Cap 16- Reacciones de los compuestos orgánicos halogenados

CAPÍTULO 16

Reacciones de los compuestosorgánicos halogenados

Los halogenuros orgánicos son los compuestos que uno se encuentra con mayorfrecuencia como intermedios para las síntesis . Rara vez se los necesita por símismos, pero pueden convertirse en una gran variedad de otros compuestos yresultan accesibles a través de numerosos caminos . Por consiguiente son de granimportancia práctica y en este capítulo vamos a estudiar sus reacciones químicas .

Gran parte de sus reacciones pueden clasificarse en dos grupos : reacciones desustitución y reacciones de eliminación . En las de sustitución el halógeno (X) deuna molécula orgánica es sustituido por algún otro grupo (Z) .

Z - + R-X > R--Z + X -Una reacción de eliminación supone la pérdida de los elementos HX y origina unalqueno .

\ /

\ /

fi

(\X

- B-> ~'--C + BH + X-

Hay muchísimas variantes de estas reacciones, según los reactivos utilizados (Z -o B- en las ecuaciones precedentes) . En las siguientes secciones consideraremosalgunos detalles de estas reacciones así como su mejor empleo para obtener los re-sultados apetecidos. Los halogenuros orgánicos también experimentan reaccionesde otros tipos, además de los dos mencionados, de algunos de los cuales trataremostambién .

16 .1 Sustitución nucleófila

Una de las clases de reacciones más frecuente en química orgánica es la de reac-ciones de sustitución en las que un átomo o grupo concreto de una molécula es

541

1

542

Reacciones de los compuestos orgánicos halogenados

sustituido por otro átomo o grupo . Las sustituciones aromáticas electrófilas impli-can la sustitución de un hidrógeno enlazado al anillo aromático por un electrófiloy se trataron en el capítulo 15 . Los halogenuros son desplazados con facilidad amenudo y las reacciones de sustitución de los compuestos orgánicos halogenadoshan sido explorados a fondo . En concreto, estas reacciones son muy útiles parasintetizar muchas clases de moléculas orgánicas tales como alcoholes, aminas,alquinos, esteres, éteres y nitrilos . Los procesos de sustitución pueden dividirse enclases que dependen de las características de las moléculas implicadas . Ahora nosocuparemos de la sustitución nucleófila en un carbono saturado .

Es fácil entender esta reacción . Un nucleófilo (Z :) ataca a un halogenuro dealquilo en el átomo de carbono de hibridación sp 3 que lleva el halógeno (X), loque produce la sustitución del átomo del halógeno por el citado nucleófilo . El ha-lógeno desplazado se llama grupo saliente, término elegido porque hay otros gru-pos, además de los halógenos, que también actúan abandonando la molécula . Eñla reacción global el nucleófilo, que contiene un par de electrones no compartidos,los utiliza para formar un nuevo enlace con el carbono . Esto permite que el grupo'saliente se marche con el par de electrones que constituía el enlace mediante el,que estaba previamente unido al carbono . Se pueden formular dos ecuaciones ge-nerales : una con un nucleófilo sin carga (neutro) ; la otra, más frecuente, muestraun nucleófilo con carga negativa (un anión) .

R-X

+

: Z -->

R-Z+ + X-

Halogenuro de

Nucleófilo

Grupoalquilo

saliente

o

R-X

+

Z- -i

R-Z + X -

Halogenuro de

Nucleófilo

Grupoalquilo

salienteA continuación citamos un ejemplo concreto de cada clase :

*

*

tCH3CH2C1 + :NH3 , CH3CH2NH3 + C1-

CH3CH2CH2CH2Br + -CN - CH3CH2CH2CH2CN + Br

Los nucleófilos amoníaco y cianuro han atacado los carbonos con asterisco despla-zando al cloruro y al bromuro, respectivamente . Los anillos aromáticos y los do-bles enlaces no suelen ser atacados por los nucleófilos ; así el cloruro de alilo pue-de convertirse en yoduro de alilo con elevado rendimiento .

CH2=CHCHZCI + I- --> CH2=CHCH2 1 + CI -

Sustitución nucleófila

Puesto que los nucleófilos tienen un par de electrones no compartidos, tam-bién son bases de Lewis (sección 4.1) . Podríamos esperar que la reactividad nu-cleófila y la fuerza básica fuesen paralelas y ésta es, a menudo, la situación . Sinembargo, la basicidad es un fenómeno de equilibrio que suele medirse con res-pecto al hidrógeno . Por el contrario, la nucleofilia de los reactivos se obtiene apartir de las velocidades relativas de reacción en el carbono ; la nucleofilia es unfenómeno cinético . Examinemos brevemente estas propiedades así como las varia-bles de una reacción que determinan el que un nucleófilo sea mejor o peor parauna reacción de desplazamiento . Hay tres factores que juegan papeles clave enla reactividad nucleófila de diversos reactivos : la basicidad relativa de un deter-minado átomo atacante, la polarizabilidad y la solvatación . Se ha encontrado lasiguiente serie de reactividad creciente para los nucleófilos con oxígeno :

C1-13000H < H 20 : < CH .3000 < C 6H 50- < HO- < CH 30Base más débil

Base más fuerte(el peor nucleófilo)

(el mejor nucleófilo)

Análogamente, para átomos nucleófilos del mismo período el orden es :

HF : < H 9O : < H 3N :

F - < HO - < H 2N-Base más débil

Base más fuerte(el peor nucleófilo)

(el mejor nucleófilo)

Sin embargo, cuando comparamos iones y moléculas de la misma familia delsistema periódico, encontramos que la reactividad nucleófila aumenta significati-vamente al aumentar el número atómico, por lo menos en disolventes como elagua y los alcoholes . Así el tiofenóxido (C6H5S -) es mejor nucleófilo que elfenóxido (C6HsO-) aunque este orden es el inverso de sus basicidades (sec-ción 8 .2) . Y análogamente para los iones halogenuro, yoduro (1 -) > bromuro(Br- ) > cloruro (Cl- ) > fluoruro (F - ) . Estos órdenes se justifican razonable-mente por el hecho de que las nubes electrónicas externas de los átomos más pe-sados están unidas menos fuertemente al núcleo y son capaces de distorsionarsemejor en el estado de transición de la reacción . Dicho en otras palabras, son máspolarizables los átomos más pesados (ver sección 4 .18) .

El disolvente afecta de varias formas a las reactividades nucleófilas . Los di-solventes que forman enlaces de hidrógeno tienden a desactivar el par de electro-nes del atacante por unirse a él precisamente mediante puente de hidrógeno ; esteefecto es tanto más pronunciado cuanto menor es el número atómico del átomo .Sin embargo, si el nucleófilo es un anión, va siempre acompañado de un catión,y un disolvente buen ionizante promociona la nucleofilia porque permite la li-bre disociación de estos iones . Un disolvente aprótico, polar, tal como la dimetil-

543

544


formamida, es extraordinariamente bueno para las reacciones de los nucleófilosporque permite la disociación y, sin embargo, no desactiva el par electrónico porno formar enlace de hidrógeno . Por ejemplo, la reacción del 1-bromobutano conel ion cianuro es mucho más rápida en dimetilformamida que en agua o en etanol .

La estructura del halogenurq y la naturaleza del grupo saliente también influ-yen la reactividad relativa en las reacciones de sustitución nucleófila, y de ellastrataremos en secciones posteriores .

