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Q U Í M I C A O R G Á Q U Í M I C A O R G Á N I C A IIN I C A II
Mecanismos de Mecanismos de reacciónreacción
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE GUERRERO
José Luis Parra Mijangos
Facultad de Ciencias Químico Biológicas
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Clases de reacciones orgánicasSustitución Cl2 + CH3CH3 CH3CH2Cl + HCl Reactivo sustrato productos
luz
Adición Cl2 + CH2=CH2 CH2ClCH2Cl
Eliminación NaOH + CH3CH2Cl CH2=CH2 + H2O + NaCl
++
Clases de reactivos Nucleofílicos: ofrece un par de electrones para un enlace
I- HO- RO- RS- CN- H2Ö: RÖH H3N:
Electrofílicos: acepta un par de electrones para formar un enlace
H3O+ R2C=OH R2C-OH BF3 AlCl3
Radicales libres: especie química con un electrón sin aparear
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2. HALOGENUROS DE ALQUILO
2.1. La reacción SN2
2.2. La reacción SN1
2.3. La reacción E1
2.4. La reacción E2
2.5. Factores que gobiernan las reacciones de sustitución y eliminación
2.6. Síntesis de otros compuestos a partir de halogenuros de alquilo.
2.0. El experimento
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2.0. El experimento Se ha puesto a reaccionar el (R)-2-bromooctano, ópticamente puro, con hidróxido sódico (un nucleófilo) en DMF (dimetilformamida) como medio disolvente:
El resultado es la obtención mayoritaria (80%) de un alcohol con actividad óptica, junto a una serie de alquenos ópticamente inactivos. Es razonable pensar que el nucleófilo (HO-) ataca al carbono deficiente en electrones del 2-bromooctano, que es el que está unido al bromo. Por tanto, el alcohol será 2-octanol. Consultamos un handbook y encontramos los datos siguientes:
El alcohol obtenido es mayoritariamente (no exclusivamente) el enantiómero S.
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2.0. El experimento
El análisis de la mezcla de olefinas, permite hacer las siguientes deducciones:
El Br se sustituyó por un grupo OH en su mayor parte. El Br se eliminó en una pequeña parte. Se formó una mezcla de varios alquenos. La configuración del alcohol es mayoritariamente S, la contraria del haluro de alquilo de partida, por tanto, la sustitución se produjo mayoritariamente con inversión de la configuración. Se obtuvo una pequeña cantidad de alcohol R, lo que sugiere que ocurrió una racemización. La velocidad de reacción depende de los dos reactivos, RX y nucleófilo. Ambos deben intervenir en la etapa limitante de la velocidad. Estas deducciones deben permitir proponer un mecanismo de reacción, es decir, una secuencia razonable de procesos que describa con precisión cómo y cuando se rompen y forman los enlaces.
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2.1. La reacción SN2 La reacción del Et-Br con –OH para dar etanol y el ion Br– es una típica reacción SN2. Cualquier RX 1° desarrolla reacciones SN2 con nucleófilos como: –OH, –OR, –SR, –CN. Los RX 2° también desarrollan reacciones SN2; sin embargo, los RX 3° no lo hacen.
Cuando un nucleofílico choca con la parte posterior de un átomo de carbono tetraédrico unido a un halógeno, dos cosas ocurren simultáneamente: (1) un nuevo enlace comienza a formarse, y (2) el enlace C—X comienza a romperse. El proceso se lleva cabo en una etapa, es decir, es concertado.
BrH3C
H
H
HO HO
HCH3
H
Br+
Mecanismo de la reacción SN2
Para que se lleve a cabo una reacción, primero deben chocar las moléculas. La orientación de las moléculas es un factor importante para determinar como ocurrirá la reacción estereoquímica. Para llevar a cabo una reacción, las moléculas en colisión deben contener cierta energía potencial para que ocurra el rompimiento de enlaces.
