol. F ~C armatización alquilación

G Fenantreno

34.29

A B

deshidratación E t O O C C M N a O O C M HCI HOOC&

B - _____f

hidrólisis __f

C D E

- F G Pireno

El material de partida es uno de los intermediarios del problema 34.25(b).


34.30

v o

Material de partida

Criseno

El halogenuro inicial se obtiene de la siguiente manera:

+=&) f- Prob. 34.7(g)

34.31 Tal como en el problema 34.27, excepto que se usa a-tetralona (pág. 1175) en lugar de ciclohexanona.

O

O 1,4- Naftoquinona

Tetralina (Sec. 34.6)

I -Bromonaftaleno

O

O Anhídrido ftálico

H

H trans-Decalina

(Sec. 34.6)

Acido 1 -nafta lenosulfónico

O a-Tetralona

H H

1.4-Dihidronaf- taleno (Sec. 34.6)

1 -Nitronaftaleno

Acido 2-nafta lenosulfónico (Sec. 34.11)


Metil a-naftil Metil pnaftil cetona cetona

(Sec. 34.10).

(Suc. 34.fY)

4-Nitro- 1 -metil- 1-Nitro-2-metil- 1,s-dinitro- 1.8-Dinitro naftaleno naftaleno naftaleno naftaleno

1.6-Dinitro- 1.7-Dinit~o- ácido 5-nitro- ácido 8-nitronaftaleno naftaleno naftaleno-1 -sulfónico naftaleno-1 -sulfónico

(f) m (g) $ = J g ° C H ? NO2 NOz

4-Nitro-1-acetamido- naftaleno

1-Nitro-2-acetamido 1 -Nitro-2-naftol 9-Nitroantraceno naftaleno

3. HOOC 8 0 0 " ~ oxid. &H3

HOOC 1-Nitro-2-metil-

naftaleno

NO2 8-Nitro-2-metil- H O O C O ~ oxid.. I naftaleno HOOC <

I 2-Metilnaftaleno

S-Nitro-2-metilnaftaleno

(Src. 3 4 . / 2 ) (SCY 34.8) (Reacción de Bucherer, Sec. 34.12)

(e) & & producto (c)

( h ) a> N'' producto (d)

Inasequible por nitración directa

CN & e producto (c)


producto (d)

Ftalimida Anhídrido ftálico


O

5.

A B

F Fenantreno

La acilación de Aes beta en realidad, evidentementeporrazones esdricas. (Sin embargo, cualquiera que fuese la orientación, siempre el producto final hubiera sido fenantreno.)

6. (a) Igual al problema 34.18(f), pero aquí comience con anisol en vez de benceno, y utilice PhMgBr en lugar de uno de los moles de MeMgBr.

M e 0 Ph

1.2-Benzantraceno 1.2-Benz-9, 10-antraquinona (pág. 1174)

O Naftdeno


Ph 1 -Fendfenantreno

(e) Tal como en el problema 6(d) anterior, pero usando 1-fenil-naftaleno (sintetizado ya antes en el problema 34.18(i)), en vez de naftaleno.

P h - 1.9-Difenil- fenantreno

7.

I cierre anular en C-1 +

HOOCCHzCHzC & 0 2-Isómero I I

HOOCCHzCHzC O

3-Isómero

1 ! '

cierre anular en C-3

cierre anular en C-2

H Criseno

G 12Benzantraceno

1 1 cierre anular en ~4 no hay reacción; C-4 está demasiado impedido


8. El producto final tiene todas las características de un fenol: es soluble en NaOH(ac) e insoluble en NaHCO, (ac); se acopla con PhN,’Cl- para dar un azo compuesto coloreado. La fórmula indica un naftol. Una secuencia de reacciones razonable solamentc conduce al 1 -naftol.

O 11 O

fjp;2 acdacibn Intrarnol. ’ tautomerización (aranatizac.) m OH

CH Cero 1-Naftol ( E d )

9. Mediante la adición a las posiciones 9, 10 -10 que sólo exige un sacrificio pequeno de estabilización aromática- el antraceno actúa como dieno en reacciones de Diels-Alder (Secs.31.8y33.9).Lareacciónessupra,suprayterminaenadiciónsynacadacomponente. (Véase la fig. 34.7, pág. 688 de esta Guía de Estudio.)

Eter de enol B-Tetralona Un éter vinílico

(Prob. 14, pág. 777)

En este problema y en el siguiente, revisamos brevemente la reducción de Birch, cuyo enorme valor radica en la síntesis de una amplia variedad de compuestos cíclicos no aro- máticos, teniendo como material de partida sustancias aromáticas. En la parte (b) recién vista, por ejemplo, se genera un grupo cabonilo, el cual abre el camino hacia muchos otros compuestos. (Compárese con el planteamiento m k moderno ilustrado en el problema 28, Cap. 28.)

(Birch, A. J. y Smith, H., “Reduction by Metal-Amine Solutions: Applications in Synthesis and Determination of Structure”, Q. Rev., Chem. Soc., 12, 17 (1958).)

-

O 1,6-Ciclodecanodiona

La dicetona sufre una condensacih aldólica intramolecular (adición de C-5 a C-1, p. ej.), dando origen a una cetona bicíclica con un anillo de siete miembros, y otro de cinco.

687


Azuleno

Anhídrido maleico I J

(cis) Aquiral; mes0 Aquirol; mes0

(trans) K Quirol; rocémico

L Aducto de Diels-Alde?

M UM hidroquimm

M -+ orud &* NH;;Hlt & ~" Z H O N O , dimnio sa l doble de

H N H 2 O I

N O VM a u i m Una diamina

~ ZH,PO? I t

Tripticeno . (Del griego triptychos: formada de tres placas)

Figura 34.7 Reacciones del problema 9.

COMPUESTOS AROMATICOS POLMUCLEARES CAPITULO 34

12. (a) Es obvio que el azuleno es aromático. Tiene una estructura en la que el anillo de siete miembros tiene una carga positiva, y el de cinco, una negativa. Esto proporciona seis

electrones K "el sextet0 aromátice- para cada anillo. Así como el naftaleno consta de dos anillos bencénicos fusionados, de igual modo el azuleno esd compuesto por un catión mpilio y un anión ciclopentadienilo fusionados.

(b) Tal como hemos representado el azuleno, el sentido de su momento dipolar debe ser desde el anillo de 7 hacia el de 5. Debe verse incrementado por el dipolo C-CI , como realmente sucede.

U

H h

D

Podemos notar que las seaales a y b observadas en CF3COOD corresponden a las sefiales c y d observadas en CF3COOH. La desprotección causada por la carga positiva desplaza todas las sefiales a campos más bajos de sus posiciones usuales.

(b) Sucede el primer paso de una sustitucidn electrofílica aromática para dar el catión comparable al ion bencenonio que se genera de los derivados bencbnicos. (Compárese con el problema 14. 10, pág. 508, y con el problema 14, Cap. 28.)

El ataque ocurre donde debe ser, en el C-1 del anillo pentagonal, porque de ese modo se genera el catión más estable; el Único en el que se conserva la aromaticidad de uno de los anillos " e l de siete miembros-. (Dibújense estructuras para el producto del ataque sobre el C-2 del anillo de cinco Atomos, o sobre cualquier posici6n del anillo de siete miembros.)

(Schultze, J. y Long, F. A., "Hydrogen Exchange of Azulenes. I. Structure of the Conjugate Acids of Azulenes", J. Am. Chem. Soc., 86,322 (1964).)

689


ti H H

Esperaríamos obtener azuleno- 1 , 3 4 (1 ,Zdideuteroazuleno) por neutralizacidn.

(d) La sustitución electrofílica aromática debenaocurrir en el C-1 "y así sucede-,puesto que procede a través del cati6n más estable. (Vhse la respuesta a la parte (b) recién vista.)

Azuleno Catión más estable Producto de sustitución

14. Se trata de reacciones de sustitución nucleofílica aromática (Sec. 29.8), y deben ocurrir mediante el carbanión más estable: el que resulta del ataque al C 4 del anillo de siete miembros.

H Y

SustituciBn nucleofílica

Carbanión más estable

S610 el ataque al C-4 o al C-6 preserva la aromaticidad de uno de los anillos "el pentagonal- y el ataque al C-4 da, además, una conjugacidn dihica en el anillo de siete miembros.(Tracees~cturasparaelproductodelataqueaIC-6oacualquierotraposición.)

CHxCOOEt I CH,

/ \-

I HCOH CHO COOEt CH2 CH,

BrCHzCOOEt ~____ ZlI - 6 -xlo, 9 5 EtOH &J O H

A P Q R


U V Eudaleno 1 -M&-7-

isopropilnaftdeno

16.

W X Y

2,4,5-Tricloro- 2,4,5-Tricloro- 2,2’,3,3’,5,5’-Hexacloro-6,6’- fenol 6-(hidroximentil) fenol dihidroxidifenilmetano

“Hexaclorofeno”

cc 3,4’-Dirnetilbifenilo

(c) PhCOOEt + 2PhMgBc ”+ PhJCOH * PhjCBr P h y ) : = C P h * DD EE H -

FF

( I , página 545)


17.

GG H H Tetrafenilmetano

(e) Ph, ,CH, o\b ,Ph C C

¡ I O

I H ' CHj -3HlO' phoph Condensación aldólica triple

CH3 O Ph \ c4

I Ph 1,3.5-Trifenilbenceno

I1

El grupo -N; (con carga positiva, atractor de electrones) activa poderosamente la molécula para la sustitución nucleofílica aromAtica. El ion cloruro desplaza al -NO2 en algunas molkculas antes de que el -N; sea convertido en "OH. (Compdrese con el problema 14, Cap. 29.)

JJ

~a~ci~ndemetilenoalenlace9,lOsólodemandaun~crificiopequeilodees~bil~~ión por resonancia (Sec. 34. 17).

(b) El metileno regenerado de JJ se inserta por sí mismo en los enlaces carbono-hidr6geno del n-pentano (pág. 460). La fuerza momz es la restauraci6n del sistema aromático, estabilizado por resonancia, del fenantreno.

Observamos aquí algo que aún no hemos estudiado: la inserci6n aleaioria del metileno singulete en cada uno de los enlaces carbono-hidrógeno de un hidrocarburo. (Compdrese laproporción34:17:49conlade4:2:6,co~espondientealoshidr6genosdelC-2,C-3yC-l del n-pentano.) Esta aleatoriedad se atribuye a la elevada energía del metileno singulete generado al inicio; toda colisión, ya sea en un enlace primario o en uno secundario, tiene energía suficiente para que haya reacción. (Es como si lareaccidn fuese llevada a cabo a una temperatura sumamente elevada (Sec. 3.23).


19.

(c) Son tres productos de inserción y uno de adici6n:

(d) Resultan’an numerosos productos de inserción, pero aquí-teniendo alquenos diastereo- méricos como reactantes-nuestro interks se centra, por supuesto,en la reacción de adición. Dado que la reacción necesariamente mum en la fase líquida (considérese el posible punto de ebullición de una molécula del tamailo de JJ), anticipamos la intervención del metileno singulete y, por lo tanto, predecimos una adici6n estereoselectiva (syn) (Sec. 12.16).

i- Pr

H cis

i- Pr J) H

trans

A CH2

CiS

H

Adici6n syn

(Richardson, D. B. el al., “Generation of Methilene by Photolysis of Hydrocarbons”, J. Am. Chem. Soc. 87,2763 (1965).)

Dihidropentaleno K K Pentalenuro de litio

Como el ciclopentadieno ”y por idéntica razón-, tambikn el dihidropentaleno es Bcido y descompone al n-BuLi con formaci6n de la sal KK. El anidn KK, doblemente cargado, es aromAtico, y cada anillo contiene seis electrones x. Corresponde a dos aniones ciclopentadienilo fusionados.

La seaal a de RMN corresponde a 4H, desdoblada por un protón; la seaal b corresponde a 2H, desdoblada por dos protones.

693


o U

(Katz, T. J. y Rosenberger, M. 'The Pentadienyl Dianion",J. Am. Chem. Soc., 84,865 (1962).)

El hidrocarburopaternoeselpentafeno KK sin las cargasnegativas.Es desconocido(aun cuando se ha detectado el 1-metil-pentaleno a temperaturas bajas), y supuestamente es mucho menos estable que el diani6n "como esperaríamos que fuese.

20. (a) 1 -Cloronaftaleno y 2-Cloronaftaleno dan la misma mezcla de productos, porque ambos generan el mismo arino intermediario: 1,2-deshidronaftaleno. Es tste el Único arino que el 1 -cloronaftaleno puede formar, y es el arino preferible para el 2-cloronaftaleno, puesto

productos

t

1 -Cloro- Unico carbanión 1,Z-Deshidro- Carhanión 2-Cloro- naftaleno posible naftaleno más estable naftalcno

Un arino

que se genera por la ruta del carbanidn más estable: aquel que tiene la carga negativa contigua al sustituyente atracmr de electrones "el otro anillo.

(b) En el caso del compuesto de fluor, el desplazamiento bimolecular directo (que sólo puede dar el producto 1) acompaiia a la eliminación-adición (que da tanto el producto 1 como el 2). Elfluoronaftaleno es el menos reactivo frente a la formaci6n de arinos ( S e c . 29.14), y (a menudo) el más reactivo frente al desplazamiento bimolecular (Sec. 29.12).

El efecto que ejerce el cambio de concentración de la piperidina(B:H) es comprensible. Como apreciamos en las páginas 1034-1035, cuando X = F, k, >> k,, de manera que el carbanión inicial se forma rápida y reversiblemente

X X

para X = F, k - k2

(1). perdiendo en ocasiones un ion halogenuro (2) para dar el arino. Por consiguiente, la velocidad de la formaci6n del arino depende de la concentraci6n del carbani6n en el equilibrio;estaconcentraci6nsereduceamedidaqueaumentaladepiperidina,&splazando


el equilibrio hacia la izquierda. Conforme se hace m& lenta la generación de arino, el desplazamiento bimolecular se vuelve relativamente miis importante.

21. Haciendo primero una revisión general del problema, encontramos una pista que conviene tener presente a todo lo largo de nuestra tarea: el producto final, UU, no sólo es aromático, sino que su espectro de RMN exhibe picos inusuales a campo muy alto, similares a los que hemos visto para protones en el interior del anillo del [18] anuleno (problema 6, Cap. 16 véase también la pAg. 11 15).

TT CISHIS

U U , CIS HI^ trans-15, 16, Dimetildihidropireno

Catorce electrones K Aromático

Ya antes habíamos tenido ocasión de conocer compuestos aromSticos con l o s números de Hiickel de 2,6.10 y 18 electrones IC. En este ejemplo tenemos uno cuyo número Hiickel es de 14 (n = 3).

La aromaticidad requiere el traslapo de orbitales p , lo que, a su vez, exige planaridad. Para un anillo de 10 carbonos, esto representa un problema especial (véase la respuesta al problema 17, Cap. 33): un polieno completamente cis sería un dedgono regular, con ángulos mucho mayores que los 120" normales del carbono trigonal -evidentemente demasiado grandes para permitir la planaridad y la aromaticidad de la molkula. El polieno

695


plano alternativo (cis,rruns,cis) tendría ciertos hidrógenos vueltos hacia el interior, y, desde luego, no habría suficiente espacio para ellos. El resultado es que el [lO]anuleno ni es un compuesto plano ni es aromático. (para lograr un compuesto aromático con 10 electrones K, debemos fijamos en un anillo de ocho miembros; el dianión ciclooctatetraenilo del problema 13.7, pág. 484.)

El anillo del [18]anuleno, por otro lado, es suficientemente grande para acomodar hidrdgenos que apuntan hacia su interior, y el compuesto es aromático.

El [ 14lanuleno ha sido preparado; su estabilidad y su espectro de RMN indican que es esencialmente no aromático. Una vez más, no hay suficiente espacio dentro del anillo para los átomos de hidrógeno. Con el W, se ha superado astutamente esta dificultad: el anillo es forzado a la planaridad por la formación de un puente entre carbonos situados en lados opuestos del anillo. AI mismo tiempo, se trata del primer compuesto que presenta sustituyentes (grupos metilo) dentro de la cavidad x. Su absorción a campo muy alto es exactamenteloquecabepredecirparaestosprotonesmetflicos(v~selafig. 16.4,@g.573), y proporciona una prueba contundente de la aromaticidad de UU y la validez de la regla 4n + 2 de Hiickel.

(Boekelheide, V. y Phillips, J. B., "Aromatic Molecules Bearing Substituents within the Cavity of then -Electron Cloud. Synthesis of trans- 15,16-Dimethyldihydropyrene",J. Am. Chem. Soc., 89,1695 (1967); Boekelheide, V. y Hylton, T. A., "General Method for the Synthesis of fruns-15,16-Dialkyldihydropyrene", J. Am. Chem. Soc., 92,3669 (1970).)

(Para un análisis general, viase Sondheimer, F., "The Annulenes", Acc. Chem. Res., 3, 81 (1972).)

35

Compuestos heterocíclicos

35.1 EtOOC COOEt NaOEl I 1 CH3COCH,COOEt ___f [CH,COCHCOOEt]- A CH,COCH-CHCOCH?

A B Un Pceto éster doble

HOOC COOH H ' I / CHKOCH-CHCOCH~

CH,CCHzCH,CCH, I 1 O

I / O

2.5-Hexanodiona

HZC"CH2 35.2 p h o p h a PhC< 'CPh f comoenel

2,s-Difenilfurano Una 1,4-Dicetona

Prob. 35.1 PhCOCHZCOOEt +" OEt-

O o o'/

PhCOOEt + CH3COOEt

35.3 La apertura del anillo implica un ataque electrofílico por medio de H' ( v h e la respuesta al problema 4(b), m& adelante), el cual es disminuido por el grupo "COOH, amctor de electrones.

697

CAPITULO 35 COMPUESTOS HETEROCICLICOS

35.4 En la sección 36.7 vimos que los fenoles reaccionan con formaldehído ya sea en ácid0 o en base, en lo que constituye tanto una adici6n carbonílica como UM sustitución electrofílica aromática. Se introduce en el anillo un grupo hidroximetilo y, al proseguir la reacción los anillos se conectan por enlaces “X%-.

El furano, como el fenol, tiene un anillo activado y sufre una reacción similar.

HCHO H +

O O

35.5 El furfural, con su calidad de aril-aldehído, no posee hidrógenos a, por lo que sufre la reacción de Canizzaro (Sec. 21.14).

Furfural Furoato dc sodio Alcohol furfurílico

so, -

35.7 (a) Hay traslapo de sextetos del anillo pirrólico y del bencénico, muy similara lo que sucede en el naftaleno (Sec. 34.3).

(b) El ataque a la posición 3 da el catión más estable: se mantiene la aromaticidad del anillo de seis miembros, mientras que la carga positiva es acOmodada por el nitrógeno. (Vhnse l a s secs. 34.9 y 35.4.)

COMPUESTOS HETEROCICLICOS CAPITULO 35

35.8 io) CI(CH,)4CI A NC(CH2)4CN 2CN i Acido adípico

THF HzNCH2(CHl),CH2NHz

Hexametilendiamina

35.9 (a) 0 (b) no hay reacción (c) N @c,- N N N

I H2 I ! ,A. o-S-o Me

O C H j I Ph

( f ) 0 "+ 0 "f MerNCHzCH2CH==CH2 N N 3 O H - ¡ / \

Me Me Me

Melilación exhaustiva (Sec. 27.5)

35.10 La higrina es básica, una amina 3'. Contiene un grupo carbonilo, y es una metilcetona ( S e c . 18.9). La oxidaci6n vigorosa elimina un carbono m h (y dos hidr6genos mas) que la reacción del haloformo: una conclusión tentativa es que hay un grupo "CH, COCI-Lpido a un núcleo resistente.

RCH2COCHj -+ RCOOH oxid.

Higrina Acido higrínico

La síntesis del ácido higrínico nos da las estructuras. COOEt H?/C ~ ';Hz

B r C H 2 C H 2 C H 2 B r + C H ( C O O E t z ) - B r C H z C H z C H z 4 -COOEt 5 H 2 C > C(COOFI),

H \ ,

Br Br

A U

c OH ,;;coo- .of \ ('O 2 C O O H

omd

N COO "

C H , C O C H , I ,

C H , CH 1 C'H, CHA D E Acido higrínico Higrina

699


3-Aminopiridina S-Picolina

35.14 La piridina es la base que se precisa para la deshidrohalogenación; no rompe el Cster, mientras que el KOH alcohólico sí lo hm'a.

35.15 La sustitución elecuofílica procede por la ruta del intermediario I, en el cual el nitr6geno soporta la carga positiva, y en el que todos los Atomos poseen octetos completos.

:o: O . . I

35.16 La sustitución nucleofílica procede por la vía del intermediario 11, en el cual el oxígeno, como elemento electronegativo, soporta la carga negativa.

:o: ~ :o: I 1

.. ..


35.17

35.18

35.19

35.20

0- 0-

NO, Br Br

L a piperidina, una amina 2", se acilm'a por sí misma.

(a) El anillo que contiene niwógeno está desactivado, como en la piridina; por lo tanto, la sustitución electrofílicaocurre en una posición Q del anillo menos desactivado. (Compárese con la Secs. 34.9 y 34.13.)

(b) El anillo bencenoide es atacado con mayor facilidad por agentes oxidantes que el anillo nitrogenado, desactivado.

(c) La sustitución nucleofílica ocurre en el anillo que se asemeja al piridínico (activado). (Compare con la S e c . 35.10.)

O H 8-Quinolinol

SO,H Quinolina Separar del 5-isómero

H

H 2-Metilquinolina


" - 2 H C H 3 0 W ,

NO2 6-Metoxi-8-nitroquinolina

5,6-Benzoquinoliia (1 -Azafenantreno)

35.22 Vea la respuesta al problema 31.5, página 1064.

o-Nitroanilina 8-Nitroquinolina o-Aminofenol 8-Quinolinol

m-Fenilendiamina 1,5-Diazafcnantrcno

p-Toluidina 6-Metilquinolina


6-Bromoquinolina pBromoanilina

8-Metilquinolina o-Toluidina

H I

O /,‘-C H

\

- 2CHjCHO aldol - Hz0 t H

Acetaldehído 2-Metilquinolina CH3

(Como en el Problema 35.21)

PhCHO + CHjCOCOOH

i COOH

C 0” ‘$H

I COOH / COOH CHPh - &%Vih - Q Q P h

NH2 N H Acido 2-fenil-

4-quinolinacarboxílico

Enol Cero

El enol es la cetona a, b n o saturada que sufre la adición conjugada de la anilina.


35.27 (a) El anillo que contiene nitrógeno (y que es similar a la piridina) estA desactivado, de modo que la sustitución electrofílica ocurre en una posicidn a del otro anillo (Secs. 34.9 y 34.13).

(b) Lasustitucih nucleofílica se r e a l i z a en el anillo activado (semejante al piridínico), y en la posición que permite la conservación de la aromaticidad del otro anillo y el acomodo de la carga negativa en el nitrógeno.

.H Z

se favorece &S que nucleofílica

H Z (Z = N H 2 - O R - )

(c) La reacción implica una adición, de tipo aldólico, de un carbanión que deriva de la 1- metilquinolina al benzaldehído.

CHj CH 2

LMetilisoquinolina I l l

CH2 - CH-Ph

OH

CH-CH-Ph I1

La 1-metilisoquinolina genera un carbanih, 111, en el que se conserva la aromaticidad del otro anillo. La 2-metilisoquinolina sólo puede dar el carbanión menos estable, IV.

35.28 Sustitución electrofílica aromática o adición carbonílica catalizada por hcido, lo que depende del punto de vista. (VCase la ecuación (3), Sec. 35.13.)