Si consideramos la reacción

R-Br + OH - --~ ROH + Br-

como ejemplo típico de sustitución nucleófila en un carbono saturado, podemospreguntarnos cómo transcurre . La cinética es una de las herramientas más útilespara el estudio del mecanismo de una reacción (sección 13 .3) . Así pues podríamosestudiar la forma, o ecuación, de la cinética de la reacción bajo distintas condi-ciones y con diferentes grupos R . Cuando se hace esto se encuentra algo que aprimera vista es sorprendente . Si R es metilo y la reacción, por tanto, es

CH .-Br + OH- --> CH .3OH + Br-

se encuentra que la ecuación de la velocidad es

velocidad = k 2[CH, iBrj[OH - j

Así pues tanto el ion hidróxido como el bromuro de metilo están implicados enla etapa determinante de la velocidad de la reacción. Si estudiamos la reacción

CH 3

CH 3

CH3 C-Br + OH- --- CH3 C-OH + Br

CH 3

CH3

encontraremos que la ecuación de la velocidad de la reacción, en este caso, es

velocidad = k,[t-BuBrj

En otras palabras, en esta reacción el ion hidróxido no interviene en la etapadeterminante de la velocidad . Así pues tenemos dos reacciones que parecen igua-les superficialmente, pero que de hecho deben ser muy distintas puesto queobedecen expresiones cinéticas tan diferentes . Estos ejemplos representan a dosclases de reacciones que se designan SN2 y SNl respectivamente . Los símbolossignifican sustitución nucleófila de segundo o de primer orden, según cada caso .

El mecanismo SN2

545

16.2 El mecanismo SN2

Las reacciones SN1 y SN2 difieren en los tiempos relativos para construir elnuevo enlace y romper el primitivo . Las reacciones SN2 son más útiles para lassíntesis y las discutiremos primero, dejando para la próxima sección las SN1 .

Puesto que la reacción del bromuro de metilo con el ion hidróxido es deprimer orden en cada reactivo, podrá acelerarse aumentando la concentración decualquiera de ellos o de ambos . Por consiguiente el estado de transición contieneambas especies . La forma más sencilla de representarlo es

Z-

19 . ALLINGER -

c

cID

b

S-

, S-Z----

i

----XS +

c

Sustancias reaccionantes

Estado de transición(máximo de energía)

Según el punto de vista de los orbitales moleculares, el carbono en el que tienelugar la sustitución cambia su hibridación de sp 3 en el halogenuro inicial a sp 2en el estado de transición . En este estado de transición los grupos saliente y ata-cante solapan simultáneamente con el orbital p, que es perpendicular al planoque contiene a los otros tres orbitales del carbono .

Estado de transición

Los grupos X y Z, más electronegativos, soportan la mayor parte de la carganegativa (si el nucleófilo es un anión) a través de todas las etapas de la reacción .La sustitución nucleófila se representa abreviadamente empleando flechas que in-diquen el movimiento de los pares de electrones durante el ataque :

Z +R rX -Z-R+X-

Se dice que la reacción es concertada porque la ruptura y formación de enlacestranscurren simultáneamente . En la figura 16 .1 se ha representado el diagramade entalpía libre para esta reacción . El estado de transición corresponde al má-

t

Z\ 'bC

a

X_

4 el§

546


ximo de energía, que ha de sobrepasarse en la colisión bimolecular de RX y Z -si ha de tener lugar la reacción .

[estado de transición] t

iEnergíalibre,G

RZ +X -

Coordenada de la reacción-

Figura 16 .1Diagrama de energía libre para una reacción SN2 típica .

Si este mecanismo es correcto, debe tener una importante consecuencia detipo estereoquímico : el carbono en el que ocurre la sustitución ha de experimentarla inversión de su configuración . Evidentemente esta afirmación necesita ser com-probada experimentalmente, y en efecto, se ha hallado que la reacción SN2 siem-pre transcurre con inversión . Por ejemplo, el desplazamiento SN2 en uno de losenantiómeros del 2-clorobutano mediante el hidróxido produce el 2-butanol qui-ral de configuración opuesta (inversa) .

CH2CH,

CH2CH,CH3 ' s CCl HOZ >CH,

HO-Nt -i C

+ Cl~I

H

H

(S)-2-Clorobutano

(R)-2-Butanol

Una segunda manera de demostrar este proceso de inversión consiste en exa-minarla reacción de un compuesto que contenga dos centros asimétricos y ob-servar su conversión en un diastereómero :

CH,

H HBromuro de

cis-3-metilciclopentilo

H CNCianuro de

trans-3-metilciclopentilo

+ Br

El mecanismo S N2

547

Esta inversión de la configuración se denomina frecuentemente inversión deWalden * debido a su descubridor .

EJERCICIO 16.1

¿Cómo puede explicar la racemización del (-i- )-2-yodobutano cuando sele deja reaccionar con ion yoduro (sección 6 .10)?

Se ha encontrado que la velocidad de una reacción SN2 depende mucho dela estructura del halogenuro de alquilo, porque el nucleófilo entrante debe em-pujar al carbono desde el lado opuesto al halogenuro saliente y encuentra en sucamino sustituyentes tal vez grandes ; cuanto más sustituido esté el átomo decarbono, más lenta será la reacción . Esto se llama impedimento estéreo al des-plazamiento SN2. Los halogenuros de metilo deben ser los más reactivos frentea los desplazamientos SN2 porque sólo hay tres hidrógenos dirigidos hacia elnucleófilo que se acerca . Los halogenuros de alquilo primarios no presentan nin-gún grave problema porque una sola cadena carbonada no ramificada en el carbo-no en el que ocurre la inversión, puede orientarse sin estorbar . El impedimento es-téreo para el ataque nucleófilo es mayor en los halogenuros secundarios pero lareacción todavía transcurre a velocidades razonables . Con los halogenuros ter-ciarios y con los que estén muy ramificados en el átomo de carbono en (3, el fac-tor estéreo es muy importante, como se indica gráficamente para los halogenurosde t-butilo y de neopentilo :

H~ ~H,cC x

Z

~cj'~

H H 1 HH

Halogenuro de t-butilo

H3C11 ~CH3

H3C#* CHZ__,,

HAtaque dorsalimpedido

Halogenuro de neopentilo

Aunque los halogenuros de neopentilo son halogenuros primarios, reaccionanunas 100 000 veces más despacio que los halogenuros de metilo . Resulta razonablela conclusión de que los halogenuros terciarios reaccionarán más lentamente, si esque reaccionan, según el mecanismo S N2. El orden de reactividad en las reaccio-nes SN2 es por tanto :

•

metilo > primario > secundario » neopentilo > terciario

•

Paul von Walden. 1863-1957 . Nacido en Letonia . Universidades de Riga (Letonia), Rostock y Tübingen .

548


Los halogenuros alílicos primarios y los halogenuros bencílicos también prima-rios son muy reactivos frente a las sustituciones SN2 . De hecho reaccionan másdeprisa que los halogenuros primarios corrientes . Los halogenuros de arilo y losde vinilo no experimentan la reacción SN2 en su sentido habitual . El proceso nor-mal de inversión no tiene lugar en el átomo de carbono con hibridación sp 2 deestos sustratos .