Estereoquímica de una reacción SN2
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Para que los reactantes sean convertidos a productos, deben pasar por un estado intermedio que tiene la máxima energía potencial. Este estado se llama estado de transición (ET), o complejo activado. Debido a que el ET está compuesto de 2 partículas (Nu- y RX), la reacción se llama bimolecular (SN2)
Energía de una reacción SN2
Las moléculas en una solución contienen cierta energía potencial en sus enlaces y cierta cantidad de energía cinética para su movimiento. Las moléculas que ganan energía cinética, chocan, e intercambian alguna energía cinética por energía potencial.
La energía potencial requerida para llegar al ET forma una barrera energética. Esta cantidad mínima de energía se llama energía de activación Eact.
La reacción ocurre con inversión de la configuración (Walden).
BrH3C
H
H
HO HO
HCH3
H
Br++
H
HH3C
BrHO
enlaces parciales
Estado de transición
sp3 sp3sp2
Energía potencial
Progreso de la reacción
Energía del ET
H de reacción
Energía promedio de productos
Energía promedio de reactantes
Eact
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Velocidad de una reacción SN2
La cinética de la reacción depende principalmente de dos variables: (1) la concentración de los reactantes, y (2) la estructura de los reactantes.
Nu– + RX RNu + X–
velocidad SN2 = k [RX] [Nu–]
Debido a que la velocidad de una SN2 depende de la concentración de 2 partículas (RX y Nu–), la velocidad es de segundo orden cinético.
Efecto de la concentración sobre la velocidad
Al incrementar la concentración de reactantes, bajo una reacción SN2, se incrementa la velocidad de formación de productos debido al incremento de la frecuencia de las colisiones moleculares.
Efecto de la Eact sobre la velocidad y sobre los productos
Bajos las mismas condiciones, la reacción de más baja Eact tiene una mayor velocidad.
Si se parte del mismo material por 2 diferentes reacciones, predominará el producto de la reacción más rápida (de más baja Eact). En reacciones en competencia a partir del mismo material, la reacción con el ET de más baja energía será la reacción más rápida.
La reacción con una estructura del estado de transición más estable será la reacción más rápida
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Efecto de la estructura sobre la velocidad
Se compararon las reacciones
(1) OH + CH3Br CH3OH + Br
(2) OH + CH3CH2Br CH3CH2OH + Br
Se midieron las velocidades de ambas reacciones bajo las mismas condiciones (solvente, concentración, temperatura), y se encontró que el CH3Br reaccionó 30 veces más rápido que el CH3CH2Br. La reacción con el bromuro de etilo tiene un ET de más alta energía.
Impedimento estérico de las reacciones SN2
3° RX 2°RX 1°RX CH3X
Incremento de la velocidad en reacciones SN2
Si se incrementa el número de grupos alquilo unidos al carbono central, el ET se incrementa.
La presencia de grupos CH3 impide el ataque del nucleófilo. La energía del ET de una reacción SN2 de un RX 3° es tan relativamente alta que no procede. La dificultad de ataque del nucleófilo al carbono central por el amontonamiento de átomos se llama impedimento estérico.
Velocidades relativas de RX en reacciones típicas de SN2
RX vel. relativa
CH3X 30
CH3CH2X 1
CH3CH2CH2X 0.4
CH3CH2CH2CH2X 0.4
(CH3)2CHX 0.3
(CH3)3CX ~0
No procede
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2.2. La reacción SN1
Por al impedimento estérico, el (CH3)3CBr y otros RX 3°, no desarrollan reacciones
SN2. Pero, si el (CH3)3CBr se trata con una solución diluída de NaOH, se forma
rápidamente el alcohol t-butílico. No se observa en las reacciones inversión de la configuración de los RX 3° enantioméricos; se obtienen generalmente productos racémicos. Un cambio en la [OH ] no tiene efecto sobre la velocidad de reacción.
(CH3)3C ++ OH_
(CH3)3C OH (CH3)3C OH_Etapa 2
(rápida)
ET 2
(CH3)3C Br (CH3)3C Br (CH3)3C + Br+_Etapa 1
(lenta)
ET 1 Carbocatión intermediario
Los RX 3° desarrollan la sustitución por un mecanismo SN1 (sustitución nucleofílica
unimolecular)
(CH3)3CBr + OH (CH3)3COH + Br
La reacción SN1 de un RX 3° es una reacción de dos etapas. La etapa 1 es el
rompimiento del RX en un par de iones: el ion X y un carbocatión. La etapa 2 es la combinación del carbocatión con el nucleófilo para dar el producto.
