AE ! t .LAY O . _ ~ IENo s , INDICE PRLOGOA LAPRIMERAEDICIN...... ... ............... ......... ......... ...... .... .... ...... .... ........................ ... ...1 3 ~ A C I O.. .............. ................ .. ................ .. ........ .. .............................................. .......... .. ............15 PARTEA:CONCEPTOSGENERALES CAPTULO1.HIBRIDACINyPROPIEDADES................................................................................19 ~ tomo............................................................. ... ...... .................. .. ......... ... .......... ............. ..... ..20 Los orbitalesatmicos....................................................................................... ....... ........ ........ 20 Cmoasignar electrones alos orbitales atmicos .. ........................... .. ............................ 2 1 :..osorbitalesmoleculares ............................................ .. ............................................................ 2 1 Elmetano , .......... .. ..... ... ... ... ......... .. .............. ....... ... ...... ... , ..................... ... ..... ........... ...... ........ .. ... 22 51etano .. .......... .,................... ,......... ... ........ ,.................. ....... ...................... .......... .......... ...... .. ....24 1:.1eteno .... ... ....... .... ...... ... ........................................................................................................... 24 =:1etino... ..... .. ........... .. .... .. ..................... ..... ................................................................... ..... ... .... 26 Cmoes el etino? ..... ........ ..... ........ .............................. .. ..................................... ............ 26 Haciendocomparaciones ................................ :........... ................. _..... ...... ... ........... .. ........27 :..apolaridaddeunenlace .................................... ...... ................... ..... .......... .... ......................... 27 la polaridaddeunamolcula .. ....... .......... ...... .... .... :................................................................. ?9 :...aspropiedades fsicas ...................................................... ........................................................ 31 :nleraccionesintermoleculares .......... .... .... .. ...... ...... . " ........................ .. ............................ ..... .... 31 l . Interaccin entre dipolospermanenles ..... ................................................ ... .. ..............31 2. Interaccin entre dipolostemporarios ... ................. ....... ..... .. ............. ................ .. ... .... . 32 3. Interaccionespor puentedehidrgeno....................................................................... 33 Ej ercicios ... .. ....... ... ... ..... ..... ...... ... ......... ........................................................... ...... .... ..... .. ......... 34 C-'J'TULO2. NOMENCLATURAyGRUPOSFUNCIONALES ................................. ...... ............... ........37 .-\Icanos.. ... .............. ....... ... ......... .... .. ............ ..... ..... ..... ..... ..................................... ... .......... ..... ...37 Aprendiendo a escribir frmulas ........................................................................ .............. 38 Cmose nombran estoscompuestos?....... ...... ... ............. ..... ...... ..... ....... .......... ..... .... .... 39 Cicloalcanos ....................... .. ........ .. ....... .. .................. .. .............................................................. 43 Gruposfuncionales con enl acessimples .................................... .... ........................................... 44 Alcoholes ...... .............. ... ...... .... ...... ......... ................. ...... .. ....... ... ... ...... ... ........... .. .............44 Eteres ....... .. ........ ..... ...... ............. ...... .... ....... ... ... .... ...... ...... ........ ... ...... ..... ........ ... ........ ... .. ..45 Halogenurosdealquilo............................ .. ..................................................................... 46 Aminas.... ...... ....... .... .. .... ... ........ ... ..... ... ......... .. ............. ...... ...... ... ...... ...... ............. .... ........ 46 Gruposfuncionalescon enlacesmltiples .... ...... .... ........ ....................................... ... ........ .. ...... 47 Alquenos .. .. ............. ................................................ ... ............................... ..................... ..47 Alquinos............................ .... ...................... ....................................................... : ..... ... ... . 48 Aromticos .................... ... ............................... .................................... ............................. 49 Elgrupocarboni lo ..............................................................~......... ... .................... ............ 5 1 Aldehdos ..................... ........................................................... ...... ....... ... ... ....... ..... ... .... ...51 Cetonas............................ .. ............ .. ................................................................................ 52 , Acidoscarboxl icos... ..... ................... ........ .... ..... .................. ....... ...................... .... ....... ...52 Molcul asconvarios gruposfuncionales.................................. _.. ............................. ........ ......53 Ejercicios ............................ .. ... .................................................................................................. 56 CAPTULO 3.ISOMERA.............................................................................................................. 59 Ismeros estructurales........................................ ..... .................................................................. 59 Ismeros geomtricos ... .............................. .... .............................. ............ ... ....... ....... ..... ........... 6 1 Nomenclat ura de losismeros geomtricos ............ ............. ........................... .. ................... .....63 Aprendiendoadibujar.... .. ................................. ..... ................................ .................................. 65 De tres dimensiones a dosdimensiones.... " ..... ........................ ..... , ................. .......................... 67 Proyeccionesencaballete................................... ...... ........ ... ............. .................... .... ...... 67 Proyecciones de Newman........... ........ ........ ... ....... ... ......... ........... .................... ................ 68 Las conformacionesysu estabilidad......... ............................. ............... ........ .................. ......... 68 Enantimeros ..................................................... ....... ......... ........................................................ 70 Actividadptica ................................................. ... .................................................................... 72 Repaso.................................................................................................. , .. ...... .................. 73 Proyecciones de F i scher............................ .... .................................. .... ..................... ................. 7 5 Configuracinrelativa... ...... ..... .... ... .. ...................... .................................................. .... ... ........ 76 Configuracinabsoluta ........ ................ ......... .................... ............... ......................................... 77 Diasteremeros...... ................ ...... ...... ............. ............. ....... ... .... ....... ... .................. ..... ............... 79 Formas meso ....................................................... .. ................................................. ....................82 Ciclos ............................. ................. ........ ... ................................................................................ 84 Ciclohexano.................. ...... ............................ ............... ... ................................ ..... ......... .... ...... 85 Ciclohexanosmonosustituidos ........................ ... .................... .............................. ..... ....... ........86 Ciclohexanosdisustituidos .... ... ..................................... ......................................... ... ............... 88 Molculasquiralessincarbonos quirales ................................................................................. 9 1 Ejercici os ......... ........................ ............. ...... .............................. .... ............................................. 93 CAPTULO4. A CIDEZyBASICIDAD.......... . .................................................................................. 97 Fuerzarelativa de cidos ybases..... ................. .. ... ... ... ........................................... ................ ..97 Efectode la estructura enla acidez ybasicidad.....................................................................10 I a.Efectoinducti vo ....... ........ ...... ........................................... ......... ... .............................101 b.Efecto de resonancia................... .......... ............ ................. ........ ................................102 c.Correlacionesperidicas ............................................................................................105 d.Efectos estadsticos ....... .. ..................... ......................... ..... ........................................105 e.Puentesde hidrgeno ............................... ............... .................. ..... ............................105 f. Efectos estricos............................................................................................... ... .......106 g.Hibridacin .......................................... ... ........ ......................................................... ..106 Efecto delmediosobre la acidez yla basicidad................................................... ....... ...........107 Ejercicios .......................................... .......................................................................................108 CAPITULO 5. OXIDACINyREDUCCIN......... .......................................................... ..... ... .........109 Oxidacin ........ ......... ...............................................................................................................110 Alquenos ........................................................................................................................110 Alquinos... .................................................................................. ...................................112 , Aromticos.............. .. ................................................................................................ .. .. . 11 3 Reduccin... .. .. ........ .... .. .............. .... ...... .......... ............ ......... ... .. ............. .. .. ............ ... ..... .. .......11 8 Alquenos ............... ............. ..... .. .. ..... ... .... ........ ... ........ ... .... ................ ... ...... ...... .. .......... .. 118 Alquillos..... ....... ... .......... ................................................................ ........................ .... ...120 Aromticos ......................... ..... .......................................... .. .... ..................................... .. 12 1 Selectividadenlahidrogenacin ........ .... ........................... .................. .. .......................1?2 AldehdosyCetonas ....................... ... .................................... ........................................123 Acidoscarboxli cosy derivados....... .. ...... ......................... ............................................125 Ej ercicios .... ... ... .... .... ........................ ..... ........ .. ....... ... ...................... ....... .................................127 CAPTULO 6. MTODOSESPECrROSCPl COS...... ... ... .......... ....... .............. .... .............. ... ....... ......129 Espectroelectromagntico Anli sisde propiedadesmoleculares............ : ......... ....... .......... ........... ..........................131 Espectrometra de masa ..................... ................................................................. .... .. ........... ....131 Espectroscopaultravioleta .................. ........... ............................... ........ ..... ...................... ......134 Caractersticas ................................................................... '.' ............. ....... ................ ......134 Transicioneselectrnicas..... :.... ...... ... .............................................. ..... ........................135 Cromforos y auxcromos ........... ..... .... .... ............................................................... ......136 Utilidaddelosespectrosultravioletas.................................................... ...... ................137 Espectroscopiainfrarroja ... ........................... ................................ ..... ..................................... . 138 Transicionesvibracionales........................... ........ ...................................................... ...138 Utilidad -delos espectrosinfnlrrojos................................... .......... ............................. ....139 Sealescaractersti casdeal gunoscompuestos ......... ....................................................140 Resonancia magnticanuclear ................. ..... ............ .... ........... .................. ...................... .......143 Elfenmenoderesonancia .................................................... ...... ............................. .....143 Hidrgenosequival entes ..... ...... ... ......... .. ... .... ................... ..... ............. .... .............. ........145 Ncleosprotegidosodesprotegi dos.......................... ... :...................... .................. .......146 Desplazamientoqumico....... .......... ..............................................................................148 Mulliplicidad........................... ..... .................................................................... ........... ...... .....152 Constantedeacoplamiento........ ........... .................................... ........ .......................... ..155 Integracin............................... .... .., ........... ... ........... .......... ........................................ .............156 Cmose analizaunespectro? ............ .............................. ............. ...................... .........157 Ejercicios .. .... .......... .... ..... .. .. ' ... ........ ... .. ....... ... .. ............. .. ... ... .. .. ... ....... ... .. ......... ............. .... .. ...158 P ARTE B. R EAcrrVIDAD DE LOS GRUPOSFUNCrONAlES C APITULO 7. HALOGENUROSDEALQUILO Y ALCOHOLES.SUSTITUCINNUCLEOFfuCA..............163 El lenguajedelasreacciones.......... ................... ... .. .............................. ........................ ..........163 Halogenurosdealqui lo .... .. .... ..... .. .. ........ .. .... ... ... .. .. .... ....... ...... ............ .......... ........................ . 167 Sust itucinnucleoffl icabimolecular ........ .. .......................... .................. ......................167 Sustitucinnucleoflicaunimolecular ................................... .... .... ...............................170 Estereoqumicadelasreacciones de sustitucin....................... ...................................172 Factoresque determinanelmecanismo ... .......... ... .................................... ............ _........174 Alcoholes ......................................................... .. ............. ........... ....................... .. .. ................... 186 1) Reacciones enmedio cido .................. ... ................................................... ........... ... . 186 2)Reaccionesconderivados ........................ ............................................... ....... ...........189 Ejercicios ........ ...................................... ................... ................................................................190 CAPITULO 8. HALOGENUROSDEALQUILOY ALCOHOLES. ELIMINACiN..... ... .............................193 Hal ogenurosdealquilo Eliminacinunimolecular....... ....... ...... ................. ...... ..... . :......................... ................ ....... ....193 Estabi lidaddelosalquenos.................................................................................. ............... ...195 Elimi nacinbimolecular .. ............. ............................ .... ........ ...... .. .. .............. .... ... ............... ... . 196 Alcoholes .............................. ........ ..... ......... .... ........ ....................... .. ........ ................................ 199 Seleccindecondiciones .. ......................................... ..... ..... ................. ...... ............... .. .... ....... 200 La base.... ....... ............................ ........ ................... ,,, .................... , ... ........................ .. .. ..201 La temperatura ..... .. ........ ..... ................................. .......................................................... 20 I Transposicinde carbocationes .... ....... ......... .............. ....... ... ....... ........................... .... ............ 202 Ejercicios :... .. .............. .. ... ,., ........... ...... ........ ....... ......................................................... ......... .. . 203 CAPTULO 9. ALQUENOSyALQUINOS. ADICiN ELECTROFfuCA ............................................. .. . 205 Reacti vidaddelgrupofuncional.................................... ................................... ..................... 205 Reacti vidad ................ ........ ..... ................ ...... ....... .. ................................. ........ :..... ......... 206 Alquenos......................................................... .. ............. .... .............. .... .......... ... ................... ... 206 Adicindehalocidos ............ .... ... ............ .. ..................... ......................... .................... 206 Regi oqumicadelaadicin........... ..... ......... ,................................................................ 207 Estereoqumica delaadicin.. ..................... .... .............................. ........... .................... 209 Adi cinde agua ... ............................ .... ............. ......................................... ....... ..... .. ...... 209 Adi cindehalgenos ............. ........ .................................. ............................................. 2 10 Formacinde hal ohidrinas ............ ...................... ... ....................... ..... ........... ............ .............. 213 Alquinos........................................ ....................... .. ............................................ ..................... 2 15 Adicindehalocidos ............... .................... .. . :..... .......... ....... ................... ................... 215 Adiciondehalgenos ........... ............. ...... .. ....................................... ................... ... ....... 216 Adicin de agua ........... ..... ................................. ......................................................... ... 2 17 , Regi oqumicadelaadicin....... ... .............................................................................. ..218 Adicinpor radicaleslibres.... ............................................ ............... ..................................... 2 18 Ejercicios ..... .... .... .................... ...... .. ........... ...... ............. ....... ... ...... .. ................. .......... ..... .. ...... 219 CAPiTULO10. ALCANOS.SUSTITUCiNPORRADICALESLI BRES ..... ............................. .. ....... .... 22 1 Halogenacin....................... ..... .. ..... ................. .. .... .... ... .. .. ...... ... ..... .... .. .. .. .. ....... .... .... .... ........ 221 Regioselectividad ......... ..... ... ........................ ..... .. ................. .. ..... ......... ... ...................... 222 Estabilidadde losradicaleslibres.......... .... ...... ............... ................. ...................... ....... 223 Reactividaddeloshalgenos... .... ..... ............................. .............................................. 223 Selectividad................................................................. ..... ............................................. 224 Estereoselectividad ....... ....... ....... ... ................... ....... ..... ............ ....... .... .......... ................ 224 Ejercicios ................... .............. .... ............................... ................. ............................................ 225 C APTULO11.COMPUESTOSAROMTICOS.SUSTITUCIN ELECTROFUCA ................................. 227 Estabilidadyreactividad... ........... .... ............ .... ....................... ....... ............ ............................ 227 Aromaticidad ........................................................................................................................... 229 Orbitalesmoleculares en sistemasaromticos .......................... ........................ ............. 229 Aplicandoconceptos ..................................................................................................... 230 Sustitucinelectroflica .......... .... ............................ .. ........................ ..... ......... .. ...................... 232 Halogenacin ................................................................................................... .............. 233 Nitracin... .............................. .. ........... ........ .. ....... ... ...................................................... 234 Sulfonacin .......... .. ......................... ............................................................................... 