También se han estudiado los factores estéreos de los nucleófilos atacantes .El yoduro de isopropilo disuelto en nitrobenceno es atacado por la quinuclidi-na 700 veces más deprisa que por la trietilamina . Los sustituyentes de la quinu-clidina están rígidamente ligados hacia atrás mientras que en la trietilaminaposeen libertad de giro y durante cierta fracción de tiempo evitan la aproximaciónal nitrógeno :

\

CH3

ataque

IN: +

rápido

/

1

ts„zlH

Quinuclidina

Yoduro de isopropilo

Trietilamina

EJERCICIO 16.2

Formular las estructuras de los productos de sustitución de las dos reac-ciones anteriores .

En resumen, las características del mecanismo SN2 son : (1) la reacción ex-hibe una típica cinética de segundo orden ; (2) tiene lugar una inversión de laconfiguración en el carbono donde ocurre la sustitución ; (3) la reacción es muysensible al impedimento estéreo; y (4) la reacción es más bien insensible frentea la polaridad del disolvente (a menos que se formen o destruyan cargas eléctri-cas al acercarse al estado de transición) .

CH3

Productos

CH3

CH2

CH 3\

(-,ataque más lentoCH3 -CH2~N: + CH3-C7

(S „2)> Productos

CH2

H

El mecanismo S N 1

549

16.3 El mecanismo SN1

En la sección anterior se mencionó que existen dos mecanismos para las reaccio-nes de sustitución nucleófila que experimentan los halogenuros de alquilo y sediscutió el mecanismo SN2. Aquí vamos a tratar el SN1, símbolo que representaa una sustitución nucleófila de primer orden. Ya se dio anteriormente comoejemplo de esta reacción la del bromuro de t-butilo con el ion hidróxido .

CH3

CH3

C"3-C-Br + OH - > CH3-C-OH + Br

CH3

CH3

La ecuación de la velocidad no contiene el ion hidróxido y es así :

velocidad = k,[t-BuBrl

Es evidente que el mecanismo de esta reacción es diferente del de la S N2 . El ionhidróxido no interviene en la etapa determinante de la velocidad de forma quetenemos una reacción que transcurre a través de un estado de transición parallegar a un intermedio que reacciona posteriormente con el ion hidróxido . Por elloel ion hidróxido interviene formando el producto de la reacción pero no estáimplicado en el estado de transición .

La explicación más fácil de estos datos admite una primera etapa, determi-nante de la velocidad, en la que el halogenuro de alquilo se ioniza transformándoseen un ion carbonio y en un ion halogenuro, teniendo lugar a continuación el ataquedel nucleófilo al ion carbonio :

Etapa determinante de la velocidad

R-Xlenta

R' + X -

En esta etapa no reacciona el nucleófilo .

Etapa posterior, rápida

R + + Z - -+ R - Z o

R+ +Z: -R-Z+

El hecho de que la etapa propuesta como determinante de la velocidad noimplique la presencia del nucleófilo explica las cinéticas de primer orden y tam-bién el que la velocidad inicial sea siempre la misma independientemente de cuálsea el nucleófilo atacante .

El diagrama energético de una reacción que transcurra según el mecanis-mo SO aparece en la figura 16 .2 ; el ion carbonio intermedio, R+, corresponde

550


1

Coordenada de la reacciónFigura 16 .2Diagrama de energía libre paró una reacción S,1 típica .

a un mínimo de energía . Si este mecanismo es correcto, la estereoquímica de unareacción SN1 ha de ser acusadamente distinta de la observada para las sustitucio-nes SN2. Así pues cuando se deja que los halogenuros de alquilo ópticamente ac-tivos reaccionen en condiciones SN1, se observa la racemización prácticamente com-pleta de los productos . La formación de un ion carbonio plano, con hibridaciónsp2, que puede ser atacado con igual probabilidad por cada lado, explica la racemi-zación observada :

lenta0

I

IC

C

(Plano)111

bZ~ 'b rápida (~ a*''4+/ í rápida

b~,~ /ZC

~- Z- OC O Z- o

C1

1

Ic

c

c

Un ejemplo concreto lo tenemos en la solvólisis del cloruro de (S)-1-feniletilo enacetona acuosa al 80 %, que produce 1-feniletanol casi totalmente racemizado .

a

b\+/c +x

El mecanismo SN1

siguiente) .

CH3NC ~C1

CH

Cloruro de(S)-1-feniletilo

(ópticamente activo)

C65acetona en agua (80 %) CH34C 1 OH

1H

(S)-1-feniletanol

(R)-l-feniletanol49%

51(98 % de racemización; 2 % de inversión)

C6H5 CH-Clvelocidad = k

C

1 1 3

Esta descripción de la reacción está algo simplificada . Cuando muchos com-puestos reaccionan en condiciones SN1 lo hacen con cantidades más significativasde inversión neta de la configuración y, correspondientemente menor racemiza-ción. Sin embargo, esto puede explicarse cuando reconocemos que los iones noestán libres en una solución sino asociados con los de carga opuesta y con lasmoléculas de disolvente . Este fenómeno se denomina solvatación . Cuando unhalogenuro de alquilo se ioniza en solución, el ion carbonio se forma inicialmentecuando el halogenuro (el ion contrario) está todavía muy próximo al lado del quesale. Este primer intermedio se llama par jónico y está rodeado por moléculas deldisolvente . Si la parte ion carbonio del par tiene una vida relativamente largaen el medio, el ion halogenuro se alejará por difusión y el catión estará simétrica-mente solvatado (solvatado por igual en ambas caras de 'su plano) . Tales ionescarbonio solvatados simétricamente reaccionarán entonces con el disolvente nu-cleófilo para dar un producto totalmente racemizado (camino 1 en el ~a .

R"R C/X H_7O

1R`

-HCI

R' R"

(H 20:),

C

X- (:OH2 ),1R"'

Par iónico

(camino 2)

+

R"

H2Or,R,

C

+ X-1R"'

Inversión

+ HO.C CH 3

1H

Racemización

Catión solvatadosimétricamente

1 (camino 1)+

R"

R"

+

H2011C .R' + R C ,-OH2

I

IR`

551

552


Sin embargo la mayoría de los cationes no son lo suficientemente establespara existir en disolución durante un tiempo lo bastante grande que les permitasolvatarse simétricamente . Antes de que el ion halogenuro se aleje, reaccionaránen cierta extensión con el nucleófilo . Así pues compite otra alternativa (el ca-mino 2) que lleva al producto con la configuración invertida. Cuanto menosestable sea el ion carbonio, mayor será el porcentaje de inversión que se observe .En el caso del cloruro de 1-feniletilo quiral, citado antes, el catión 1-feniletilo in-termedio es bencílico, secundario y relativamente estable . En consecuencia sólo seobserva un 2 % de inversión neta .