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Estereoquímica de una reacción SN1
Un carbocatión (o ion carbonio) es un átomo de carbono con 3 grupos unidos. Los enlaces de estos grupos están en un plano, y los ángulos entre enlaces son de 120°
Carbocatión intermediario
ET 1
ET 2
La etapa 1 en la reacción tiene una alta Eact, es la etapa lenta en el proceso total.
El carbocatión es un intermediario, una estructura que se forma durante la reacción y luego reacciona para dar productos (un intermediario no es un estado de transición).
La etapa 2 es la etapa rápida de la reacción total.
RR
R
orbital p vacío
Cuando el (S)-3-bromo-3-metilhexano se trata con una solución de NaOH, el reactante enantiomérico desarrolla racemización para producir una mezcla racémica de alcoholes. No se observa inversión de la configuración porque el carbocatión intermediario es plano. El nucleófilo puede atacar cualquier lóbulo del orbital p vacío, o sea, que el Nü puede atacar por cualquier lado. La mitad de las moléculas del producto invierten la configuración original y la otra mitad la mantiene.
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Velocidad de una reacción SN1
La velocidad de reacción de una SN1 depende solamente de la [RX].
Velocidad SN1 = k [RX]
La etapa de ionización (etapa 1) se llama la etapa determinante de la velocidad de reacción (EDVR).
Una reacción SN1 es de primer orden cinético porque su velocidad es proporcional a la [reactante]. Es una reacción unimolecular porque solamente una partícula (RX) está implicada en el ET de la EDVR.
Reactividades relativas en reacciones SN1
Metilo CH3Br + OH – CH3OH + Br –
1° CH3CH2Br + OH – CH3CH2OH + Br –
2° (CH3)2CHBr + OH – (CH3)2CHOH + Br –
3° (CH3)3CBr + OH – (CH3)3COH + Br –
Las velocidades que diferentes RX desarrollan bajo reacciones SN1 dependen de las Eact relativas que alcanzan diferentes carbocationes.
La energía del ET está determinada por la estabilidad del carbocatión.
El carbocatión de un RX 3° es más estable que el carbocatión de un RX 1°.
Velocidades relativas de algunos RBr en reacciones
típicas de SN1
RX vel. relativa
CH3Br 1
CH3CH2Br 1
(CH3)2CHBr 11.6
(CH3)3CBr 1.2 x 106
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Estabilidad de carbocationes
Un carbocatión es inestable y rápidamente lleva a cabo una reacción. Sin embargo, se puede hablar de estabilidades relativas de carbocationes.
Los tipos de carbocationes son: metil catión, carbocationes primarios, carbocationes secundarios y carbocationes terciarios.
La estabilidad del carbono cargado positivamente se incremanta por la dispersión de la carga positiva. La dispersión de la carga positiva se da por efecto inductivo (atracción de los electrones del enlace en una molécula por un centro positivo.
C
H3C
CH3
CH3
++++
CH3 CH3CH2 (CH3)2CH (CH3)3CH
Incremento de la estabilidad del carbocatión
Incremento de la velocidad de reacción por SN1
Rearreglo de carbocationesUn cloruro de alquilo secundario puede desarrollar reacción SN1 con un ión bromuro como nucleófilo, pero además del producto esperado se obtiene otro producto.
(CH3)3CCHCH3 + Br
Cl(CH3)3CCHCH3
Br
(CH3)2CCH(CH3)2
Br
-Cl
-Clproducto esperado
producto inesperado
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Estabilidad de carbocationes
Un carbocatión es inestable y rápidamente lleva a cabo una reacción. Sin embargo, se puede hablar de estabilidades relativas de carbocationes.