35.29 PhCH2CH2NHCOCH3 a PhCH2CH2NHz e PhCH2CN H

& PhCHzCl e calor PhCH3

3-Bromopiridina Acido 3-piridina- sulfónico

(c) no hay reacción (d) 0 N

3-Nitropiridina

COMPUESTOS HETEROCICLICOS

2-Aminopiridina 2-Fenilpiridina (Sec. 35.10) (Sec. 35.10)

( i ) no hay reacción (j) no hay reacción

0- 0- N-óxido de piridina N-óxido de

4-nitropiridha (Problema 35.15)

H Cloruro de piridinio

CAPITULO 35

( h ) no hay rcacción

Bromuro de Cloruro de N-etilpiridinio N-bcncilpiridinio

H

Pipcridina (Sec. 35.12)

2. (a) 0 SOIH (b) O C C H , ('1 O C C H , (d) O N O ,

ácid0 2-tio- 2-Nitrotiofeno 2-Acetiltiofeno 2-Acetiltiofeno

S s o S ' 1 O S

fenosulfónico

2-Aminotiofeno 2-Bromotiofeno Acido 2 tiofeno- carboxílico

H Acido 2-pirrol-

sulfónico

Acido p - (2-pirriIazo). 2-Aminopirrol Pirrolidina Furfurilidenacetona bencenosulfónico

5- y 8-Nitroquinolinas 1 0- BU-n

N-óxido de 4- 1 -(n-Butil) isoquinolina nitroquinolina (Problema 35.27b)


H H H Pirrol Pirrol A’ -Pirrolina A2-Pirrolina

(2,5-Dihidropirrol) (2,3-Dihidropinol)

N H CICHLOOH HOOC COOH H,O, OH? THO (b) HOOCCHzCl ”-A HOOCCHzNHz -- H>C, ,CH2

+S

B H2C, ,CH2 N N

I H A

l H

H A’Pirrolina

(2,5-Dihidropirrol)

4. (a) 2CH1, + HOOCCH2CH2COOH CH3CCH2CH2CCH3 I1 Acido succínico O o

C 2.5-Hexanodiona

H

Un hemiacetal I H

& \ \ OH O H +

Enol Cetona

CH-CH2

2,5-hexanodiona f- CH ~~ C $H -CH,

protonada

5. Primero, un poco de aritmktica: (C4HSN)d 4 pirrol ( C S H ~ O N ) ~

+(HCHO), 4 H C H O - ( C S H ~ N ) ~ producto

(CSH70N4 4H20 perdidas

AI igual que el fenol (o el furano, problema 35.4, pág. 1191), el pimol contiene un anillo activado, de modo que sospechamos que ha ocurrido aquí una reacci6n similar a la descrita en la sección 36.7:


6.

43 N H

t HCHO 5 CH20H

H

Cuatro de estas unidades se unen entre sí, con pdrdida de 4H20. Por consiguiente, la estructura debe ser cíclica: cuatro unidades, cuatro enlaces nuevos.

4 4 3 anular de la clorofila (pág. 1186 N y de la hemina pág. 1345)

Por fina

4 4 3 anular de la clorofila (pág. 1186

N y de la hemina pág. 1345)

Porfina

Quinolina E debe ser urn de &os 1 .

N m N~~~~~ N Q C O O H y N QCOOH Isoquinolina Este debe ser E Este debe ser F

El Único ácido que queda debe ser D:

O C O O H

D

5-Metilquinolina G ? 7-Metilquinolina

(b) f$:; S k r a u p F % 4 2 HONO+ HIPO>

H G 7-Metilquinolina


oCH2CHzNH2 (página 924)

(b) mN Como en (a), pero usando PhCH,COCl (de PhCH,COOH, pág. 811)

CH,CH=CHCHO (O CH,CHO en Doebner- von Miller)

(e 1

HooC O N O ,

(página 498)


9. (a) ocN ON.+ lz oNH2 (problema35.12) N N N’

(Separar del 8-isómero)

(d) 02N@COOEt O C O O E t * O C O O H QCHO O O

I I (f) H2C CH-CH2 HC1 conc.

CI I / CI CI I QCHO

10. Los sistemas anulares paternos se presentan en la pagina 737 de esta Guía de Estudio: consdltese después de haber trabajado este problema.

(a) C7H I 204 malonato de etilo + CH,ON, urea

H

C-OEt H-N, O\\ I

W, / + -2EtOH

C-OEt H-N I Una pirimidina W U

” L .

I (Una ¡J-diazina)


-CsHgNz L

H,O, opérdida de 2H,O: $10 + H 2 N "-f ,C N ,\ \

L Un pirazol

(Un 1,2-diazol) (Compárese con el pirazol. pág. 11 84)

Una quimxalinu

N Un derivado 1 ,3-dioxolano


O

H P

3-Hidroxilindol

El cierre anulares una reacción de Dieckmann (problema25.30pág. 908), yes lamisma que participa en la conversión ácido adípico "+ ciclopentanona, pág. 853.

R Una pirazina

(Una 1,4-diazina)


(h) C ~ H ~ N , etilendiamina + CSH carbonato de etilo

H 1

N-H H H 2C' E t 0

I + ("0 __f

N --H H

\ -2ElOH [x>zo H 2C, EtO'

1

H S Un derivado del imidazol

aNH2 + O

>-CHI A -*"'O a ; ) - C H , N-H HO

1 H T

N H

Un benzimidazol

C16H2306N

COOEt EtOOC,

aN-H + EtOOC CH2 0 COOEt

Reacción en / N-C-CH2-COOEt el-VH,

I H

I ( 1 H O

U Insoluble en ácid0


C14H1705N u -C12HlIO4N v

C,H,O opérdida de EtOH: "C-OEt + H-C-C- I "+ -C-C-C- I I 1 O

I I1 / I I I / H O O H 0

Este paso parece ser una condensacih de Claisen intramolecular (Secs. 25.1 1 Y 25.12).

-ElOH , & -EtOH -coz

COOEt - N-C-C- COOEt

I I1 I H O

N O H V Un p-cetoéster

O d\o o @OH

Celo Enol W

H

2,4-Dihidroxiquinolia

COOEt EtOOC

N-H I EtOOC' -E'oH @N-C-CH2COOEt I I 1

\ COOEt

CH2

H A 0

O

-EtOH - C o r .1

Un 15-diazanafaleno


OH

PhCH-CH-6-Ph -3 PhCH-CH--C I -Ph

PhCH:--CH -C-Ph CN COOCHl

o Adición conjugada PhCH--CH2---C"Ph - Ph-CH-CHZ---C -Ph

I ' I I I 1 CN O COOCHi O X es uno de éstos Y es uno de &os

Ph l k\

PhCH -CH-C--Ph PhCN-CH2-C-Ph MeOH H 2 C I o H2N I I I 1 O CN o PhC? tl N -Ph

X C-OCH, i O

Y

- H 2 0 l - MeOH

Ph I

Ceto Enol Z

6-Hidroxi-l,3,5-trifenil- 1,4-dihidro-1,2-dimina

(m) C3H402 ácid0 acrílico C3HB02NZ AA + NzH4 hidracina - CJH60N2 BB

C 3 H s 0 2 N 2 = AA H,Osepierde: "C-OH + H2N- - -C-NH- Adición simple 1 1 I 1

O O

CHZ~--CH-COOH / \ / / CH2 o

H2C C + " I I - H 20 H N \ O H F r t - N H formación de amida

O Adición conjugada; H N -

H2N-NH2 N-H I B B

H

AA Una pirazolidona


cc 4.5-Diazafenantreno (Problema 35 .23~)

FF Un indo1

O CG

Dos unidades de indo1 fusionadas, 2 3 a 3', 2'

@) El material de partida tiene 10 carbonos, al igual que el producto HH. Así, la reacci6n es intramolecular y, considerando los reactantes (halogenuro y fenil-litio), sospechamos I que en ella interviene un arino. (Compárese con el problema 21, Cap. 29.)

HH Un arino Una tetrahidroquinolina

Un arino

O I1

Un benzoxaiol


o bien

J J Una oxazoiina

Los sistemas anulares paternos son:

f b N d2 @N N H

1,3-Diagina 1,2-Diazina 1,Z-Diazol (Pirimidina) (Piridazina) (Pirazol)

1,3-Dioxolan0 Indol 1,4-Diazina (Benzopirrol) (Pirazina)

N H

(Renzo-1,3-diazol 4,5-Diazafenantreno (Bengimidazol) (4.5-Fenantrolina)

1,4-Diaganaftaleno (Quinoxalina)

N H

1,3 -Diazo1 (Imidazol)


H 2 0 . H ' CHZCOOH P C I ~ K K calor ' MeO M e 0

OM.2 M M

6 M e N N

Un cloruro de ácid0

O 0 PP Una dihidroisoquinolina

Me0 9~ OMe

CH2 a OMe

OMe Papaverina

Un alcaloide del opio

12. CH2- CH2 + Et,NH - EtzNCH2CHzOH "-$ S o c l Et2NCHzCH2CI \ /

O QQ R R

RR + [CHjCOCHCOOEtI- - CH,"C-CH"COOEt CH3CCH2CH2CH2NEt2 H,O. H *

I ! I O CH,CH,NEt, / I O

SS TT

N I

CHjCHCHzCHzC,H2NEt2 - H B r C H J C H C H ~ C H ~ C H ~ N E ~ ~ I I

Br OH vv uu

ww xx

vv + xx "---f

H- N I

CH / \ / \ /

Plasmoquina

CH2 NEt, CH, CH2 CH2

717


‘N’

zz HBr_

13. N

Y Y

zz

14.

15.

1 H C H I

A A A Amina 2 a

( ? )- Nicotina

BBB y CCC son sales diastereomtricas.

Cloruro de flavilio

(c)El oxígeno contribuye con un par de electrones para completar el sextet0 aromático, con lo cual se genera un sistema análogo al del naftaleno.

(a)El nitrógeno “pirrolico” ” e l N del anillo con el -H unid+ contribuye con dos electrones x, y los otros átomos (incluso el N “piridínico”) contribuyen con uno cada Uno, para dar el sextet0 aromático (Sec. 35.2).

I

Histamina dfá t ico N H > “piridínico” N > “pirrólico” N


Los pares no compartidos se encuentran, respectivamente, en un orbital sp3. en uno sp2, y en la nube K. (Vbnse las Secs. 35.2 y 35.1 1 .)

Histidina

El protón va hacia el nitr6geno más bhico.

(d) El ataque sobre el ep6xido se debe al nitr6geno más básico y, por lo tanto, el más nucleofílico de la guanina, el -N%.

16. Elácidotropínico, C,H,,O,N, tieneunp.m.de187.PuestoquesuE.N.esde94+_1(= p.m. / 2), tiene que ser un diácido. Asimismo, es una amina Y, no contiene funciones que se oxiden con facilidad y es saturado. La aritmttica química,

C6H15N amina saturada de cadena abierta CaH I 504N + Cz04 dos grupos “COOH- - CBH ,,O,N ácido tropínico

CBH1504N 2H faltantes: esto signiJica un anillo

indica que el ácido mpínico contiene un anillo. Regresemos ahora a los datos de la metilaci6n exhaustiva:

CgH1604NI EEE -CsH,,O,N ácido tropínico

CHJ significa la introducción de un Me

EEE FFF sinpérdida d e N

El ácido tropínico debe ser una amina 3’. El N tiene que formar parte del anillo, ya que de otra manera se hubiera perdido como MEM,.

Una repetición del procedimiento descarta el Me,N, lo cual deja una molécula no saturada, HHH, que indudablemente contiene los dos “COOH. Sólo se pierde un carbono (C, + CJ, lo que indica con claridad una unidad -N“€% en el ácido tropínico.

I

C,H, *o4 diácido de cadena abierta saturada -C,HXOd HHH

4 H faltan: csto significa dos enlaces dobles

HHH es un diácido doblemente insaturado; la hidrogenacidn a ácido heptanodioico indica que la cadena no tiene ramificaciones.


HHH puede ser, entonces, uno de los siguientes hcidos,

HOOC-CH-C"CH"CH2 -~CH2"COOH HOOC--CH~"CH-C-CH--CH2---COOH

aunque los compuestos alhicos son poco probables; ademh, damos por descontada la posibilidad de UM estructura acetilhica. (Para que surgiera una estructura alquímica o alCnica por metilacih exhaustiva, ¿de que tamallo debería ser el anillo?)

(a) Por ahora, y dependiendo de la estructura para HHH y el punto de apertura anular que postulemos, las estructuras que son posibles para el kid0 tropínico incluyen:

HOOC. HOOCCHZ,

(Comenzando con cada una de ellas, indique las estructuras posibles para FFF y HHH.)

o Tropinona Acido tropínico

Las demás estructuras son:

FFF GGG

! I-CHCOOH

HOOC(CH2)xCOOH

Acido heptanodioico \

HHH


Q GizzF metilación 0 N(CH3)Z Tropilideno

1,3,5-Cicloheptat~ieno

18.

CH2-CHCOOEt CHzCHzCOOEt

I 19. (a) CH,=CHCOOEt -% CH,CH,COOEt HN’ NHZ ‘CH,CH,COOEt

111 JJJ

COOEt COOEt

(Prob. 21.30)

KKK O O LLL M M M

N N N Guvacina

(b) Guvacina

Acido nicotínico

Arecaidina


20. Elfenol(Sec.36.7),elfurano(problema35.4,pág. 1191),yelpiml(problema5,pág. 1206) contienen anillos lo suficientemente reactivos para reaccionar cone1 formaldehído: primero con la introducción del -CH,OH, y luego para conectar los anillos mediante uniones -

Aquí tencmos otro anillo aromático reactivo y, además, si no formaldehído, otro CH,-.

compuesto carbonílico. La aritmética química,

CgHBSz 2 tiofcno C14HzoOS2 + C6H I 20 3- hcxanona -CIqHlxS2 O 0 0

CI~HZOOSZ H 2O faltante

indica que se combinan dos moles de tiofeno con uno de cetona y se pierde un mol de %O. Por lo tanto, postulamos que:

- Et - Q ~~

'r O 0 0

A continuación, se efectúa una acilación de Friedel-Cmfts en la posici6n 2, que es la usual, seguida de una reducción de Wolff-Kishner (Sec. 21.9):

000 PPP QQQ

Nunca habíamos visto que una amida actuara como agente acilante (aunque, por supuesto, una amida acila el agua en la hidrólisis), pero la sugerencia recien expresada y un recuento de los átomos nos reducen a una sola posibilidad para decidir en que sitio ocurre la formilación: la única posición disponible es la 2. La oxidación con el reactivo de Tollens da S S S ; la parte Acida permite su resolución (v&se el problema 24.8, pág. 855).

RRR sss Resolución en sus enanlidmerm

Al final, después de una descarboxilación, se efectúa una hidrogenación, la cual elimina azufre, adiciona hidrógeno y obviamente abre los anillos. De ahí resulta un alcano saturado de cadena abierta (C,H2,, J.


UUU es un enanti6mero individual de un compuesto quiral y debería ser, por derecho propio, 6pticamente activo. Pero como aprendimos antes (Sec. 4.13), la quiralidad no siempre conduce a una actividad 6ptica medible. Se ha estimado que este compuesto en particular tendría una rotaci6n específica imperceptible de únicamente O.ooOo1”.

(Wynberg, H., et al., “The Optical Activity of Butylethylhexylpropylmethane”, J. Am. Chem. Soc., 87,2635 (1965).)

En el último paso de esta síntesis se abren los anillos heterocíclicos e incluso se elimina el heteroátomo, el azufre. No obstante, la presencia de estos anillos fue vital para cada uno de los pasos precedentes, pues proporcionaron la regioselectividad necesaria para la construcci6n de la molécula deseada. (Para unarevisi6n del potencial del campo heterocíclico, véase Katritzky, A. R., “Heterocycles”, Chem. Eng. News, 13 de abril de 1970,80.)

H VI

H VI1

El ion dipolar (VI) pierde CO, para formar un carbani611 (VU), el cual est5 estabilizado por la carga positiva en el nitr6geno. La concentraci6n del ion dipolar se ve reducida ya sea por un kid0 o por una base, y lo mismo sucede con la velocidad de la reacci6n. El derivado N- metilado por fuerza existe completamente como ion dipolar, por lo que reacciona con m& rapidez.

El carbani611 VII, como los otros, puede adicionase a un grupo carbonilo, y en presencia de la cetona queda (parcialmente) atrapado.

H H I

VI11 IX

36

Macromoléculas. Polímeros y polimerización

36.1 (a) Una amida (vCase la Sec. 36.7). HOOC(CH,),COOH + H,N(CH,),NH, Acido adípico Hexametilendiamina

(b) Una amida. HOOC(CH 2)5 N H , (El monómero es en realidad la caprolactama, problema 13, pág.1236.) Acido c-aminocaproico

( c ) Unéter. H,C'"CH, . 6xidodeetileno / / O

(d ) Un cloroalqueno. C H , =C- C H = C H , cloropreno I

Cl

(e) Un cloroalcano. CH,=C- CI, cloruro de vinilideno I

C ' I

36.2 (a) Unaamida. ' H,NCHRCOO , unaminoácido

(b) Un éster. H,PO, + Acido fOSfÓTiC0

HO-CH, ~ H/O'\H 6; o H O - I b H,,,O--,H 6; H

HO H Un azúcar H O OH

CAPITULO 36 MACROMOLECULAS. POLIMEROS Y POLIMERIZACION

a-u-Glucopiranosa

H

H ti /h-Glucopiranosa

36.4 Por combinación de los dos radicales libres en formación.

36.5 La efectividad de un agente propagador de la cadena depende de cuán fácil sea separar un átomo de él; entre otras cosas, esto depende de la estabilidad del radical que se esté formando.

(a) H: arilo, lQ, bencílico I*, bencflico 2p, bencílico 3Q.

(b) H: 2g, alílico.

(c) X:C-Br es más débil que C-Cl.

MACROMOLECULAS. POLIMEROS Y POLIMERIZACION CAPITULO 36

36.6 (a) El agente propagador de la cadena puede ser otra molkula de polímero. Por ejemplo:

(b) El agente propagador de la cadena puede ser la misma molkula de polímero en formacibn: el extremo generado separa ("muerde") un hidrógeno de una posici6n cuatro o cinco carbonos aths a lo largo de la cadena. Por ejemplo:

Radical en formación

G - C H I

C H L -('Hz C - I C H 2 C H Cki? C H 2

1

I I G G

I G

Radical ramificado cn formación

polhero ramificado

36.7 (a)En el acrilonitrilo, el grupo -€N es atractor de electrones. En el butadieno, el grupo ~ CH -=( 'Hz cede electrones a través de resonancia.


(b) A través de la deslocalización d e l electrón impar en el estado de transicidn, el buradieno es más reactivo que el acrilonimlo hacia cualquier radical.

36.8 (a) El polibutadieno aún contiene dobles enlaces y en consecuencia tambiCn hidrógenos alííicos que se pueden separar con facilidad. Los radicales libres alílicos así formados se adicionan al estireno para comenzar una secuencia de reacciones que inserta poliestireno dentro de la cadena de polibutadieno. El proceso se asemeja a la ramificación del problema 36.6 (a).

Ph Ph Ph Poliestireno insertado en

la cadena de polibufadieno

(b) Similar a la parte (a), pero el hidrdgeno es separado del carbono que porta 4 1 .

<'O0 Mc

hle c I

C'OOMe CyOOMe

Me C ( ' H 2 C',". I I

CH, Me

"" C'H 1 C; ( - t i l CIH - CI <'I

Poli (metacrilato de metilo) insertado dentro de la cadena de poli (cloruro de vinilo)


36.9 (a) Ocurre una transferencia en cadena.

CH,O(CH*CH~O),,CH,CH20- + CH,OH - CHjO(CH2CH20),CH2CH2OH + CHAO

(b) CH30CH2CH20H, 2-metoxietanol

(b) “ C H 2 C H : + CO, + ---CH2 CH COO^ H?O\ --CH2CHCOOH + OH 1 Ph

I 1 Ph Ph

36.11 (a)Un “ O H primario se esterifica mhs rslpidamente que un -OH secundario.

(b) El entrecruzamiento resulta de la esterificaci6n de los grupos “ O H secundarios.


36.13 (a) Hidrólisis de una mida: ácido o base acuosos calientes.

(b) Hidrólisis de un Cster: ácido o base acuosos calientes.

(c) Hidrólisis de un acetal: ácido acuoso.

(d) Hidrólisis de un acetal: ácido acuoso.

(O bien, en cada ~ $ 0 , una hidrólisis catalizada por enzimas.)

36.14 (a) Transesterificación.

El monómero hipotCtico del nuevo polímero es el alcohol vinílico, el cual exisle cn la forma ceto, el acetaldehído.


36. I5

(b) La formación de un acetal cíclico.

H H H H H CI H C1

Poli (cloruro dc vinilo) Poli (cloruro de vinilidcno) w c ' Saran

Elpoli(clorurodevinilo)pue~emos~arelmismoestereoisomerismoqueelpolipropileno (Fig. 36.1, pág. 1226, con el 4 1 en lugar del 4%. ) Ya que se forma mediante un proceso por radicales libres, es atáctico; las moléculas no se ajustan bien entre sí. En el poli (cloruro de vinilidcno) hay dos sustituyentes idénticos en cada uno de los carbonos, y las cadenas se ajustan bien una con la otra.

36.16. (a)Las cadenas están sustituidas irregularmente, y se ajustan mal entre ellas; las fuerzas intcrmolcculares son débiles. (El dicno proporciona dobles enlaces y, en consecuencia, hidrógenos alilicos en el polimero; la vulcanización origina un entrecruzamiento como sucede con el caucho, pág. 404.)

(b) La separación de "H del polimero genera radicales libres, los cuales se combinan. Aquí, los entrecruzamientos son enlaces carbonwarbono.

1. En cada paso se forma la partícula más estable, con la misma orientación.

2. Hay una po1imeri;lación del alqueno "catalizada con áciclo", el cual se forma fácilmente a partir de un alcohol secundario o terciario.

3. Cada carbono de poli-isobutileno lleva dos sustituyentes idtnticos (dos-H odos 4%); esta simetría evita la existencia de polímeros estereoisómcricos. Por otro lado, el 1-buteno deberá formar exactamente el mismo tipo de polímeros isómcricos que el propileno (Fig. 36.1, pág. 1226, con -C,H, en lugar de "CH,.)

73 1


4. Adición nucleofílica al carbonilo; polimerizaci6n arm6nica por reacci6n en cadena.

5. Los poliuretanos contienen uniones éster y amida. La hidr6lisis "con agua en recipientes sellados a 200'C- produce dioles, diaminas y CO,. Por ejemplo:

H H

Poliuretano

HOC'H,('tl,OH + CO, + H 2 N [ O N H I Etilén-glicol \/c H,

2.4-Diaminotolueno

6. La reactividad hacia la adici6n de BrCCl, ( S e c . 8.20) depende de cuan rfipido Ocurra el siguiente paso:

El PhCH-- C H 2 es más reactivo que el I-octeno, ya que un radical libre bencílico incipiente es más estable que un radical libre 2" incipiente.

El resto de la serie puede atribuirse a un efecto polar. El radical ' CCI, es electrofílico, y la reactividad hacia é1 se ve disminuida por el efecto inductivo atractor de electrones de los sustituyentes.

Observemos con detcnimiento la diferencia entre el Ph CH-CH, y el PhCH2CH--CH,. En el PhC'H-CH2, el grupo fenilo puede ayudar a estabilizar el radical libre incipiente a través de la resonancia y, también a traves de ella, quizás ayuda a dispersar una carga positiva parcial en el estado de transici6n. En el PhCH,CH--CH, , el grupo fenilo está alejado del sitio de reacci6n, por lo que S610 puede ejercer su efecto inductivo atractor de electrones.


H+

D C H 2 S Catión bencílico

- PhCHIOH

H + - H > O I

Polhero

8. Examinemos el mecanismo para esta reacción, dado en la página 3 18.

(a) Como se mostró, los radicales libres producidos en el paso (3) son los que separan un átomodel CCl, en el paso (4). Pero en lugar de eso pueden adicionarse a un alqueno (5) para formar un nuevo radical, más grande, que entonces atacará al CCI, (6), para dar el aducto 2:l.

R I

(5) RCH=CHI + RCH --CH?- CCI! "+ RCH ----CH2--CH"CH? CCI,

CI

(b) Dos reactivos están compitiendo por el radical libre orgánico: CX, en la reacción (4), y RCH=CH, en la reacción (5). El CBr, es más reactivo que el CCl, -ya que contiene enlaces C-X más débiles- y, si permanecen sin cambio los otros factores, se favorece la separación (4).


(c) Nuevamente hay competencia. El estireno es un alqueno más reactivo que el 1-octenc, y, si los otros factores no cambian, la adición (5) es la favorecida-en este caso, en un grado tal que sólo se observa la polimerización-. (Hay un factor adicional. El radical bencílico intermediario que se forma a partir del estireno es relativamente poco reactivo y. en consecuencia,selectivo(Secs.2.24y3.28):entrelaseparaciónylaadición,queesmásf~cil, tiende a escoger la adición.)

En estos ejemplos de adición de radicales libres vemos un intermediario representativo entre la adición simple 1: 1 en un extremo del espectro de reacciones y la polimerización directa en el otro extremo.