235 Alquilacin ..... .... ........... ..... ................................................. .............. ............ ................ 235 Acilacin .... ... ...................................................................................... .... ....................... 236 Reactividaddelosbencenossustituidos.............. .... .............................................. ................ 237 1.Activantespor efectoinductivo .... ....................... ...... ....................................... ......... 238 2. Desactivantesporefectoinductivo ....... .......... ... ....................................................... 238 3.Activantespor resonancia .... ;........ ....................................................... .... .................. 239 4.Desactivantes por resonancia.................................................................................... 240 Regioselectividadyvelocidad ...................... ........ ............. .............. ..................... ........ 241 1.Activantesporefectoinductivo .... ........ ...... ......... ....... ............ ..... ....... ........ .......... ... .. 241 2.Desactivantesporefectoinductivo........................ ... ................................................ 242 3.Activantes por resonancia ................ ................................. ......................................... 243 4.Desacti v antespor resonancia.................................................................................... 244 Ejercicios .................................................................... .... ......................................................... 245 CAPTULO12. ALDEHDOSyCETONAS..................................................................................... 247 Sntesisde aldehdosy cetonas ............................................................................................... 248 Tautomeraceto-enlica ........ .................................................................................................. 249 Reaccionesdeloscompuestoscarbonl icos ....................... ... ............. ...... ...... .......... ........ ...... 251 Adicionesnucleofl icas ......................................................................................... .. ...... .......... 252 Adicinde agua .................................................................................... ......................... 254 Adicin de alcoholes.Formacin de acetales......... ................................... .............. ..... 255 Adicinde cianuro dehidrgeno .................................................................................. 257 Adicindebisulfito ....................................................................................................... 258 Adicin de amonaco ysusderivados ........................................................................... 259 Halogenacinde cetonas.......... ... .. .. ... ....................................................... , ............................ 260 Reaccinhalofnnica .......... .. ........................................................................... .......... ...264 Condensacinaldlica ... ....... .................................................................................................. 265 Compuestos carbonlicoseL,~ - no saturados.... .... .............. ................................................... 267 Adicinelectroflica ...................................................................................................... 268 Adicinnucleoflica ... .......... .. ............... ..... ...... ........ .. .. .......... :...... ............... ................. 269 Ejercicios .... .. ................ .. ............. ............. ... .. .......... .... ............................ ................ ................ 271 , CAPTULO13. ACIDOS CARBOxucos ySUSDERI VADOS.SUSTITUCIN NUCLEOFiLlCA E" ACILO................ ......... ...................... ....................................... ............. ................................ 273 cidoscarboxlicos .............................. ....... .. .... ...... ............... ......... : ....................................... 273 Equivalentedeneutralizacin ................. .......... ............................................................ 274 Derivadosfuncionalesdeloscidoscarboxlicos ...................................................... ... ......... 275 Obtencindederivadosdecido .............................. .............................................................. 276 Obtencinde steresmetlicos ................. ... ................................ .................................. 278 Sustitucinnucleoflicaenacilo............ ............... .............................................. ................... 279 Reactividadfrentealasustitucinnucleoflica .................................................... .. ...... 280 Reaccionesdelos cloruros de cido .... ...... .................................................................... 282 Reaccionesdelos anhdridosdecido............................................. ............................ 283 . Reacciones de lossteres ........ ............... ......... ........................ .. ... :....................... .. ........ 284 Amidasy compuestosrelacionados............. ............ ... ........ ........ ...................... ............ 286 Hidrli sisde amidas...................................................................................................... 287 Ejercicios ....... ..... ...... ..... ..... .. ................ .......... ................................................ ......................... 288 CAPTULO14. AMINAS.L ASAMINASCOMONUCLEFlLOS....................................................... 29 1 Sustitucinnucleoflica ............... ...... ........ ........... .. ......... ... .. .. .. ....... .... ........ ........... ... .. ..... .... .. 293 a.Alquilacin deaminas ............. ........... ... .... ........... .. .......... .......................................... 293 b. Aci lacin de aminas ..... .. ......... .. ...... .. ..... ......... ....... ............ .. ................... .. ................. 294 Adicinnucleoflica..... ........... ......................... , .. ........ ...... .. .................................. .. ............... 295 Eliminacin de Hoffmann ....................................................................................................... 296 Ejercicios ....... ................ .... .................................................................... : .............................. ...298 PARTE C. CARACTERlsTICAS ORGNICASDE LASMOLCULASBIOLGICAS CAPTULO15. LPIDOS yCOMPUESTOSNATURALES RELACIONADOS .......................................... 303 Triglicri dos:grasasy aceites.. ............................ ...... .............................................................304 Hidrli sis de triglicridos. Jabn.Micelas ................ ...... ...................................... .................. 306 Otrasreacciones de lostriglicridos........................ ................. ............................ .... .....307 Fosfolpidos ... .......................................................................................................................... 308 Prostaglandinas......... ............................ .............. ...................................... ................ .. .... .. .. .... 31 0 Feromonas.... .... ................. ..................... .................................. ............... :.............. .... ............. 3 11 Terpenos.......................... ............................................... .................................... ..................... 3 11 Monoterpenosacclicos......................................... ...................... .................... ....... ...... 3 13 Monoterpenoscclicos...................... .......... ... .. ............................................................. 3 13 Esteroides.............. ........ .. ........................................................................................................ 3 13 Ejercicios ... ...................... ......................................... ....... ........................................................ 3 15 CAPTULO16. COMPUESTOS HETEROcCLlCOSNATURALES ................................................. ...... 3 17 CAPiTULO17. HIDRATOS DE CARBONO................. ........................................ .......... .. ...... ......... 32 1 .-\!2unasdefiniciones ................. ....... ...... ........................................................... ....... ........... .... 322 - . Reacciones delaD-glucosa......... ...... ................ ........ .. ... ........... ............ ....... .............. ..... .... ...324 =slereoqumica ................. ... ... ................................................................................................. 376 :leterminaci n de laconfiguracin de d-glucosay ot rosazcares..... ... .... ................. ... ........ 377 Series D y L ................... .... ........ ...... .............................. ............................ ........ ............ ........... 329 - f"."333 :()(1l1asuranOSlcasy plranOSlcas........... ... .... ' , ................ ....... o " ' ,...... Prueba delasestructuras anulares...... .................. ........................... ...................... ... ..... 334 Confi guracindelcarbonoanomri co... ................................................................................ 335 i'5rmulas de Haworth ................. ........ .............. ........... ................ ........ ........ .................... ......... 337 onformacindeazcares........ ...... .................. ........... ............ ........... .......... ... ... ......... ...... .... . 338 i1culodeenergasconfonnacionales...................................... .. ........................................... 339 Otigosacridosypoli sacridos. Mtodospara - determinacin desu estructura ........... ......... .............. ......... .......... .. ............ ............. ........... . 342 J.glucosa + c.D-glucnico .. ...... ... ..... .. ......... .... ... ........ .. ......... .... .......... .. ...................... ........343 Cuactersticasestructmalesdelosglicosaminoglicuronanosysu!n organismosvi vos ........... ..................................................................................................... 347 - - . .350 - _ f:rC1C10S . ......................................... . ..... .. .. .. .................. ...... .......................... . .. .. ................... . , CAPTULO18. AMINOCIDOSyPRaTENAS............ .. ...................... .... ................ .......... ............ 353 :..osaminocidoscomoionesdipolares.... ............. ........................ ......... ...... .............. ............ 354 ?:m oisoelctrico de losaminocidos ............................................................................ ... ..... 356 peptdica ..... ..................... ..... ....... ........ ................. .......... ........... ........... .............. .. .. ...... 