Examinemos ahora los efectos de la estructura del grupo R en las velocidadesrelativas de las reacciones SN 1 . Puesto que al alcanzar el estado de transición seforma un ion carbonio, los halogenuros de alquilo que originen los iones car-bonio más estables serán los que reaccionen más deprisa (véase sección 13 .6) .Por lo tanto para los halogenuros alifáticos sencillos, el orden será :

terciario » secundario > primario

Los halogenuros alílico y bencílico reaccionan tan deprisa como los halogenu-ros terciarios sencillos, lo cual se debe a que el catión formado en la etapa deter-minante de la velocidad está estabilizado por resonancia :

dioxanorápidaCH2=CH-CHZ-Cl acuoso [CH2=CH -CH2 H CHZ -CH=CH2] ó

(SNI)

CH2=CHCH2OH

CHacetona

-BracuosaSI

HH,O

CH 2OH

Los halogenuros alílicos o bencílicos terciarios reaccionarían según el mecanis-mo SN1 más deprisa, naturalmente, de lo que lo harán los halogenuros terciariosalifáticos . Y avanzando un paso más, podemos predecir que un halogenuro debencilo con un sustituyente dador de electrones (+R o +I) en las posiciones ortoo para del anillo deberá reaccionar más deprisa que uno no sustituido . El bromurode p-metoxibencilo constituye un ejemplo :

El mecanismo SN1

553

CH30~O CHZBr acuoso'oso(SNI)

CH,OH rápida

CH3O-(O -CH2OH + CH3O CHZOCH3

Aquí el grupo p-metoxi ayuda notablemente a la estabilización del catión ben-cílico por resonancia .

EJERCICIO 16.3

En el estado de transición de la etapa determinante de la velocidad en la re-acción SN1, el enlace C-X se alarga y se produce una separación de carga :

b+ a-R-X -~ [ R--- -XII --r R + + X-

Prediga el efecto que tendrá el aumento de la polaridad del disolvente sobrela velocidad de la reacción .

Las halogenuros del tipo YCH 2X deben . experimentar bastante fácilmente lasreacciones SNl, si Y es un grupo tal como R-, R2Ñ-, ó RS-. Estos grupos Yposeen al menos un par de electrones no compartido en el átomo unido directa-mente al carbono que va a quedar cargado positivamente . Así el ion carbonioestará muy estabilizado por resonancia :

m(Smi)

+

+

rápidaCHCH30-CHZ-Cl (si~ '' [CH30-CHZ <- CH30=CHZ]

3O-CH z OCH3

Los halogenuros de vinilo o de arilo no reaccionan fácilmente en las condicio

\ /nes S, v 1 lo cual se debe a que los cationes vinílicos (/C=C, ) o arílicos

554


( (í) + ) son relativamente inestables y por tanto muy difíciles de formar

en condiciones ionizantes .

EJERCICIO 16.4

¿Por qué es menos estable el catión vinilo que el catión etilo?

Los iones carbonio prefieren la hibridación sp 2 , trigonal y plana (sección 12 .1) .Un halogenuro (incluso uno terciario) que tenga que ionizarse para dar un ion car •bonio que no pueda lograr la coplanaridad, deberá reaccionar lentamente, si esque reacciona, en la sustitución S N 1 . El 1-cloronorbornano es un ejemplo :

nitrato de plataReacción muy lenta

en etanol-agua

cl1-Cloronorbornano

La rigidez de este sistema impide que el ion carbonio en la cabeza de puentesea plano (y también evita la solvatación desde la parte dorsal del ion carbonio)de forma que la reacción no tiene lugar .

La observación de que pueden ocurrir transposiciones proporciona más prue-bas de que la reacción SNI transcurre por un mecanismo a través de un ion car-bonio. Por ejemplo, el yoduro de neopentilo reacciona con el agua en presenciade nitrato de plata transponiéndose a un 1,1-dimetilpropil derivado. Esto es unejemplo de una transposición en la cadena, vía ion carbonio, cuyo nombre generales transposición de Wagner-Meerwein .

CH3Ag`NO=

+CH3-C-CH2-I + Ag +

C1 3-C-CH2CH3 + AgI j1

H2O, lenta

1CH3

CH 3

Yoduro de neopentilo

OH1

CH3-C-C1 2CH3 + H+

CH32-Metil-2-butanol

(alcohol t-amílico)(producto preponderante)

Catión 1,1-dimetilpropilorápida

_11 1H 2O

NO ;\rápiday

ONO21

CH3 -C-CH2CH3 (CH3 ) 2C=CHCH3

CH3

Nitrato de 1,1-dimetilpropilo 2-Metil-2-buteno

El mecanismo SNl

555

Una manera de explicar los productos consiste en suponer que se formaprimero un ion carbonio primario a partir del yoduro de neopentilo ; este ionse transpone rápidamente al catión 1,1-dimetilpropilo, terciario, mediante un des-plazamiento 1,2 de un metilo :

CH3

CH3-C-CH2I

1,2-CH 3

ICH3

CH3

Catión neopentilo

Catión 1,1-dimetilpropilo

Como quiera que sea, la migración del metilo parece estar concertada con laionización y el catión neopentilo no se forma en realidad nunca ; en lugar de for-marse, el grupo metilo emigra hacia la carga positiva que está apareciendo en elcarbono donde estaba el yoduro a medida que progresa la ionización. Este grupometilo contiguo emigra con sus pares de electrones, y en el estado de transiciónestá unido simultáneamente, aunque de manera parcial, a los dos carbonos . Nose caracteriza ningún producto derivado del catión neopentilo. La velocidad dela hidrólisis SN1 del bromuro de neopentilo en ácido fórmico no anhidro vienea ser la misma que la del bromuro de n-propilo . (Compárese con la diferenciade velocidades entre un halogenuro de neopentilo y un halogenuro primario sen-cillo en la reacción SN2, sección 16 .2 .) Es típico de las reacciones SN 1 el no verseretardadas por el impedimento estéreo. Nótese que el grupo metilo tampoco ace-lera la reacción en un valor detectable .

El ejemplo siguiente muestra la migración de un grupo metilo que forma par-te de un sistema cíclico :

CH3

CH3CH 2 -T-„Cl

Ag'NO ;--i

H,Olenta

CH3\

acetona/C=CHCH2C1 acuosa

ts 1)

+ AgCI

Otro ejemplo de una clase de transposición que ocurre durante las reaccio-nes SN1 es la transposición alílica . Por ejemplo :

CH3

CH3

CH3

CH3

desplaza-miento

CH3-C-CH2-CH3

CH3 H,0_,rápida

\

+/C=CHCH2

/C-CH=CH2

CH3

+ H+

/C=CHCH2OH

CH3

H,O-~

+rápida

CH3

C-CH=CH2/1

CH3 OH

t

556


El catión alílico, estabilizado por resonancia, puede ser atacado por el nu-cleófilo en dos posiciones, obteniéndose una mezcla de productos .

MATERIA OPTATIVA

El catión ciclopropilmetilo . En la reacción del cloruro de ciclopropilcarbinilo conel agua se forman tres productos, dos de los cuales proceden de transposiciones :

CH2CI

Cloruro deciclopropilmetilo

Los productos de transposición pueden explicarse por migración de los enlaces Qdel anillo de ciclopropilo :

/ CH2\ a -CH2 a CH2 -CH2 H,o-~

--+ I1

+ H +CH2

CH

CH2-C\

OHH

CH2 CH2 H,o

+ (-:H 21 \//

- > HOCH2CH2CH=CH 2 + H+

H,Os„i

CH2OH + H+

Se obtiene la misma distribución de productos si el cloruro de ciclobutilo o el4-cloro-l-buteno sufren solvólisis en agua . Aparentemente los tres cloruros se ioni-zan formando un ion carbonio intermedio idéntico .

H

48%

47%

5%Ciclopropilmetanol Ciclobutanol

3-Buten-l-ol

CH2OH

/ \

+

OH

+ CH 2 =CHCH2CH 2 -OH

Figura 16.3

HRepresentación orbital del catión ciclopropilmetilo «no clásico» .