9. (a) Una polimerización aniónica por reacción en cadena para dar I, que es un polímero con g r u p o s 4 H terminales; luego una reacción de polimerización por pasos con el diisocianato para dar el copolímero de bloque.

I + OCh((~] : ( ' H I + polimero

N ( ' 0

(b) UM reacción de polimerización por pasos (esterificación) para dar el poliéster lineal insaturado 11; luego la reacción de copolimerizacidn vinílica en cadena con el estireno, la cual proporciona los entrecruzamientos.

l i O C t H ~ ( ' t ~ ~ 0 t i i C ' t l ( ' ! I ~ + " ' ~ O ( ~ H ~ ~ ' t I ~ 0 ( ' O < k 1 (11 ( 'O O C ' t ~ l ~ C ' t l ~ O - ,

(c) Una polimerización aniónica por reacción en cadena. (Comphese con la reacción del óxido de etileno con la anilina, problema 19.22 (c), pág. 706.)

(d) Unapolimerización aniónica por reacción en cadena para dare1 poliestireno vivo, el cual se mata luego con óxido de elileno para dar el copolímero de bloque.


(e) Una reacción de copolimerización vindica en cadena por radicales libres, para dar el polímero lineal saturado IV. La separación de hidrógeno a partir de IV por los radicales libres del peróxido de benzoilogenera sitios pararadicales libres en IV; en estos sitios crecen ramificaciones de poli (metacrilato de metilo) gracias a una reacción de polimerización en cadena por radicales libres.

de radicales libres

CH2 CH + CH2 C'H e ---CH,< I ~ C H , ( ' H C H Z ( , ' H C . l ~ ~ ( ' t i ( ' H ~ C H ( ' H ~ ( , ' t i - I , I , I

CI OAc OAc ( ' I OAc Cl ('I OAc 1 1

I \ '

C'H > I de knzoila

I V + CH? C 1

peróxido

COOC'H 3

~___ + polímero

10. El producto es un poliéster, formado por una polimerización aniónica por reacción en cadena; cada paso implica una sustitución nucleofílica en el grupo acilo del éster cíclico.

12. La ruptura por HI0,indica la presencia de grupos diol vecinos --CH(OH)CH(OH)-, y en consecuencia grupos diacetato vecinos,"CH(OAc)CH(OAc)"- . Esto muesm que se ha llevado a cabo un poco de polimerización cabeza con cabeza, junto con la orientación predominante cabeza con cola.

H I

H I 13. (a) -N(CHZ)5C-N(CHZ)5C-

O O I !

Nylon-6


14.

15.

16.

17.

736

(b) Base:\( ) "+ Base-C(CHJ-NH- C-N l

o" Ir \H O

Caprolactama

Caprolactama

Se trata de una polimerización aniónica por reacción en cadena en la que ocurre una sustitución nucleofilica en el grupo acilo de la amida cíclica. La base puede ser el OH- mismo o el anión formado por separación del protón de -NH a partir de la molkula de lactama.

Caprolactama Ciclohexanonoxima Ciclohexanona

El isómero para da cadenas simétricas rectas, que se ajustan bien las unas con las otras.

Estos compuestos son iónicos "o casi iónicos- debido a la estabilidad de los aniones bencilicos.

(a) Son diasteredmeros: uno es meso y el otro es racCmico.

,,,T. c H 3 J L

CH.3f'" H T L H , C H 3 T H

i-Bu i-Bu i-Bu R.S R.R S,S

hff2SlJ Enantiómeros A B

(b) A es meso; B es quiral y se obtuvo en forma racémica en la parte (a).

(c) Si dibujamos las estructuras de A y B como en la figura 36.1 @Ag. 1226), la respuesta salta a nuestros ojos: A se asemeja al polímero isotActico y B al polímero sindiotáctico.

CAPITULO 36 MACROMOLECULAS, POLIMEROS Y POLIMERIZACION

;-B"v

;-BU BU-;

H H A B (enantiómero R,R)

18. Primer paso. El exceso del 1,2 etanodiol asegura los " O H terminales en C.

Segundo paso. El exceso de diisocianato asegura los "NCO en D;

D

t

t x N"

Tercer paso. El agua reacciona con algunos de los grupos "NCO en D para liberar CO, y formar -N%.


Estos grupos -HN, reaccionan con otros grupos "NCO libres para dar ureas (amidas) con un entrecruzamiento posterior. El CO, se dispersa en el polímero y produce espuma.

H

o

i

H

i O + o c.

H

O

19. El monómero (el cual puede perder un átomo de hidrógeno para dar un radical libre alnico) sirve como un agente propagador de la cadena, y limita el tamalio del polimero. La separación de deuterio es más difícil, y el monómero marcado es un deficiente agente propagador de la cadena. (Nuevamente, aquí podemos ver un radical libre que sufre las reacciones en competencia, la adición y la separación, esta vez en dos sitios de la misma molécula.)

20. El oxígeno separa átomos de hidrógeno para formar radicales libres alílicos, R-. Estos se combinan con oxígeno para producir entrecruzamientos -; el incremento en el peso se debe a la ganancia de oxígeno. El mecanismo parece ser:

(Aquí el oxígeno tiene el mismo propósito que el azufre en la vulcanización del hule, sec. 10.30.)

21. (a)Los dos grupos reactivos de la epiclorhidrina son (i) el C"C1, que reacciona con el fenóxido en una síntesis de Williamson, y (ii) el grupo epóxido, el cual reacciona con fenóxido como en la página 703. El grupo epóxido es el menos reactivo; el exceso de


epiclorhidrina asegura la presencia de grupos epóxidos sin reaccionar en ambos extremos. El cemento es:

H~C-CHCH~0(A-0CH~CH0HCH~0),A-0CH~ HC“CH2 ‘O’ ‘O’

(b) Durante el endurecimiento, laamina reaccionaen tres sitios de la molécula-con los grupos epóxido del cemento para formar entrecruzamientos y así generar un polímero de red espacial.

-NWCH2CH*NCH2CH2NHCH2CHCH20 (A-OCH2CHOHCH20),A-OCH2CHCH2NH - t 1 I

OH OH

(c) Utilice un exceso de fenol, acetona, y Acid0 o base (compárese con la Sec. 36.7).

22. En F, los protones metilénicos (<Hz-) son equivalentes y dan una seilal, un singulete (2H por unidad de monómero). Por lo tanto, F tiene que ser sindiotúctico.

F Sindiotáctico

G Isotáctico

En G , los protones metilénicos no son equivalentes, y dan dos sellales para lH, cada una dividida en un doblete por la otra. Por lo tanto, G debe ser isotáctico. Aquí los protones metilénicos son diastereotíipicos (Sec. 22.5); por ejemplo, en la representación que hemos mostrado, un H está cerca de dos 4% y el otro H está cerca de dos “COOC~.

.

CAPITULO 37 GRASAS

37.3 El aceite de tung contiene una proporción elevada de Bcido eleoskhico (Tabla 37.1 pág. 1242). La separación de átomos de hidrógeno daradicales libres alílicos, con deslocalización sobre tres enlaces dobles.

37.4 El alcóxido es un mal grupo saliente.

37.5 La insaturación conserva la semiliquidez de las membranas en la parte más fría del cuerpo.

1. CH,(CH2)22COOH CHdCH2)-/CH CH(CH2)ljCOOH + oxid.

Acido Acido cis- o trans-15- tetracosanoico tetracosenoico Acido nervónico

{En realidad, trans)

CH,(CHZ),COOH + HOOC(CH,)ljCOOH Acido nonanoico Acido penta-decanodioico E.N. =p.m. = 158 E.N. = p.m./2 = 136

2. Puesto que las unidades ácidas (y la unidad de alcohol, el glicerol) siguen siendo las mismas, sólo pudo cambiar la distribución de grupos acilo entre las molkulas del glic6rido. Pudo suceder algo como lo que sigue:

CHzO-COR CHzO-COR' CHzO-COR" CHzO-COR

CHO-COR + CHO-COR' + CHO-COR" J 3 CHO---COR'

CH2O"COR CH20-COR' CH20-COR" CH,O--COR"

I I 1 base I I I I I

Esto implicada una transesterificación (Se. 24.20), para lo que el metóxido de sodio sería un catalizador excelente:

I I I I

HCO-COR + OCHC HCO- + CH3O"COR

I I I I I I I

HCO- f HCO-COR' J HCO-COR' + HCO- elc.

3. R-H + 0 2 - H-O-O.+ R.

R - 0 - 0 . + R-H + R-O-O-H + R . etc.

GRASAS CAPITULO 37

En el caso del oleato de metilo:

I I 10 9 8 -CH~-CHTCH-CH~-

I I 10 9 8 "CH2"CH "CH-CH- + " C H 2 " C H " C H S H 2 -

I I 10 9 8

I /

OOH OOH I

I

1 1 IO 9 8 -CH--CHzzCH-CH2- + -CHyCH-CH-CH2-

11 10 9 8

I OOH OOH I

4. El ion dkbilmente básico, 2,4-dinitrofen6xido, es un buen grupo saliente.

O O H - 5. ~ - C I ~ H ~ I C O O - + ~ - C I ~ H ~ I C H ~ O H m ~-CI~H~I-C-O-CHZCI~H~~-~ I I

B Espermaceti 1-Hexadecanol Hexadecanoato de n-hexadecilo

n-Cl5H31COOH A

E.N. = 480

Acido hexadecanoico (Acido palmítico)

p.f. 63OC; E.N. = p.m. = 256

6. (a1I-a ruptura del monoanión en forma de ion dipolar I (o con UM transferencia simultiinea de un protón) es lo mas sencillo, porque: (i) la protonaci6n del grupo alcoxi lo hace mejor grupo saliente; y (ii) la carga negativa doble sobre los otros oxígenos ayuda en la transferencia de electrones de P a O.

R-O"PO3H" R-O-P0,2- + U ) + ROH + H2P04- H z 0

I H

I

CAPITULO 37 GRASAS

(b) Sólo UM fracción del Cster existe en la forma I. A medida que la acidez se eleva sobre el punto óptimo, disminuye esta fracción; I es reemplazada, como especie reactante, por I1

+ + R-O-POJH- R”O“POjH2

I 1 H H

I1 111

y luego por 111. MolCcula por molécula, cada una de estas dtimas es probablemente menos reactiva que I (puesto que carece de la doble carga negativa); pero, a medida que la acidez se eleva más y más, también continúa aumentando la fracción de éster que se halla en forma de 111, con lo que sigue aumentando la velocidad.

(Bunton, C. A., “Hydrolysis of Monosubstituted Orthophosphate Esters”, J. Chem. Educ., 45,21 (1968).)

Pd Hr I n - C d I 3 (CH2)gCOOH

\ /

/ \ c - ~ c

H H Acido vaccénico

(cis)

8. n-C,3H27CH2Br + Na[CH(COOEt)J -+

/ COOH

n-CI,H,,CH,CH(COOEt)2 ___f n-C[)H,gCH>CH I KOH \ COOEt

G H

COOTHP n-CIjH27CHZCH

/

\ COOEt

I

CRASAS CAPITULO 37

cis-n-C6HI$H=CH(CH2), COOH soc'z f cis-n-C6H13CH-CH(CH2),COCl J

COOEt I I I I

I A c~~-~-CI,H~~CH~-C-C(CH*)~CH=CHC~HI,-~

THPOOC O K

COOEt I I I I

cis-n-C,,H27CH2-C-C(CH2)7CH--CHC6HI,-n + COZ

H O L

I NaBH4

COOEt I I I

C~~-~-C~,H~~CH~-C-CH(CH,)~CH=CHC~H~~-~

H OH M

calor OH i

COOH I

cis-n-C~~H27CH2-CH-CHOH(CH2)7CH-CHC6HI,-n Acido (k) corinomicolénico

9. n-C8H17"CH"CH3 PBrJ > n-C8H,7-CH-CH3 + Na[CH(COOEt)J -+ I

OH Br I

N

n-C8H 17, CH"CH(CO0Et)z

CHI/

CAPITULO 37 GRASAS

n - C d 17, n-CsH,, -L“C(% ,CHCH,CH,CH,-(CH,),COOEt sf x-> \ CHCH2CH2CH2(CH2)sCOOH

t K 1 CH? CH(

U Acido tuberculoesteáricn Acido IO-metiloctadecanoico

10. C,,H53COOH cadena abierta saturada -C,,HSlCOOH

2H faltantes; esto significa un enlace doble (o un anillo)

Acido C,, ftienoico

H CH3 l : l

“c <yC-COOH --COOH K M n 0 4

GRASAS CAPITULO 37

I I “C-COOH > “c

I H

I H

V (C24H4802)

-COOMe -> - ZPhMgBr I 1 I 1

Ph

-c-C-Ph - H , O ~ H +

H OH W

(C36H58O)

Y, una cetona y ( C 2 3 H 4 6 0 )

CH3 I C21H43-C-0 m 1 2 Cz,H,,COONa + CHI3

Y

Una metil cetona

A continuación:

H H H Br A A

CH3 CH3 CH3 1 ’ 1 K M n O , CH,(CH2),7CH<CH -C“COOH - C H 3 ( C H 2 ) 1 7 C ~ 0 1 + otros productos

CAPITULO 37 GRASAS

h CHI

a h c d a c l

11. CH,(CH~)I~CH~COOH CHj(CH_) C --COOH e

H d

cc DD Acido octadecanoico Acido 2-metilheptadecanoico

Acido esteárico

GG H H

GRASAS CAPITULO 37

CH3 H \c& C2H5

\ I I t

CH2CH2C-CHCOOMe

Na+ -0 P(O)(OMe), K K

1 CH3, / H C2H5\ / COOMe

/c=c /C“ C 2 H 5 ‘CH2-CH2 \H

LL

M M

C H 3 \ / C2H5, CH2Br c- c ,c-c / \

C 2 H 5 CH 2“CH 2 \ H N N

NN [CH1COCHCOOEt1-Naf

H O 0

1 OH-; H +; calor

r ? 3 3 1 CH,CH,C-CHCOOMe I

I 1 N a + -0 P(0)(OMe)2

H QQ

CAPITULO 37 GRASAS

CH3\ / H C2H5, / /C”C

c - c , c x, CH2“CHZ H

\ /

CzHs \

CHZ--CHz /

H CH,’ COOMe RR

ArCO2OH

Hormona juvenil

(Dahm, K. H., Trost, B. M. y RBller, H., “The Juvenile Hormone. V. Synthesis of the Recemic Juvenile Hormone”, J. Am. Chem. Soc., 89, 5292 (1967); Trost, B. M., “The Juvenile Hormone of Hyak~phora cecropia”, Acc. Chem. Res., 3, 120 (1970).)

En la preparación de F F , LL y RR encontramos una modificación de la reacción de Wiuig (Sec. 25.10), en la que se utiliza un fosfonato en vez del iluro usual. Una base (NaH en este

R‘ I \ I / I I

/ I t l

R’ R‘

C -0 + PhJP -=C-R - -C-C--R - --C C--R + PhjPO

Un iluro -O3 PPh,

I + [(Me0)2P(0)CHCOOMe]- ”----f ~ - C “ C H --COOMe ”---f / I t i

-0- P(O)(OMeI2

(MeO)ZP(O)CH,COOMe Un fosfonato

I -C -CH-COOMe + (Me0)2P02-

ejemplo especifico) convierte el fosfonato en un anión que se adiciona, mediante una reacción similar a la de Reformatsky, al grupo carhnilo. La eliminacidn de (MeO)F;, el anión del fosfato de dimetilo, ocurre fkilmente y genera el doble enlace. (Trippett, S . , “TheWittigReaction”,Q.Rev.,Chem.Suc.17,406(1963),especialmentepágs.431-434.)

750

38

Carbohidratos I. Monosacáridos

38.1 (a)En todos estos casos se observm’a un cambio en la f6rmula molecular que, interpretado en el marco del reactivo empleadoy apoyado por las propiedades del producto, nos indim’a lo que ha sucedido. En la segunda reacción, por ejemplo,

C6H1206 - C6HlZ07 Brdaq)

la adición de un O, sin pérdida de C ni H, indica la oxidación de un aldehído a un ácid0 (mono) carboxílico:

RCHO ”e- RCOOH

Estoseriaapoyadoporlaspropiedadesácidasdelproducto,yporelhechodequeE.N.=p.m.

(b) Comenzando por arriba, cada reacci6n indica que la glucosa contiene:

(v) c-c-c-c-c-c (vi) C-C-C-C-C- CHO

38.2 Fórmula I-VIII, página 1270.

38.3 (a) Hay tres centros quirales: CHzOH

I

C H 2 0 H Fructosa

75 1

CAPITULO 38 CARBOHIDRATOS I. MONOSACARIDOS

(b) Debe haber ocho 2-cetohexosas (23 = 8): cuatro pares de enanti6meros.

(c) I CHzOH CHzOH I

CH20H I I

2 c=-o c -0 c -=o

s H :$,":: ';$EH OH

6 CHzOH CH20H CHzOH Psicosa Fructosa Sorbosa

I

CHzOH Tagatosa

38.4 Recordando nuestro desarrollo del problema 18.6 @iig. 671), anotamos: H H

I 1 5HIO C H , + I + C H + H ) C H + C H O 4 CH,-OH + 4HO-C-OH + HO-C O

OH OH OH OH OH OH OH I ' I I 1 $ 1 ' I ' I I

1- "*O - H z 0

HCHO 4HCOOH HCOOH

38.5 Recordando nuestro desarrollo del problema 18.7 @Ag. 672). escribimos:

HCHO HCOOH HCOOH HCOOH OHC-COOH

t T t t H H

I 1 I I I I I I

H

HZC-OH HO -C--OH HO---C-OH HO-C-OH HO-~C-COOH

OH OH OH OH OH

CH,+~H+CH+CH+CH--COOH J I I I I $ 1 : I OH OH OH OH OH

HCHO + HCOOH + HCOOH + HCOOH + HCOOH + HCHO t-- 5H101

CH~~-CH+CH+CH+CH+CH~ I ' I I / I / I I * I

OH OH OH OH O H O H

B Glucitol

CARBOHIDRATOS I. MONOSACARIDOS CAPITULO 38

HOOC-CHO + HCOOH + HCOOH + OHC-COOH 3 H 1 0 4

HOOC-CH+CH+ CH+CH---COOH I ' I ' I I /

OH OH OH OH C

Acido glucárico

H C O O H + H C O O H + H C O O H + HCOOH + OHC-COOH - 4HIO4

H l o

O ~~C+CH&CH-~CH+CH"COOH : I : I ; I I 1

OH OH OH OH D

Acido glucorónico

CHO I

38.6

CH20H Glucosona

CHO I

CHzOH

c=o I - Z n , HOAc Ho"CH

H+OH

H+OH I CHzOH

Fructosa

HC-NNHPh I

HC - ~ ~ O I

CHzOH I

c H o H P h N H N H , C=:NNHPh PhCHO

I . I " I " - - - , I c--o 7.n c -0 H + HOAc

Aldosa Osazona Osona 2-Cetosa

38.7 Los tres azúcares tienen configuraciones id6nticas en C-3, C-4 y C-5.

' l i H 5 CH2OH

Glucosa O

manosa

CH-=NNHPh

C==NNHPh I

I CH2OH CHzOH

Manosa Osazona

glucosa O

CH20H Fructosa


38.8 La adición de la lactona al NaBH, "incluso a una cantidad limitada de 6ste- significa un exceso temporal del agente reductor, el cual reduce la lactona directamente hasta el alcohol. Por ejemplo:

38.9

El centro quiral más bajo tiene el " O H hacia la derecha, ya que esta configuración no se ve afectada en la construcción a partir de R-(+)-gliceraldehído.


CHO COOH CHO COOH

x+:: HToH CHzOH COOH H:+:H

I

H +OH 38.10 (a) __f

HOTH +

CHzOH COOH Acido @,.S)-tartárico Acido @,S)-tartárico (Acido mesotartárico)

Inactivo Activo

(b) Sencillamente lleve a cabo la oxidaci6n. y vea si el producto es 6pticamente activo o inactivo.

38.11 (a) Debido a que dan la misma osazona, la (+)-galactosa y (+)-talosa S610 deben diferir en la configuraci6n en C-2: son un par de epímeros. Es por esto que pueden ser I y II, o bien VI1 y VIII, pero no VI.

De Cstos, I y I1 se degradarían a ribosa:

CHO

HToH CHzOH

Ribosa

VI1 y VI11 serían degradados a lixosa y, por lo tanto, deben tener las estructuras de la galactosa y la talosa.

CHO

VI1 o VI11 - HO Ho+::

"OH CHlOH

Lixosa

755

CAPITULO 38 CARBOHIDRATOS I. MONOSACAIUDOS

Puesto que la (-)-lixosa pertenece a la misma familia que la (+)-glucosa -la familia del R(+)-gliceraldehído- tambicn deben pertenecer a ella la (+)-galactosa y la (+)-talosa.

Esto deja scilo el problema de decidir, entre VI1 y VIII, cuhl es la configuración que representaa la galactosa y c d l a la talosa. Por axidación con kid0 nítrico, VI1 daría un &ido ald&ico 6pticamente inactivo (meso), y VIII, en cambio, uno ópticamente activo.

CHO COOH

HO HO- HO H!$T

H- OH OH

CH2OH COOH VI1 Meso

(+)-Galactosa Inactivo

CHO COOH

HO

M 0 H

OH

CH20H COOH VI11

(+)-Talosa Activo

En consecuencia, la (+)-galactom debe ser VII, y VI11 debe corresponder a la (+)-talosa.

(b) La (+)-alosa y la (+)-altrosa son epimeros, difiriendo dlo en la configuraci6n del C-2, el nuevo centro quiral generado mediante la síntesis de Kiliani-Fischer. Puesto que la (-)-

CHO CHO

-t. OH

H --+OH

1 HO-+-H !$:! --"f H 4 . H Y

H -t OH

I CHzOH CH201-1 CHzOH

(-)-Ribosa I I 1

ribosa pertenece a la misma familia que la (+)-glucosa, lo mismo sucede con la (+)-alosa y la (+)-altrosa. Ellas deben ser I y 11, el Único par de enantiómeros que queda.

La aldosa I daría un ácid0 aldárico ópticamente inactivo (meso) por oxidacibn, así como un alditol inactivo, por reducción. Los productos correspondientes de I1 serían ópticamente activos. En consecuencia, la (+)-alosa tiene que ser I, mientras que I1 debe corresponder a la (+)- altrosa.

CHO I

CH2OH

H +OH H+- OH

CHIOH C H 2 0 H

I Meso (+)-Alosa Inactivo

C H 2 0 H

HO -

H

C H 2 0 H CHIOH

I I

(+)-Alaosa Activo

756


(c) Esto S610 deja la estructura VI para la idosa. Puesto que la (-)-idosa y la (-)-gulosa dan la misma osazona, son epímeras. La (-)-gulosa (estructura V, pig. 1274 pertenece a la

CHO HC- NNHPh CHO

HO C==NNHPh H- OH

HO H i t . - t- {$OH H

H OH OH OH

CH2OH CHzOH CHzOH VI

(-)-Idosa Osazona (-)-Gulosa

misma familia que la (+)-glucosa, y, por lo tanto, tambih debe pertenecer a ella la (-)-idosa.

38.12 Vea la figura 38.17, pigina 778 de esta Guía de Estudio. Derivadas de este modo sistemitico, las aldosas caen en el orden dado por: AUAUruisfs

Gladly Make Gum In Gallon Tanks ('Todo altruista gustosamente hace goma en tanques de galdn".)

CHO

H +OH

CH2OH R-( + )-Gliceraldehído

"I CHO

H%:;d,H

CHzOH CHzOH Erinosa Treosa

Hf!! H *f:H

H:+:H

HO

H OH

CHlOH CH20H CHzOH CHzOH

Ribosa Arabinosa Xilosa Lixosa

CHO CHO CHO CHO CHO OH HO OH HO OH HO H H OH HO

H H OH :f:z OH 'if;H OH ';$!H Oil lf; OH OH 4f: OH OH

CHzOH CHzOH CHzOH CH2OH CHzOti CH20H CHzOH CHzOH Alosa Altrosa Glucosa Manosa Gulosa Idosa Galacto~a Talosa

Figura 38.17 Nombres de los descendientes del R-(+)-gliceraldehído (problema 38.12).

757


38.13 Puestoquela(-)-fructosadalamismaosazonaquela(+)-glucosa,debetenerlaconfiguraci6n siguiente:

C H z O H

c-0

CHzOH ( - )-Fructosa

38.14 Estas son los enantiómeros de 111 y IV @Ag. 1274). y de la estructura de la fructosa re- ciCn dada en la respuesta al problema 38.13.