358 ?estructura de lasprotenas ......... ... .......... .............. ........... .............. .. .. ...... .. .. ............... .... ....360 :.a secuenciadeaminocidosdeuna protenadetermina suestructura tridimensional ... ...... 364 - 'lIestructura delasprotenas determina suactividad.Lahemoglobina como ejemplo estrategiasreguladoras....................................................................................................... 365 Protenasquetransportan0 2... ..... ...... .... ...... ... .... ...... ...... .. ........ ........ ... ............. .. ..... ..... . 365 Secuenciadeaminocidosen lacadenapeptdica.. ... ..... ......................... .... ............. .... ..... .... 369 -inlesisdeppti dos ............................... ... ......................................................... .... ........... ...... . 37 j !:jercicios ... ..... .... .. ... .................. ............ ... ............... ... .. ... .................... ........... ..... ...... .... ... ....... 376 , CAPTULO19.A CIDOSNUCLEICOS................................... ... ............ ... ...................................... 377 3rlotantoexi steunahibridacindiferente.Cul ?Unahibridacinquese - enunacombinacinmatemticadiferentedelosorbitalesatmi cos.En orbitalscondosorbitalespgenerantresorbitaleshbridos,queportener - ::;:carctersy66% decaracter p,seconocencomohbridossp'.Quedaporlo -=.:_::norbitalpsinhibridi zar. Cmoseorientanenelespacio?Nuevamente,estosorbitaleshbridosadquie-=::;nmarcadadireccionalidad,conunlbulovoluminosoyotropequeo.Estos . ; . c ~ l Svoluminososlogranelmximoalejamientoentresorientndosehacialos .:::':=_",osdeuntringuloequilteroformandongulosde120. Cmoseubicaelorbitalp? Equidistantedelosotrosorbitales,perpendicular - ,- determi nadoporellos. x sp 2 y 12Iantearsetengandiferenteestabilidad.Enelaninfenxido,laestructuraque mantienelaaromaticidaddelanilloesmsestablequelasrestantes.Enelanin carboxi latoambasestructurasresonantestienenlamismaenerga.Laestabilizacin porresonanciadelcarboxilatoes,porlotanto,mayorqueparaelfenxido. Lapresenciadeungrupocarbonilo,conlatendenciadeloxgenoasoportar unacarganegativa,incrementalaacidezdeloshidrgenossobreelcarbonoa.De estamanera,lossteresRCH,COOR,sonmscidosquelossteresRCH,CH,OR, y lascetonasRCH,COR,que los aleanos RCH,CH,R, . Este efecto se fueincrementado cuandodosgruposcarboniloestnunidosalmismotomodecarbono(debidoa estabilizacinadicionalporresonanciaquepermiteunamayordispersindecarga). 103 APRENDIENDO QUMI CA ORGNICA ffff e /0 ff R - ~ R - ~ H e R - ~R - ~ ; CH2 ..~.. -"CH ....e H .,7 R , - ~R , - ~R , - ~R,-tnendossitiosequi valentes.Entonces,k,lk2 sera4.Estevalorseencuentra =loscidosdicarboxlicosenloscualeslosdosgruposcarboxiloestnlo Jcijcientementealejadosparanoinfluirse.Unrazonamientoanlogopuedeaplicarse ;:;namolculascondosgruposbsicosequivalentes. / COOH COO8 COo8 K, /K2/

COOHCOOHCOO8 e. Puentes de hidrgeno: Laformacindepuentesdehidrgenointramol eculare spuedeafectar "gnificativamentelaacidezylabasicidad.Elcidoo-hidroxibenzoicoesmscido ::z:eelcorrespondienteismeropara.Laformacindepuentehidrgenoentrelos mlpOShidroxiloycarboxilatoestabilizalabaseconjugadadelismeroortoypor tantoincrementasuacidez. 105 APRENDIENDO QUIMICAORGNICA OOH OH ""'--pka 2,98 f. Efectos estricos: OOH H pka 4,58 Losefectosestricossonmscomunesenreaccionesqueinvolucrancidosde Lewis,yaqueelprotnesmuypequeo.Puedeobservarsequelasami nas heterocclicasnoaromticas,comolapiperidina,sonmsbsicasquelasdecadena abierta,porquesupardeelectronesestmsaccesible. / ~ N H ~ N H dietiJamina piperidina g. Hibridacin: Unorbitalstienemenorenergaqueunorbital p. Porlotanto,laenergadeun orbitalhbridosermenorcuantomayorseasucaracters.Uncarbaninenun carbonospesmsestablequeuncarbaninenuncarbonoSp2As,elacetiluro: HC'C-,quetienemayorcaractersqueCH,=CH- oqueCl{,-CH,',sermsestable yelacetilenoseruncidomsfuertequeel etilenoystequeeletano. HC=CH pka 25 CH2= CH2 pka 44 EstehechoexplicalaacidezrelativamentealtadeacetilenosyHCN. 106 Captulo4.Acidez ybasicidad Efectodelmediosobrelaacidez ylabasicidad Losfactoresestructuralesnosonlosnicosqueafectanlaacidezylabasicidad . .::..mismocompuestopuedeexhibirdiferentespropiedadescidasybsicassise lascondiciones.Elmsimportante delosefectoseselefectodelsolvente, .-Ztienegraninfluenciasobrelaacidezylabasicidaddebido asol vatacin =ncial.Siunabasesesolvatamsquesucidoconjugado,suestabilidadse ':ciaumentadaencomparacinaladesucidoconjugado.Lametilaminaesuna :::t!ie msfuerte que el amonaco y la dimetil amina es anms fuerte. Estos resultados explicanfci lmentedebidoalcarcterdadordeelectronesdelosgruposmetilo. embargo,latrimetilamina,quedeberaserunabasemsfuerte,esmsdbil lametilaminayqueladimetilamina. NH,--_.. @-Lacontribucindelaformaresonanteinicaquetieneunsolo dobleenlace,da preponderancia alos enlacessimplesC-Cy C-O queabsorbena frecuenciasmenores quelosenlacesdobles(sinecesitamenorenergaparalavibracindeunenlace simple).Comolacontribucindelaformaresonantepolarnoesmuyimportante. eldesplazamientoespequeo(30cml paranC=O). EnlosaldehdoslatensinC-H delhidrgenoaldehdicoaparecea 2820-2720cm'. Loscidoscarboxlicosgeneralmenteseasociancomodmerosylabanda debidaalatensinO-H aparecemuyancha(3000-2500cm")debidoalpuentedr hidrgenointermolecular.LanC=Oaparecea1760cm-'(monmeros)y1710cm" (dimeros).Esunabandaengeneralmsintensaqueladelascetonasyesancha debidoalaasociacinmolecular. En lasaminasla banda detensinN-H permitedistinguir entre aminasprimarias. secundariasyterciarias. Enlasaminasprimariastantoalifticascomoaromticasaparecen2bandas entre3500y3400cm-',deintensidadvariable,menosintensasquelasdetensin OH.Lassecundariaspresentanslounabandaaestafrecuencia,mientrasquelas terciariasnoabsorben,debidoaquenotienenhidrgenounidoanitrgeno. 142 Captulo6.Mtodosespectroscpicos Lasbandascaractersticasdescriptasaparecendentrodeciertoslmitesindepen-dientementedelrestodelaestructuramolecular,porquesonbandasquesedebena \ibracionesqueinvolucranhidrgeno,quetieneunamasa muyliviana,obien. enlaces mltiples. Sinembargo,losenlacesindividuales nuncavibranenformacompletamente independientedelrestode lamolcula,ylavariacinqueestoocasionaenlaposicin delasbandasesunfactorimportanteenelanlisisdelosespectros. Resonanciamagnticanuclear Laespectroscopaderesonanciamagnticanuclear(RMN)esunadelashen'a-mientasmsvaliosasparala' deternrinacinestructuraldecompuestosorgnicos.Con-rribuyeaestablecerelesqueletocarbonadoylosdistintostiposdehidrgenosunidos. Facilitaladeteccindeciertoselementos,brindandounaideadesuentornoqumico. El fenmeno de resonancia Losncleosdealgunostomossecomportancomosigiraransobresmismos. Esegiroseconocecomospinnuclear.Unacargagirandoactacomounpequeo imnygenerauncampomagnticollamadomomentomagnticonuclear. Cuandoesosncleosseubicanenuncampomagnticoexternodeintensidad Horientansumomentomagnticoenladireccindelcampo,pudiendoadoptar o. sentidosopuestos.Cuandoelmomentomagnticodelncleocoincideconeldel ::ampoexternosedicequeest paralelo,mientrasquesiadoptaelsentidoinverso se dicequeestantiparalelo. Se aplica Ha .. HOCP Estasorientacionesdelmomentomagnticonucleartienendistintaenerga, iendolaorientacinparalelaligeramentemsestable. Teniendoencuentaquel.E=hv,cuandolamuestra,dentrodelcampoexterno, seirradiaconlaradiofrecuenciaqueproporcionaladiferenciaexactadeenerga !IlfTeelestadoparaleloyelantiparalelo,elncleoabsorbeesaenergaparapasar 143 APRENDIENDO QUMICA ORGNICA delestadoenergticomenoralmayor.Serefiereaestefe nmenocomoinversin despin .Enesemomentosedi cequeelncl eoestenresonanciaconla radiofrecuenciaaplicada.Inmediatamentedespusretornaasuestadoenergtico originaldevolviendoelexcesodeenergaalmedi o. Cuntaenerganecesitatomarelncleoparainvertirsuspin?Dependede: eltipodencleo; laintensi daddelcampomagnticoexterno; elentornomagntico. El tipo de ncleo Paraqueunncleopuedaexperimentarelfenmenoderesonanciadebetener spinnuclear.Cumplenconesterequi sito: losncleosconnmerodemasaimpar o; losncleosconnmerodemasaparynmeroatmicoimpar. NcleosactivosenRMN:IH,' H,' H,13C,I'N,I'N,I'P,' Ip,etc. NcleosinactivosenRMN:nc, 160,etc. Cadatipodencleo,enuncampomagnticoexterno,tieneunaparticularalaqueproducelainversindespin.Porejemplo,enuncampoexterno de14100Oausslosncleosdehidrgenorequierenradi ofrecuenciasde60Mili paraentrarenresonancia,mientrasque,enesemismocampo,losncleosde13C necesitanirradiacionesde15MHz. El campo magntico externo Amedidaqueaumentalaintensidaddelcampoaplicadoaumentaladiferencia deenergaentreel estadoparaleloy el antiparalelo.Esto equivalea decirquecuanto msfuerteeselcampomagnticoexterno,msdifcileslainversin,requiriendo mayorenergayporlotantounaradiofrecuenciamayor. v=kH , Conclusin:paraundeterminadoncleoexistencombinacionesdeH,ynala> queseproducelainversindesuspin.. Seindicpreviamentequelosncleos dehidrgenoresuenana60MHzcuando elcampoaplicadoesde14100Oausspero,enunequipoconuncampode150000 Oauss,losncleosdehidrgenoresuenana600MHz. 144 Captulo6.Mtodosespectroscpicos Enrealidad,lamayoradelosequiposcomercialesoperanaunaradiofrecuencia jja yvaranelcampomagntico. Por estemotivo,enlosucesivoseharreferencia valordecampoalqueseproducelaabsorcin. El entomo magntico Porloexpuestohastaahoraquedaclaroquencleosdiferentes,expuestosala mismaradiofrecuencia,absorbenenergaadi stintovalordecampomagnticopara enresonancia.Perotodoslosncleosdeunmismotipoabsorbenigual ?Si fueraasnohabraformadedi stinguirlos,Paraquserviraestatcni casitodos losprotonesentranenresonanciaalmismovalordecampoexterno? Enrealidad,elcampomagnticoexternoqueafectaunncleoesunacombina-=inentreelcampoaplicado(H.)yuncampomagnticoinducidoquegeneranlas aubeselectrnicasen movimiento. Porlotanto,cadancleoseafectaporuncampo queresultaser: Hf,=H+Hd 'd eecul'oo11lUC!o Losncleosquepresentanelmismoentornomagnticosedicequesonmag-'lticamemeequivalemes,yparatodoselloselHd' desigual.Losncleosqueno ,m, sonmagnticamemeequivalentestienendistintoHd'd'EstoimplicaqueelH,' IIIUCIoe CC(IV(l :;oesigualyporelloentranenresonancia,absorbi endoesacantidaddeenerga aja,adistintovalordeHo'ComoenelespectrodeRMNseregistracadaabsorcin =omounaseal,losncleosquenosonmagnticamenteequivalentesori ginan :!istintasseales. Enlaactualidadelanlisisdeunamuestraporresonanciamagnticanucl earde ;:rotonesoncleosde13C(RMN- 'H o13C)esunatcnicaderutina.Acontinuacin setratarenparticularlaespectroscopadeRMN- ' H Hidrgenos equivalentes Cuntassealeshayenunespectro? Cmosepuedeestablecersideterminadosprotonessonmagnticamenteequi-"alentes?Sepuedeimaginarunareaccinqumicaquereemplaceloshidrgenos ?Orotrogrupo;sielreemplazodecualquieradeellosconducealmismoproducto oasuenantimeroloshidrgenossonmagnticamenteequivalentes. 145 APRENDIENDO QUMICAORGNICA c1oroeteno eL,"H C=C ~, HH ~ HH ,~ C=C a/' H cJoroeteno / / HH ,, C=C ~, HetenoH~ cJoroeteno H,P C=C ~, HH HH ,, C=C ~, HCl cJoroeteno Talcomoocurreconeletenolossiguientescompuestosdarnunanicaseal ensuespectrodeRMN- IH. o 11 CH3CCH3 CH3- CC-CH3 Seindicanacontinuacinsustanciasconunnmeromayordesealesensus espectros,originadaspordistintostiposdeprotonesequivalentes. Dos seales Tres seales Ncleos protegidos o desprotegidos ~ HCHn( ,/3 CC /' - - - ; . ~CH3H~ Culeslaposicinrelativadelasseales? iCulessonlosfactoresqueinfluyenenelH.d'd ? umuelo elefectoinductivo; lahibridacin. 