Los tipos de carbocationes son: metil catión, carbocationes primarios, carbocationes secundarios y carbocationes terciarios.
La estabilidad del carbono cargado positivamente se incremanta por la dispersión de la carga positiva. La dispersión de la carga positiva se da por efecto inductivo (atracción de los electrones del enlace en una molécula por un centro positivo.
C
H3C
CH3
CH3
++++
CH3 CH3CH2 (CH3)2CH (CH3)3CH
Incremento de la estabilidad del carbocatión
Incremento de la velocidad de reacción por SN1
Rearreglo de carbocationesUn cloruro de alquilo secundario puede desarrollar reacción SN1 con un ión bromuro como nucleófilo, pero además del producto esperado se obtiene otro producto.
(CH3)3CCHCH3 + Br
Cl(CH3)3CCHCH3
Br
(CH3)2CCH(CH3)2
Br
-Cl
-Clproducto esperado
producto inesperado
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El carbocatión intermediario de esta reacción es secundario. Un carbocatión 2° es de más alta energía que un carbocatión 3°. La energía del carbocatión de este ejemplo puede disminuirse por la transferencia o desplazamiento de un grupo metilo con sus electrones de enlace al átomo de carbono adyacente. El resultado es el rearreglo del carbocatión 2° a un carbocatión 3° más estable.
CH3 C CHCH3
CH3
CH3
CH3 C CHCH3
CH3
CH3
carbocatión secundario carbocatión terciario
El desplazamiento de un átomo o de un grupo a un carbón adyacente se denomina transferencia-1,2. El desplazamiento del grupo metilo se llama transferencia de metiluro (:CH3 es un anión).
El rearreglo del carbocatión ocurre si un grupo alquilo, o arilo, o un átomo de hidrógeno (con sus electrones de enlace cada uno) puede transferirse a un carbono adyacente para dar un carbocatión más estable.
CH3 C CHCH3
H
CH3
CH3 C CH2CH3
CH3
carbocatión 2° carbocatión 3°
Producto de rearregloTransferencia de hidruro
Producto normal
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El carbocatión intermediario de esta reacción es secundario. Un carbocatión 2° es de más alta energía que un carbocatión 3°. La energía del carbocatión de este ejemplo puede disminuirse por la transferencia o desplazamiento de un grupo metilo con sus electrones de enlace al átomo de carbono adyacente. El resultado es el rearreglo del carbocatión 2° a un carbocatión 3° más estable.
CH3 C CHCH3
CH3
CH3
CH3 C CHCH3
CH3
CH3
carbocatión secundario carbocatión terciario
El desplazamiento de un átomo o de un grupo a un carbón adyacente se denomina transferencia-1,2. El desplazamiento del grupo metilo se llama transferencia de metiluro (:CH3 es un anión).
El rearreglo del carbocatión ocurre si un grupo alquilo, o arilo, o un átomo de hidrógeno (con sus electrones de enlace cada uno) puede transferirse a un carbono adyacente para dar un carbocatión más estable.
CH3 C CHCH3
H
CH3
CH3 C CH2CH3
CH3
carbocatión 2° carbocatión 3°
Producto de rearregloTransferencia de hidruro
Producto normal
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2.3. La reacción E1 Un carbocatión es un intermediario de alta energía, inestable, que rápidamente reacciona. Una forma de que el carbocatión dé un producto estable es por combinación con un nucleófilo (SN1). Otra forma es que el carbocatión pierda un protón con el nucleófilo en una reacción de eliminación (E1), para dar un alqueno.
La etapa 1 en una reacción E1 es igual a la 1a etapa de una SN1: la ionización del RX.
Es la etapa lenta y por lo tanto la EDVR. También la E1 es de 1er orden cinético, ya que la velocidad depende sólo de la [ RX ]. Sólo un reactante está implicado en el estado de transición de la EDVR, la reacción E1, al igual que la SN1, es unimolecular.