Participación de los grupos vecinos

557

Un centro catiónico contiguo a un anillo de ciclopropano aparece dotado de unaestabilidad poco corriente . Esto requiere una estructura del ion carbonio en la quela carga esté deslocalizada sobre más de un átomo de carbono . Este tipo especial dedeslocalización de electrones v es diferente del tipo clásico de deslocalización de elec-trones 7c visto en los sistemas alílico y bencílico . Como consecuencia el catión ciclo-propilmetilo ha sido descrito como un ion carbonio no clásico (fig. 16.3), paradistinguirlo de los iones estabilizados de la forma clásica :

'C11,-CH=CH z 4--> CH Z=CH-CH 2Catión alilo «clásico»

16.4 Participación de los grupos vecinos

Si una misma molécula contiene un grupo nucleófilo y un grupo saliente bueno,es posible que ocurra una sustitución nucleófila intramolecular. Esto se deno-mina participación de un grupo vecino. Uno de los primeros casos de este tipode reacciones de sustitución fue descubierto al observar que el sulfuro de bis-2-cloroetilo (C1CH2CH2SCH2CH2C1, o gas mostaza) se hidrolizaba rapidísimamenteen medios acuosos . Puesto que la velocidad dependía sólo de la concentracióndel clorosulfuro, pareció raro ya que no era normal que un halogenuro primarioexperimentase la ionización SN1 tan fácilmente . El mecanismo aceptado consisteen admitir que el átomo de azufre, que posee un par de electrones no compartido,y que se encuentra localizado en el átomo de carbono contiguo al que lleva elcloro, ayuda a la ionización del enlace carbono-cloro . Esto implica una etapa cí-clica, determinante de la velocidad, en la que se forma un ion etilensulfonio inter-medio. Este ion no puede aislarse ; rápidamente reacciona con el nucleófilo dispo-nible que en este caso es el agua .

CH +C1CH 2CH 2 SCHz Cl

lenta

\SCH2CH2CIu

CH2 ('1-

1HOH rápida(- H+ )

HOCH9CH2SCH2CH2OH (repetido HOCH2CH 2SCH2CH2CI+ HCI

+ HCI

Hay muchos otros ejemplos de grupos o átomos que poseen pares de electronesque pueden participar como nucleófilos internos en estas reacciones . El tamañodel anillo intermedio es muy importante para este tipo de fenómeno ; los másfavorables son los anillos de tres, cinco o seis eslabones, justo en el orden citado .La participación de grupos vecinos puede ocurrir en la etapa determinante de la

558


velocidad, como en el ejemplo indicado, y se denomina ayuda anquimérica a laionización, o en algunos casos puede intervenir el nucleófilo interno despuésde la etapa determinante de la velocidad, no pudiendo detectarse aceleración al-guna .

No es necesario que el grupo vecino tenga un par de electrones no compartido .Por ejemplo el cloruro de 2-fenilpropilo sufre una solvólisis SO acompañadade transposición, mucho más rápidamente que su análogo, el cloruro de neopen-tilo. La diferencia en las velocidades de los dos cloruros se ha explicado postu-lando que el grupo fenilo y su par de electrones emigran a la vez que tiene lugar laionización, a la que ayudan anquiméricamente, evitándose la formación de un ioncarbonio primario intermedio de elevada energía :

CH3CHCH2

ClCloruro de

2-fenilpropilo

r~H

H*C- C H --->

CH3

Cl

H 20CH 3CHCH2 + Cl -

1OH

Estado de transición

t

'~ H 1

HCH3

Un ion fenonio1

Productos

H

El estado de transición para la emigración del grupo fenilo está estabilizadopor la deslocalización electrónica del anillo . En el estado de transición para laemigración de un grupo metilo del cloruro de neopentilo no hay ninguna estabi-lización de este tipo lo cual explica la diferencia de velocidad . Los iones fenoniopueden tener existencia discreta ; se ha demostrado su existencia por medio deestudios estereoquímicos .

Los iones fenonio son estructuralmente análogos a los intermedios de Wheland implicados en la sustitución aromática electrófila de la que son un casoespecial . A continuación se indican las estructuras resonantes para el ion fenonioprocedente de la solvólisis del bromuro de 2-feniletilo :

Reacciones de (3-eliminación: el mecanismo E2

559

H

HCH2-CH2 CH2-CHZ CHZ -CHZ

+CH2-CHZ_

EJERCICIO 16.5

Dibujar un diagrama para la coordenada de la reacción de solvólisis delcloruro de 2,2,2-trifeniletilo en ácido acético, concediendo una atenciónespecial al ion fenonio intermedio . ¿Cuál sería la diferencia gráfica siel ion fenonio fuese un estado de transición en vez de un intermedio?

El desplazamiento del halogenuro del bromuro de 2-(p-hidroxifenil)etilo enpresencia del etóxido es 106 veces más rápido que el del bromuro de 2-(p-metoxi-fenil)etilo lo cual puede explicarse por la estabilización del intermedio debida alos electrones del oxígeno y constituye otro ejemplo de la participación de ungrupo vecino :

OH

O

-tHOEt

CH2-CH2 -Br

Br ->

CH2- CH2--OEt(1)

(El intermedio 1 ha sido preparado independientemente y experimenta la re-acción indicada .) La estereoquímica del carbono que experimenta la sustituciónproporciona otro método para detectar la participación de un grupo vecino ; seráconsiderada en el capítulo 17 .

16.5 Reacciones de (3-eliminación: el mecanismo E2

Cuando se deja que los halogenuros de alquilo, que tienen un átomo de hidrógenoen 0 (o sea enlazado al carbono contiguo al que lleva el halógeno), reaccionen

CH2CH2OEt

560 Reacciones de los compuestos orgánicos halogenados

con una base fuerte, puede tener lugar una reacción de eliminación que originaun alqueno .

Reacciones de eliminación

La ecuación general para las reacciones de eliminación muestra la pérdida netade H-X en el halogenuro al formarse el alqueno :

H

-C-C- + B - - C=C\ + X - + HBI

IxHalogenuro Base

Alqueno Ion halo- Ácidode alquilo

genuroo

H

-C-C-+- :B — \ C + X- + HB+

XHalogenuro Base

Alqueno Ion halo- Ácidode alquilo

genuro

Esta reacción se denomina eliminación-(3 por perderse el protón del átomo decarbono que está en beta respecto al halógeno . A partir de esas ecuaciones puedeverse que la eliminación-(3 es la reacción inversa de la adición a un alqueno es-tudiado en el capítulo 14. Cuando X es un átomo de halógeno, el proceso se llamadeshidrohalogenación . En realidad la eliminación también ocurre cuando -X escualquier grupo saliente bueno, como -OSO2R' . Un ejemplo típico de elimina-ción lo constituye la reacción del 3-bromo-3-etilpentano con hidróxido potásicopara dar 3-etil-2-penteno .