146 Captulo6.Mtodosespectroscpicos Efecto inductivo Cuandounamolculaconenlacessseubicaenuncampomagntico.loselec-ronesdelenlacesemuevengenerandouncampoinducidoqueseoponealcampo 3plicado.Porlotantoelcampoefectivoresulta: ElClCHpCH, presentadostiposdiferentesdehidrgenosyporlotantodos sealesensuespectrodeRMN-'H.Por elefectoinductivoatractordelhalgenolos electronesdelosenlacesC-Hdelmetilenosedesplazanhaciaelcarbono. disminuyendoladensidadelectrnicaalrededordelosprotones.Como consecuencia deelloelH ndUcidOesmenor.TeniendoencuentaqueH efeclh0seal de Ha (3picos: triplete) productosfinales,seconocencomointermediariosdelareaccin.Loscarbocationes sonlosintermediariosenunareaccindesustitucinnucleofi.1icaporetapas. Seindicanacontinuacinlosintermediariosenunareaccindesustitucia nucleoflicadeunhalogenurodealquiloquesetransformaenalcohol. .. + o Br Grupo saliente Intermediario + Intermediario .. -Producto 166 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinnucleoflica Halogenurosdealquilo .titucin nucleofilica bimolecular Secomenzarconelmecanismoconcentrado.Quocunedentrodelbalnde reaccin?Lasmolculasenmovimientochocanentres,perocualquierchoqueno aecesariamenteconducealaformacindelproducto.Esnecesarioqueocurracon :nergasuficienteparapermitirunaaproximacinqueinduzcalareaccin. Cmodebeproducirseelacercamiento:porelladounidoalhalgeno,porel docontrario,opor cualquierlado? e Nu e Nu \ 11111 .....e- x j\...::r' Ataque fronlalAtaque dorsal Duranteeltranscursodelareaccindeberomperseelenlaceconelhalgenoy, porlotanto,unacercamientofrontalprovocaunaacumulacindecarganegativa proveni entedelnuclefiloentranteyelhalogenurosaliente.Estaacumulacinde cargadelmismosignodesestabilizaapreciablementeelsistemay,porestemotivo, elnuclefiloatacaelcarbonoporelladocontrarioalqueestunidoelhalgeno: unataquedorsal. Enunmomentodeterminadounenlaceestamedioformaryelotroamedio romperyenesemomentoelsistemapuedeevol ucionarhacialaformacindel productooretornaralaformacindelosreactivos. Enelpuntomedio,cmoacomodaelcarbonolaacumulacindecarga?Los gruposentranteysalienteseubicanenposicionesopuestas;a180entres,ypara dismi nuirlainteraccinentrelostresrestantesenlacesseubi canenunplano separadospor ngulosde120. Por lotanto,en elmomentode mximaacumulacin electrnica,ydemximaenerga,eltomodecarbonopresentahibridacinsp' , conelnuc!efilosolapandoparcialmenteunlbulodelorbitalpyelhalgeno solapandoparcialmenteelotro. 167 APRENDIENDO QUfMlCA ORGNICA e Nfl+.. .. + Conclusin:duranteel mecanismo concertado el tomodecarbono serehibridiza desp'asp'alpasardelhalogenurodealquiloaeseestadointermedioparticular. Si la reaccin evoluciona haciala formacindelproducto, elhalogenuro contina alejndosehastadesprendersetotalmenteyelnuc1efilocontinaacercndosehasta lograr lalongituddeenlace. Alfinalizaresteproceso,eltomodecarbonorecupera suhibridacinsp'original,perolostresenlacessigma pasarondeunladoaotrodel plano,delamismaformaqueunparaguasinviertesusvarillas. \ 111 11 ..e- x ~ .. + Curva dereaccin Amedidaquelosreactivosseaproximan,aumentalaacumulacindecargay, porlotanto,aumentalaenergadelsistema.Estaenergavaraenformacontinua conlavariacindelaproximidadentrelosgruposyalcanzasuvalormximoenel puntoenqueloscincogruposalcanzansumximacercanaenelespacio. Existeunacantidadinfinitadeestadosintermediosentrelosreactivosylos productos,perosedistingueenformaparticularelestadodemximaenergaque seconocecomoestadodetransicin. Sepuederepresentarlavariacindeenergapotencialduranteeltranscursode lareaccinenunacurvadereaccin. 168 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinnucleoftlica I Energa 1Nu . ~.. x rEstad? ~ . e J \TranSIClon - ~ . ' < '..:":"....... . .... . Avance de lareaccin Ea:Energa de Activacin Delanlisisdelacurvasurgequelosreactivosnecesitanadquirirunacantidad deenergamnimaparaalcanzar,luegodelchoque,elestadodetransicin.Esta energaseconocecomoenergadeactivacin.Sinosesuperaesabarrera nergtica,losreactivosnosetransformanenproductospuesnoalcanzanla proximidadnecesariaparadarlugaralaformacindelnuevoenlace.Por10tanto existeunrequisitoenergticoparaquelareaccinpuedaocurrir. Velocidad y molecularidad Comolafrecuenciadeunchoquefavorablesermayorcuautomayorseala cantidaddemolculaspresentesenelbalndereaccin,sepuedeconcluirque existeunarelacindirectaentrelaconcentracinylavelocidad.Siseduplicala oncentracinde cualquiera de los reactivos,se duplicalavelocidadde lasustitucin. Enestecasohayunanicaetapaenlaque intervienenlasmolculasdelosdos reactivosyporellosedice: I v=k[RX][Nu]I Porotrolado,paraalcanzarelestadodetransicinserequieredelaparticipa-cindelasdosmolculasdereactivo.Engeneralsehabladelamolecularidadde unareaccinrefirindosealnmerodepartculasqueintervienenenelestadode transicindelaetapadeterminantedelavelocidaddelareaccin.Enestecasohay unanicaetapayenellaintervienenlasmolculasdelosdosreactivos.Por ellose dicequelareaccinesdetipobimolecular. Porlotanto,lasreaccionesdesustitucinquetranscurrenporestemecanismose ,conocencomoreaccionesdesustitucinnucleoftLicabimolecularyseabrevianS,l.. 169 APRENDIENDO QUMICA ORGNICA Sustitucin nucleoffiica unimolecular Mecanismo Cmoeselmecanismoporetapas?Elprimerpasodelareaccinconsisteen laseparacindelhalogenuroyconducealaformacindeuncarbocatin.Cules suestructura?Untomodecarbonoconsuoctetoincompletoquepresentatres paresdeelectronesensucapaexterna,formandotresenlacessigma.Comoes habitual,setratadealcanzarestabilidadalejandolaszonasdedensidadelectrnica tantocomoseaposible.Paralograrloseseparanenunplanoformandongulosde 120,dejandounorbitalpvaCoqueseemplearenlaformacindelfuturoenlace. () Conclusin:loscarbocationespresentanhibridacinsp'. Enlasegundaetapaseproduceelataquedelnuclefiloqueseaproximaal orbitalpvaco para formarla nuevaunin. Como elorbitalp .consisteendoslbulos ubicadosporencimaypordebajodelplanodeterminadoporlosenlacessigma,el acercamientopuedeocurrirporcualquieradelosdosladosdedichoplan. Mientrasseformaelnuevoenlacey,comoconsecuenciadelacercamientoen elespaciodelaespecie ricaenelectrones,losotrostresenlacessigmacomienzana alejarsedelazona deaproximacindelnuclefilo.Amedidaqueseformaelnuev enlace,eltomodecarbonoserehibridizaaSp3 + Curva de reaccin "-V I Nu Sisecomparanambasreaccionesdesustitucinseobservanvariasdiferencias. Enestecasoexisteunintermediariodereaccin,conunaexistenciageneralmente fugaz,peroconuntiempodevidafinito.Estoimplicalaexistenciadedosestados 170 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinnucleoflic detransicinenlosqueseestnformandoyrompiendoenlaces.Porunlado,el queconducealaformacindelintermediario,enelqueelenlaceconelhalgeno estamediorompery,porotrolado,elqueconducealproducto,enelqueel CII lace conelnuc!efi loestamedioformar.Cualquieradeesosestadospresenta aenergamayorqueladelintermediario. Culdelasdosetapasrequieresuperarunabaneraenergticamayor?0,di chodeotraforma,culdelasdosetapaspresentaunaenergadeactivacinma yor?0, expresadodeotramanera,culdelasdosetapasesladeterminantedela velocidaddelareaccinglobal ? Debidoaqueelintermediariodereaccinesunaespeciealtamentereactiva(como consecuenciadeloctetoincompletodelcarbono)nodebesorprenderque,unavez setransformerpidamenteparadarlugaralaaparicindelosproductos. Conclusin:la formacin del carbocatin es la etapa determinantedelavelocidad lareacciny,porlotanto,la energadeactivacindelaprimeraetapaesmayor queladelasegunda. Sepuederepresentarenformacualitativalaevolucindelaenergapotencial duranteeltranscursodelareaccin,comoseindicaenelsiguientegrfico. CH, e\ HO+H''';:;-C-BrCH,CH, Nucle6filo(R). 2.bromobutano Escrito de otrafanna H CH,-j-- Br CH, CH, Velocidad y mo/ecu/aridad r' e

CH,CH, Estado de Transicin + e HO / CH, ...HO-\''''H CH,CH, butanol H CH,-j-- Br + e Br Grupo saliente + e Br Enbaseatodoloexpuestosepuededecirquelavelocidaddelareaccin glohalestdeterminadaporlavelocidaddelaprimeraetapaydepende exclusivamentedelaconcentracindelhalogenurodealquilo,yaqueelnuclefilo sloparticipadelasegunda. 171 APRENDIENDO QUMICA ORGNICA v =k[RX] Como enelestadodetransicindelaetapadetenJnantedelavelocidaddela reaccinsloparticipaelhalogenurodealquilosepuededecirquelareaccines detipounimolecular ypor este motivolatransformacinse conoce como sustitucilI nucleofaicaunimolecular.SirrlarmenteconelcasoanteriorseabreviaSNI . Estereoqumica de las reacciones de sustitucin Sustitucin nucleoflica bimolecular Sedetallaacontiuacinlareaccindel(R)-2-bromobutanoconNa OHpara formarelalcohol. CH, e\ HO+HIi';..c-BrCH, CH, Nuc!efilo(R). 2.bromobutano Escrito de otra forma CH3-t--Br r' e

CH,CH3 Estado de Transicin + e HO /CH3 ..HO-\"IIIH CH,CH3 (S)2 butano! H + e Br Gruposaliente + e Br Enesteejemplounhalogenurodealquiloquiralproduceunalcoholquira!.La configuracinabsolutadelalcoholesR,contrariaaladelhalogenurodealquil o quees S.Este fenmenoeslaconsecuencia delataque dorsalpor partedelnuc!efilo queimplicaunestadodetransicinplanoyunpasajedelosgruposalotroladodel espacioalfinalizarlareaccin.PorestemotivosedicequelasreaccionesSN2 ocurrenconinversi6ndelaconfiguracin. Sin embargoesnecesariodejar enclaroque elhechodequeuncompuestosea R Sdependedeunaconvencin.Espor estemotivoqueaunqueelfenmenodeinversin ocurresiempre,laconfiguracinabsolutasepuedemantenercomoconsecuenciadel ordendeprioridadesdelossustituyentesdelcarbonoquira!.Enelsiguienteejemploel fenmenodeinversinsehaproducidoperoamboscompuestossonS. 172 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinnucleoflica e eN ci'n nucleoflica unimolecular + e Br SepuederealizarlamismatransformacinatravsdeunmecamsmoSN1 aguacomonuc!efilo. (R} 2 bulanol OH I / C;:""" H eH3eH2'e H3 (S}2 butanol Enestecasolaposibilidaddeataquedelnuc!efiloalcarbocatinintermedia-rioeslamismaporcualquieradelosdosladosdelplanodelC-sp'- Cuandoel enlaceseiniciaporacercamientodelnuclefiloaunlbulodelorbitalp,segenera unalcoholquiral;perocuandoelacercamientoseefectaporellbul ocontrario, segenerasuenantimero.Porestemotivohabitualmentesedicequelasreacciones SN Iocunenconracemizacin. Cabedestacarquesieltomodecarbonoquesufrelasustitucinnucleoflica noesquiralnoseobservandiferenciasentrelosproductosobtenidosporel mecanismoSN1oelSN2. e HO HO 173 OH Ie ~+Br OH A+HBr APRENDIENDO QUMICA ORGNICA Teniendoencuentaestefactor,sobretodoconcompuestosquirales,resulta sumamenteimportanteconocerelmecanismoqueseguirlareaccin,oloquees anmsinteresante,dirigirlareaccinparafavorecerunmecanismo.Sedebetener encuentaqueenelmecanismoSN1sepierdequiraJidad. Factores que determinan el mecanismo 1.Estructura del halogenuro de alquilo Sustitucinnucleoflicaunimolecular Comoseindicanteriormente,unareaccindesustitucinnucleoflica unimolecularesunareaccinporpasosdondelaetapadeterminantedelavelocidadl delareaccinglobaleslaqueinvolucralaformacindelcarbocatinintermediario. Delanlisisdelaestructurasurgequeestasespeciessoninestables,perocabe preguntarsesitodosloscarbocationespresentanlamismaestabilidad.Porqu . Larespuestatieneunainfluenciadirectaenlavelocidaddelareaccin. Enelestadodetransicinqueconducealcarbocatinelhalgeno,alsepararse conelpar deelectrones,provocaunadeficienciaelectrnicaenelcarbono.Porello sedicequeelestadodetransicintienecarctercarbocatinico.Porlotamo, cuantomsestableeselcarbocatinintermediario,msestableeselestadoel . transicinqueconduceal.Unaumentodeestabilidadsetraduceenuna di sminucindelaenergadeambosy,aunqueladisminucinesmsimportantee elcarbocatinquepresentalacarganeta,laestabilizacindelestadodetransici disminuyelaenergadeactivaciny,porlotanto,aceleralareaccin. Energa 1-"::'::'-:: . . . . . . sta,dode transicinde menor energia =>Eamenor ms rpida msestable Avancedela reaccin 174 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinnucleoft1ica Es terazonami entonosdevuelvealapreguntainicial.Sontodoslos clroocationesigualmenteestables? Seindicanteriormentequelacargapositivarepresentaenlamolculaunfac-.. dedesestabilizacin.Cualquierefectoqueayudeadispersarlacarga,ayudaa bilizarelcarbocatin.Algosimilarocurrecuandounabolsapesadaes porunasolapersonaorepartidaentredos.Enelsegundocaso,elpeso labolsasesientemenos. Conclusin:cualquierfenmenoquefaciliteunacesindeelectronesendireccin lA carbonopositivo,estabilizaelcarbocatinyaumentalavelocidaddereaccin. ,.Efectoinductivo Cuandoseformauncarbocatinintermediariosepuededispersarlacargapo-parefectoinductivo,desplazandoloselectronesdelosenlacesdelcarbono Dsitivoensudireccin.Estedesplazamientocreacargasparcialespositivassobre tomosvecinos,peroimplicaunadispersindeladeficienciaelectrnicaentre l.Il nmerodecentrosmayor. Enelcasodelcarbocati nmetilo,loselectronesdetresenlacessigmaC-H contribuyenaladeslocalizacinde la carga,mientrasqueenuncarbocatinterciario, loselectronesdetresenlacesC-Cfacilitanlaestabilizacin.Culesladiferencia? En~ lltimocasoladeficienciaelectrnicageneradaenloscarbonosvecinosal carbonopositi vosedisminuyeporunnuevodesplazamientodeloselectronesde losotrosenlaces. Conclusin:unamayorsustitucinenelcarbonopositivofacilitaladispersin delacargaporefectoinductivoatravsdeunnmeromayordecentros, ad"UUlaestabilidaddelsistema. 