(CH3)3C Br (CH3)3C Br Br+_
CH3C
H3CCH3
+Etapa 1 (lenta)
Estado de transición 1 Carbocatión intermediario
En la segunda etapa de una reacción de eliminación, la base remueve un protón de un carbono que es adyacente al carbono positivo. Los electrones del enlace sigma C–H se transfieren a la carga positiva, el carbono adyacente se rehibridiza del estado sp3 al estado sp2, y se forma el alqueno.
(CH3)3C Br (CH3)2CBr
_-
OH_
(CH3)2CCH2
H
CH2 + H2O
Eliminación+
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Etapa 2 (rápida)
OH+CH3C
H3CCH2
+H
_C
H3C
H3CCH2
HHO
CH3C
H3CCH2 + H2O
Una reacción E1, al igual que SN1, procede a través de un carbocatión intermediario, entonces un RX 3° llevará a cabo la reacción más rapidamente que un RX 1°.
Mezcla de alquenos
Si los grupos alquilo alrededor de carbono positivo del carbocatión son diferentes, la eliminación puede originar más de un alqueno. La reacción E1 del 2-bromo-2-metil-butano produce dos alquenos porque dos tipos de átomos de H (hidrógenos ) pueden ser eliminados: un H del grupo CH3 o un H del grupo CH2.
CH3CH2 C Br
CH3
CH3
Br_
-CH3CH-C
CH2
CH3
+
H
H
CH3CH2C
CH2
CH3
CH3CH C
CH3
CH3
H-+
H-+
Hidrógenos
¿Cuál de los 2 alquenos se formará en mayor cantidad?
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Alqueno predominante
Alexander Saytseff (1875) formuló la regla: En reacciones de eliminación, predominará el alqueno con el mayor número de grupos alquilo sobre los átomos de carbono del doble enlace (regla de Saytseff).
CH3CH2CHCH3
BrOH
_
-E1
CH3CH=CHCH3 + CH3CH2CH=CH2
2-bromobutano 2-buteno
80%
1-buteno
20%Los alquenos más sustituídos son más estables que los menos sustituídos.
ET 2, determina la relación de productos
ET 1, determina la velocidad
reactantes
carbocatión
Alqueno más sustituido
Alqueno menos sustituido
Avance de la reacción
Diagrama de energía de una reacción E1El alqueno más estable se forma en mayor cantidad que el alqueno menos estable. Después de que se forma el carbocatión, el ET 2 para cada uno es de diferente energía. El alqueno más sustituído tiene un ET 2 de menor energía y procede con mayor velocidad.
La energía del ET de la etapa 1 determina la velocidad de la reacción, la energía del ET de la etapa 2 determina la estructura del producto.
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Estequiometría de E1 (¿cis o trans?
El alqueno más sustituído predominará en la mezcla de productos E1, pero pueden existir isómeros geométricos de éste.
En reacciones E1 el alqueno trans se forma preferentemente al alqueno cis.
H
H CH3
HH3C
OHET2 para el trans-2-buteno
H
H3C H
HH3C
OHET2 para el cis-2-buteno
repulsiones
Los grupos metilo están eclipsados en ET-cis, pero alternados en el ET-trans. Debido a que el eclipse de grupos da lugar a repulsiones, el ET-trans es de más baja energía. Por lo anterior, la velocidad de la reacción que lleva al alqueno trans es más rápida, y el trans-2-buteno se formará en mayor abundancia.
Rearreglos en reacciones E1
Al igual que en las reacciones SN1, las E1 proceden mediante carbocationes. Por lo tanto, un carbocatión se rearreglará si eso dá un carbocatión más estable. Mediante la transferencia-1,2 de un metiluro o de un hidruro el carbocatión podrá rearreglarse para dar un carbocatión más estable. Las reacciones E1 pueden dar una mezcla de alquenos.
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2.4. La reacción E2 La reacción E2 (eliminación bimolecular) es una -eliminación, que ocurre en una sóla etapa, esto es, de manera concertada.
CH3CHCH3
Br
CH3CH2O + CH3CH2O + CH2- CHCH3
Br
H
(1)
(3)
(2)
CH3CH2OH + CH2=CHCH3
(2) Los electrones de C–H forman un enlace pi
(1) La base forma un enlace con el hidrógeno
(3) El bromuro sale con el par de electrones del enlace sigma C–Br
En una E2 los RX 3° reaccionan rápidamente y los RX 1° reaccionan lentamente.