( I 1 0 COO ti COOH C'OO H

38.15 (a) H-¿.-OH (b) H - e - O H (c) H-"OH (d) H-"OH

COOH C'OOEt CH,OH CH,Br

38.16 HO-C-H --i HO--$-H -+ HO-C-H - HO-C-H

CH , C H , CH, C H 3

Acido 1.-(+)-láctico A B C


COOH

38.17 (a) HOD¿-- H

I H - c - OH

COOH Acido (-)-tartárico

(S. S)

('OOH

( ' 0 0 1 1 COOH

Acido (+)-tartkico Acido mesotartárico ( R . R ) ( R . 3

38.18 (a)Esta proporción queda determinada en el primer paso: la formación de las cianohidrinas. En los reactantes ya hay un centro quiral; los estados de transición, como los productos, son diastereoméricos y de estabilidades distintas.

(b)

CHzOH

CH20H L-(-)-Gliceraldehído C N

H t OH

Ho 7- CH20H

COOH I

Ba(OH),+

HO-H

CH2OH

COOH

CHzOH

COOH I

HNO, HO- i ~ H

HO 1- H

COOH Acido meso-tartárico

COOH Acido L-(+)-tartárico

La proporción meso: activo nuevamente se14 1:3. En la formación de las cianohidrinas, ambos estados de transición son enantiómeros de los estados de transici6n en lareacción del D-(+)-gliceraldehído. La diferencia energetics entre los estados de transición es la misma que en el otro caso, y lo mismo sucede con la proporción entre productos.

(c) Sólo se obtiene material inactivo, porque las cianohidrinas anantioméricas se formarán en cantidades iguales. El isómero favorecido en la serie L est& equilibrado exactamente por su enantiómero, el cual sed favorecido en la serie D.

759

CARBOHIDRATOS I. MONOSACARIDOS

38.19

CtíO

H OH

H O ~ I t í

H - O H

H+-OH

COOH

H: - +

H ~ ~ OH

H +-OH

cootí I

Acido (+)-glucáricn

CAPITULO 38

E3 Lactona

t Acido gul6nico

~ c"0 I

-

f Gulonolactona

L-(+)-Gulosa

La (+)-Gulosa es un miembro de la familia L, puesto que, teniendo "CHO aniba, el - OH del carbono quiral más alejado de aquél se h a l l a a la izquierda. Es el enantiómero de V de la página 1274.

CHzOH

H --I OH

HOP- . i = H Hof: HO

H A - O H

H OH HO +"H I

CHO CHzOH I 4 + )-Gulosa

38.20 (a) N, x 112' + N , X 19' = 52.1"

Y N , f N, = 1

en donde N es la fracción molar de cada anómero. Resolviendo, tenemos

N , = 36.2% ND = 63.89/,

(b) Predomina la forma p porque allí el grupo " O H anomérico es ecuatorial, Y no axial como en la forma a.

CARBOHIDRATOS I. MONOSACARIDOS

38.21

CAPITULO 38

H Aldosa de cadena abierta

H fl-~-An6mero

H Hemiacetal protonado

H Aldehído protonado

OH a-~-An6mero

I OH

Hemiacetal protonado

38.22 ( + )-Glucosa U A c z O Ato* AcO

Y OAc

OAc H H PPentaacetato

OAc H OAc

a-Pentaacetato

La acetilacidn de la D-glucosa no da, como podríamos haber pensado ingenuamente, un aldehído de cadena abierta, con grupos acetato desde C-2 hasta C-6. En cambio, los productos son cíclicos: la acetilaci6n no ocurre en C-5, sino en C-1, generando así las formas a y p.


I -0oc I I

Acido glioxfiico 38.23 (a) -oOC O .!!e, H '

+ I COOH-

H-C"-------l H-C-OH 1

I CHzOH

Acetal

I

CHzOH Acido o-(-)-glicérico

Estos productos son comunes a todos los metil-D-aldohexopiranran6sidos.

@) La (+)-glucosa dio el mismo ácid0 (-)-glidrico que el obtenido por oxidación del (+)- gliceraldehído.

38.24

H -C - ~ O C H j I

CHOH

"AHOH 1 O

I H -c H -&OH "I"

CHzOH

H-C-OCH3 I

2Hl01 CHO - YHO 7 CHO +

H -C

HCHO

La diferencia se detecta con facilidad: producci6n de HCHO.

38.25 (a)

COOH

CHOMe

CHOMe +>

CHOMe

COOH

I I I I

H NO

CHO

CHOMe

CHOMe

CHOMe

I I 1 I CHzOH

Acido 2,3,4-Tri-o- trimetoxiglutárico metilpentosa

I I 1- MeO-C-H Me0 -C- H

CHOMe 1 CHOH

H 20 , Me?S04 1 H+ CHOMe OH- CHOH

j

I I

CHOMe O CHOH

CH2-

Metil- 2,3,4-tri-O-

metilpentósido

Metil-pentbsido

El "OH en C-5 no se metild porque no estaba disponible: sin duda estaba formando parte del anillo y, en consecuencia, el anillo debe haber sido de seis miembros (C-1 hasta C-5, m& un oxígeno.)


38.25 I CHjO-C-H

CHOH

HC=O

H C==O I + CH30H

+ CHO

CHzOH I

38.26 (a)

coz MeOf:H + Me:f CH20Me ~~ Meo:yi$?i OH H o ~ ~ ] ~ ~

H - OMe 4 OMe t-- OMe MezS04 H- -OH

- OH H OMe H- OMe OMe O

I COOH CH2OH CHz CH20 I Acido

trimetoxiglutárico Metil-

a-D-fructósido

El -OH en C-6 se puede oxidar porque no estaba metilado: debid estar formando parte del anillo, el cual debe haber sido, por lo tanto, de seis miembros (C-2 al C-6, m& un oxígeno.)

MeOCH2 rMe -7

H

H OMe O

Me0 -

( b)

CHz" _I 1,3,4,5-Tetra-O

metil-o-fructopiranosa

38.27 (a)

espejo

MeO;'I"" 1 Hf:Le ':fe

" -

oxid. - H OMe M e 0 oxid. Me0

HTo:;e j Me0 H Me0 O

COOH CH2- J

COOH CHO

CHOMe CHOMe

CHOMe CHOMe

I I I I/ * I I

COOH CHOH -4"

I CHOMe

CH,OMe

Enantiómeros

CHoMe 1 Hz0

I

I c"

CHOMe O H +

CH (1 CHOMe

CHzOMe

I I

2,3,4-Tri-O-metil L-arabinopiranosa

CHOMe ~

CHOMe O OH-

I

I MezS04 f"----

CHOMe I

CH20Me

I I

CHOH

CHOH

CH I

CHOH I CH2OH

y-Glucósido

763


La formación de un ácido dimetoxisuccínico (sin Acid0 glukirico que lo acompde), indica un “ O H “libre” en C4. Esto significa un anillo de cinco miembros en el y-gluccisido.

_-__ ~

CHOMe COOH

CHzOH Metil-y-glucósido Acido L-dimentoxisuccínico

Opticamente activo

(c) Siguiendo el argumento de (a), mbi6n el y-fruct6sido contiene un anillo de cinco miembros, y el ácido dimetoxisuccínico proviene de C-2, C-3, C-4 y C-5.

I 1 MeOCCHzOH COOH I

w-” I

CHzOH

COOH Acido D-dimetoxisuccínico

Opticamente activo

También este ácido es ópticamente activo, y se trata del enanti6mero del &ído proveniente del y-glucósido.

38.28 La predicción que se indicaa continuaci6n para cada caso ha sido conf í ada experimental- mente.

Más estable P-D-Alopiranosa


HO

I OH H Más estable

HO

H O H

(c) Ho*oH H* H

OH H H OH OH

Más estable &D-Xilopiranosa

H H H

(d) H O N H H & F O H OH

H H OH OH OH OH H

Más estable a-o-Arabinopiranosa

H

(f!

Más estable P-L-Glucopiranosa

H

OH CHZOH

OH I

CHzOH I

OH OH

H OH

I H

H WH OH CHZOH

OH H Más estable

P-D-Fructopiranosa


CH=NOH

.to"

H -+ OH 1

CHlOH u~Galactosoxima

H+-OH

COOH Acido n-galactárico

1 ~-

CHOBz

H c OBz

(8) BzO ~~ H

BzO- ~ H O \ 1

H - ..

CHzOBr 1,2,3,4,6-Penta-O-

benzoil-n-galactopiranosa

CH=NNHPh I

C-NNHPh

COOH

H L O H

CHzOH o-Galactosazona

H ~ - - C OMC

O

CHzOH Metil-

a-u-galactopiranósido

CH20H Acido o-Galacrónico

( o su lactona)

CHOAC

H OAc

( f ) Aco -+ H

Ato+- H y -+ ' CHzOAc

1,2,3,4,6-Pcnta-O-acetil o-galactopiranosa

CH2OMe 2,3,4,6-Tetra-O-metil-

o-galactopiranosa


Me0

COOH Acido 2,3,4,-tri-O- metil-L-arabáriico

CH2OH

CH2OH Galact itol

(m) el mismo que (1)

COOH CH2OH COOH

HO- - H OH

H OH OH

CHzOH COO H CHzOH Acido o-galacdnico Acido L-galacdnico

CHO CHO CHzOH I

(1 = o c 0 CHO

H O y I

HO-- H (p) D-galactosa (9) (r) (S) HO-- H HO

H ~ O H H -OH H + I OH H +OH

CH20H ~ I

CH2OH CH2OH CH2OH D-Talosa D-Galactosona D-Tagatosa D-LiXOSa

CHO I

COOH (t) no hay reacción (U) Producto visto en la página (v )

1289 del a-anómero; de COO H

opuesta en C-l H t OH P-anómero de la configuración I

I C H 2 0 H

Acido o-glicérico

767


2. (a) MeOH, HCL.

(b) Producto de (a), Me,SO,, OH-.

(c) Producto de (b), HCl dil.

(d) Vea la figura 38.5 (pág. 1269). El material de partida indicado allí es D-glucosa, y el producto es D-manosa.

(e) Vea la respuesta al problema 38.19 recién visto.

(f) Vea la figura 38.4 (página 1268). El material de partida indicado allí es D-glucosa, y el producto es D-arabinosa.

(g) El producto (f) se trata como en las páginas 1275 y 1276.

(h) NaBH,; luego Ac,O, H'.

(i) 3 P h w ; PhCHO, H+ (fomaci6n de osona); Zn, HOAc. (Compare con la respuesta al problema 38.6, recién visto.)

(i) Síntesis de Kiliani-Fischer (Sec. 38.8): CN-, H+; $0, H', caliente; separar las dos lactonas; Na(Hg), CO,.

3. (a)Vea la respuesta al problema 38.3 (c).

(b)D-Psicosa: da la misma OS~ZOM que la D - ~ O S ~ o la ~-altrosa. D-Sorbosa: da la misma osazon~ que la D-gulosa o la D-idosa. D-Tagatosa: da la misma oSazOna que la D-galactosa o la D-talosa.

ZCICHKHO +

BrMgCECMgBr

-

H-i OH H i - - O H

H - t - O H

Meso B C cis

I O CHzCI CHz-" CHzOH CHzOH

A D

IKhInO.

CHzOH CHzOH

H H E ! + :ifH w H

H H O H

CHlOH CHzOH D-Alitol o-Galactilol

Meso Meso E y €'


CH2OH CHzOH CH20H Glucitol (o gulitol)

Racémico F

C H 2 0 H C H z O H

G - HCOlH H $:: O H + H O Hi$:

H O H O H

C H 2 O H C H 2 0 H D-Alitol D-Gdactitol Meso Meso

I y I '

I CH2OH CHzOH (b) C H ~ O H

H C / C H 9~ 1 HCO?H ~ Ht:) ::+" I

C H- H

C H

1 ! 1 C

C H

, ! I C

C I l l H

Racémico J

CHzOAc CHzOAc

A c K l z H ? , Pd H H

y C H I

CH2 CH2

Racémico K


C H ~ O A C CtizOAc C'H20H CHzOH 1

! H --~t OH

hydro1 + H + - O H H O

Ho-t H -- - -OH i CH2Br CH2Br CHzOH CHzOH

M Recémico O

Arabitol (Lixitol)

(c) Para cada uno hay dos rutas posibles.

Eritritol 1 cis 2-Rutin-1,4-diol Maferial de partida

Eritritol

(d) Adici6n nucleofílica al carbonilo.


5. ( 4

HO%H OH o "0% OH OR

a- P- P

H OR H H

CHO CHO

(b) :if;; H $H OH

COO H COOH Acid0 D-galacturónico Acido D-lllallUrÓniCo

CHzOH I

C=O I

(c) H OH

COOH I

C=O

-

H

CHzOH Acido

2-ceto-D-ghcónico

CH2OH CHzOH Acido D-glucónico Acido D-manónico

CHzOH CHzOH I H O f H -~ Hi$:: y ::$: Acido Acido Acido

CHzOH

H OH

H OH OH OH

COOH COO H COOH

5-ceto-~-gulónico L-gulónico D-manónico

CHO I

C=O COOH

1 C=O

(d) Br2(ac) ~ "O$" H OH H OH H+OH +OH

CHzOH CH2OH D-Glucosona Acido 2-Ceto-D-glucónico

771


6. El paso determinante de la velocidad implica OH- antes de la reacción con Cu2+: probablemente se trate de la separación de un prot6n para lograr la formaci6n del enodiol @Ag. 1264). (Compárese con la Sec. 25.3 y con la respuesta al problema 23, Cap. 25.)

O I /

OH I

C-H 0 + C-H --+ productos de oxidación I / I I 1

OH H' CU"

H - C --OH C-OH C-OH

Aldosa Carbanión Enodiol

@)Se conoce la configuración para C-1 y C-4.

( c )

COO t i CHO

Di-O-metil éter del CH2OMe Acido u-(-)-tart&ido

;Rt+ I , - \ OMe

CHzOH OH H Metil-a-D-arabinofuranósido

Q

8. La salicina es un azúcar no reductor y evidentemente un /%gluc6sido (es hidrolizado por la emulsina). De su fórmula (C,I-$02), la saligenina, ROH, parece ser aromática.


RO

D-glUCOSa + RÓH + mulsina H O Saligenina H 2 0 H $ g

(C7H802) H

H

CHzOH Salicina

(Se supone un anillo de p i r m s a )

Es obvio que el tratamiento con HNO, no afecta a la unidad de glucosa “la hidrólisis posterior recupera D-glucosa sin cambio“ y, por consiguiente, debe ser un grupo en R de la saligenina el que se oxida. El aislamiento de salicilaldehído indica que S610 puede estar incluida la oxidación de un -CH20H a “CHO. Conocemos ahora la estructura de la saligenina y, en consecuencia, de la salicina.

CHO H

CHzOH

Salicilaldehído HO**oc

H H H H

H

CHzOH

D-Glucosa + H Q j *” emulsina “ 2 0 Ho%o&OH

Saligenina o-(Hidroximetil) fenol H H

Salicina o-(Hidroximetil) fenil P-D-glucopiran6sido

El proceso de metilación e hidrólisis confirma la suposición de que la salicina es un piranósido y no un furanósido. (El quinto metilo de la pentametilsalicina se encuentra en el -CH20CH, unido al anillo aromAtico.)

9. Examinemos en primer lugar R y S. La aritmktica química,

C6H,406 cadena abierta saturada - CnH1706 R O S

2H faltantes; esto sigruficu un anillo

indica -no habiendo insaturacih- la presencia de un anillo. Los datos de la acetilación muestran seis “OH en R y S. y los resultados con HIO, reducen las posibilidades a los estereoisómeros del 1,2,3,4,5,6-hexahidroxiciclohexano (inositol).

773


AcO, ,OAc HO, ; ,OH

Hexaacetatos C I ~ H ~ J O I ~

En consecuencia, la bio-inonosa es UM pentahidroxiciclohexanona. Reduce la solución de Benedict porque es una a-hidroxicetona ( S e c . 38.6) No reduce el agua de bromo porque no es ni aldehído, ni hemiacetal.

HO OH HO OH R Y S , Inositoles Bio-inonosa (estructura parcial)

Benedict positivo

Pero, ~cuLd de las numerosas posibilidades estereoisom6ricas es la-bio-inonosa? Una oxidacih vigorosa de la respuesta.

O 6 ' HP

OH H Bio-inonosa

Meso

COOH 2 CHO

H 3

OH 4 +

HO H 5 4 H -

H -OH h 5 H O HO ~

C H 2 0 H COOH I COOH D-Idosa Acido Acido r.-idfirico L-Idosa

D-idárico

La reducción de la bio-inonosa da las dos configuraciones posibles en torno al nuevo centro quiral, formAnndose los diasterdmeros R y S .


O &/,/;$ __j Hy$-+&q + # J O H

O H OH HO

O H H O H H OH H Bio-inonosa Scilitol Mcsoinositol

Meso Mesa

R Y S

No es difícil resolver la configuraci6n más estable de cada compuesto.

O H

H Bio-inonosa

Meso

H H

HO

HO H H

Scilitol Meso

H

HO H Mesoinositol

Mesa R . y S

6 5 3 2 4 1 10. (a) CH20H &OH -CHOH -CHOH ~ C H O -kff+

Glucosa 6 5 4 3 2 CH2OH--CHOH- CHOH- CHOH-CHO + COZ

Arabinosa c- 1

6 5 3 2 CH20H -CHOH&HOH--CHOH { CHO -- COZ

Arabinosa c-2 R u R

6 5 3 2 C H ~ O H J C H O H ~ ~ H O H k ~ H 0 H - i CHOH+CHO ' 1 0 4

, ' HCHO + 5HCOOH

Glucosa C--6

OCH 3 CH,Ot* ~

5 4 3 2 I Glucosa --c C H ~ O H -CH--CHOH; CHOH+ CHOH CH HCOOH

1- O- I c-3 (Véuse lupúg. 1289)

775


i K M n 0 4

2 , ' OHC-:-CH3 HCOOH + CHI3

+ c 2 e 1

COZ c-3

5 4 3 2 1 2 1 (b) CH,OHfCHOH i C H O H j C ~ ~ ~ C H z O H -% HCHO + ZHCOOH + HOOC- CH20H

I 1 O c-5 c-4 y c-3 c-2 y c-1

Ribulosa

H, 3 ribulosa -= CHzOH i &OH ~i CHOHGCHOH fkH,OH

2 +

2HCHO + 3HCOOH c 5 y c- 1 c-4, c~-3, Y c-2

HCHO + HCOOH t OHC C CH NNHPh I 1 N N H P h

c 5 c 4 c-3, c-2, y c 1

Un problema algebraico: ¿puede determinar la actividad de cada posicidn individual de la glucosa y la ribulosa?

11. (a)El azúcar T es C5H,,05 y es oxidado por el Br, (x): se trata de una aldopentosa. Es lev6giro y da un hcido aldh-ico 6pticamente inactivo: debe ser o D-(-)-ribosa (IX, phg. 1275), o L-(-)-xilosa (enanti6mero de XI, phg. 1275).


:g H -

CHzOH D-( -)- Ribosa

T?

HNOJ > :f; H

COOH Acido meso-aldárico

C5Hs07 Inactivo

CHO COOH

'Z$;H HO :!$:H H

CHIOH COO H L-( - )- Xilosa Acido meso-aldárico

T? C5H807 Inactivo

El epímero de la D-(-)-&osa es la D-(-)-arabinosa (X, pdg. 1275); el epímero de la L-(-)- xilosa es la^-(+)-lixosa (enantidmero de XU, phg. 1275. El epímero de T es (-)-U. Tan sólo del sentido de su rotacidn concluimos que (-)-U debe ser la D-(-)-arabinosa, lo que se c o n f i a por su degradacidn y oxidacidn de la tetrosa resultante a kid0 (meso) tarthico inactivo. (Un tratamiento similar de la ~-(+)-lixosa hubiese dado k i d 0 ~ - ( + ) - W c o activo.)

CHO CHO

COOH CHO

H H N O ~ :#OH degradac. :$:: H OH OH OH OH

t-"

COOH CH2OH CH20H CHzOH

Acido D-( - )-Arabinosa D-( - )-Ribosa mesotar&co U T

Por lo tanto, T es D-(-)-ribosa.

H :$o,H2

CHzOH

T fosfato

CHzOH

,,Z:0,H2 H OH

CHzOH

V Meso

Inactivo

CH2OH I

CHzOH

W Meso

Inactivo

Ac20' :+- CH20Ac

OAc

OAc

H OAc

CHzOAc

X Meso

Inactivo

(c) Luego, el fosfato se ubica en al posicidn 3 de la ribosa. ¿En que punto esd unida la adenosina? El kid0 adenílico no reduce el reactivo de Tollens ni la solucidn de Benedict. ConcZusidn:queelC-l delaribosaseencuentraligadocomoenunglicdsido.Sielnitr6geno de la adenosina esd unido a un &tomo de carbono en T, debe ser al C-1 .

Finalmente, , p A l es el tamaflo anular de la unidad ribosa? Este es revelado por la secuencia usual de metilacidn, hidrdlisis y oxidacidn vigorosa.


COZ + coot 1

I 1; ::: "- oxidación

COOH Acido 2.3-di-0-

metil-mesotartárico

Utilizando la evidencia de la síntesis, llegamos a la estructura del ácido adenílico (compárese con la Fig. 41.5, pág. 1372).

Acido adenílico

12. (a)La aritmética química,

indica que la glucosa se combina con una molkcula (AA) o dos (Z) de acetona, separhdose una o dos moléculas de agua, respectivamente. Los productos son resistentes al álcali y se hidrolizan con ácido, propiedades que caracterizan a los acetales. Cada acetona reacciona con d o s 4 H de la glucosa para dar un cetal ciclico, conocido como O-isopropilideno derivado:

Glucosa Acetona O-Isopropilidenoglucosa Un cetal cíclico


La hidr6lisis de Z da AA como intermediario. Puesto que el kido acuoso es un medio desfavorable para la regeneraci6n de acetales, parece sumamente probable que el puente cetálico AA sea el mismo que uno de los dos puentes catcllicos en 2.

Ahora bien, ¿a cudes pares de carbonos de la glucosa estfin unidos los grupos 0- isopropilideno?

(b) Ni Z, ni AA son azúcares reductores Concluswn: en ambos compuestos hay un grupo O-isopropilideno unido al C-l.

(c) Z esd metilado en una posici6n. El kido rompe los cedes, pero no el Cter: permanece el grupo metoxilo. Este O-metil 6ter da UM osazona, de manera que es evidente que la metilaci6n noocurri6 N en C-1, ni en C-2. Conclusibn: en Z hay un grupo O-isopropilideno unido a C-1 y C-2.

D D CC Un agrupamiento 0- isopropilideno en Z

(d) La evidencia es igual que la de (c). Conclusibn: en AA, el único grupo O-isopropilideno se encuentra unido a C-1 y C-2.

GG FF El agrupamiento 0- isopropilideno en AA

(e) La metilación indica que C-4 estaba comprometido en el anillo acedico de FF y, por consiguiente, también en EE y AA. Concluswn: estos compuestos contienen anillos furanósicos. Conocemos ahora la estructura de AA.

CHOMe

C H 2 0 M e

2.3.5.6-Tctra-0-metil D-ghCOfUIanOSa

CH OH

1 CH - O H

I C H 2 ~ O H

A A

1.2-O-Isopropilideno- D-glUCofur¿VIoSa

CAPITULO 38 CARBOHIDRATOS I. MONOSACARIDUS

(f) HH es un ácido dicarboxílico de seis carbonos. Uno de ellos se encuentra en el grupo 0- metilo, lo que deja cinco para la cadena; los grupos carboxilo son C-1 y C-5 de la O-metil- D-glucosa, CC. Conclusion: el C 5 4 H no est6 metilado, porlo que debe estar ligado por un grupo O-isopropilideno.

El metoxilo no se encuentra en el C-1 de CC, ni tampoco en el C-2 (puente de 0- isopropilideno); tampoco se halla en el C 4 (anillo furanósico) y ahora, evidentemente, tampoco en el C-5, lo que S610 deja al C-3 o al C-6.