175 APRENDIENDO QUMICA ORGNICA H .1 7 C ~ 1111 Teniendoencuentaelrazonamientoanterior,noresultasorprendentelaobser-vacinexperimentalqueindicaquelaestabilidaddeJoscarbocationesysufacIlI-daddeformacinsiguenelsiguienteorden: terciarios> secundarios> primariosmetilo 2.Hiperconjugacin Estefenmenodedi spersindelacargapositivaes trelacionadoconUD solapamientodelorbitalpvacoconloselectronesdelosenlacessigmadelos sustituyen tesdeloscarbonosvecinos. Porlotanto,elfenmenodehiperconjugacinnosemanifiestaenel metil oycobramayorimportanciaamedidaqueaumentalasustitucinde carbocatinpuesamayornmerodesustituyentes,mayorposibilidaddedi spersi porhiperconjugacinymayorestabilidad. Hipercojugacin en . ,.. catlOnpnmano 176 Captulo7.Halogenurosdealquilo )'alcoholes.Sustitucinnucleoft1ica Estefenmenoratificaelordendeestabilidaddeloscarbocationesporefecto IIIltucti vo. .1Resonancia Seobservaunaparticularestabilidadendostiposdecarbocationes:losallicos ylosbenclicos. 3a.Cationes alz1icos. Se llaman cationes allicoslosque seencuentran adyacentes 11undobleenlace. Culeslacaractersticaqueleotorgaespecialestabilidad? ElcarbonocarbocatinicoconhibridacinSp2 seencuentravecinoados ( arbonosSp2 deldobleenlace.Sielorbitalpvacodelcatinseubicaparaleloalos orbitalespdeldobleenlace,loselectronesppodrndeslocalizarsealolargode todoelsistema.Desdeotro punto devista,sepuededecir que eslacargapositivala quesedispersaestabilizandoapreciablementeelcatin. Estarealidadserepresentamediantelassiguientesestructurasderesonancia. G> ~..CH2-CH=CH2 1 3b.Cationesbencaicos.Sellamancationesbenclicoslosqueseencuentran unidosaunanilloaromtico. 177 APRENDIENDO QUMICA ORGNICA Poranal ogaconelcasoanteriorsielorbitalpvacodelcarbocatinseubica paraleloalosseisorbitalespdelanilloesposibledes localizarloselectronesphacia elcentropositivo.Seindicanacontinuacinlosdesplazamientosdeparesdeelec-tronespqueconducenaunconjuntodeestructurasderesonanciaquejuntossim-bolizanladeslocalizacindelacargapositivaenelanilloaromticoyque justifi-cansuestabilidad. Ell H, ~ Ell .. H, ~ ~.. Cmo reaccionan estos sistemas? H, Ell ........ Ell Ahoracabeunapregunta:silacargapositivasedispersaentreloscarbonos sp' ,dndeatacaelnuc\efiloenelsegundopasodelareaccin? La respuesta esdiferenteparaambossistemas.Enel caso delos cationes allicos, encualquieradelosdoscarbonosquelasestructurasderesonanciaindicanque poseenlamayor deficiencia electrnica, esdecir,enlosdos carbonos de los extremos. Pero, enel casodeloscationesbenclicos elataquesereali zasiempreenlaposicin benclicapues,encasocontrario,elproductofinalnoseraaromtico.Severenel captuloII quelossistemas aromticossonparticularmente estables,por este motivo, unataquedelnuclefiloalanillodisminuiraapreciablementelaestabilidaddel productofinal.Estoseraequivalenteadecir:detodosloscarbonossp'delsistema, elexternoalanilloeselmspositivo.Ytambinseraequivalenteadecir:las estructurasderesonanciaconelanilloaromticocompletosonmsestables. t:'u - - ~ ~ ~RCH=CH-CH2Nu +R -CH-CH=CH, Nu .. 178 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinl1ucleoflica Orden general de estabilidad de los carbocationes Comoconclusinsepuedeindicarelsiguienteordendeestabilidad: allicos,benclicos>terciarios>secundariosprimarios> metilo Sinembargoavecesseencuentrandiferenciasdecriteriosentrealgunosautores eotorganunaestabilidadsimilar paraloscationesterciarios,allicosybenclicos, oinclusiveasignanalosterciariosunaestabilidadmayorquelosbenclicos p:imarios.Lomsprudenteesconsiderarquesiemprepuedehaberexcepcionesy queelordenindicadoesslounordengeneral. Sustitucin nucleofilica bimolecular , Estaesunareaccinenunpasoen .elqueelnuc!efiloseaproximaalcarbono porelladocontrarioalqueestunidoelhalgeno.Aquellossustratosquefacilitan elacercamientodelnuc!efilo,facilitanlareaccin.Porlotanto,unaumentoenla sustitucindelcarbonoquesufreelataquenuc!eoflico,dificultalaaproximaciny comoconsecuencialasustitucin.Enelsiguientedibujoserepresentanlasnubes electrnicaseniodurodemetiloyeneliodurodeter-butilo. .../ . ~ . ' / ;.". :.:... : ~; ' . ~',:,.: ! ', .:.'.h'....... .~..... .. . ,.. ....: .J", , '. : ',. Conclusin:loshalogenurosdemetiloreaccionanamayorvelocidadquelos primarios,estosasuvezamayorvelocidadquelossecundariosyengenerallos halogenurosterciariosnoreaccionanporunreaccionanporunmecanismodeeoflica bimolecularolohacenavelocidaddespreciable. Desdeotropuntodevistasepuedeestudiarlainfluenciadelsustratoefectuan-dounanlisisdelestadodetransicinquerepresentalabarreraenergticaquese debesuperarparaquelareaccinproceda.Enelestadodetransicinelsistema presentalamayorcompresinestrica,puesobligaaloscincogruposaalcanzaren elespaciolaaproximacinmxima.Pensandoenlaestructuradelsustrato,noeslo 179 APRENDIENDO QUfMICAORGNICA mismoaproximarhidrgenosqueaproximargruposalquilo.Enconsecuencia.e estadodetransicinformadoapartirdeunhalogenurodemetiloesmsestable queelqueseobtieneapartirdeunhalogenuroprimario,ysteasuvezqueelque seobtieneapartirdeunhalogenurosecundario.Estadosdetransicinmsestables implicanenergas de activacinmenores ypor lotantomayorvelocidad dereaccin. B H A Nu .. ',X " H H Energa B Nu .... X -;{' (': Avance dela reaccin Finalmente,lainestabilidaddelestadodetransicinqueseobti eneapartirde unhalogenuroterciarioimplicaunaenergadeactivacindifcilmentesuperable. conclusinqueconducealmismoresultadoanteriorqueindicaquelavelocidadJe unareacc indesustitucinnucleoflicabimolecularapartirdeunhalogenuro terciarioesprcticamentedespreciable. Enestecaso,nuevamenteloshalogenurosallicosybenclicosmerecenun consideracinespecial.EstossustratosdanreaccionesdetipoSN2avelocidad comparable,einclusoenalgunoscasosmayorqueloshalogenurosdemeti lo. Porqu? Enel estadodetransicinnosolamenteexisteunaacumulacindegruposenel espacio,sinotambinunaacumul acindecarga.Elnuclefiloparticipaconuna carganetaounpardeelectronesnocompartidosloqueimplicaqueelcarbono rehibridizadoasp'presentaunorbitalpquesolapaparcialmenteloselectronesde unenlaceamedioromperconelhalgenoy,porelotrolado,loselectronesd.un enlaceamedioformarconelnuclefilo. Ori entandoeseorbitalpparaleloconlosorbitalespdeunsistemaallicoo benclico,elaumentodedensidadnegati vapuededeslocali zarsealoslargodel sistemapaumentandopordispersinlaestabilidad. 180 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinnuc/eoftlica I:"u 11,. .. :;t Q -X Comparacindelsustratoenambosmecanismosdesustitucin ..asreacciones detipoSN1 estnaltamentefavorecidasenloshalogenurosdealqui-loterciarios,allicosybenclicosquesoncapacesdeformarloscarbocationesms estables.Debidoa la inestabilidad desus carbocationes,lavelocidad deunareacci n detipoSN1esdespreciableenelcasodehalogenurosdemetilooprimarios. LasreaccionesdetipoSN2transcurrenavelocidadmximaconloshalogenuros demetiloyaunabuenavelocidadconloshalogenurosprimarios.Debidoal impedimentoestricoyalainestabilidaddelestadodetransicinlasreacciones detipoSN2nosemanifiestanavelocidadapreciableconloshalogenurosde alquiloterciarios.Sinopresentanimpedimentoestrico,loshal ogenurosde aliloybencilosernsustratosti lesatravsdeestetipodemecanismo. Loshal ogenurosdealquilosecundariossonconflictivosporquepueden transformarseatravsdeambosmecanismos.Sinembargo,comoseverms adelante,controlandolascondici onesdereaccinsecontrolaelmecanismo quesueledirigirsehacialaSN2. 2) Estructura del nuclefilo Laestructuradelnuc!efiloeslasegundavariablequeinfluyeenformaimpor-anteenladeterminacindelmecanismo. Ysuparticipacinesdecisivaenuna reaccindetipoSN2.Porquecuantomejoreselnuclefilo,msfcilprocedela reaccin.Sinembargo,sielsustratopuedereaccionarporambosmecani smos(por ejemplounhalogenurosecundario)yseprefiereunareaccinSN1esnecesarioel empleo deunnuc!efilomuydbil,puesencasocontrari oelnuclefiloparaticipar delareaccindesplazndolahaciaunmecanismoSN2. Porotrolado,sehaobservadoexperimentalmentequeunareaccinconel ITsmosustrato,elITsmosolvente,lasITsmascondiciones,se desarrollaadiferente velocidaddeacuerdoalnuclefiloempleado.Poresosehabl adenucleofilicidad comolahabilidaddeunreactivodeparticiparenunareaccindetipoSN2. Qufactoresafectanlanucleofilicidad? 181 APRENDIENDO QUMICA ORGNICA l.Lacarga Aigualtomonucleoflico,losnuc!efilosconunacarganetareaccionana mayorvelocidadquelosnuclefilosneutros. CH3Br+ e HO 2.Lapolarizabilidad CH30H+ .. e Br .. Loselectronesdelacapaexternadeuninotomodemayortamaose encuentranmsalejadosdelncleoy,porlotanto,menosfuertementeretenidos.. Estoselectronespuedendistorsionarseconmayorfacilidadparaadoptarlaforma requeridaquefaciliteelaccesoalcentropositivo.Porestemotivoelioduroes mejornuc!efiloqueelbromuroy,steasuvez,mejorqueelcloruro. 3.Elimpedimentoestrico SieltomonucleoflicoseencuentraimpedidoestricamentesedificultaSil aproximacinalsitiodereaccin,disminuyendosunucleofilicidad.Por estemotivo elEtO- esmejornuc!efiloqueelt-BuO. 4.Labasicidad Sedijoanteriormentequelanucleofilicidadmidelacapacidaddeunaespecie dedonarunpardeelectronesparaunirseauncarbonodeficienteenellosenuna. reaccinSN2.Porotrolado,labasicidadmidelacapacidaddeunaespeciededom!l' unpardeelectronesparaunirseaunprotn.Poresosediceengeneralqueuna buenabaseesunbuennuclefilo. Sisecomparanelementosdelmismoperodoelordendeacidezresulta: FH >HP >NH3 >CH, Porlotanto,elordendebasicidaddesusbasesconjugadasresulta: En estoscasos elorden debasicidad semaneja paralelo alordende nucleofilicidad. perosisecomparalaacidezdeloshalogenurosdehidrgenoseconcluye: 182 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinnucleofi1ica HF F' Dehecho,elfluoruroestanmalgruposalientequenoparticipaenreacciones desustitucin. 