En una reacción E2 el alqueno más estable se forma preferentemente, siguiendo la regla de Saytseff. No se observan rearreglos en E2.
La E2 es una reacción de segundo orden cinético, esto es, la velocidad es proporcional a las concentraciones del RX y de la base. V = k [RX] [B¯ ]
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2.5. Factores que gobiernan las reacciones de sustitución y eliminación
SN2 SN1
Cinética segundo orden primer orden
Rearreglos no son posibles son posibles
Estereoquíimica Inversión completa Mezcla de retención e inversión
Efecto del sustrato CH3X >1° > 2° 3° > 2°
Efecto del nucleófilo Nü fuerte hidróxido, Nü débil: agua, metanol, fluoruro, acetato
yoduro, metoxi, cianuro,
Efecto del solvente solvente menos polar solvente ionizante agua, metanol, etanol
E2 E1
Cinética segundo orden primer orden
Rearreglos no son posibles comunes
Orientación alqueno más sustituído alqueno más sustituído
Efecto del sustrato 3° > 2° >1° 3° > 2°
Base base fuerte ¯OH, CH3O¯ base débil Cl ¯, Br ¯,
Efecto del solvente variedad de solventes solvente ionizante agua, metanol, etanol
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Condiciones favorables para las reacciones de halogenuros de alquilo¿Cómo se predice cual de las posibles reacciones: SN2, SN1, E2 o E1, se llevará a cabo en un caso determinado? Se proponen algunas directrices:
La fuerza de la base o del nucléofilo determina el orden de reacción. Un nucléofilo o base fuerte forzará a una cinética de 2° orden: SN2 o E2. Si no está presente, la reacción más rápida será de primer orden, SN1 o E1. Si se agregan sales de plata, se puede forzar una ionización.
Los halogenuros primarios participan en la reacción SN2, y a veces en la reacción E2 . Con buenos Nü, se observará la reaccion SN2. Si una base muy fuerte está presente, también se observará la E2. Si el grupo alquilo del RX 1° es voluminosos, habrá más eliminación.
Los halogenuros terciarios participan en la reacción E2 (base fuerte) o una mezcla de E1 y SN1 (base débil) . Los RX 3° no pueden participar en SN2. Las altas temperaturas favorecen la eliminación.
Las reacciones de los halogenuros secundarios son las más difíciles de predecir. Con base fuerte, son posibles tanto SN2 como la E2, Con una base débil y un buen solvente ionizante, son posibles tanto la SN1 como la E1. La mezcla de productos son comunes. Las altas temperaturas favorecen la eliminación.
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2.6. Síntesis de otros compuestos a partir de RX
Reactivo de Grignard: producto de la reacción por radicales libres entre el magnesio metálico y un halogenuro orgánico
Químico francés Víctor Grignard, en 1912 recibió el premio Nobel de Química.
CH3I + Mg CH3MgI
(CH3)3CBr + Mg (CH3)3CMgBr
Halogenuros organomagnésicos (RMgX): reactivos de Grignard
Los reactivos de Grignard son inestables, a menos que estén solvatados con el éter dietílico. REACTIVIDAD DE LOS REACTIVOS DE GRIGNARD
En RMgX el carbono lleva una carga parcial negativa (carácter de carbanión). CH3CH2 –Mg–Br
En los compuestos carbonílicos el carbono nucleófilo del reactivo de Grignard ataca sobre el carbono carbonilo, moviendo los electrones pi al oxígeno carbonilo, para dar una sal de magnesio de un alcohol. Cuando se trata con agua o ácido acuoso esta sal de magnesio da el alcohol y una sal mixta inorgánica de magnesio.
+ -
Algunos productos de las síntesis de Grignard:
Formaldehído alcohol primario
Aldehído alcohol secundario
Cetonas alcohol terciario
Bióxido de carbono ácido carboxílico
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