CH 2CH 3

CH 2CH 3

CH3CH2CCH 2CH,, + -OH

CH.,CH,C-CHCH,, + H 90

Br

La velocidad de esta reacción depende de las concentraciones del halogenuroy del hidróxido, o sea es de segundo orden :

velocidad = k[halogenuro][OH - ]

Este tipo de eliminación se simboliza E2: la (E) por eliminación y el (2) por serde segundo orden. La expresión de la velocidad requiere que la fórmula del esta-

1

Reacciones de (3-eliminación : el mecanismo E2

do de transición contenga simultáneamente los elementos constituyentes del ha-logenuro y de la base; el camino más sencillo es una reacción concertada, en unasola etapa . El diagrama de energía libre de la eliminación E2 sería muy parecidoal de la reacción SN2 (fig . 16 .1) . Al ser una reacción concertada, no se formanintermedios y no hay transposiciones en el esqueleto carbonado .

Puesto que las bases necesarias para desencadenar las reacciones E2 son ala vez nucleófilos, podremos esperar que los productos procedentes de las reac-ciones SN2 acompañarán a los alquenos formados por eliminación . Esto no es unproblema con los halogenuros terciarios porque las reacciones SN2 son muy lentasy la eliminación predomina . También es posible conseguir que las reacciones E2transcurran con preferencia a las SN2 en los halogenuros primarios y secundariosutilizando una base fuerte, a elevada temperatura, y en un disolvente que no seamuy polar (por ejemplo un alcohol) . Así cuando el ion etóxido ataca al bromurode isopropilo en etanol a reflujo como disolvente, tenemos un ejemplo de forma-ción del propeno con mayor rendimiento que el etil isopropil éter :

CH3CH2O - + CH3CHCH31

¡ir

E2 , CH3CH2OH + CH 2=CHCH3 + Br -80

CH3s"2

> CH3CH2O- \

+ Br -CH3

20

La observación de la estereoquímica de los productos procedentes de las eli-minaciones E2 condujo a la conclusión de que la reacción es estereoespecífica,teniendo lugar una eliminación en trans . Se puede representar una eliminación entrans con el hidrógeno en (3, el átomo de halógeno y los dos átomos de carbonoa ellos unidos, en un mismo plano, estando el hidrógeno y el halógeno lo másalejados posible ; este tipo de relación espacial está mejor denominada con el tér-mino anti-coplanar :

X`°

E4íC C`

HB.%Relación anti-coplanar

B-H

x-

561

Este mecanismo es análogo a la reacción SN2 en cuanto que puede conside-rarse que el par de electrones del enlace C-H desplaza al ion haluro por unataque dorsal . Los átomos prefieren la relación coplanar para que los orbitales

562

de los carbonos puedan recubrirse y formar el enlace n a medida que transcurrala eliminación :

La relación anti permite que B - ataque al hidrógeno desde una posición lomás distante posible del electronegativo X, análogamente a la preferencia estereo-química observada en la reacción S N2 .

Una relación trans y diaxial del H y del grupo saliente X es la preferida enel sistema del ciclohexano porque es la única posibilidad de que dicho sistemaadquiera una geometría anti-coplanar :

(Cl ecuatorial)

(Cl axial)Clorociclohexano

B -


La reacción E2 sólo tiene lugar en la conformación axial aunque la conforma-ción ecuatorial es más estable y está presente en mayor cantidad .

Si el hidrógeno en R y el halogenuro saliente no pueden adquirir una relaciónanti-coplanar debido a la rigidez exigida por un sistema o si no hay ningún hi-drógeno disponible que sea anti-coplanar, puede tener lugar una eliminación encis a través de una relación sin-coplanar :

HZR

CID

Ciclohexeno

B-R

Regioselectividad (dirección de la eliminación) en las reacciones E2

563

Mecanismo de eliminación a través de un carbanión

El mecanismo E2 requiere la ruptura concertada de los enlaces C-H y C-X yla formación del enlace doble carbono-carbono . En el mecanismo El, que se dis-cutirá en la sección 16 .7, el enlace C-X se ioniza a un ion carbonio del cual seelimina posteriormente un protón . En otras reacciones se elimina el protón antesde la etapa en la que se marcha el anión halogenuro :

I I

I

\

/B -~HJCC-C-X ~ -C-C LX + H'B -+ C=C + X-

I

I

I

I

/

\Un carbanión

Este mecanismo de eliminación a través de un carbanión, sólo tiene importan-cia cuando se forma un carbanión muy estabilizado .

16.6 Regloselectividad (dirección de la eliminación) en lasreacciones E2

Hemos aprendido en la sección anterior que las reacciones de eliminación-(3 desegundo orden suelen seguir un camino esteroquímico anti-coplanar . Sin embargo,hay muchos halogenuros y sulfonatos que tienen más de un átomo de hidrógenoen R por lo que pueden producirse varios alquenos diferentes por medio de lageometría anti-coplanar preferida . En esos compuestos la reacción E2 dará conpreferencia el alqueno más sustituido . Este tipo de regioselectividad se denominaeliminación Saytzev, ofreciendo a continuación dos ejemplos :

CH3

CH3

CH3 \\

\/CH-CHCH3 + KOH

etanol-

/C=CHCH3 + /CH-CH=CH2

CH3

Ir

CH3

CH3Mucho

Poco

CH3+ KOH

CICH3

+ C>CH,

Mucho

Poco

La situación que se presenta con un típico halogenuro alifático secundario quetenga por lo menos cuatro carbonos, es muy interesante . Por ejemplo, la interac-ción estérea es menor en la conformación del butano en la que los grupos metilosean recíprocamente anti, que cuando estén en conformación sesgada (sección 3 .3) .Si examinamos las conformaciones del halogenuro de alquilo RCH 2CHR'X ve-

564

Reacciones -de los compuestos orgánicos halogenados

remos que la necesidad de lograr una geometría anti-coplanar y la menor ener-gía que resultaría de tener R y R' anti en vez de sesgados, consideradas conjun-tamente, explican la formación predominante de los trans-alquenos sobre los isó-meros cis en las reacciones E2 :

XH

H

R'

cis-alqueno

H

H

H1C-R'

H-C

-R'

R-C

R

Htrans-alqueno

CH 3

HCH3CHZCH-Br cH3CH,o __ \

c=C// \

CH 3

H

CH 32-Bromobutano

trans-2-Buteno

cis-2-Buteno(producto preponderante) (producto minoritario)

H\C-C/H +

CH3/

\CH3

H

El estudiante será capaz ahora de ver por qué los términos sin-coplanar yanti-coplanar describen mejor al mecanismo E2 que los términos cis y trans . Elproceso anti-coplanar puede dar un alqueno cis o un alqueno trans (véase elejemplo anterior) . Además en los compuestos cíclicos aunque los términos cis ytrans resulten útiles al aplicarlos a la eliminación, pueden inducir a error . Lacausa de que los halogenuros cíclicos pequeños (C 4 a C7 ) prefieran la eliminaciónen trans radica en que la geometría anti-coplanar sólo puede alcanzarse si los gru-pos salientes (H y X) están en trans.

La deshidrobromación del 2-bromobutano, en el que R y R' son CH3 , cons-tituye un ejemplo . El trans-2-buteno predomina intensamente sobre el cis-2-butenoen los productos. Puesto que el doble enlace más altamente sustituido es el másestable, también hay un fuerte predominio del 2-buteno sobre el 1-buteno .