183 APRENDIENDO QU{MICAORGNICA 4) El solvente Lamayorpartedelasespeciesinvolucradasenestetipodereaccionesson compuestos inicos o polares y,por lo tanto, no resultasorprendente quelossolventes habitualmenteempleadosseantambindenaturalezapolar. Dentrodelossolventespolaressedistinguendostiposfundamentalmente diferentes:lossolventesprticosylossolventesaprticos.Lossolventesprticos sonaquelloscapacesdeformarunionesporpuentedehidrgeno.Cmoinfluye estahabilidadenlaseleccindeunmecanismo? EnelcasodeunareaccindetipoSN1elsolventeprticosolvataelintermedia-rioinicodela reaccin. Estehecholoestabiliza,disminuyendosuenergayladel estadodetransicinqueconduceasuformacin.Albajarlabarreradeenergade activacinfavorecelasustitucin. f\./ H H~ - R \ .J ~ :' L ; ~ Ro:-;.yC>H 't R H- O: h R Solvente aprtico EnlasreaccionesdetipoSN2esfrecuenteelempleodenuc!efiloscargados porque,comoseindicpreviamente,estefactoraumentalanuc!eofilicidad.hn estoscasosexisteunaacumulacindecargamayorenlosreactivosqueenelestado detransicindondelacarganegativaseencuentradistribuidaentreelnuc!efiloy elgruposaliente,lograndounadi spersinenunvolumenmayor. Nu----- . El ---xmayor dispersin de carga que en Nu Sise tieneen cuenta quelasolvatacin esmsefectivaen ionesmenores,sellega alaconclusinqueelsolventeprticoestabilizamejorelnuclefiloqueelestadode 184 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinnucleoft1ica lransicin.Porestemotivola disrrtinucindeenergaesmayorenelreactivoqueen estadointermedio,hechoquesetraduceenunincrementodelabarreradeactiva-ciny,porlotanto,enunadisminucindelavelocidaddelareaccin. Energa .-0(";. ........ . _....r.. ......... . Avancedela reaccin Porotrolado,sepuedepensarintuitivamentequelasolvatacin hacemenos efectivoelnuc!efiloporque: dispersasucargadisrrtinuyendosunuc!eofilicidady aumentasuvolumenefectivodificultandosuaccesoalsitiodereaccin. Quocurresielnuc!efilonopresentaunacarganeta? Conclusin:lossolventesprticosfavorecenlosmecanismosdetipoSNI rrtientrasquelossolventespolaresaprticosfavorecenlasreaccionesdetipoSN2. Ejemplos desolventes empleados en reacciones de sustitucin Solventesprticos(favorecenSNI):agua,metanol,etanol ,butano!. Solventespolaresaprticos(favorecenSN2):acetona,acetonitrilo(CH3CN) , dimetilformamida(DMF)CH,)2NCHO),dimetilsulfxido(DMSO)CH)2S0), hexametilfosforamida(HMPA)CH) 2N),P0). Sedebetener encuenta queestascondicionessongeneralesypuedeencontrarse conciertafrecuenciaelempleodeunsolventeprticoenunaSN2.Estopuede deberseaunrequerimientodesolubilidadyelmecanismomantenerseapoyado porlosotrosfactoresconsiderados. 185 APRENDIENDO QUfMICA ORGNICA Alcoholes Culeslanicadiferenciaentrelosalcoholesyloshalogenurosdealquilo?El gruposaliente. Cuandosehizoreferenciaaesteternasedijoqueelmejorgruposalienteesel que mejorpuedeacomodarlacarga. Yse relacionconlabasicidad.Comoelinhidrxido quese desprendera enunareaccinde sustitucinesunabasefuerteyporestemotivo. unmalgruposaliente.Anteesteinconvenienteexisteunanicasolucin:transformarlo. 1) Reacciones en medio cido Eloxgenodelalcohol,consusparesdeelectronesnocompartidos,seprotona enmediocido. R-OH+H+ Silasustitucinseefectaenmediocido,eloxgenoprotonadopermitela salidadeaguaenlugardehidrxido.Elaguaesunabasedbily,porlotanto,un excelentegruposaliente. >---OH @ H + >--Nu Mientraslassustitucionesdehalogenurosdealquilosuelendesarrollarseen mediobsico,algunassustitucionesdealcoholessedesarrollanenmediocido. Unadelasreaccionesmsfrecuenteenlosalcoholesessutransformacinen halogenurodealquiloportratamientoconelhalocidocorrespondiente. Culeselmecanismo?Comoconsecuenciadesuexcelentegruposalientelos alcoholesterciarios,allicosybenclicosprotonadosreaccionanrpidamenteatravs deunmecanismodetipoSN1,formandocarbocationesestablesyprocediendoa unamuybuenavelocidad. Losalcoholesprimariospro tonadosprocedenatravsdeunmecanismode tipoSN2,mientrasquelosalcoholessecundariospuedenreaccionarporcualquiera delosdosmecanismos,aunqueexistenevidenciasqueindicanquereaccionancon frecuenciaatravsdeunmecanismodetipoSNl. Caberecalcarqueestasreaccionesinvolucranunaetapamsquelasindicadas paraloshalogenurosdealquiloyaqueexperimentanlaprotonacinpreviadel grupofuncional.Lasreaccionescidobasesonreversiblesynorequierengrandes consumosdeenerga. 186 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinnucleoft1ica Paso1 Paso 2 + Paso 3 + carbocation Energa alcohol pro tonado Avance dela reaccin 187 APRENDIENDO QUMICA ORGNICA Paso1 Paso 2 Energa Empleo de catalizadores Cl H alcohol protonado Avance de la reaccin Sisecomparalavelocidaddetransformacindeunalcoholcondiferente, halocidos,enlasmismascondicionesde reaccin,secomprueba elsiguienteorden: ID > HE> HCl > HF , Esteeselordenlgicosisetienenencuentalascondicionesrelacionadascon lanuc1eofiliaenunsolventeprticocomoloshabitualmenteempleadoseneste tipodetransformacin. Sinembargo,sepuedeaumentarlavelocidaddelareaccin,especialmente cuandoseempleaHClcomoreactivo,medianteelusodeuncatalizador.Eneste casoenparticularsesueleusarZnCl2 anhidroouncidodeLewissimilar. 188 Captulo7.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Sustitucinnucleofi1ica Cmofunciona?ElZn,deficienteenelectronesyconorbitalesvacos,secom-plejaconelalcoholcompartiendoalgunodelosparesdeelectroneslibresdeloxge-DO.EstodebilitaelenlaceC-O,facilitandoeldesprendimientodelgruposaliente. Deestamanera,losalcoholesprimariosysecundariosquegeneralmentereac-cionanamenorvelocidadfrentealHCI,setransfonnanentiemposmuchomeno-res,aunqueaveceslosprimariosrequierenunaumentodetemperatura. 2) Reacciones con derivados Lasegundaposibilidadconsisteenderivatizarelalcohol.Enelcaptulo13se erdetenidamente laformacindesteres a partir de alcoholes ycidos carboxlicos. CH3CH20H (etanol) +CH3C%H (cido actico) HfJ)..cr CH 3COCH2CH3 (acetato de elilo) + H20 Cuandolasreaccionesdesustitucinserealizanapartirdesteres,elgrupo sal ienteeslabaseconjugadadelcidocarboxlicoqueloform.Estabasedbil, queestabilizalacargaporresonancia,facilitalasustitucin. - --...CH3CH2SH+CH3C008 (ion acetato) Sinembargoexisteunsterquemereceunamencinespecialporsuexcelente capacidadcomogruposaliente:eltosilato. Formacin de tosilatos Seconocencomotosilatos(TsO')lossteresdelcidop-toluensulfnico.Se preparanapartirdelalcoholporreaccinconclorurodep-toluensulfonilo,en deunabaseorgnicaquefacilitelacapturadelHClformadodurantela esterificacin. 189 APRENDIENDO QUMICA ORGNICA ~ 0 =- CI + CH,CH, OH + , Se suele indicar T::rOCH)CH", - , Culeslaventajadeestegruposaliente?Esmuydbil:permitelaestabiliza-cindelacarganegativaporresonanciaentrevarias estructurasequivalentes,hecho queincrementanotablementesuestabilidad. e~ 0- =0 e r.? YQ'==0 PorestaraznlostosilatosseempleanhabitualmenteenreaccionesdetipoS ~ enlugardelosalcoholes,permitiendolatransformacinindirectadelalcoholen unavariedaddeproductosdiferentes. Conclusin:Losalcoholesnodanreaccionesdesustitucinenmedioneutroo bsico,Silatransformacinrequiereelempleodeestosmedios,esimprescindible deri vatizarelalcohol. Ejercicios Ejercicio1:Culesdelassiguientesespeciespodrnactuarcomonuclefilos? R,/R /Cc... RH tri sustituido > 195 R,/H /c=c... HR disustituido > R,/H /c=c... HH monosustituido APRENDiENDO QUMICA ORGNICA Anquedaotrodetalleporanalizar:laisomeradelosalquenosqueseforman. Estoinduce acomparar laestabilidadde los alquenoscisytransoSibiennuevamente es posiblerecurriramediciones experimentales querefuercenel anlisis,sepuede observa: queelismerocispresentaunamayoraproximacindelosgruposvoluminososenel espacio.Demaneraque,porrazonesestricas,elalquenotrans resultaelismeroIW establey,porlotanto,favorecidoenlasreaccionesdeeliminacin. " ::. . " "". -':":-:':; ....:...' Finalmente,esnecesariorecalcarquelasdiferencias de energa entrelosestados detransicin que correspondenalpasodel carbocatin alalqueno,paralos diferentes alquenos,sonrelativamentepequeas.Por estemotivoestasconclusionesnoinclican quelaseliminaciones conducennicamentealalqueno ms estable,sino queorientan paradeterminarculessernlosalquenosmayoritariosenlareaccin. Eliminacinbimolecular Estareaccintranscurreenunasolaetapa(mecanismoconcertado).Cuandolas condicionesfavorecenlaeliminacin,mientraslabasesellevaelprotn,eldoble enlacecomienza aformarseyel gruposaliente adesprenderse. Todoalmismotiempo. Enestecasolavelocidaddelareaccindependetantodelaconcentracindel halogenurodealquilocomodelaconcentracindelabase,quesonlasespeciesque intervienenenelestadodetransicindelaetapadeterminantedelavelocidaddela reaccin.Porestemotivoseladenominaeliminacinbimolecularyselaabrevi?E2. Parafaci litarlarupturay formacindeenlacesenformasimultnealamolcula adoptaunaconformacinenlaquetodoslosenlacesquesetransformanseubican enunplanoyporellosedicequesonperiplanares.Existendosconformaciones quepresentanlosenlacesinvolucradosenunplano:laconformacinsin-periplanar ylaconformacinanti-periplanar. 196 Captulo8.Halogenurosdealquiloyalcoholes.Eliminacin Br o

:-H , H Paraimpedirquelabaseyelgruposalienteseaproximenenelespacioconla consecuenteacumulacindecarga,losenlacesC-HyC-Xseubicanenposicinanti. Estoimplicaunrequerimientoestricoparaqueseproduzcalaeliminacin. Conesteordenamiento en el estado de transicin, seestnformandoysolapando l.ls orbitalespquedebenubicarseparalelos. o ,r

L--::'-::-;--- , - o Br o o @---B

o , eH3--"'-.-L oH o , H-----OH 8 Como consecuenciadelrequerimientoestricola cantidaddealquenosquepueden formarseporestemecanismodeeliminacinseencuentrarestringida.Sinembargo, siexistela posibilidad,se respetar nuevamenteelordende estabilidad delosalquenos paradeterminarJosproductosmayoritariosdelareaccin.Laraznsefundamenta enelhechodequeamayorestabilidaddelalqueno,mayorestabilidaddelestadode transicinqueconduceasuformacinyporlotantomenorbarreradeenerga. 197 APRENDIENDO QUMICAORGNICA Br KOH I EtOH H - ~XCH)+X Tenninacin X+XX2 CH3 + CH3>- CH3CH3 Uninconvenientequepresentaestareaccineslaposibilidaddedarlugarauna sustitucinposterior,generandoproductosdepolihalogenacin.Porotrolado,el panoramasecomplicacuandolamolculapresentamsdeuntipodehidrgeno, comoporejemplolamolculadebutano,queenunaprimerasustitucinconduceal 1y2halobutano.Finalmente,loshalogenurosdealquiloformadossuelentener propiedades fsicassimilares (por ejemplo p.eb.) lo que dificulta la separacin posterior. Sinembargo,pesealosinconvenientes ,estatransformacinpermite funcionalizarunmaterialdepartidadereducidareactividad. Regioselectividad Sibienlacloracinconduceaunamezclaindiscriminadadeproductos,la reaccin con Br, permite aislar mezclas dondelas cantidades relativas delosismeros formadosindicanunaciertaselectividadPorqu? Culeslaetapalentadelareaccin?Lapropagacinconstadedosetapas:la rupturadelenlaceC-Hylarupturadelamolculadehalgeno.Paraestablecerla etapadeterminantedelavelocidadsecomparahalogenacindelCH,ydelCD" ElenlaceC-DesmsfuertequeelenlaceC-Hen1,2kcal/moly,porlotanto, requiereparasurupturaunaenergamayor.Silaetapadeterminantedelavelocidad fueralarupturadelhalgeno,lapresenciadeldeuterionoladeberaafectar.Sin embargolahalogenacindelCH,ocurreaR3C>R2CH>RCH2>CH, o( > Estabilidad Seindicanacontinuacinloshbridoscorrespondientesalradicalalilo.Es necesariorecordarquecomoencualquierconjuntodeestructurasderesonancia, ni ngunadeellas,enformaindividual,representalarealidad.Adems,sedebe observarqueenestarepresentacinladobleligaduraaportaunsoloelectrn. ,/o'. H2C=CH- CH2.....r - ~.....H2C-CH=CH2 Finalmente,adiferenciadeloscarbocationes,enlosradicaleslibresesmuy pocofrecuenteobservartransposiciones. Reactividad de los halgenos Laprimeraetapadelapropagacinconsisteenlaabstraccindeunhidrgeno paraformarelhalocido.Analizandoladiferenciadeentalpadeestepasose compruebaqueexisteunacorrelacinconlafuerzadelenlacequeseforma:cuanto ms fuerteeselenlacequeseforma,ms fcilresultalaabstraccin,atalpunto '1uelaprimeraetapadelafluoracinesexotrmica. 