(g) La formación de la Glactona I1 indica que el C-5 de este compuesto y, en consecuencia, el C 4 de CC, tienen un " O H libre. Conclusion: el grupo metoxilo de CC se localiza en el C-3. Esto permite que el segundo puente de O-isopropilideno en Z solamente se halle en el C-5 y el C-6. Conocemos ahora la estructm de Z.

y su epímcro CC HR z

Una Glactona o-glucofuranosa I1 (Corno cadena abicrta) 1,2:5,6-Di-O-isopropilideno-

13. Se generan enlaces carbono-carbono; teniendo como sustratos aldehídos y cetonas, y base como reactivo, pensamos en la condensación aldólíca. Tanto el D-gliceraldehído (una aldosa), como la dihidroxiacetona (una cetosa), dan los mismos productos: la secci6n 38.6 nos recuerda que UM base puede ocasionar una isomerización "entre una aldosa y una cetona, por ejemplo.

Postulamos un equilibrio entre los dos sustratos de tres carbonos:

C H O CH--~OfI CHIOH base

H -&OH e CH-OH c- c-10 * I I I I

CHzOH Ct120H CHzOH D-Gliceraldehído Enodiol Dihidroxiacetona

Una aldosa Una cetosa

Condensaciones ald6licas simples y cruzadas dan los productos finales.


CHzOH

c=o CH2OH

I I

(7 c=o I I

H-C-OH

CHIOH

CHzOH

c-o I I

F H Z o H I

HOCH2"C"O I

CHzOH

C = O

cond. aldól, H0"C-H

I I

_____f I I I

H--C-OH

H--C-OH

CH20H o-Fructosa

CH2OH

c=o cond. aldól. I ____, H-C-OH

HOCHz- C-OH I

CHzOH

CHzOH

c - O I

t I I

H --C -OH

HO- C- H

H-7- OH

CHzOH o-Sorbosa

CHzOH

c- o + HO 4- H

I I I I

HO-C-- CHzOH

CHzOH I

CH2OH DL-Dendrocetosa

14. La hidrólisis se asemeja a una S,], con la separación de un catión especialmente estable: no es un cartmatión, sino un ion oxonio.

I-" H " m +OH

0 HC--OPO,H2 'HO HC-OPOiHz "+ -0POjHz + H C + Glucosa I I I

I 1 - H &

Glucosa-1-fosfato Acetal protonado Fosfato Aldehído protonado Ion oxonio

15. (a) La seaal a campo bajo se debe al protón en C-1, desprotegido por dos oxígenos.

(b) Nuestra interpretación (basada en el Cap. 16) sería: KK tiene un "H ecuatorial en C-1 (selIal a campo m& bajo); JJ tiene protones anti (axial, axial) en C-1 y C-2 (mayor valor de J). Sólo en panómero se encuentran los protones en C-1 y C-2 (runs, capaces de estar axial, axial. Esto nos conduce a las estructuras siguientes:

H o-Tetra-O-acetilxilopiran~a

AcO OAc AcO / - H OAc

H H H OAc

JJ

/3-Anómero H axial en C-1

Protones anti en C-I, C-2

K K

a-Anómero 4 ecuatorial en C-l

Protones oblicuos en C-I, C-2


Nos encontramos con que cada conformación es la que esperaríamos que fuera la m& estable para el anbmero particular. En el j%anómero, el efecto anomérico es m& &bil que el efecto estérico (piíg. 1295): hay cuatro "OAc ecuatoriales. (En el a-anbmero, el efecto anomérico simplemente refuerza al esdrico.)

(c) Nuestra interpretación: MM tiene un -H ecuatorial en C-1 (sefial a campo m k bajo); LL tiene protones anti (axial, axial) en C-1 y C-2 (mayor valor de J). Una vez m& S610 en el Panómero pueden estar los protones axial, axial en C-1 y C-2.

D-Tetra-O-acetilribopiranosa

LL 0-Anómero

4 1 axial en C-P Protones anti en C-I, C-2

M M a-An6mero

Efecto anom'rico (Sec. 38.20)

En el panómero, el efecto anoménco es m k débil que el estérico: tres de los cuatro - OAc son ecuatoriales. En el a-anómero, en el que hay dos "OAc ecuatoriales en cada una de las conformaciones, el factor decisivo es el efecto anomérico.

(d) Comencemos esta vez dibujando la que suponemos sea la conformaci6n m h estable de cada compuesto.

D-Penta-O-aretilmanopiranosa H H

AcO ---l. - H AcO 1 OAc

H OAc H H NN O0

a-Anómcro 4 ecuatorial en C-I

Protones oblicuos en C-I, C-2

0-Anómero "H axial en C-I

Protones oblicuos en C-1, C-2

o-Penta-O-acetilglucopiranosa H H

A c O W ? C H ~ O A C A c O m 1 CHzOAc

AcO, /,H AcO OAc OAc OAc

M OAc H H

QQ P P

a-Anómero P-Anómero "H ecuatorial en C-I -H axial en &-I

Protones oblicuos en C-1, C-2 Protones a d en C-1, C-2

782


Podemos asignar con facilidad una estructura a ("H ecuatorial) a NN (6 5.97) y QQ (65.99), y unaestructurap ("H axial) a O0 (6 5.68) y PP (6 5.54). Solamente uno de los cuatro anómeros, el derivado de lapglucosa, tiene protones anti; en C-1 y en C-2; sólo PP tiene un valor elevado para J , la constante de acoplamiento. Por consiguiente, el derivado de la@-glucosaes PP, y su anómero, QQ, debe ser el derivadode lapglucosa. Por necesidad, entonces, NN es el derivado de la pmanosa, y O0 es el de la Fmanosa.

CH3 CHZCOOH 2-\

CH3 I

I I I / \

CH H-C O

CH3-C, C=O CH2

Lactona

CH3 I /cy

1 CH2

syn- HOCH O I I HO-C, C-O

H 3c R R

6

CH3 I 4 , \

CH HOCH 'O

I I HO-72 >CHOH

H3C

Micarosa Estereoquímica no

considerada

(Solamente el isómero 2 del material de partida es capaz de formar una lactosa.)

(b) La hidroxilación syn (i) del enlace doble en el compuesto cíclico da un cis-diol; por consiguiente, en RR y la micarosa, los " O H en C-3 y C-4 son cis. La gran constante de acoplamiento (ii) indica que C,-H y C,-H son anti (axial, axial) y, p o r lo tanto, trans entre sí.

(c) La configuración absoluta en tomo a C-5 está determinada exactamente como se hizo para la D-glucosa (Sec. 38.17).


h

CH 3 I

(iii) CH HOCH O

4’ 5 \

I I

H3k CH2

HO-C: i C H O C H 3

Metil-micarósido (Con base en (i),

recién visto)

CH3 CH3 H I I

I F H

I ‘,&2

CH

H I 0 4 o=c o o-c CHOCH3 o=c CHOCH3

KMn04 HOOC’ ‘ O

i ~

H 3c H3C 1 ‘c&

SS TT

H + l H 2 0

H

HOOC-~-OH

CH, Acido L-láctico

(Acido (S)-láctico)

(d) Haciendo uso de la informacidn acopiada hasta aquí podernos escribir:

CHO

H

O H HO O HO HO H

HO H

CH3 CH3

L-(-)-Micarosa Cadena abierta (P-anómero)

Puesto que el “ O H del carbono quiral rn6s bajo se halla a la izquierda, la (-)-micarosa pertenece a la familia L.

La magnitud de la constante de acoplamiento (J= 9.5-9.7 Hz) entre C,-H y C,-H indica que estos protones son axial, axial. Partiendo de allí, llegamos a la siguiente conformación preferible:

H

HO,

H OH L-(-)-Micarosa

Descartando momentheamente C-1, observamos que en esta conformaci6n son ecuatoriales tres de cuatro grupos voluminosos; esta conformaci6n es la que hubikemos esperado que fuera la más estable.


(e) El pico acampo bajo se debe, desde luego, al C,-H. En el a-an6mer0, el C,-H es oblicuo con respecto a ambos H del C-2. La sella1 esd dividida en un triplete con un valor bajo para J, como efectivamente se observa.

a-Anómero

,o.r+ OH

-mcH1 H OH

H 7

A/ 1 J pequeño

P-Anómero

En el jl-anómero, el C,-H es oblicuo a uno de los C,H y and al otro. Esperamos dos seflales para el C,-H, cada una un doblete. Habd dos valores para J uno pequeflo, comparable con el de 2.4 Hz del a-anómero, y el otro mis grande.

(0 Observamos aquí el tipo exacto de espectro de RMN recitn predicho. Es obvio que la micarosa libre se encuentra preferentemente en forma del pan6mer0, tal como se acaba de ilustrar en (d).

17. (a) El efecto anomtrico @Ag. 1295) estabiliza al a-anómero en relacidn con el p.

Ho+ H

OH H OCH3

Metil-a-D-glucósido Anómero favorecido

(Observucidn: Aquí no estamos analizando meramente cu&l conformaci6n de un compuesto en particular es m L estable: Estamos analizando cud compuesto -el an6mero a o el j3- es el mis estable. Nuestra interpretación es la siguiente: es mis estable el an6mero a que el p, porque la conforrnaci6n preferible del a es mis estable que la preferible del B.)

785

CAPITULO 38 CARBOHIDRATOS 1. MONOSACARIDOS

(b) Es evidente que se trata de un efecto similar al anomkrico. La repulsih entre los dipolos asociados a los oxígenos anulares y los enlaces C-CI favorece la confomaci6n diaxial.

CI tranr-2,5-Dicloro-l ,.l-dioxano

Conformacih favorecida

Tetra-O-acetil-/% L-arabinopiranosa

U H OAc I

AcO o AcO

18. (a) "-0 '

I OAc H OAc OAc H OAc H

Dos -0Ac axiales Dos-OAc axiales I I1

Dos -0Ac ecuatoriales Dos-OAc ecuatoriales Favorecida por el efecto amm'rico

H H

I OAc i OAc H OAc H

I -d I I-d c : u = 0.5: 1 e : u = 2 : 1


para una mezcla 5050 de I-d y 11-d. La proporci6n e:u observada de 1.46: 1.00 indica que la conformaci6n predominante (78%) es la 114, en la que el C,-OAc es axial. Es evidente que el factor decisivo es el efecto anom&ico.

e-OAc 1 2 1.46

OAc total 3 3 1.46 + 1.00 = -NI + -NI1 =

39

Carbohidratos 11. Disacáridos y polisacáridos

39.1 H

CH20H

HO *- iónp

OH

OH H H

fl-Maltosa

Las configuraciones de la a- y pmaltosa difieren tan sólo en el C-1 de la unidad de glucosa reducible. (Si ambas mitades glucósicas estuviesen unidas por un enlace p, el compuesto no sería maltosa, sino celobiosa.)

39.2

Me:$:: Me0 . F e H + Acido di-O-metil- L-tartárico

COOH

CH20Me Acido metoxiacético

I

COOH

H

H

CH20Me HT:e + H ;_“:Me

CHzOMe Acido 2,3,5,6-tetra-O-rnetil-

D-glUCÓniC0 COOH Acido metoximalónico Acido di-O-metil-

D-glidrico

CAPITULO 39

39.3

CARI3OHIDRATOS IT. DISACARIDOS Y POLISACARIDOS

M C O "

M C O

39.4

39.5

39.6

39.7

790

..J,', , - "" t l 6

1,-glucusa

~ O M e ' ( H 2 0 M e ~ + t i o ~ . & -~ !L<)

%Id) ,$ ""-i OI\.lC ~ ('t1,OMc '1 h

+ '1- o M e 0 ' 1 1 0 '4' S Y 2 I

f { li M e 0

~ 7 I t.. OH

(/%ani,nrcro) ~ ~ " M e 0 11 11

2.3.6-Tri-O-metil- I,-gluc~K+

Aparte de saber, por supuesto, que la maltosa es una glucosilglucosa, sabríamos que la unidad de glucosa no reductora contiene un anillo piran6sico. Sin embargo, nos falm'an datos acerca de la unidad reductora: su tamaílo anular y el punto de unión del enlace glicosídico. Este podría scr cl correspondiente a una~-glucopiranosa-4-O-sustituida, o bien podría ser una ~-glucofuranosa-5-O-sustituida.

La oxidación previa a la metilación e hidrólisis abre el anillo hemiacetálico. Así, la única posición no metilada debe ser el punto de unión; sabiendo esto, podemos deducir el tamafio del anillo.

Vca la figura 39.5, página 792 de esta Guía de Estudio. Luego de perder dos carbonos, el C,-CHO queda sin " O H en posición ulfa (esto es, sin

" O H libre en CJ, de modo que ya no es posible la formación de una osazona. Esto demuestra que ambos anillos están unidos en el C-4 de la mitad reductora de la maltosa.

La probabilidad de romper la unión glicosídica es mucho menor, y por lo tanto es menor la formación de monosacáridos.

Todo igual a la figura 39.1 (prig. 1303), excepto que hay una unión glicosídica p en las tres primeras fórmulas. L o s productos finalcs son idhticos a los que se obtienen con (+)- maltosa.

(a) Similar a la figura 39.1 (pág. 1303), excepto que se comienza con lactosa: hay una unión glicosídica p, y el C-4 de la mitad no reductora tiene la configuración opuesta. Los monosacáridos metilados finales son:

CHO COOH

H OMe I ~4 OM^

M e 0 4 H M d - 1 - H

Me0 - ~ $ H H / - O H

H -1- OH H --t. OMe i CHzOMe CH20Me

2,3,4,6-Tetra-0-metil- Acido 2,3,5,6-Tetra-O-mctil o-galactosa o-glucónico.

CARBOHIDRATOS II. DISACARIDOS Y POLISACARIDOS CAPITULO 39

5 H T O H 5 COOH

6 CH20Me 2,3,4,6-Tetra-O-metil- Acido 2,3,4-tri-O- Acido di-O-metil

D-galactosa metil-l.-arabinárico L-tartárico (O L-lixárico)

I 1 COOH

HNO, "-f 3 M.+H 4 H OH 4 COOH COOH 4 5 H OMe HfOMe 5

6 CHzOMe CHlOMe 6

Acido 2,3,5,6-tetra-O- Acido Di-O-metil- Acido Di-O-metil-

+

metil-o-glucónico L-tartárico D-glicérico

1 -2c V

H - W o q $ HO OH

OH H H H

$H20H

1 hidról.

H*oH + "o-% o H T : H

H +OH OH HOCH, -OH

D-Galactosa D-Eritrosa

I

H H CH2OH

CAPITULO 39 CARBOHIDRATOS II. DISACARIDOS Y POLISACARIDOS

OH

Figura 39.5 Reacciones del problema 39.4.

39.9 (-92.4 + 52.7 )I? = -19.9'

Se divide entre 2, puesto que g/ml se basa en el peso combinado de los dos compuestos (isoméricos).

39.10 Habría dos uniones glicosídicas y, por consiguiente, pérdida de dos molcs de agua:

C6Hl I0 , + C 6 H 1 2 0 , - 2H:O = C,:HziiOlo

Seria un azúcar no reductor.


39.12 (a) Los monosachridos metilados de la sacarosa son:

Me0 Hf;; H

H

CH2OMe

2,3,4,6-Tetra-O-metil- D-glUCOSa

CH20Me I

CHZOMe

1,3.4,6-Tetra-O-metil1- D-fructosa

(b) 1 CHO 1 COOH COOH 1

4 Me!$!:: "-L HNO i Me:" O Me + Me0 H 3

COOH 4 5 H OH COOH

6 CHzOMe

2,3.4,6-Tetra-O-metil- Acido 2,3,4-tri- Acido Di-O-metil- D-glucosa O-metilxiláriico L-tartáriico

1 CHzOMe I I

2 c=o HNO, COOH 2

4 H 3 "eo$-.. ' Me:# H 3

OMe 4

5 H OH COOH 5

6 CHzOMe 1,3,4,6-Tetra-O-meti11- Acido Di-O-rnetil-

D-fI'UCloSa D-tartárico

39.13 Una ruptura - long. promedio 2000 1/4000 o 0.025% enlaces rotos

Tres rupturas - long. promedio lo00 3/400 o 0.075% enlaces rotos Nueve rupturas long. promedio 400 9/4o00 o 0.225% enlaces rotos

39.14 (a) Los grupos m& grandes ligados a cada anillo son las otras unidades de glucosa de la cadena. Una u otra de ellas tendría que ser axial en una conformaci6n de silla.

(b) En una conformaci6n de bote retorcido, aquellas se encontrarian en posiciones cuasi- ecuatoriales (como lo estaría tambiCn el <%OH del C-5): por ejemplo, en las posiciones marcadas 1,4 y 5 en el dibujo que aparece a continuaci6n. (Compdrese con la Sec. 12.1 1 .)


39.15 (a) Como indica la f6rmula estructural ilustrada en la phgina 1313 obtenemos 3 moltkulas de HCOOH (y una de HCHO) por molkula de amilosa:

1 HCOOH de la unidad no reductora terminal, ningún producto de deg1adaci6n pequeflo de unidades no terminales; 2HCOOH + 1 HCHO de la unidad terminal reductora.

(b) moles HCOOH/3 = moles amilosa

peso amilosa/moles amilosa = p.m. amilosa p.m. amilosa/peso (de 162) por unidad = unidades de glucosa por molkula de amilosa.

de glucosa

2,3,4-Tri-O-metil-

Producto principal D-glucosa

Uniones en c-1 y c-6

H Unidad terminal

de la cadena

” H OH

H O H H 2,3,4,6-Tetra-O-metil-

D-glucosa Unión en C-1

H 6 6 \ Unidad

C H 2 0 H H CH2O l i ligadora ”” H .6- H O -,%YAo\) +.-O. de cadenas

l.!. __ H

OH i M e 0 H OH H 0-

H

2.4-Di-O-metil- Uniones en D-glucosa e-1 , c-3, c-6

El dextran0 es un poli-a-~-glucopiran6sido.

Unidad integrante (formadora) de cadenas: se enlaza en C-1 y (2-6. Unidad terminal de cadenas: se enlaza en C-l. Unidad ligadora de cadenas: se enlaza en C-1 , C-3 y C-6.


Así, una parte importante del dextrano consta de cadenas a-glucosídicas sencillas, cuyas unidades se unen entre s í mediante enlaces entre C-1 y C-6; sin embargo, de vez en cuando se ligan entre si dos de estas cadenas por medio del C-3. EsquemAticamente, es algo como esto:

Un dextrano

39.17

M e 0 OH H O de cadenas

H H H H 2,3-Di-O-metil- Uniones en

D-xilosa c-I y c-4

Unidad terminal

de cadenas M e 0

M e 0 OH H O 0 ,

H H H H 2.3.4-Tri-O-metil- Unión en C-1

D-xilosa

H H H H 2-O-Metil D-XilOSa Uniones en

c-1, c-3 y c-4

El xilano es un poli-p-~-xilopiran6sido.

Unidad formadora de cadenas: uni6n en C-1 y C-4. Unidad terminal de cadenas: enlace en C-l. Unidad ligadora de cadenas: uniones en C-l. C-3 y (2-4.


Una parte importante del xilano consta de cadenas sencillas pxilosídicas, cuyas unidades se unen entre sí mediante enlaces entre C-1 y C 4 ; cada cierto trecho se unen dos cadenas entre sí mediante un enlace que implica al C-3.

Un xilano

39.18 (a) No reductoras. No hay unidades de glucosa terminales y,por consiguiente, ningúngrup carbonilo "libre".

(b) SÓ10 D-(+)-glUCOSa.

(c) Solamente 2,3,6-tri-O-rnetil-o-glucosa,

(d) Nada de formaldehído ni ácid0 f6rmico.

(e) P.m. = 162. In, en que 162.1 es el valor para un residuo de glucosa, y n es un número entero

39.19 Asoma el grupo polar S O , -Na+. El anillo bencknico no polar queda sujeto dentro de la cavidad lipofdica.

39.20 Cada ciclodextrina es precipitada por el compuesto cuyo tamailo se ajusta a su cavidad. En orden de tamaflo creciente, son: a-ciclodextrina por el ciclohexano, Pciclodextrina por el fluorobenceno y y-ciclodextrina por el antraceno.

39.21 En cuanto al ajuste dentro de una cavidad de ciclodextrina, podemos percatamos de que los isopropiltoluenos isoméricos son de tamaíbs diferentes; el m& pequello es el para, mientras que el más grande es el meta. Podríamos pensar en separarlos mediante el empleo sucesivo de ciclodextrinas de tamailos distintos: la mAs pequefia para convertir en complejo el isómero pura, UM más grande para el orto, y una aún mayor para el meta.

7%


1. MeO%oH MeO*$v

M e 0 M e 0 OH

M e 0 M e 0 H H H H

2, 3, 4, 6-tetra-O-metil-~-glucosa 2, 3,4,-Tri-O-metil-~-glucosa

t t -".

H H O

H H H H

H CHzOH H

Ho-:::::;;.l\:* H HO. OH

H H 6-0- (PDGlucopiranosil)-D-glucopiranosa

(panórnero) (+)-Gentiobiosa

2. (a) La trehalosa es un azúcar no reductor: las unidades de glucosa deben estar unidas mediante un enlace C( I)-€( 1). Solamente es hidrolizada por maltasa: la uni6n glicosídica es ulfa respecto a cada anillo. El " O H del C-5 no esd metilado: los anillos son piranosas.

H H

-D~luWpUallOSfi-Cl -D-glucopiranósido Trehalosa


(b) La isotrehalosa es hidrolizada ya sea por la emulsina o por la maltosa: la unión glicosídica es alfu en un anillo, y beta en el otro. En la neotrehalosa, es beta en ambos anillos.

H H

a-o-Gluwpiranosil-~D-glucopiranÓsido Isotrehalosa

P-o-Glucopiranosil-PD-glucopuanósido Neotrehalosa

H

H H

Los datos proporcionados dejan dos preguntas sin respuesta. (i) ~Cu6l " O H de la alizarina participa? Metile el Acid0 ruberitrico, hidrolice y vea cuál " O H no esd metilado. (Las uniones glicosídicas se rompen en condiciones que no afectan las uniones eter fenólicas.) (ii) Las uniones glicosídicas (entre la alizarina y el C-1 de la unidad de glucosa, y entre el C-6 de la unidad de glucosa y el C-1 de la unidad de xilosa), ¿son uva o beta? Estudie la hidrdlisis enzimAtica del kido ruberímco y de la primeverosa.


4.

Rafinosa

5. (a) Vea la figura 39.6, página 800, de esta Guía de Estudio. En la melezitosa, la unidad a- D-glucopiranosilo (prueba de la maltasa) está ligada al C-3 de la unidad de fructosa de la sacarosa (no hay metilación del C,-OH de la fructosa).

(b) CHzOH CH2OH

I i

- -O CH

CHOH

CHOH O CH

A H 2 A CH2OH

I CHOH

Nada de HCHO Nada de IICIiO Piranosa Furanosa

D e la unidad de fructosa

0 -.-C H ~ ~-

CHOH I

CH- -

CH2- CH2OH CH20H 1

Nada de NCHO Nada de HCHO 1 de HCHO

CHOH I

Septanosa Piranosa Furanosa D e la unidad de glucosa


1-Sacarosa 1

L H U'

H

Glucosa Ho w:/L HO Fructosa J

H

I Turanosa I Melezitosa

1

CH2OH

6

OH H

O

Figura 39.6 Melezitosa y turanosa (problema 5a).

-o-7H-l CHOH "I"

(c) 2 "i" CHOH I 6H104 z 4 HCOOH CHOH "I" CHOH O

I

CHI" Heptanosa


CH2OH Piranosa

3HIO,(septanosa) + 2HIO,(piranosa) = 5HI0, 2HCOOH(septanosa) + lHIO,(piranosa) = 3HCOOH

(e)2HI04(piranosa) X 2 = 4HI0, lHCOOH(pkanosa) x 2 = 2HCOOH

(0 Ambosanillos de glucosadeben serpiran6sicos, puesto que realmente S610 se consumieron 4HI0, y $10 se formaron 2HCOOH.

CHzOH I

CHzOH I -o-c"---- I 1 I 1

--,O- CH I

-O-CH - - O - C H

(€9 CHOH 1 nuda de HCOOH CHOH O ~ ~- Hi01 ~

"I" I no

CHOH O CH __-I hay reacción , I

CH

Piranosa CHzOH

Furanosa

(h) La unidad de hctosa debe tener un anillo de furanosa: todo el HI04 fue consumido por las unidades de glucosa (4HIOJ, de modo que el anillo de fructosa no pudo haber consumido HIO,.

(i) Son perfectamente concordantes, como lo demuestra el examen de la estructm indicada en (a).

H 0- Unión en

H

c-1 y c-6 c-1 y c4 c-l


o bien

H \ Estructura real

H

H

(Se suponen conformaciones de silla) H Panosa H H

(b) La panosa debe tener la segunda de estas estructuras, puesto que la unidad de maltosa debe incluir la unidad de glucosa oxidable (y reducible).