-

HB-,J,

H y X antiR y R' sesgados

HB-,_-J' R y R' anti Conformación

H y X anti l preferida

Regiosedectividad en las reacciones E2

El 1-buteno se forma a partir de esta conformación :

CBr1C

H ~CH2CH3H~ Q H

CJ

B\_.'beu

H1

/C-CH2CH3

H-C

H(Producto minoritario)

Tanto la dirección de la eliminación (regioselectividad) como la estereoquímicadel alqueno resultante (cis o trans) en las reacciones E2 de los halogenuros o de lossulfonatos, son muy sensibles a las condiciones de la reacción . Los efectos aludidospueden ser debidos al tamaño estéreo de la base atacante, o al del sustrato, ala fuerza de la base y al disolvente ; todos ellos pueden alterar la relación deproductos observada. No entraremos aquí en detalles .

La relación anti-coplanar existente en el estado de transición de las reaccio-nes ordinarias E2 exige que los compuestos diastereómeros den alquenos dife-rentes. El meso-2,3-dibromobutano da (E)-2-bromo-2-buteno mientras que el dl-dibromuro forma, por eliminación, el isómero (Z) .

C$r

CH~ CH3 s

Br~ CH3

1H

H0-meso-2,3-Dibromobutano

+ CH3CH2 CH=CH2 (+ producto de sustitución)

1-Buteno(producto minoritario)

Br

H

HBrrC,+ H2O + Br-

C-CH3

CH3

(E)-2-Bromo-2-buteno

565

566

Reacciones de los compuestos orgánicos halogenados~Br

HH

CH3 - CHCH,

B

s'~C CH + H2O + Br-

rH

HO 1dl-2,3-Dibromobutano

(sólo se ha representadoun enantiómero)

EJERCICIO 16.6

(Z)-2-Bromo-2-buteno

Prediga la estructura del alqueno más abundante formado en las reaccio-nes E2 a partir de los siguientes halogenuros :

CH,

CH 3(a) CH3CH2CCH3

(b) ( (\ClBr

16.7 El mecanismo El

Así como las reacciones de sustitución nucleófila pueden ser de primer o de se-gundo orden, también las (3-eliminaciones presentan dos mecanismos diferentes .La reacción El de un halogenuro o un sulfonato de alquilo es aquella en la quela velocidad depende únicamente de la concentración del sustrato, siendo inde-pendiente de la concentración de la base . Ahora bien, éste es el mismo resul-tado cinético observado para las reacciones SN1, de manera que estas sustitucio-nes suelen ir acompañadas de las eliminaciones El . Por ejemplo, el bromuro det-butilo reacciona en etanol para dar 81 % de t-butil etil éter (SN 1) y 19 % deisobutileno (El) .

CH,

CH,1

lenta

ICH3-C-Br

CH3-C+ + Br -I

ICH3

CH3

~~,

CH3

H

CH,

CH 3CH2OH + $ CH2-C~ rápame CH3CHZO\ + CH2=C~

CH3

H

CH32-Metil propeno

El mecanismo El

567

CH 3

CH3

CH3

CH3CHZOHH~C~ rápida CH3CH2?-~-CH3~ CH3CH2~H3CH3

H CH3

CH 31-Butil etil éter

La etapa determinante de la velocidad en ambas es la ionización del bromuro det-butilo para formar el catión t-butilo . El etanol puede actuar como nucleófilo ycomo base; en las rápidas etapas segundas (1) ataca al ion carbonio y (2) elimi-na un átomo de hidrógeno en (3 para formar el alqueno .

Puesto que las reacciones E l y SN 1 tienen lugar a partir del mismo ion car-bonio, las El sufren la misma influencia de la estructura en la reactividad quelas reacciones SO . El grupo saliente no suele influir en las cantidades relativasde reacción El o SN1 puesto que ambas ocurren cuando ha partido . La tempera-tura es el factor más importante para determinar la proporción de productos deeliminación o de sustitución. En general el aumento de temperatura favorecela eliminación . Generalmente la eliminación E l prevalece más en los halogenurosterciarios que en los secundarios porque se puede obt~

"un alqueno muy susti-

tuido, y más estable, a partir del ion carbonio intermedio . Sin embargo, un disol-vente polar nucleófilo, y la ausencia de bases fuertes favorecen la formación delos productos de sustitución en vez de los de eliminación .

Si la base puede atacar a dos hidrógenos en (3 no equivalentes, se pierde pre-ferentemente el que da lugar al alqueno más sustituido que es el más estable . Asíel bromuro de 1,1-dimetilpropilo en la mezcla 80 % etanol - 20 % agua produce unrendimiento del 60 % en productos S N l, del 32 % para el 2-metil-2-buteno ysólo del 8 % para el alqueno menos estable, el 2-metil-l-buteno :

CH3

/CH3

/CH3

CH3CH2-C-Br - CH 3CH2-C\

-H> CH3CH=C

+CH3

CH3

CH3

Bromuro de

2-Metil-2-buteno1,1-dimetilpropilo

32

CH2CH3CH2-C~

+ 60 % de sustituciónCH3

2-Metil-1-buteno

(éteres y alcoholes)8 %

568


Esta tendencia de un halogenuro o de un alcohol a formar preferentemente laolefina más sustituida en las reacciones de eliminación, se conoce como regla deSaytzev (sección 16 .6) y aparece tanto en las reacciones El como en las E2 .

El bromuro de neopentilo produce con el etanol el 2-metil-2-buteno así comoel producto SNl, el 1,1-dimetilpropil etil éter ; cada uno de esos productos provienede variación en la cadena (sección 16 .3) .

CH 3CH,CH 2OHCH3-C-CH2-Br

CH3Bromuro de neopentilo

CH 3CH2

CH3

O

CH3-C=CH-CH3 + CH3-C-CH2CH3

CH 32-Metil-2-buteno

1,1-Dimetilpropiletil éter

16.8 Resumen de las reactividades en la sustitución nucleófilay en la eliminación

Hemos visto en las secciones anteriores que los halogenuros de alquilo puedenreaccionar con los nucleófilos para dar productos de sustitución o de eliminación oambos, dependiendo de si el mecanismo operante es SN2, E2, SN1 o El . ¿Es estocomplicado e ininteligible o podemos predecir qué camino de reacción seguiráun halogenuro bajo ciertas condiciones experimentales? ¿Podemos alterar lascondiciones de la reacción para favorecer un mecanismo concreto? El resumen si-guiente es muy útil :

1 . Para favorecer la SN2 frente a la E2 y las SO/E1: utilice el mejor nucleó-filo posible; elija la menor temperatura que resulte práctica (útil) ; emplee un di-solvente relativamente apolar y que no solvate eficazmente los iones carbonio (porejemplo un alcohol, una tetona o la dimetilformamida) .

2 . Para favorecer la E2 frente a la SN2 y las SN1/E1 : utilice una base fuerte,a temperatura elevada y en un disolvente no acuoso . El hidróxido potásico en me-tanol, el hidróxido sódico en dietilenglicol, el t-butóxido potásico en alcohol t-bu-tílico y el amiduro sódico son reactivos muy útiles para la eliminación E2 .

3 . Para favorecer las S,v l/E1 frente a la E2 y la S,v2 : utilice un nucleófilodébil en un disolvente muy polar . Frecuentemente el disolvente es a la vez elnucleófilo, por ejemplo medios acuosos, alcoholes o ácidos carboxílicos . Apenaspuede hacerse algo para variar la relación SN1/El en los productos ya que depen-de de la estructura del ion carbonio intermedio .