223 APRENDIENDO QUMI CAORGNI CA Fuerzadeenlace:HF > HCI> HBr > ID Lasegundaetapaesexotrmica entodosloscasos,peroespecialmentemarcada enelcasodelaf1uoracin. Cuandoseanalizaelprocesocompletosecompruebaquelareaccinde f1uoracinpresentatalexotermicidad(i\.H=-103kcaJ/mol)quesalvoraras excepciones,ocurreenformaviolentayporesonosesueleusar. Por otrolado,si bienlasegundaetapadelareaccindeiodacinesexotrmica, laprimeraetapatieneunaenergadeactivacintanaltaque,enlascondiciones habitualesnoselograsuperar.Comoconsecuencia,porestavalosaleanosnose puedeniodar. Conclusin:lahalogenacinradicalariadealcanossedesarrollaconCl2 oBr,. Selectividad Lareactividaddeloshalgenosesinversamenteproporcionalasuselectividad. Cuantomsreactivo,menoreslaenergadeactivacindelaetapadeterminantede lavelocidad.Elradicallibrecloroestanreactivoquelasbarrerasdeenergaparala abstraccindeloshidrgenosenlareaccindecloracinsonsimilaresylareaccin conduceamezclasenproporcionesaproximadamenteigualesdelosdistintos clorurosdealquilo. Estereoselectividad Loscarbonosradicalariospresentanhibridacinsp'conelelectrndesapareado ubicadoenelorbital. Radical C sp2 Losradicalescloroobromosepuedenaproximaracualquieradelosdoslbu-losdelorbitalpparaformarlanuevaunin.Amedidaqueelloocurre,elcarhon serehibridizaaSp'y,por estemotivo,sielnicocentroquiraldelamolculaes queseformaenesteproceso,seobtieneunamezclaracmica. 224 Captulo10.Alcanos.Sustitucinporradicaleslibres Ejercicios E;iercicio1:Ordenelossiguientesradicalessegnsuestabilidadcreciente. , ,,>---' O 'O , Ejercicio2:IndiquelosproductosdemonocJoracinradicalariadelossiguientes compuestos. eH, Ejercicio3:Indiquelosproductosdemonobromacinradicalariadeloscompues-tosdelejercicioanterior. 225 CAPTULO11 COMPUESTOS AROMTICOS SUSTITUCiNELECTROFUCA Estabilidadyreactividad Duranteelsiglopasadosellamaroncompuestosaromticosalosqueposean fraganciastpicas,comoporejemploelbenzaldehdoconsuparticularolorfrutado. Conelcorrerdeltiemposecomprobqueestoscompuestospresentananilloscon unnmerodeterminadodeelectrones1tdeslocalizadosquelesotorganuna reactividadparticular. Elmiembromsrepresentativodeestafamiliaeselbenceno. Peseaserunanillo contresdoblesligadurasconjugadas,noreaccionacomolosalquenos.Nosufrenin-gntipodetransformacinconlosreactivosqueseadicionanalasdoblesligadwas. KMnO, (dil) ... oOe Hel.. OH KMnO.(di l) .. oOe Hel.. Tampocoreaccionaconoxidantesenrgicos 8 KMn04 I RO..Noreacciona alta temperruura 227 No reacciona No reacciona N o reacciona APRENDIENDO QUMICAORGNICA Lasreaccionesqueimplicanlaprdidadelanilloaromticopresentanrequeri-mientosenergticoselevados,comoporejemplolahidrogenacin.MientrasUD alquenosehidrogenaapresinatmosfricaytemperaturaambienteconuncatali-zadorsuavecomoPd,elbencenorequierefuertespresionesdehidrgeno,al ta temperaturaycatalizadoresmsenrgicos. H2 (latm) ~ Pd,2d'C H,(35atro)~ P,O,,225'C libera 28,6 Kca l/mol libera 49 KcaVmol Loscompuestosaromticosexperimentanreaccionesdesustitucindondelas hidrgenossonreemplazadosporgruposfuncionales,peromanteniendoelanillo intactoalfinalizarlatransformacin, e E Estoshechoshacensuponerunaestabilidadespecialdelsistemaaromtico Cmo sepuede comprobar? De manerasimilar alestudio deestabilidad dealquen(]Oj Analizandoloscaloresdehidrogenacin, Considerandoquelahidro gen acindelciclohexenolibera29KcaJ/mol deesperarqueelbencenoliberetresvecesms.Estoimplicauncaloraproximado dehidrogenacinde87Kcal/moLSinembargo,cuandoelbencenosehidrog liberaslo49Kcal/molloqueimplicaquetiene38Kcal/molmenosqueuntri"m aislado,Estaestabilizacin,conocidacomoestabilizacinporresonancia,seatd-buyealadeslocalizacindeloselectronesnenelciclo. Cabepreguntarsesicualquierconjugacindedoblesligadurasproducela~ maestabilidadyreactividad.Quocurreconunsistemaintermediocomoel1..3-ciclohexadieno?Estecompuestolibera55Kcal/mol,unvalormenor queelespen-doparaunsistemadedoblesligadurasaisladas,peroladiferenciaesmuchome_ yeldienosufrereaccionesdeadicincomocualquieralqueno, Conclusin:laconjugacindedoblesligadurasestabilizalossistemaspar deslocalizacindeloselectronesn,perol ~estabilizacinenelsistemaare)r esmuysuperioreinduceunareactividadparticular, 228 Captulo11.Compuestosaromticos.Sustitucinelectrofz?ica Aromaticidad Culessonlosrequisitosquedebecumplirunsistemaparaseraromtico? Debesercclico; Elciclodebeser plano; Todossustomosdebentenerorbitalesp; Losorbitalespdebenestarperpendicularesalplanodelanillo; DebecumplirconlaregladeHckelytener4n+ 2electronesp(nesunnmero entero). Lascuatroprimera&--eondicionessurgendeobservarlaestructuradelbenceno, perosoninsuficientesyaqueporssolasnojustifican,porejemplo,queel iclobutadienonoseaaromtico(nopresentanilaestabilidadnilareactividadde lossistemasaromticos).EstaltimareglafuedescubiertaporErichHckelen 1931ypor estemotivollevasunombre.Sefundamentaenlateoradeorbitales moleculares. Orbitales moleculares en sistemas aromticos Losenlacescovalentessurgenalsuperponerlosorbitalesatmicos.Unavez formadoelenlace,loselectr,onesquedancompartidosporambostomosenun orbitalmolecular. Cuandoseunendosorbitalesatmicosseformandosorbitalesmolecularesde distintaenerga.Elpardeelectronescompartidosseubicaenelorbitalmolecular deenergamenorformandounenlaceestable. Energa .-+ + ..... . . .... .............. * Orbitalesatmicos Orbitales moleculares Cmosonlosorbitalesmolecularesdelbenceno?Seisorbitalesatmicos,con unelectrncadauno,danlugaraseisorbitalesmoleculares.Lateoradeorbitales molecularesestablecequeenlossistemasaromticossiemprehayunorbital moleculardemenorenergaylosrestantesseordenandeaparesdeorbitalesde igualenergaenunaescalacreciente.Loselectronesseubicanenlosorbitales molecularesdeenergamenor. 229 APRENDIENDO QUMICAORGNICA Energfa + Orbitalesatmicosp Qlbitakesmolecularesn Paraqueunsistemaseaaromticodebetenertodossuselectronesapareados. queeslacaractersticaqueleotorgaestabilidad.Yporello4n+2. Aplicando conceptos Elcic1ooctatetraenoesunsistemacclicocondoblesligadurasconjugadasy,sin embargo,noesaromtico.Porunlado,nocumpleconlaregladeHckel(tiene8 electronesn)y,adems,noesplano,raznporlaquelosorbitalespnosepueden ubicar paralelos para pennitir la deslocalizacin. Este sistema reacciona como unalqueno. Energa I ++ -#- -#--#-Orbitalesmolecularesn Tampocorespondealosrequisitosdearomaticidadelcic1opentadienoyaque tieneunC-Sp3enelanillo,noesplanoynocumplelaregladeHckel(tiene4 electronesn).Sinembargo,esunodelospocoshidrocarburoscidos(pK" =16) quepierdefcilmenteunprotnformandoelanincic1opentadienilo.Porqu?El carbanintienehibridacinSp2 yahoratodosloscarbonosdelanillotienenorbitales p. Elsistemapasaaserplanofacilitandoladeslocalizaciny,conelpardeelectro-nesresultantesdelaionizacin,adquiere6electronesn, cumpliendoconlaregla deHckel(n=1).Elanincic1opentadieniloesaromtico. 230 CaptuloJJ.Compuestosaromticos.Sustitucinelectroflica (j) H ) Energa e -#- * -#-Orbitalesmolecularesn del anin Elcatinciclopentadieniloesplano,tienetodossuscarbonosconorbitalesp peronocumpleconlaregladeHckely porlotantonoesaromtico. anin aromticocatin no aromtico Energa Orbit alesmoleculares n del catin Elcatincicloheptatrieniloesestableymuy fcildeprepara/: Porqu? Elpirrolesunheterociclodecincomiembrosconcuatrocarbonosyunnitr-seno.TodosloscarbonosSp2 ti enensusorbitalespparalelosyperpendicularesal anillo.Elnitrgenoti enelamismahibridacinyensuorbitalpselocalizael par de electronesnocompartidos.Estesistemaescclico,planoypresentaentotal6elec-tronesn:4electronesprovienendelasdoblesligadurasentrecarbonosy2del nitrgeno.Elpirrolesaromtico. I H Elpirrol presentaunabasicidadmellarqueladeunaaminaaliftica.Porqu? 231 APRENDIENDO QufMICA ORGNICA Sustitucin electroflica Lanubedeelectrones1ttransformaelanilloaromticoenuncentrodealta densidadelectrnicay,porlotanto,suceptiblealataquedeelectrfilos.Cuandoel reactivoseacerca,lanubeserompedejandoelciclounidoalelectrfiloyforman-douncarbocatin. Etapa1 e +E.. H Estecarbocatinintermediarioseestabilizaporresonanciayaqueloscuatro electrones1trestantessedeslocalizanentreloscincocarbonossp'facilitandola dispersindelacargapositiva.Lassiguientesestructurasderesonanciarepresen-tanestadispersinynuevamenteesnecesariorecalcarqueningunadeellastiene existenciareal.Larealidadesunhbridoentretodas. Observarunaestabilizacindeestamagnitud(entrecincocentros)inducea pensarqueelintelmediarioesmuyestable.Enrealidadloes,peropormsestable queseaelintermediarioperdilas38Kcal/moldeestabilizacinaromtica.Estn implicaunadiferenciapronunciadadeenergaentreelsistemaaromticoinicialy elintermediarioyunestadodetransicinqueconducealcarbocatin(dondela aromaticidadseestperdiendo)conunvalorenergticogrande.Engeneral,estas reaccionestienenenergasdeactivacinelevadasyporestemotivosuelenrequerir laayudadecatalizadoresqueaumentenlaelectrofilicidaddelaespecieatacante. Enlasegundaetapa,unaespeciericaenelectronesactacomobaseabstrayen-dounprotnyregenerandolaaromaticidad. Etapa 2 .. +BH 232 Capftulo11.Compuestosaromticos.Sustitucinelectroft1ica Elefectonetoeslasustitucindeunhidrgenoporelelectrfiloyporeste motivoseconocencomoreaccionesdesustitucinelectroflica. Dadalarelativamentebajareactividaddelosanillosaromticos,elataquedel electrfiloeslaetapalentaydeterminantedelavelocidaddelasustitucin.La prdidaposteriordelprotnpararecuperarlaaromaticidadesmuyrpida. Porqulaespeciericaenelectronesnoactacomonuc!efiloyatacael carbocatin? Halogenacin LosanillosaromticospuedenhalogenarseconBr"el,o1,enpresenciadelos catalizadoresapropiados.ElF,esaltamentereactivo(lareaccinesexplosiva)y porestemotivolasfluoracionesnosellevanacaboconfluormolecular. Loscatalizadoreshabitualmente empleadossonFeBr)yFeCl,paralabromacin yc!oracinrespectivamenteyactanpolarizandoelenlacedelamolculade halgenoporcomplejacinconelcidodeLewis,generandounextremo electroflico. Br'--Br FeBrJ... lJJ88 Br "'- - Br - ----FeBr' + extremo electroflico El 1, es el menos reactivo de los halgenos y se activa con ciertas especies oxidantes comoH,O,osalesde Agquelohacenreaccionar como sifuera1+.La iodacinpuede llevarseacaboconagenteshalogenantesdistintosdehalgenomolecularcomolel que,debidoalamayorelectronegatividaddelcloro,aseguraeliodocomoagente electroflico.En esteltimocasosesueleusarZnel,comocatalizador. 233 APRENDIENDO QUMICA ORGNICA r +HBr resonancia l +Clz +HCI +Iz+AgNOJ Nitracin LosanillosaromticossenitranconlIN03 concentradoenpresenciade concentradocomocatalizador.Laespeciee lectroflicaeselinnitroni oquese generaenelmedioporprotonacinyposteriordes hidratacindelHNO.. ., estabilizacinpor resonancIa 234 e +HSO, Captulo11.Compuestosaromticos.Sustitucinelectrofl1ica Lasulfonacindesistemasaromticossedesarrollaenpresenciadecidosul-fricofumante(H,SO.+ S03)'LaespecieelectroflicaeselS03ylacaracterstica deestareaccinesqueresultafcilmentereversible .Calentandoelcido bencenosulfnicoenmediocidodiluidoseregeneraelcompuestooriginal. Alquilacin estabilizacin por resonancia Lareaccindealquilacindeanillosaromticosllevalosnombresdelosdos cientficosqueladesalTollaronyporestemotivosesuelehacerreferenciaaella comoalquilacindeFriedelyCrafts. Desunombresededucequelaespecieelectroflicaesuncarbocatinalqulico quesegeneraenelmedi odereaccinportratamientodelhalogenurodealquilo correspondienteconuncidode Lewiscomo catalizador.Engeneralseemplealj:J[ e1 CH3CHCH3+AtCl, CH, CHCH,+AIC!, estabilizacin por resonanCia +HCl C