La isomaltosa es semejante a la maltosa, salvo que la unión es mediante el C-6 y no a través del (2-4.

H I C H 2 0 t i H

~0'- .\ 1 H H O -. .

H 1 OH < ' o

H I

6-~-(a-~-Glucopuanosil)-~-glucopiranosa Isomaltosa


(c) Esto confirma la estructura ramificada de la amilopectina @Ag. 1314).

r H

Isomaltosa I

I Maltosa I

Amilopectina

H H Y H O

H-COH H 1 COOH ti

H 'OH ~

H

803


8. (a) El arabano es un poli- L -arabinofuranósido.

CHzOMe

2,3,5-tri-O-Me

I

CHO

H /::Me

H - - O H

CHzOH

Me0

2.3-di-0-Me

h

CHzOH

3-O-Me

T

Unidad terminal de cadena Unión de

C-I

Unidad formadora de cadenas Unión de c-I y c-5

Evidentemente, contienen numerosas ramas de dos unidades:

Unidad ligadora de cadenas Unión de

c-I, c-2 y c-5

Un arabano

(b) El manano es un poli-D-manopiranósido. (Vbse la fig. 39.7, pág. 805 de esta Guía de Estudio.)

Tiene ramas de UM sola unidad ubicadas (en promedio) cada tercera unidad formadora de cadena. Si suponemos un máximo de regularidad en su biosíntesis, podría- mos llegar a algo como lo siguiente: tres unidades distintas alternan regularmente a lo largo de la cadena; las que están unidas mediante C-1 y C-6 generalmente (pero no siempre


CHO H

H H CHzOMe

Unión en C-I Unidad terminal de cadena 2,3,4,6-tetra-O-Me

CHO CHO

H-J-OH I CH20Me

2,4,6-tri-O-Me

f

H o t - H

M e 0 t- H

H "i O H O M e

CH20Me I

3,4,6-tr1-0-Me

f I

CHO

Me0 -4-H

MeO- j -H

: g e

CHzOH 2.3.4-tri-0-Me

1.

H O % $ X Y O \ HO%Ok HO% ;;i H

HO, .L "O, H H H

H H H H H H H H

Unidades formadoras de cadenas Unión en C-1 y C-3 Unión en C-1 y C-2 Unión en C-1 y C-6

CHO

H Unidad ligadora de cadenas

Unión en C-I, C-2, C d Figura 39.7 Un manano: metilacibn, hidr6lisis (problema 8b)

"como lo atestigua la pequefla cantidad de compuesto 2,3,4-tri-O-metil-) se ramifican en el C-2.

Un manano


9. HOOC(CH,),COOH N C(CH,),C= N +- Ch

F E Acido adípico ChH8N2

D c B C4HsO C4H.40

Tetrahidrofurano Furano THF (Sec. 3 5 . 2 )

,- COOH

O A

C~H403 Acido furoico

Todo esto no revela el punto de uni6n del "CHO al anillo del furano. Puesto que aquí el furfural se forma de una unidad de pentosa con cadena abierta, parecería probable que la unión sea en la posición 2. (En realidad, asíes.) Podemos imaginar que sucede algo como esto:

Un éter Un di (enol) Una pentosa

10. (a)El acido alginic0 es un kid0 poli(~~-manur6nico), con unidades ligadas en C-1 y en C-4

CHO

~H H , I ('0011 H ti

Acido 2.3-di-O-metil- D-manurónico

Uniones en C-1 y C-4


(b) El acido péctico es un ácido poli(-D-galacturónico), con unidades enlazadas en C-1 y C-4.

M e 0 ~~ H

HO 1-H ' H OH

COOH

Acido 2,3-Di-O-metil- o-galacturónico

(c) El agar es un poligalactopiranósido.

ti o " Uniones en C-1 y C-4

4

t l O i S 0

La mayoría de las unidades son de D-galactosa, con uniones en C-1 y C-3. Alrededor de cada décima unidad corresponde a L-galactosa, esterificada con ácido sulfúrico. Esta unidad se halla ligada ya sea mediante C-1 y C-4 con sulfato en C-6, o bien, por medio de C-1 y C-6 con el sulfato en C-4. (Tambi6n es concebible que contenga un anillo de furanosa, con el enlace en C-6 y el sulfato en C-5, o viceversa.)

11. Este polisacárido capsular es un ácido poli(celobiur6nico) con anillos piranósicos, y con uniones formadoras de cadena en C-1 y C 4 de las unidades de D-glucosa, y en C-1 y C-3 de las unidades de ácido D-glucorónico. (Vtase la fig. 39.8, pdg. 810 de esta Guía de Estudio.)

807


HCOOH

O H C -

HOOC

CHzOH 1 / O \ ) OHC.

\ CHO

G

O

H


CH,OH

H

r

\ COOH

H

1H:O. H +

Producto en cantidad despreciable

CH,OH Acido o-eritrónico

H I

0-C-COOH Acido glioxílico

J

1 H I + HO ~-C-COOH I COOH

Producto en cantidad despreciable

13. (a) HCHO 4

.1 HCOOH

HCOOH Celulosa

Se formm'an 3HCOOH (y 1HCHO) por molkula de celulosa: 2HCOOH de la unidad terminal reductora, y lHCOOH de la unidad terminal no reductora.

(b) Vea el problema 39.15 (b), sustituyendo la celulosa por amilosa.

( 4 0.0027/3 = 0.0009 mmol celulosa

p.m./162 = 203'0'0009 = 1390 unidades de glucosa por molécula

203 mg/0.0009 mmol = p.m. celulosa

162


f

1

Figura 39.8 Polisaciirido capsular: metilaci6n, hidr6lisis (problema 11).

14. (a) El hipoclorito de t-butilo protonado actúa como fuente de cloro positivo, el cual se enlaza al anillo en una sustitución electrofílica aromhtica típica (Sec. 14.11).

0 /' H

f ArCl + H

(b) Podemos justificar la regioselectividad con base en argumentos puramente estkricos. El grupo fenilo del anisol es retenido en la cavidad lipofílica de la ciclodextrina, de donde


sobresale el --OCH.@ar. De esta manera, las posiciones orto esth protegidas contra un ataque,mientrasquelaposici6nparuseencuentraexpuestaenelotroextremodelacavidad.

Parajustificarelaumentodelavelocidadenlaposici6nparu,debemosespecularunpoco miis. Tal como HOC1 convierte el t-BuOH en t-BuOC1, asi tambih convierte un “ O H de la ciclodextrina en “ o c 1 . Este grupo, situado sobre el borde de la olla ciclodextrínica, se encuentra en laposici6n precisa para transferir cloro positivo a la posici6npru cercana del anisol. De esta manera, la velocidad acrecentada es un efecto de grupo vecino.

(c) La cloraci6n se realiza mediante el 4 1 ligado a la psici6n C-3. Esto significa que la posici6npuru del anisol se halla cerca del borde “superior” de la olla, donde se encuentran los hidroxilos C-3 (Fig. 39.4 p a . 13 16) y que el grupo 4% tiene que sobresalir a mv& del “fondo”.

(Breslow, R., “Biomimetic Chemistry” Chem. Soc. Revs., I , 573 (1972).)

Aminoácidos y proteínas

40.1 -NH2 > -COO

El protón va al " N H , : H,NCHRCOO- + H + - 40.2 "COOH > -NH3'

El prot6n abandona el "COOH: "COOH: +H,NCHRCOOH

+ H3 NCHRCOO-

"-f H + + +H3NCHRCOO-

40.3 El Kb para minas aromhticas es bastante pequeilo: &el orden de lWo. (El grupo "COO-, con Kb lC9, es en realidad una base ligeramente m& fuerte que un -qaromAtico.) Como resultado, el "NH, no es neutralizado por el "COOH. En cambio, el -SO,H es un hido fuerte y puede neutralizar un grupo -qaromAtico.

(b) Acile los amindcidos en soluciones fuertemente alcalinas, en las que el componente principal, H.JKIi&COO-, contiene -m,.

CAPITULO 40 AMINOACIDOS Y PROTEINAS

40 .S

40.6

40.7

40.8

(a) En el lado ácido. La ionización del "COOH adicional (K, -10-3 ha de ser reprimida por un exceso considerable de H'.

HOOC"H--COO- a H + + ~OOC---CH-COO- I

NH,' NH3+ Especie neutra

(b) En el lado básico. La ionización del -NH, adicional (K, -10-4) para dar OH- debe ser suprimida por un exceso considerable de OH-.

+H3N-CH-COO- t H z 0 e OH" + -H,N-CH-COO- I

N H z N H 3 + Especie neutra

(c) Son más ácido y más básico que para la glicina.

El álcali, el ácido sulfanílico, p-+%NC,H,SO;, proporciona un prodn al OH- para formar un sulfonato soluble en agua, p-H$'C,H,SO,-. Pero los ácidos sulf6nicos son ácidos muy fuertes, y correspondientemente, los aniones sulfonato son bases dtbiles; en soluci6n ácida, el grupo "SO; no acepta un protdn, de modo que el kid0 sulfanílico no sufre cambio.

Utilice la migración diferencial en distintos valores de pH; o bien, emplee diferencias de solubilidades en valores de pH distintos; o bien, precipite aminoácidos &idos, como las sales de ciertas bases, y aminoácidos básicos, como las sales de ciertos ácidos.

(-)-Cisteína y (-)-cistina.

En todos los aminoácidos, el H tiene la menor prioridad y el y tiene la más alta. En la mayoría de los aminoácidos, el C=O tiene prioridad sobre R debido a que el O está a dos lugares del centro quiral. Pero en la cisteína y en la cistina, R contiene a S, el cual est4 a dos lugares del centro quiral, y esto da prioridad a R sobre el C= O. La prioridad inversa de estos dos grupos provoca un cambio en la especificación de S a R .

40.9

coo ~ coo ~ coo ~ coo CHO CHO I I

+ H j N - C - H "O - L - H I H-OH

I CH3 CH3 c H 3 CH3 C H 2 0 H CH20H

L-treonina Treosa (L con base en el C-2) (Sec. 38.12)

AMINOACIDOS Y PROTEINAS CAPITULO 40

40.10 Cis-Cis: un meso, un par de enanti6meros, Hil: dos pares de enanti6meros: Hip: dos pares de enanti6meros. Ile; dos pares de enanti6meros.

40.11 Amonólisis directa (como en la pág. 1331).

CH2COO- +" CHjCOOH I ' NH, Acido acético

Glicina

CH3CHCOO- f- CHjCH2COOH I

+ NHA Acido propiónico Alanina

(CH,),CHCHCOO- t- (CH,),CHCH,COOH I

+ NH, Acido isovaleriánico

Valina

(CHj)2CHCH2CHCOO- t- (CH3)2CHCH,CH,COOH I

Leucina ' NH, Acido isocaproico

HOOCCHzCHCOO- f- HOOCCH2CH2COOH I

'NH3 Acido succínico

Acido aspártico

Síntesis de Gabriel (como en la Hg. 1331).

CH2COO- C- CICHzCOOEt I

'NH, Cloroacetato de etilo

Glicina

(CHj)2CHCH,CHCOO- t- (CH3)2CHCHzCHCOOEt I I

+ NH, Cl Leucina Acido a-cloroisocaproato de etilo

Síntesis malónica (como en la phg. 1331).

(CH3),CH-CHCOO- c-- (CH&CHBr I

Valina +NH, Bromuro de isopropilo

CH3 I CH 3 I CH,CH,CH-CHCOO- + CH1CH2CHBr

I ' NH3 Bromuro de sec-butilo

Isoleucina


Método del &ter ftalimidomal6nico (como en la pslg. 1332).

HOCH,-CHCOO ~ t- HCHO, OH ~ (condensación aldólica) I

+ NH, Serina

HOOCCH2CH2---CHCOO- f- EtOOCCH,CH2Br 1

+ NH, P-Rromopropianato de etilo Acido glutámico

HOOCCHZ-CHCOO- + EtOOCCH,Br I

+ N H j Bromoacetato de etilo Acido aspártico

40.12 La síntesis de Strecker convierte un aldehído en un a-aminonido:

CHjCHCOO- t-- CHjCH-CN +*- CHjCHO HzO. H + CN-

I I + N H I Alanina

CHjCH,CH(CHJ)CHCOO- t 1

'NHJ Isoleucina

NH2

CH2CO0 c- HCHO (de Me OH) I

+ N H I Glicina

(CH,)2CHCH*CHO (CH,),CHCH,CH20H Alcohol isopentílico

(CH3)zCHCHCOO- t- (CH3)zCHCHO t- (CH,)aCHCHzOH I

+ NH, Valina

Alcohol isobuulico

816


+ NH3 Leucina

(b) CHjCHCOO ~ f- CH3COOEt en lugar de isovalerianato de etilo

+ NH, Acetato de etilo Alanina

HOOCCHzCH2CHCOO ~ C- Et00CCH2CHzCOOEt en lugar de isovalerianato I

+ NH, Succinato de etilo de etilo Acido glutámica

40.14 (a) H2NCH2COO-Na+ (b) CI- +H,NCH,COOH

(C) PhC"NHCH2COOH (d) CH3C"NHCHzCOOH

O / I

O I I

(e) HOCH,COOH + N, (f) HS04- 'H3NCH2COOEt

(8) PhCH20C"NHCHZCOOH (Cbz-Gly) I 1 O

40.15 (a) PhCNHCH,COCI I I O

(b) PhCNHCHlCONHz I1 O

(c) PhCNHCHzCNHCHCOOH (d) PhCNHCHzCOOEt / I I 1 I O O CH3 I 1 O

(Bz-Gly-Ala)

CAPITULO 40 AMINOACIDOS Y PROTETNAS

3,5-Dibromotirosina

CHI CH? \

N, N-Dimetilprolina

( i ) N a ' OOCCHzCHzCHCOO

+ NHI Glutamato monos6dico

( f ) OOCCHzCHCOO I ' N H j

( h ) M e O O C H z C H C O O

+ N H ,

(j) EtOOCCH,CH,CHCOOEt

' N H I H S O ~

40.16 (a) 0.001 mol o bien 22.4 m1 N, de la monoamina (Leu).

(b) 0.002 mol o 44.8 m1 N, de la diamina (Lis).

(c) No se libera N, de una mina secundaria.

40.17 2.01 x x - = m L N 2 aT.P.N. 748 273 760 293

mL N 2 22.4 mLimmol -. ~ ~ = milimoles Nz = milimoles - N H 2 = milimolcs aminoácido, si tiene un --NH2

si es monomina: 0.0821 mmol de aminoácido

9.36 mg 0.0821 mmol -_____ - - p. mol. = 114 = p. mol. mínimo

El aminoácido podría ser valina, C,H,, OY, p. m. 117. No podria ser prolina (p. m. 115). puesto que ella no contiene "NH,.

N

-C \ @N-

I H H

(b) Un traslapo de un orbitalp del N con un orbital n del ,C=O. \


4

\

O

N"CH3 \ I

40.19 (a) H-C / o - H-C N-CH,

El carkter de doble enlace parcial de la uni6n carbono-nitr6geno provoca la rotaci6n restringida, lo cual produce grupos 4% diastereot6picos que generan seilales RMN separadas. Estas seilales coalescen a temperaturas elevadas, a medida que los 4% se convierten en equivalentes gracias a una rotación rApida. (Compárese con el problema 24, Cap. 24.)

= H o \ / c N

I 1

CHf 'CH3 a o b b o a

(b) Esto confirma el carkter de doble enlace parcial de la uni6n carbom-nitr6geno en la uni6n peptidica.

40.20 Ala: ___ - - 0.01 mol en 1 0 0 g de salmina

0.89 g 89 g/mol

86.04 g 174 g/mol

3.01g 75 g/mol

1.28 g 13 1 g/mol

6.90 g 1 15 g/mol

7.29 g 105 g/mol

3.68 g 1 17 g/mol

Arg : = 0.50 mol

Gli: ___ - - 0.04 mol

Ile : = 0.01 mol

Pro : = 0.06 mol

Ser: = 0.07 mol

Val : = 0.03 mol

Resulta así que la fórmula empírica es AlaArgMGli,IlePro,Ser7V~. Los pesos de los aminoácidos suman más de 100 g porque en la hidr6lisis de las uniones peptídicas se &ade agua.

40.21 Puesto que hay 0.01 mol de Ala en 100 g de salmina (problema 40.19, poco antes), debe haber 1 mol de Ala en l o o 0 0 g de salmina. Esto significa que sólo hay una Ala por molkula, de modo que la fórmula molecular coincide con la empírica.


40.22 Si suponemos sólo una Tir por molkula,

0.29% Tir = p.m. TU

x 100 = __ 204 x 100 p.m. proteína p.m.

p.m. = 70300

Este es el p.m. mínimo; si hubiesen dos Tir por mol&ula, el p.m. sería de 2 x 70.300, etc.

40.23 (a) Si suponemos que hay S610 un Fe por molkula,

0.335xFe = p.a. Fe 55.8

p,m. proteína p.m. x 100 = __ x 100

p.m. = 16700

Este es el p.m. mínimo.

" 67000 - 4Fe por molécula 16 700

40.24 M e 2 N { 0 ) O H Una sulfonamida:

(O)-$-'V-FH--COOH no se hidroliza fácilmente

O R Derivado de dansilo

40.25 Una vez eliminado el residuo C-terminal de un fiptido, el siguiente residuo se convierte en el C-terminal; Bste, por supuesto, tambi6n es susceptible de ser eliminado por la enzima, y así sucesivamente. De este modo, no s610 se obtendr6 un aminokido cortado de la cadena, sino varios. El residuo C-terminal original se14 el aminokido que se libera con mayor rapidez al comienzo del tratamiento.

NHzCHCHzOH + + NH,CHCOO ~, etc I I R R'

Un amino alcohol Aminoicidos Residuo C-terminal

820


(b) La hidracina es, como el amoniaco "estrechamente relacionado- una base y un nucleófilo; es capaz de romper las uniones amida para dar acil-hidracidas, pero no a partir del residuo C-terminal.

O I I

O N z I / - NHCHCNHCHCOOH __f +NH,CHCOO- + NH2CHCNHNH2, etc.

I 1 I I R' R R R'

Un aminoácido Acil-hidracidas Residuo C-terminal

40.27 (a) val-Asp Fen-Val

Asp-Glu Glu-His

Fen-Vd- Asp-Glu-His

(b) Cis-Gli-Sa His-Leu-Cis

Sa-His-Leu

His-Leu-Cis-Gli-Ser-His-Leu

(c> Val-Cis-Gli Tir-Leu-Val

Gli-Glu-Arg Glu-Arg-Gli

Gli-Fen-Fen

Tu-Leu-ValCis-Gli-Glu-Arg-Gli-Fen-Fen

(Hay que ser precavido al colocar las unidades Gli.)

40.28 (a) Cbz-Gli-Ala + SOCl,; luego Fen; luego Hz, Pd.

(b) PhCHzOCOCl + A l a ; luego SOCl,; luego Gli; finalmente €& Pd.

--CH-CHp- "CH"CH2- CHJOCH~CI

SnCI, 0 CHzCl Cbz-Gli G-cH2- CHpOCCH2NHCOOCHzPh

I1 O

Poliestireno Alquilación A A Sustitucibn B. un carbamato de Friedel-Crafs nucleofilida


--CH - CH2" "CH-CHZ-

B -H!?, 0 CbzNHCH(Me)COCI Me 1

CHzOCCHlNH; CHzOCCHzNHCCHNHCbz ! I l l I I O O O

Ilidrólisis c Acilación D

Me I

I H Br

CF 3COOH "~ + +H,NCHCNHCH*COO- +

/I v C H 2 0 C C H z N H C C H N H ~ O CH2Br

: I o O I / F G

Ilidrólisis E Sustituci6n nucleofiico

Ala-Gli

(Henahan, John F., "R. Bruce Memfield. Designer of Rotein-Making Machine", Chem. Eng. News, 2 de agosto de 1971, piigs. 22-25.)

1. (a) PhCH,CHCOO- PhCH2CHCOOH 1 e PhCHzCHzCOOH

Br

PhCHzCHCOOH I Br

(Como em (a) )

(c) COOH

I PhCH2 CHCOOH 2%- PhCH2-C-COOH

Br Br PhCH2 FHCOO- i s I

' N H I h

I , BT?

COOH I

PhCH,--C---COOH 1

H

via malhico PhCHzCl

AMINOACIDOS Y PROTEINAS

O

CAPITULO 40

(d) PhCHZ-CHCOO hidmL

I N"CH"CH2Ph + NH3

O COOH

*N-+

COOEt H + , calor , PhCH2CI - CO*

COOEt O

Ester ftalimidomal6nico

1 ftalimida K

COOEt I I

BrCH

COOEt Ester

bromomalónico

(e) PhCH,CH-COO- e P h C H z C H - C N -- CN - PhCH2CH0 + LiA'H(0Bu")3 I I NH4+ PhCHzCOCl

+ NH3 NH2 I'S0CI2

PhCHzCOOH (pág. 826)

COOEt (f) PhCHzCHCOO- + PhCH,CCOOH + Ht' PhCHCCOOEt I e P h C H z C O O E t (COOEt)

I Pd / I - co* O + NH3 / I

O

9 "" O 2. LUUkt

(a) @-K+ + BrCH I I -+ e,-& COOEt

COOEt Br(CH2)JBr

NaOEt I COOEt O O

A

COOEt

O COOEt

B


O , COOEt O

c coo -

I I

H

+ HjN--C--CH2CHzCH20H

D

t. Prolina

(b) En la esmc tura de la lisina podemos apreciar un buen ejemplo del proceso "retroactivo" del desarrollo de una síntesis; aquí se reconocen con facilidad las diversas unidades sin- ~ticas,unavezquenoscomprometemosausarelprocedimientodeltsterftalimidomalónico.

" 7 ; i N H 2 BrCHZCH2CH2CH2Br éster ftalimidomalónico

Lisina

COOEt

+H3N(CH,),CHCOO- I e N - & - ( C H 2 ) , - N H 2 I NH2 n COOEt

Lisina v

COOEt

COOEt o

COOEt

o COOEt

(del éster ftalimidomalónico)

824


3. 'NH3 (a) H2C' I

coo - I

- 0 O C ,CH2 H3N +

(b) CHjCHCH2COO- I

+ N H 3

CH3"CH \

NH3'

____f - 2H20 calor

Dicetopiperazina Una diamida cíclica

calor ' CH3CH=CHCOOH Acido a$no saturado

Una y-lactama Una amida ciclica

Una Slactama Una amida cklica

N H 2 'NH3 Estructura real

Lisina

El grupo 400- es atractor de electrones y, por lo tanto, debilitador de la base. El grupo &-amido, mhs distante, es menos afectado, es m& bkico, y recibe el protbn.

(b) HOOCCH2CHC00- o -0OCCHCHCOOH I I

+ NH3 +NH, Estructura real Acido aspártico

El efecto inductivo del -9 es atractor de electrones y, por lo tanto, refuena al &ido. El "COOH m& cercano se ve m8s afectado, es m& hcido, y pierde el prot6n.

H H (c) H2N-C-I!4(CH2)3CHCOO- +H,N"C"N(CH2)3CHCOO- I

I 1 I I1 I + NH2 NH2 NH NH2

Estructura real Arginena

825

CAPITULO 40 AMINOACIDOS Y PROTEMAS

H + I

HZN“C-N(CH2)jCHCOO I / I 1

HN H NH2

H I

H2N-C--N(CH2),CHCOO- I1 I NH + NHJ

El nitr6geno del =NH es el más básico, puesto que, al aceptar un protbn, genera un catión estabilizado por resonancia (compArese con el ion guanidinio, problema 24.23, pig. 872).

(d) H o ~ C H 2 C H c o o - I 0 -o@H,CHCOOH I + NH, + NHJ

Estructura real Tirosina

El grupo “COOH (K de alrededor de lC3) es mucho más ácido que el “OH feniilico (K, de alrededor de I o ” O ) , por lo que pierde el prot6n.

5. La aritmktica química,

nos lleva al mismo producto para ambas reacciones:

Me,N + CICHzCOOH :-H% M e i i C H z C O O Betaína

3Mel t- + H3NCH2C00- ~~ + Me,NCHZCOO- - 3 H I

Betaína

L a s propiedades son las que corresponden a un compuesto dipolar: un dlido cristalino, hidrosoluble, de punto de fusión elevado. En la reacci6n con kid0 participa el grupo “Coo-

6. A medida que disminuye el contenido de agua del disolvente, las partes lipofílicas van quedando al descubierto. Esto deshace las micelas dejab6n y modifica la forma característica ”y, con ello, las propiedades características- de una proteína globular.


+ H , N C H , C - N H ~ H C O O - + I1 O

O O o Cli-Ala I Ftalhidracida

O 8 O

O O O Ftalimida potásica

8. Si hay un komo de Fe por molkcula:

0.43% Fe = ~

55.8 p.m.

x 100

p.m. = 13000

Si hay un dtomo de S por molkda:

1.48%S = __ x 100 32.1 p.m.

p.m. = 2170

El p.m. mínimo es de 13 OOO: 1Fe y 6 s .

1.31 mg NH, 17 mg/mmol

= 0.077 mmol NH,

~ _ _ - 1 00 mg proteína

42 020 mg/mmol - 0.00238 mmol proteína

0.077 mmol NH, 0.00238 mmol proteína

= aprox. 32 -CONHz por molécula

0.00238 mmol proteína requieren - I7 mg H 2 0 18 mgimmol

= 0.944 mmol H 2 0

0.944 mmol H,O 0.00238 mmol proteína

= aprox. 397 uniones amida (peptídicas + 32 "CONH,)

(c) 397 - 32 = 365 uniones peptídicas + 4 grupos N-terminales = 369 residuos de aminohcidos

10. (a) Leu @.m.) 131 Om 132 Fen 165 Pro 1 I5 Val 1 I 7

660 -


Un p.m. de 1300 significa que hay dos de cada residuo, de modo que la fórmula molecular es LcuzOrnzFen,Pro2Va12.

(b) El DNP-derivado es simplemente el que se espera de la cadena lateral de la omidna; por consiguicntc, no hay ni grupo C-terminal, nihr-terminal: el polipéptido tiene que ser cíclico.

(c) Leu-Fen Fen-Pro Fen-Pro-Val

Vd-om-Leu Om-Leu

V d - h Pro-Val-Om

Leu-Fen-Pro-Val-Om-Leu

La fórmula molecular nos indica que aún debemos considerar Om, Fen, Pro, Val. Deben quedar ordenados como Fen-Pro-Val-Om, y Om se combina con Leu en el otro extremo para complc~ar el anillo:

~al-Orn-I.eu-Fen fi ., - L ; U3d-fl3'I-tlJ()-[l?,f

Gramicidina S

Decupkptido cíclico

11. (a) En la cadena B hay seis aminoácidos que sóloaparecen una vez: Pro, k g , Lis, Asp, Ser y Tre. Busquemos primero los tripéptidos y dipéptidos que contienen a estos aminoácidos.

Cuatro aminoácidos sólo están presentes dos veces: Ala, Cis, His y Tir. Estudiemos &tos a continuación.


Falta un Tir. Gli ocurre tres veces, y ya los tenemos todos ubicados:

Gli-Glu-kg-Gli Leu-Cis-Gli Leu-Val-Cis-Gli

Dos de estos tres p6ptidos deben traslaparse (aparecen aquí cuatro Gli); pero, por el momento, hay incertidumbre respecto a cdles dos de ellos.

Val aparece tres veces:

Leu-Val-Cis-Gli Leu-Val-Glu Fe~~-Val-Asp-Glu TU-Leu-Val Val-Glu-Ala

Leu-Val-Glu-Ala

Hay traslapo de Tir-Leu-Val con uno de los dos primeros p6ptidos. Glu aparece tres veces:

Glu-His-Leu Gli-Glu-Arg Leu-Val-Glu Val-Asp-Glu Gli-Glu-Arg-Gli Val-Glu-Ala

Val-Asp-Glu-His-Leu Gli-Glu-Arg-Gli Leu-Val-Glu-Ala Fen-Val-Asp-Glu

Fen-Val-Asp-Glu-His-Leu

No hay traslapo.

Fen aparece tres veces: dos de ellas no figuran en los trip6ptidos. En cuanto a Leu que ocurre cuatro veces: tenemos siete trip6ptidos que contienen Leu;

debe haber bastante traslapo.

Glu-His-Leu His-Leu-Cis Leu-Cis-Gli Leu-Val-Cis Leu-Val-Glu Ser-His-Leu Tir-Lau-Val

Ciertamente que no se pueden traslapar Leu-Cis-Gli, Leu-Val-Cis y Leu-Val-Glu, y el cuarto Leu debe encontrarse en Glu-His-Leu o bien en Ser-His-Leu. Esto significa que podemos proponer las combinaciones siguientes.

Leu-Cis-Gli Leu-Val-Cis o bien Leu-Val-Glu His-Leu-Cis Tir-Leu-Val Tir-Leu-Val

His-Leu-Cis-Gli Tu-Leu-Val-Cis o bien Tu-Leu-Val-Glu

Fen-Val-Asp-Glu-His-Leu (derivado antes, bajo Glu) o bien

Ser-His-Leu

Hemos ubicado tres Leu; aún falta uno.

CAPITULO 40

Hasta este instante, hemos derivado:

AMINOACIDOS Y PROTEINAS

Un hexapéptido: Fen-Val-Asp-Glu-His-Leu Cinco tetrapéptidos: Tre-Pro-Lis-Ala Gli-Glu-kg-Gli Leu-Val-Cis-Gli

Leu-ValGlu-Ala His-Leu-Cis-Gli

Dos tripéptidos: Ser-His-Leu Tu-Leu-Val

Faltan: 2Fen, lTir, lLeu

(b) Tir-Leu-Val-Cis Ser-His-Leu-Val Leu-Val-Cis-Gli His-Leu-Val-Glu

Glu-His-Leu His-Leu-Cis-Gli

Tir-Leu-Val-Cis-Gli Ser-His-Leu-Val-Glu Glu-His-Leu-Cis-Gli Leu-Val-Glu-Ala Fen-Val-AspClu-His-Leu

Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala Fen-Val-Asp-Glu-His-Leu-Cis-Gli

Esto toma encuenta la mayoría de los traslapos, exceptuando Gli. Hemos logrado ahora unir las siguientes piezas:

Un octapépitih: Fen-Val-Asp-Glu-His-Leu-Cis-Gli

Un hexapéptido: Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala

Un pentapépptido: Tir-Leu-Val-Cis-Gli

Dostetrapéptidos: Tre-Pro-Lis-Ala Gli-Glu-kg-Gli

No aparecen: 2Fen, lTir, lLeu

Val-Glu-Ala-Leu Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala

Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu His-Leu-Cis-Cli-Ser-His-Leu

His-Leu-Cis-Gli-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu Fen-Val-Asp-Glu-His-Leu-Cis-Gli

Fen-Val-Asp-Glu-His-Leu-Cis-Gli-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu

Esto toma en cuenta 15 residuos de un total de 30. Diez mAs se encuentran en

y los cinco restantes, en

Tir-Tre-Pro-Lis-Ala


Puesto que Fen-Val es en extremo N-terminal (datos de DNF') y Ala es el C-terminal (carboxipeptidasa), las tres piezas sólo pueden juntarse de una manera, de modo que la cadena B de la insulina de vacuno debe ser:

F e n - V a l - A s p - G l u - H i s - L R u - C i s - G l i - S e r - H i s - L R u - V a l - G l u - A l a - ~ u - T i r - ~ LFen-Fen-Tir-Tre-Pro-Lis-Ala

Cadena B

(d) En la cadena A, tres aminoácidos aparecen una sola vez: Gli, Alae Ile. De los péptidos, Cstos son los primeros en que hay que fijarse.

Gli Ile Ala Gli-Ile-Vd-Glu-Glu Cis-Cis-Ala

Cinco aminoácidos aparecen dos veces: Val, Leu, Asp, Ser y Tir.

Val Leu Ser-Val-Cis Gli-Ile-Val-Glu-Glu Glu-Leu-Glu Leu-Tir -Glu

(residuo Ser-Leu-Tir N-terminal) -

Ser-Leu -Tir- Glu

Tir ASP

Leu-Tir-Glu Tk-Cis Glu-Asp-Tir Cis-Asp Ser-Leu-Tir Glu-Asp-Ti (residuo

Ser-Leu-Tir-Glu Glu-Asp-Tir-Cis "_ -~ .~ C-terminal)

Ser Ser-Leu-Tir -Glu Ser-Val-Cis

Dos aminoácidos aparecen cuatro veces: Clu, Cis

Gli-lle-Val-Glu-Glu Glu-Leu-Glu (residuo Glu-GlU-Cis Leu -Tir- Glu ~ - ~ ~ ~ i ~ ~ l ) Glu-Cis-Cis

Gli-Ile-Val-Glu-Glu-Cis-Cis Ser-Leu -Tir-Glu Leu -Tir-Glu-Leu-Glu

Cis-Cis-Ala Ser-Lxu -Tir-Glu-Leu-C;lu

Gli-lle-Val-Glu-Glu-Cis-Cis-Alz Glu-Asp-Tu-Cis

Ser-Leu-Tir- Glu-Leu-Glu-Asp-Tir-Cis

Hay dos fragmentos adicionales, uno de los cuales es el residuo C-terminal.

Ser-Val-Cis Cis-Asp (residuo C-terminal)

83 1


Ahora no falta ningún amindcido, y hemos reunido las piezas siguientes:

Un nonapéptido: Ser-Leu-Tir-Glu-Leu-Glu-AspTir-Cis Un octapéptido: Gli-Ile-Val-Glu-Glu-Cis-Cis-Ala

Un tripéptido: Ser-Val-Cis Un dipé)tido: cis-Asp

(N-terminal)

(C-terminal)

Aún no sabemos cudl de los fragmentos no terminales ha de ser colocado primero, pues el Cis C-terminal de dos de ellos podría traslapar al Cis N-terminal del difiptido.

(e) La única manera de poder juntar Ser-Val-Cis y Ser-Leu es tener una porcidn central que corresponda a...Ser-Val-Cis-Ser-Leu-Tir...La cadena A completa de la insulina de vacuno es, por consiguiente:

Cadena A

(0 ( f ) Cadena A: 9 ?HZ

NH2 1

Gli-lle-Val-Glu-Glu-Ci -Ci-Ala-Ser-Val-Ci- Ser-Leu -Tir- Glu-Leu-Glu-Asp-Tir-Ci-Asn I I

NH2 S Cadena B: 1

NH2 NH2 S I

Fen-V;I1-Asp-C;ju-His-.eu -Ci-Gli- Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tir- Leu-Val -Ci-Gli- Glu-Arg-Gli- Phe_x r,en“Tre-Pro-Lis-Ala

Insulina de vacuno

(g) El otro pudo haber sido

H

DNP-N(CH~)~CHCOO I

‘NH,

del grupo &-amino de Lis. Sin embargo, si Lis hubiese sidoN-terminal, habríamos obtenido de él un DNP-derivado doble, y no DNP-Fen, lo que contradice los hechos.

41

Procesos bioquímicos Biología molecular

1. El CO, se convierte en el "COOH de la malonil4oA en la reacci6n (1). phgina 1369; es este el carbono que se pierde en la reacci6n (4).

2. Consideremos la hidr6lisis ilustrada en las ecuaciones (1) y (2) de la pigina 1360, en la que la quimotripsina tiene las funciones tanto de B: como de H-B. Se muestra que esto procede mediante el intermediario tetrafkbico I (compare con la Sec. 24.17).

H

R, J"' - H ? .. OH c=o B +- R - 4 - o + H : B Lenta

R'O' R'O I

I

O H '0 H 0~~

R-C-0- C-O + R'OH t B: Rápida

* I O ] R/'

H - -9 cir

I

Los hechos de este problema nos conducen a dos conclusiones: (i) la reacci6n efectivamente procede mediante el intermediario tetr&drico I; y (ii), el paso (1) es lento y determinante de la rapidez, mientras que el paso (2) es dpido. @sto es, k, es mucho mayor que k-l.) En estas condiciones, la formación del intermediario I a partir del acetato, y la del

OH OH I 1

R'O R'S I I1

R-C-O u-C- o

PROCESOS BIVQUIMICOS CAPITULO 41

intermediario 11 a partir del tioacetato, son lo mismo; el hecho de que el paso siguiente (2) sea mucho m& rápido para I1 que para I, no tiene efecto sobre las velocidades globales. Más aún, cada melkula de I da sus productos r@idamente, en lugar de sufrir la transferencia prokjnica ilustrada en la phgina 864 y revertirse al material de partida (marcado).

En cambio, si la reacción (1) fuese @iday reversible, esperaríamos dos cosas: primero, que la reacción del tidster fuese m& riípida, puesto que en un tiempo dado, llegm'a a producto UM fracción mayor de I1 que de I; y, segundo, que hubiera un intercambio de oxígeno en la forma descrita en la sección 24.17.

(Un desplazamiento de un solo paso que no incluyera ningún intermediario tetddrico en absoluto justificaría la falta de intercambio de oxígeno, pero no las diferentes velocidades para los dos Csteres: el enlace a OR o SR se esmía rompiendo en el estado de transición (Único), de modo que el tidster reaccionaría con mayor rapidez.)

3. (a)Una condensaci6n de tipo ald6lica entre el &ter y el grupo ceto del oxaloacetato. (b) Una condensación de tipo aldólica entre el Cster y el grupo ceto de la acetilXoA. En seguida, la reducción de un &ter a un alcohol primario mediante la transferencia de un hidruro.

4. La oxidación biológica de ácidos g r a w s elimina dos carbonos a la vez, comenzando por el extremo del carboxilo: "oxidación bera".

5. Una condensaci6n rem-aldólica (inversa), similar a la del problema 25.14 (pág. 899). Escribamos algunas ecuaciones despreciando el estado de ionización del fosfato, y considerando que la enzima actúa como base y tambitn como Acido.

CHzOPOjHz I

Dihidroxiacetona fosfato

CH2OPO3H2

H -C---OH H "C-"OH I

H-C ---OH I

I CHzOP03Hz CHzOP03Hz CHzOP03H2 C H ~ O P O ~ H Z

D-Gliceraldehído- 3-fosfato

De hecho, hemos estudiado casi exactamente el inverso de esta reacción en la formación (catalizada por base) de la D-fructosa, ya sea a partir del D-gliceraldehído o bien de la dihidroxiacetona (problema 13, Cap. 38).

6. Longitudes de onda en el ultravioleta lejano. Una luz con tanta energía ocasionm'a estragos en la mayoría de los otros compuestos que conforman la vida como la conocemos: entre otras cosas, induciría mutaciones a una velocidad mucho mayor que lo normal. (En la actualidad, sólo la delgada capa de ozono de la parte alta de la estratósfera proteje la vida terrestre contra una exposición excesiva a la luz ultravioleta solar.) La naturaleza altamente conjugada de la rodopsina es la que le permite absorber la luz m& suave, que llamamos "visible", y ser modificada por ella.

7. Sugiere que las hClices son de una sola hebra.

8. Se generm'an dos mol&ulas deRNA diferentes, las cuales dirigirían la síntesis de conjuntos totalmente distintos de aminokidos.

834

Análisis de espectros

r

C

(u) Neopentilbenceno CH3 1

0 6

I I I 1 1 400 300 200 I O0 O H2

a

(b) Bromuro de isobutileno a

CH3,

CH3' b CBr-CHrBr /

a

b

7 6 5 4 3 2 1 O 6

I I I 1 I 400 300 200 1 O0 O HI

C (c) AlcohoI bencílico

Figura 16.7 Especeos de R M N prot6nica para el problema 16.9, pBgina 578.

I I 1 I 400 300

I 200 100 OH

a

I I I 400

I 300 200 100 I

OH

(b) 1,3-Dibromopropano b

CH2Br-CHz-CH2Br b a b

U

I I 1 400 1

300 200 100 a I 0 H.

J& z Jbc I I de modo que b aparece como

sexteto, pero con ensanche I

de picos (vCase la Fig. 16.13, pág. 587) i

c (c) Bromuro de n-propilo CH3-CH2-CH2Br

u b c

8 7 6 5

I

I

Figura 16.16

b

I

3 2

Y Jab

I

I

I I I u O S

Espectros de RMN prodnica para el problema 16.12, página 589.

h

(a) Cloruro de t-pentilo h CH

CH,-CH2~ C- - -CH, a c l b

I C1 U

(b) Cloruro de isopentilo U

CH,

I

(c) Bromuro de n-pentilo

1

Longitud de onda,

. I O

.20 5 [

.40 E

I ! I benceno ~ O M S U S I .

. a . I 1 1 ' 1 " ' ! I 1 1 . 1 1 1 1 I I I I I 4000 3500 3000 2500 Sadrlrr 8023 K Frecuencia, cm ~ 1

8 ,

2000 1800 I600 1400 I200 1000 800 m

600

Longitud de onda, ,L 2.5 3 4 5 6 7

-.I0

.20 ~~

.so -

Sadrler 8514 K Frecuencia, cm ~ I

aronuilico alargamiento /

c -c

. 8 0 c

alargamiento -L

Longitud de onda, p

.o0 2.5 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15

I I I 1 I ' 1 1 I I 1-.00 I

. I0

flexión

plano

.20 P

- .40 $: r-C--H

1 P> - .80

flexión fuera - m 4000 3500 3000 2500 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 * m

Frecuencia, cm ~ 1

' I 1 ' / I / ' 1 1 1 1 1 1 1 1 I benceno IMMSUSI. I I l 1 1 . .

Sadtlfr 8339 K 600

I I

f I 1 ! 400 300 200

I I 1 I 1 O0 O Hz

(u) Isobutilbenceno

d a

La señal b es un hepteto, pero los picos externos son difícilmente reconocibles (véase la Fig. 16.13, pág. 587)

b

8

I I 1 i 400 300 200 1 O0 O Hz

a

(b) [-Butilbenceno

I I I 400

d

300 200

(c) Isopropiltolueno a

1 O0

a I

O H I

C

h 33.0 t e 144.0s

(u) Indano

U

r- u 24.8 d h 2 5 . 5 ~ c 30.1 c d 31.0s e 5 3 . 3 I

(b) 2,2,4-Trimetilpentano

a I CH3 C

b

200 180 IN) I 40 I20 1 0 0 80 N) 40 20 0

Sudrlrr 1613C 0 Sadtler Rejearch I~aborator~es, Dlvlslon of Blo-Rad. Inc , (1977)

1., h 31 4 c f 134.4s

d 1250d

;i P

(c) p-r-Butiltolueno b

H,C d e b

c' Sadtler Rssearch 1.ahuratorlcs. D~vls lon of Rlo-Rad. Inc , (1977)

h

Figura 16.26 Espectros de RMC para el problema 19, pdgina 613.

I 1 I I I 400 300 200 I O0 O H z

b

(h) I-Pentilbenceno b

d b

I I I 1 I 400 300 200 1 O0 O Hz

(c) Bromuro de sec-butilo CH3-CH2-CHBr-CH3

d

I1 b I//

a c d h Los dos protones de c son diastereotcipicos, pero tienen dcsplazamicntos químicos y constantes de acoplamiento casi idtnticos.

por lo que d aparece como sexteto, y c como quinteto, con ensanche de picos (véase la Fig. 16.13. pág. 587).

d J, 2 Jcd 1 Jbd

, , , I ' 8 ,

I , '

, ~ ~ ~ ~ " " " " ~ ~ ~ ~ ~ ~ " " " ' " ' ' ' ~ ' ~ ~ 8 1 6 5 4 3 2

a [' lLI-l

1

Figura 16.27 Espectros de RMN protbnica para el problema 20, página 613.

h 1 (u) 1,2,4-Trimetilbenceno

a

I h I27 I d

J (6) Mesi tileno

h 14.2d c 128.4d c 125.8 d / 148 8 S

/

i (c) Isopropilbenceno

C

a a

I1

(u) 3,3-Dimctil-l-butcno (1 C H ,

(I I d ( . C H , C - C H -CHI

C H , U

11

I I

I h

r il I

(c) trans-2-Octeno 1

U

rc cn I 6

I

o l x n c d 3 2 2 , 2,4,4-Trimctil-2-pcnteno

1- 31 ! c I l l 5 2 , l (CH,),C', / (, C H , b 2 x o c c I i O O r (I

-~C*'

H' ' ('Hi . h

Los carbonos a y b son diastereotópicos, y dan señales separadas

Longitud dc onda, p L.,

.20 C-C

alargamienro C-H alarnamiento

I 1 I 400 300 I

200 I

1 00 OH

d

E u-Metilestireno n b

H

L

I s

O0

10

20 > P 5 ;

43 6'

BO

I 400 3 0 0 200 1 o0 OH;

(u) Alcohol sec-butilico b e

OH I

CH3"CH~"CH"CH~ e a c d b L o s dos protones de c son

diastereotópicos. pero tienen desplazamientos químicos y constantes de acoplamiento casi idénticos.

d

J,, Jcd rc .Ibd (Compare con el Problema 2OC, pág. 613) -

U l l l l l l l l l l l ( l l l l r ~ l i ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ l ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

8 7 6 5 4 3 2 I 0 8

(6) Alcohol isobutííico

8 7 6 5 4 3 2 I 0 6

I I I I I 400 300 200 1 00 o Hz

CH~-CH~-O-CH~--CH~ U

8 7 6 5 4 3 2 1

Figura 18.2 Espectros de RMN prodnica para el problema 19. página 678.

d (u) Alcohol a-feniletilico

b OH

d a

1= 1

OH

I I I 400

I 300 200 1 O0 I

O €

(6) Alcohol p-feniletilico

(OtCH2-CH2-OH + a c b

Sucede que la señal b

d

casi coincide con un pico de c.

c (triplete)

ULW 8

L

I I I 400 I

300 200 1 O0 1 O Hz

C

I (c) Bencil metil éter

1 C

b I

U

L

1

J

U

h ? d Y d <' 41 x 1

(u) Alcohol isopentííico d

h

u I I 2 c h 2 3 1 t

< 43.8 d (b) 2-Etil-1-butanol

a h

U

f

h 23 2 c r 48.8 t

(c) 4-Metil-2-pentanol

l' h

Los carbonos a y b son diastereotópicos. y dan señales separadas.

1

Frecuencia, cm - * 50004000 3000 2500 2000 1500 1400 1300 1200 I100 1000 900 800 700

1 I I l 1 1 1 I 1 I I I 1 I 1 I 1100

- 80 Lo

, 1 1 1 1 , , 1 , 1 , 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 , 1 1 1 1 1 1 , 1 , 1 1 / 1 1 1 1

8

C--H alargam'enro O 0 60 5. a

CH., 40 9

, C-H 3. 2. CH, -C-CHZOH 2

20 8' flexi5n C-O alargamiento ( K ~ C -cH?)

(1" R O W )

2 3 4 5 6 7 8 9 10 I I 12 13 14 I S 0

Sudrlcr I2 158 Longitud de onda, k

Frecuencia, cm 50004000 3000 2500 2000 1SO01400 1300 1200 1100 1000 900 800 700

(CH,),CHCH,OH

Sadrlcr 16 Longitud de onda, p

Figura 18.5 Espectros de infrarrojo para el problema 22, p6gina 678.

2 3

1 O-H

miento I

alargo-

Frecuencia, cm-'

100 1 1 1 1 , 1 1 1 ) 1 1 1 / 1 1 / 1 1 I ,, I I I I 1 1 1 I 50004000 3000 2500 7.000 1S001400 1300 1200 1100 1000 900 800 700

C-H alargamiento

- 20 3'

Sadtler 3436 4 5 6 7 8 9 10 I 1 12 13 14 15

Longitud de onda, p

Figura 18.6 Espectro de infrarrojo para el problema 23, phgina 678.

I I I I I 1 400 300 200 1 o0 0 Hi

QQ 3,3-Dimcdl-2-butano1 a

I

a CH3-C-CH--CH3 l d b

CH3 a

d

b c Ir d

X 7 6 5 4 3 2 1

Figura 18.7 Espectro de RMN prot6nica para el problema 23, pzigina 678. 0 6

h

,1 RR 2-Butin-1-c a c d b

I

J 06

I

Figura 18.8 Espectros de RMC y de RMN prot6nica para el problema 2 4 , pzigina 678.

Longitud de onda, p 2.5 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15

I

alargamiento

Geraniol (CHJ)~C=CHCHZCH~C(CHJ)=CHCH>OH

O v , I I 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 I O00 800 600

IRDC 1773 Frecuencia, c n - 1

2.5 100

3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 I I 1 1 I I 1 I O0

60 p.

O-H c-o - flexidn 20 alarga- alargamiento (R>C=CHR)

miento ( 1 ROH)

O 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 I O00 xnn Ann

O

IRDC 1773 Frecuencia, c n - 1

." 1"

1 I I 1 400 300 200

1 OH 1 O0

Geraniol

b c C i 3 , ,Ci2"OH CH3, /CH2, /C=C d

,C=C C H 2 \

H b CH3 H C E

b f Observe que el acoplamiento más efectivo ocurre entre e (doblete) y g (triplete, con más desdoblamiento posteriormente)

0 6

Figura 18.9 Especeos de infrarrojo, RMC y RMN protónica para el problema 25, página 678.

L

Longitud de onda, p

40 -

20 -

I 0 1

I K D C 487 Frecuencia, m”

, , 1604(j 1 1293 1 1 1 5 4 , 1040 j , m-disusrituido I

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1x00 1600 1400 1200 1000 800 600

Figura 19.4 Espectro de infrarrojo para el problema 16, p6g.gina 713.

Longitud de onda, p

IRDC 1384 Frecuencia. m”

r 1 I I 1 I 400 300 200 1 00 o H l

BB b

Alcohol p-metoxibencílico

CH,”O+H~-OH b - c a

d

d c I

a

I 1 I 400

I 300

I 200 100 b OH

(u) t-Butil etil Cter

CH3 a

C

~ l l l I I I . l l l l , I I I , , , r , , , l , , , , , , ' , , ~ , , , , , , , I , , , , , ,

8 7 6 5 4 3 2 1 O 6

1 1 I 400

I 300 200 1 o0

I O R

I (6) Di-n-propil Cter

a

I c I

7 6 5 4 3 2 1

I I I 400

I 300 200 1 o0

1 OH

U

I b 1111 8 I 6 5 4 3

h d

11

I h 61 6 t

c 6 6 6 1

.

(u) 2-Etoxietanol u c d h CH, ~CH:-- O- CH2 CH, OH _li

d

c

h

(b) 3-Metoxi-1-butanol

OCH, d

m h 126.4d

( c ) ?,5-Dihidrofurano

1 u 1mo 1 6 0 140 I20 IW no M) 40 20

Frecuencia, cm"

50004000 3000 2500 2000 I500 I O0

80 T 60 e :: 3

40

2o g: O

Longitud de m&, p

Longitud de onda, II 2.5 3

Longitud de onda f l

2.5 3 4 5

IRDC 4325

CC p-Metilfenetol

1 1 1 I I 400 300 200

I 00 0 Hz

4

C H ~ ~ - O - - C H ~ - - C H ~

b - / e a

d b

I 1 I I I d 400 300 200 1 O0 O Hz

~ H ~ - o - c H ~ - - c H ~

w c h n d c

1 1 I

EE 3-Fenil-1-propanol

1 I 400 300 200 1 O0 0 H2

,(~~>-H~--IH~--cH,-oH L - * - b a d c

C

c (singulete) d (triplete)

La ubicación de c se deduce por el conteo protónico y el pico central demasiado alto del triplete d .

8 7 0 6

Figura 19.9 Espectros de RMN protbnica para el problema 20. pagina 713.

Longitud de onda, p

2.5 3 1

60 -

40 -

20 -

O 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 I600 1400 1200 1000

IRDC 7302 800 600

Frecuencia. cm"

Longitud de onda, p

60 -

20 - (CH,),CHCHO

IRDC 3577 Frecuencia, cm4

Longitud de onda. u

IRDC 7233 Frecuencia, cm"

h U

(u) 4-Heptanona

O

d

c

I h

! <'

I k I (h) 3-Heptanona

Y

I

'r" (c) 2-Heptanona

J

(u) 2-Pentanona

CH~"CH~-CH~-C-CH~ a b d & c

I I I 400 300 200 í

Y

r

I I O0

T OH

a

I I I I 400

1

300 200

(b) Metil isopropil cetona U

,CH3 CH3"C"CH

b A C"CH3 U

C

l / , , , , / , , , j / , , , , / , ( , / , , , , , l , , , / , , , I ' 1 1 , , , , , , 1 , , , , , , , ,

4 3 8 7 6 5

c

d

I I O0 O F

U

1 O 6

(c) Metil etil cetona

CH3-C-CH2-CH3 b $ , c u

C

. L

Figura 21.6 Espectros de RhtN prot6nica para el problema 29. ptigha 780.

J

Longitud de mda, p

4 5 6 R 9 IO

- alargamiento C-H aldehídico

20 C=O

alargamiento

i I I (ArCHO)

0 I 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400

T 7

1200 1 000

IXLIC 17 Frecuencia, m"

9 10 12 15

80 --

20

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 I o00 800 600

I R D C 607 Frecuencia, cm"

Longitud de onda, P

IHDC' 3335 Frecuencia, cm"

Figura 21.7 Espectros de infrarrojo para el problema 30, página 780.

Pp-Metoxibenzaldehído a

1 1 I 400

I 300 200 1 00 O H.

I

- L

r 400 ,

300 200 ,

1 o0 O H

Q p-Metoxiacetofenona b

CH3O-C-CHj h - A (2

C

8 7 6 5 4 3 2 1

r 400 360

R Isobutirofenona a

C n

I I 200 1 O0

b

l , , , , , . , , , + , , , , , , , , , i , , , , , , , , ( , / , , 8 7 6 S 4 3 2

1 OH

I, 1 0 6

Longitud de onda. p

CH 2' I

.S,dr/c,r 1093hM 6' Sadtler Research L.ahordtorlcs. D ~ v l \ ~ o n of Blo-Rad. Inc . (1971).

Figura 21.9 Infrarrojo, RMC, y RMN pot6nica para el problema 31, phgina 780.

Longitud de onda, p

4000 3500 3000 2500 ZOO0 1800 1600 1400 I200 1000 800 600

Sadllrr 8091 K Frecuencia, cm"

Longitud de onda, p

.o0

.10

.20 > % :

.40

. x0

4000 3500 3000 2500 2000 1800 1600 1400 1200 1000 X00

Sadrler 15272 K Frecuencia, cm" 600

W

Longitud de onda, 1

.40 : T alargam'enlo COOH I I I I I I I I I (COOH)

. x o c C = O 4 I ' u I

m 4000

alargamiento

I 1 / 1 1 1 ! 1 1 , , , I 3500 3000 2500 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800

Sadrlrr 8203 K Frecuencia , m-'


.20 >

.so

600 W

Longitud de onda, )L

2.5 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15

I I I I I I I 1 17'00

60 -

40 -

20"

O. 1 1 I 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1x00 I600 1400 1200 I O00 aoo 600

I R D C 323 Frecuencia. cm"

Longitud de onda, )I

Longitud de onda, )L

2.5 3 4 S 6 7 X Y 10 12 1 5 I o0

80

40

20

0 40


r 400 300 200 1 O0

(u) Formiato de n-propilo a

o 1 1

H"C'-O"CH~--CH2--CH3 tl r h o C

d l

8 7 6 5 4 3 2 L 1 O S

400 300

(b) Propionato de metilo O

I I CH~"CH~"C"O"CH3

a b C

1 200 1 O0 OH

a

b

400 I

300 I

(c) Acetam de etilo O I /

CH~--C-O-CH~-CH~ b c a

C

200 I I

1 O0

>

I O Hz

Figura 24.4 Espectros de RMN prodnica para el problema 26, página 880.

p-Metoxibenzoato de etilo h

O ~ H 3 - ~ - ~ - ~ - ~ ~ 2 - ~ ~ 3 I1

b \+

d C U

U

1 0 6

Figura 24.5 Espectro de RMN protónica para el problema 27. página 880.

(u) Acetato de isopropilo h

hl

(6) y-Butirolactona

I (u) Metacrilato de n-butilo o

I

/

h

~~

(b) Acetato de ciclohexilo d

c

c h I I

I N 1 1 (c) Fumarato de dietilo 1 I h 6 1 3 1 I I

l I ..1 Figura 24.7 EspecWos de RMC para el problema 29. página 880.

Longitud de onda. )I

2.5 3 4 5 6 7 8 9 I O 12 15

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1 x00 I600 1400 1200 1 000 800 600

I K D ( ~ 6275 Frecuencia. cm"

Lmgitud de onda, p

1 O0

E. 60

40

l R D C 413 Frecuencia, cm-'

Longitud de onda, p

2.5 3 4 5 6 7 8 9 I O I2 I S

I o I 1

1 1700 1 1 1 1 I I I j I

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1 O00 800 600

IKDC 63 Frecuencia, m"

O

Figura 24.8 Espectros de infrarrojo para el problema 30, pAgina 880.

1 I I 400 300 200

O

a

c

b

1 00 I

OH I

I T I ~T ~ ~~

400 300 I

200 1 00 O Hz

UU Acido hidrocinámico O

C

a. b

Figura 24.9 Es~ecbos de R M N prodnica para el problema 30, página 880.

Longitud de onda, )I

4

I, h 9 7 2 t c 141.6d

d I61 I S

(I I

U

V V Acetato de vinilo

d I I I I I

400 300 200 a 100 O Hz

V V Acetato de vinilo ii 6 H ,H

c:=~.c' CH3-C-Ó H

\

a ' o c

Observe el desdoblamiento adicional dc b y c: J,, pequeña

Figura 24.10 Espectros de infrarrojo, RMC y RMN prodnica para el problema 3 1, página 880.

-r 400

(h ) Etilfcnilmalonato de etilo

O, O-CH2-CH3 "c' d b

Ov O-CH2-CH3 d b

. d

200 I

1 O0 I

,

h

O Hz 1

a

I

I I 400

I 300

I 200

I 1 O0

I O Hz

I (c) Acetamidomalonato de etilo C U

O O-CHz-CH3 \c' o

I 1 H-C-NH"C"CH3 d 1 , e b

C U

I d

C

U

1 0 6

Figura 24.11 Espectros de R M N protónica para el problema 32, página 880.

400 300 200 a 1 0 0 O Hz

( ( I ) Acetilacetona e

O O II II

OH O I I I

CH~-C-CH~"C-CH~ t- CH3"C=:CH"C-CH,

I 1 1 1 I

d b d 1 O 6

1 I 1 1 I 400 3 O0 200 1 00 O H z

-d

(h) Benzoilacetona d

OH O (~~"c-cH-c-cH, I I /

< - 4 i - ~ /

c b U

Longitud de anda, p 2.5 3 4 5

I 6

1 ,

1

7 8 9 I O 12 15

CH,CH,CH,CH,NH,

f N-H

20 ~ ~ a h k n @ (NHz) u alargamiento

O I 1 1 I 1

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 I O00 800 IRDC 4227

600 Frecuencia. cm"

Longitud de anda, p

20 -alargamiento

IRDC 2085

Longitud de anda. p

IRDC 191 Frecuencia, cm"

Figura 27.5 Espectros de infrarrojo para el problema 27. página 974.

400 300 200 1 O0 O H

- v ,' d

(U ) a -Feniletilamina b b (singulete)

I u

Sucede que l a señal b se sobrepnc a un pico de u.

u (doblete)

I 1

c J > 4

I I I I 1 400 300 200 I O0 O Hz

(1 (b) P-Feniletilamina

d

r

S 7 6 5 4 3 I u0

1 I

300 400 I

( r ) p-Toluidina

I 200

b

I '

100

1

O Hi

I

b 26.0 t c 37.1 t

U a

(0) Ciclohexilamina NH,

C

a

h r

h

a 22.7 c b 31 5 d

c 35.8 t d 46.9 t

(h) 4-Metilpiperidina U

I H

Sudrler 3072C O Sadtler Research Laboratories. Dlvlslon of Blo-Rad, Inc , ( 1Y77)

b 28.2 t c 1234d d 149.8d

I

c

(c) 4Etilpiridina

CH2-CH, b u

h

I u/

1 , 1 , 1 , 1 , ] 1 ~ 1 1 1 1 , 1 I 1 IS0 1 6 0 I 4 0 I20 1 0 0 no 60 Jn 20 n

Sudrlvr 2XIYC Rg Sadtler Re\earch Laboralorle\. Dlvlslon of Rlo~Rad. Inc , I 1Y771

Figura 27.7 Espectros de RMC para el problema 29, plgina 974.

Frecuencia, m"

I 00

v 1

_LLIl 12

80

8 60 b'

c p.

40 2 Y.

5 3.

20 ' O.

0

Frecuencia, m"

1000 900 800 1

Sudller 8732 Longitud de onda, )I

Figura 27.8 E s ~ c @ o s de infrarrojo para el problema 30, página 974.

I I 1 400

I 300

I O H 200 1 o0

X p-Fenetidina (p-Etoxianilina)

d d U

d 8

1 I I 400

1 200 1 O0 0 Hi 300

I

y N-Etilbencilamina

U

I I

a (triplete)

b I

I 6 5 4 3 2 1

400 300 200

Z Cctona de Michlcr (p,p'-Bis(dimcti1amino)bcnzofcnona)

U n

8 7 6 5

U

Figura 27.9 Espectros de RMN protónica para el problema 30, página 974.

0 Hi I

1 O0 I

1.ongitud dc onda. p 2.5 3 4 5 6 1 8 9 I O I2 15

. I O

2 0

AAA

. I O

.20 > P z B

.40 E.

.80

miento . m 1 1 1 1 1 / 1 1 I 1 1 1 1 I 1 I / 1 I . , . . 1 1 I I

4000 3500 3000 2500 m o I R O O 1600 1400 1200 1000 xon 600 z

Srrdrirr 15466 K Frccucncia, cm ~ I

Longitud de onda, p 2.5 3 4 5 6 7 8 9 10 I2 15

.10

.90 p

5 3

.40 E.

.so

4000 3500 3000 2500 ?O00 1800 1600 1400 1200 1000 800 600

Sndrler 18061 K Frecuencia, cm"

02

Frecuencia. cm"

50004000 3000 2500 2000 15OO1400 I300 1200 1100 1000 900 800 700 100

80 3

ccc c-c- 60 C. H e

40 9 2 2.

20 5:

2 3 4 5 6 1 8 9 10 11 12 13 14 1s O

Sodrler 3880 Lmgitud de onda, )I


AAA Piperonal

I

I I I I I O H d

400 300 a 200 100 I

BBB Vainillina

d CHO

OH a

b

1 1 I 400

I 300

1 b 200 1 O0 OH

CCC Eugenol

f c H H

a

8 7 6 5 4 1 1 1 , / , , , , , 1 , , , , , , , , / ~ , , , , , , , , , 3 2 I

- , , O 6

400 300 200 1 00 O Hz U

DDD Timo1 1

b

I d I I ' I

8 7 6 5 4 3 2 I 0 6

Longitud de onda, p

oj L L 4000 -

3500 A

3000 -

2500

, 1

1800 1600 -

1400

29. (Cap. 28, pág. 1006) AAA y BBB presentan la banda de alargamiento C= O a 1700 cm-', y deben ser piperonal

y vainillina,respectivamente, que son los únicoscompuestoscarbonílicosdel conjunto; esto se confirma por la absorción protónica a campo muy bajo del "CHO, en sus espectros de RMN. De los dos, BBB exhibe el alargamiento del O - H a 3200 cm-', por lo que es vainillina; en consecuencia, AAA es piperonal. Estas asignaciones quedan confirmadas por los espectros de RMN: el conteo protónico (referido al X H O ) revela un 4% (más un "OH), en contraposición al -OC\O-; los dos oxígenos del 4 H , O - ocasionan un desplazamiento a campo mucho más bajo que el oxígeno Único del 4%.

De los compuestos restantes, CCC y EEE exhiben el alargamiento del Ck-H, por lo que deben pertenecer al grupo de fenoles aún no asignados: eugenol, isoeugenol y timol. De aquellos dos, CCC presenta el alargamiento de C= C a 1650 cm-' característico de un C = C no conjugado, por lo que debe ser eugenol; esto queda confirmado por las bandas correspondientes a flexión fuera del plano de C-H, cerca de 915 y lo00 cm-', característi- cas de un = CH, terminal. Por consiguiente, EEE es isoeugenol, o bien timol. A diferencia del timol, el isoeugenol tiene una cadena lateral insaturada, pero el alargamiento G= C en elsistemaconjugadobienpodriaestarocultoporlabandadealargamientoaromáticoa1600 cm-'.

El espectro de R M N de DDD indica que, de las siete posibilidades, sólo se puede tratar del timol. El gran doblete a 1.25 se halla en campo demasiado alto como para corresponder a algún protón alílico, vinílico o de alcoxi, por lo que sólo se puede deber a los seis protones p de la cadena lateral isopropílica del timol. La inspección demuestra que el espectro entero se ajusta muy bien a esta estructura.

Eliminado el timol, ahora EEE debe ser isoeugenol. La forma de la banda a 1600 cm-' apunta hacia una absorción C = C oculta, y apreciamos una banda (alrededor de 965 cm-l), donde cabe esperar UM flexión C-H para un "CH= CH- trans.

Finalmente, FFF no exhibe ninguna banda O-H, por lo que debe ser, de las posibilidades que restan, ya sea safrol, o bien anetol. La banda de alargamiento C=C a 1650 cm-' indica que la cadena lateral no está conjugada, por lo que FFF es safrol; esto queda confirmado por las bandas de flexión C-H (alrededor de 920 y lo00 cm-') que se espem'an para un = CH, terminal.

Fórmulas estereoquímicas de compuestos cíclicos

Porconveniencia,losquimicosorgánicospuedenin~cardediversasmaneraslaestereoquímica de los compuestos cíclicos.

Una línea continua (a menudo engrosada) indica un enlace que subresufe del plano del papel; una línea punteada representa UM unión que se dirige hacia atrás del plano.

Como alternativa, un círculo lleno representa un átomo de hidrógeno que sobresale del plano del papel; se entiende que el otro enlace con ese carbono se encuentra detrás del plano. Cuando no aparece el círculo, el hidrógeno se halla detrás del plano, entendiéndose que el enlace indicado sobresale del plano.

Es así como podemos encontrar las siguientes representaciones para el rruns-1,2- dibromociclopentano:

H Br

y las siguientes para el isómero cis:

y obien obien gr obien aBr Br Br

r Br

/ \.\,

Br

882

Síntesis: trabajo retroactivo

Dando por sentado que conocemos la química de los pasos individuales, jcómo hemos de proceder para planificar UM ruta hacia compuestos más complejos (alcoholes, por ejemplo)? En casi todas las síntesis orgánicas, lo más adecuado es comenzar con la molécula que queremos -la molécula ubjetivu- y rrubujar hacia atrás. Por ejemplo, son pocas las maneras que hay de hacer un alcohol complicado: son escasos los modos de obtener un reactivo de Grignard, o un aldehído o una cetona, y así sucesivamente, hasta arribar por último a nuestros materiales de partida. Por otra parte, estos materiales pueden sufrir tantas reacciones diferentes que, si comenzamos nuestro problema al revés, nos hallaremos frente a un número desconcertantemente grande de caminos, de los cuales sólo unos pocos nos pueden llevar hacia donde queremos.

Tratamos de limitar las síntesis a la menor cantidad posible de pasos, pero no sacrificamos la pureza en favor del tiempo. Para evitar una transposición en la preparación de un alqueno, por ejemplo, aceptamos dos pasos por la vía del halogenuro en lugar del paso Único de la deshidratación.

Análisis de espectros

Extraiga todalainformación que pueda de la f6rmulamolecular: utilice la ariUnCticaquímica y decida, donde le sea posible, cuántos anillos, enlaces dobles, o ambos, están presentes. Combine esto con bandas características del infrarrojo, valores S, conteo de protones y desdoblamiento de las diversas señales de RMN que le permitan reconocer las unidades estructurales. Si el espectro (o combinaciónde espectros) no presentaambigüedades, debería encontrarse una sola estructura final; vuelva atrás y compare este resultado con toda la información de que disponga.

Para los problemas basados en espectros, las respuestas se presentan en dos etapas: se dan los nombres de los compuestos desconocidos en su secuencia propia, junto con las demb respuestas; luego, al final de la Guía de Estudio, se reproducen los espectros con bandas de infrarrojo identificadas, y las sefiales de RMN asignadas. Sugerimos que el lector verifique cada una de sus respuestas también en dos etapas.

Primero, coteje el nombre; si su respuesta está equivocada, o si no ha podido trabajar nada del problema, retorne al espectro del libro y, conociendo laestructuracorrecta, vuelva a tratar de solucionarlo: vea si ahora es capaz de identificar bandas, asignar señales y analizar divisiones espín-espín. Finalmente, consulte la parte final de la Guía de Estudio y compare su respuesta con el espectro analizado.

TABLA 33.1 REGLAS DE WOODWARD-HOFFMANN PARA REACCIONES ELXCl'RWfCLICAS

Número de electrones x Reacción Movimiento

4n 4n

térmica conrotatorio fotoquímica disrotatorio

4n + 2 tkrmica disrotatorio 4n+2 fotoquímica conrotatorio

Tabla 33.2 REGLAS DE WOODWARD-HOFTMANN PARA CICLOADICIONES [i + j ] i + j Térmica Fotoquímica

4n supra, antara supra, supra antara, supra antara, antara

4n+2 supra, supra supra, antara antara, antara antara, supra

Síntesis: un enfoque sistemático

Pucsto que las síntesis que estamos planeando se vuelven más y más complicadas, ha llegado el momento de emplear u n enfoque sistemático: quizás ya lo estamos haciendo, aunque sin darnos cuenta cabal de ello. Esbocemos formalmente los pasos que pueden pensarse para un cnfoque como éste. Se utilizará la síntesis de compuestos aromáticos como ejemplo, pero el enfoque es general y, con las modificaciones apropiadas, se puede aplicar a la síntesis de todo tipo de moléculas, por más complicadas que sean.

Como ya es usual, vamos a comenzar con la molécula que deseamos obtener "la mol~ulaobjetiv~ytrabajamosretroactivamente.Nosp1anteamoslassiguientespreguntas en el orden dado:

Pregunta (I). ¿Se puede introducircualquiera de los sustituyentes de la molécula objetivo a través de una sustitución elecmfílica aromática directa, y con la orientación adecuada? Si no, entonces:

Pregunta (2). ¿Hay en la molécula objetivo algún sustituyente que se pueda formar por la oxidación o reducción de algún grupo relacionado? Por ejemplo, "COOH t" "CH, o " N H , +"NO,. Si no, entonces:

Pregunta (3). ¿Hay en la moléculaobjetivo algún sustituyente que se pueda introducir por dcsplazamiento de. algún otro grupo? Por ejemplo, " C N t- -N,+, o bien, " O H +" " C I (cn anillos activados). Si no, entonces:

Pregunta (4). ¿,Hay en la molécula objetivo en hidrógeno que haya llegado a esa posición por desplazamiento de algún sustituyentc? Por ejemplo, -H t- -N,+ o "H C"

-SO,H.

En todos los casos en que la respuesta a una de las preguntas sea "sí", sacamos ese grupo (Pregunta 1); o lo transformamos (Pregunta 2) en su precursor (digamos "COOH c" "CH,); o lo rccmplazamos (Pregunta 3 ) por su precursor o precursores (p. ej. ArCN t" ArN,+ t" ArNH,); o bien (Pregunta 4), sustituimos ese -H (o, quizás "D o -T, en compuestos marcados) por el grupo que ocupaba previamente esa posición.

Ya que se han cfcctuado las transformaciones que implican las respuestas afirmativas, planteamos de nucvo todas las preguntas con la nuevu estructura que acabamos dc gcncrar. Estos pasos se rcpit.cn tanta? veces como sea necesario hasta quc, trabajando en rctroceso, encontremos finalmente un material de partida como benceno o tolucno.

Tcnemos ahora un conjunto de pasos retroactivos conocidos como frunsformaciones, 10s cualcs ponen de manificsto las difcrentes reacciones que se necesita llevar a cabo (como la nitración,larcduccióndeliondiazonio,larcaccióndeSandmeyer,etc.),perononeces~~~ntc en el orden apropiado. A continuación revisamos nuestro procedimientountirético ordenando las tranfirnuciones indcpcndicntes en una secuencia sintética, fácil de manipular y constituida por pasos progresivos (reacciones).

Al hacer esto, debemos tener presente que con frecuencia es necesario utilizar elementos decontrol:éstossongruposquein~oducimosparaasegurarlaselectividad(larcgio~el~tividad o la estereoselectividad) en un paso posterior. Los elementos de conuol pueden proteger un grupo, o bien disminuir su efecto activamente (la acetilación de una mina, por ejemplo); también puede.n bloquear una posición o, a la inversa, aumentar la reactividad en algún punto en particular. La necesidad de utilizar estos elemcntos de control puede no ser obvia mientras sc Fabaja en las transformaciones antitéticas, p r o suck hacerse evidente cuando tratamos de armar todo el conjunto para esclarecer una serie de reacciones sinleticas.

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