No todos los halogenuros experimentan todos estos tipos de reacción por loque hay que tomar en consideración el sustrato . Así en las siguientes reacciones :

Resumen de las reactividades en la sustitución nucleófila y en la eliminación

569

4 . SN2 : son muy rápidas con los halogenuros de metilo y con todos loshalogenuros primarios, excepto los muy impedidos ; son más lentas las de loshalogenuros secundarios alifáticos o alicíclicos ; los halogenuros terciarios de todotipo así como los halogenuros de vinilo o de arilo no reaccionan según este meca-nismo .

5 . E2 : todos los halogenuros que posean un átomo de hidrógeno en R enla-zado a un carbono con hibridación sp', dan alquenos en condiciones E2 .

6 . SN 1 /E 1 : son muy rápidas con casi todos los halogenuros terciarios ; loshalogenuros secundarios las dan más lentas, pero reaccionan si las condicionesfavorecen el mecanismo SN1 ; los halogenuros de metilo o los alifáticos primariosno reaccionan salvo en condiciones extraordinariamente enérgicas ; los halogenu-ros de vinilo o de arilo son inertes, careciendo de reactividad .

Las reacciones de sustitución nucleófila se utilizan como ayuda para esclare-cer la estructura de los halogenuros . Por ejemplo, si un compuesto desconocidocontiene un hálogenuro y se le deja reaccionar con un reactivo que favorezca lasustitución SN2, la velocidad de reacción será grande si el halogenuro es primario,y no habrá reacción si es terciario . Lo contrario ocurrirá si se ha elegido un reac-tivo que promueva la reacción SN1 . Hay ejemplos de ensayos cualitativos parasustancias desconocidas y tan sólo hace falta conocer el orden de reactividad enlas condiciones empleadas .

El yoduro sódico en acetona es un reactivo muy utilizado para ensayar la reac-tividad SN2 de los bromuros y cloruros . La rápida precipitación de bromuro o clo-ruro sódicos (que son insolubles en acetona) al añadir una gota del halogenuro ala solución del reactivo indica que es primario . La precipitación más lenta signi-fica que el halogenuro es secundario y si no precipita es que se trata de un halo-genuro terciario (o tal vez de vinilo o arilo) . De los bromuros de butilo el másrápido reaccionando es el 1-bromobutano (primario), es algo más lento el 1-bromo-2-metilpropano (primario pero más impedido), todavía más lento el 2-bromobuta-no (secundario) y no reacciona el 2-bromo-2-metilpropano (terciario) .

Para ensayar la reactividad de los halogenuros en condiciones SN1 se añade elhalogenuro a una solución de nitrato de plata en alcohol acuoso . El halogenurode plata precipita instantáneamente con los halogenuros iónicos o con los cova-lentes que se ionizan fácilmente. Cuanto más tarde en precipitar, menos reactivoes el halogenuro a través del mecanismo SN1 . Por consiguiente los bromuros decadenas C4 reaccionan en el orden inverso al dado líneas arriba .

EJERCICIO 16.7

Prediga el orden de reactividad de los siguientes halogenuros con :(a) yoduro sódico en acetona ; (b) nitrato de plata en alcohol acuoso .

570


-C H,;

CI

EJERCICIO 16.8

Proceda como en; el ejercicio anterior, (a) ioduro de sodio en acetona ;(b) solución alcohólica acuosa de nitrato de plata con los halogenurossiguientes :

CH,Cl

CH.,CH,CH,CH=CHCH 2CI

16.9 Las reacciones SN2 y E2 en las síntesis

Gran parte de la química orgánica consiste en las síntesis, esto es, las secuenciasde pasos que llevan al compuesto deseado desde la sustancia inicial disponible .Los esquemas de síntesis comprenden una serie de reacciones planificadas dondecada paso de la secuencia consiste en la conversión de una sustancia intermediaen otra. El éxito de una síntesis en varios pasos requiere que conozcamos el al-cance y las limitaciones de cada reacción empleada . Por ejemplo, para obtener el2,2-dimetilpropionitrilo podría considerarse la reacción del cloruro de t-butilo conel cianuro sódico . Sin embargo no tiene lugar la reacción SN2 del halogenuro ter-ciario; en cambio, el ion cianuro es una base lo suficientemente fuerte para pro-ducir la eliminación que origina isobutileno .

CH 3

CH3 C-C1 + Na+-CN

CH3

CH3

/1 H3CH3-C-UN CH2=C\

CH3

CH3

No se forma

Producto formado

CHBr

No es ésta, entonces, una síntesis útil del nitrilo deseado ; hay que idear otraruta .

Los halogenuros de alquilo son sustancias iniciales y/o intermedios muy útilespara sintetizar muchas clases de compuestos orgánicos . En esta sección examina-remos brevemente el empleo en síntesis de las reacciones SN2 y E2 . Algunas deellas se tratarán más detalladamente en capítulos posteriores .

Reacciones SN2 y E2 en la síntesis

57i

Obtención de éteres, esteres y alcoholes (SN2 )

Las reacciones SN2 de los halogenuros de alquilo con los alcóxidos o con loscarboxilatos constituyen métodos corrientes para obtener éteres o ésteres, res-pectivamente . He aquí dos ejemplos :

CH3 -CH-O -Na + + CH3 I -+ CH3-CH-O-CH 3 + Na + l1

1CH3

CH 3

Isopropóxido

Yoduro de

Isopropilsódico

metilo

metil éter

O

011

C,1`1,-CH-0 + CH 3C-O - Na+ -+ C,H 9CH-O-CCH3 + Na+CI -1

CH 3Acetato de

1-metilpentilocon el ion hidróxido también puede em-alcoholes. La importancia práctica de

suelen obtener los derivados halogenados

CH 3Acetatosódico

La reacción de un halogenuro de alquiloplearse como método de obtención deeste método es mínima puesto quepartiendo de un alcohol .

2-Clorohexano

C6H13 ~H-Br + HO-Na+

CH3

2-Bromooctano

EJERCICIO 16.9

Explique por qué se prefiere sintetizar el isopropil metil éter por reacciónentre el isopropóxido sódico y el yoduro de metilo, en vez de emplearmetóxido sódico y bromuro de isopropilo .

Las reacciones de sustitución nucleófila no están limitadas a los halogenurossino que transcurren fácilmente con otros compuestos que puedan suministrargrupos salientes excelentes ; un ejemplo encontrado muy frecuentemente es lareacción de un sulfonato de alquilo con un nucleófilo, en la cual se desplaza elion sulfonato :

OII

R-O-S-R' + Z- - R-Z + - 03SR'

OSulfonato de alquilo Nucleófilo

Grupo saliente

se

H~O ,C6H13CH-OH + Na+Br

CH32-Octanol

(Síntesis de éteresde Williamson)

572


Entre los esteres sulfónicos, los utilizados más corrientemente son los p-to-luensulfonatos (tosilatos) y los metanosulfonatos (mesilatos) . Las reactividades deestos compuestos frente a los nucleófilos, lo mismo en la reacción de sustituciónque en la de eliminación, son similares a las de los correspondientes bromuros .

OI I

CH3CHZ-O-S

CH3 + CN - --' CH3CH 2C-N + - 03S

CH,

OTosilato de etilo

Mesilato de bencilo

Obtención de aminas (SN2 )

El amoníaco y las aminas (capítulo 20) también reaccionan con los halogenuros,reacción que a veces es útil para obtener nuevas aminas .

CICH 2CO2 H + 2 NH . ; - H,NCH2CO2 H + NH CI -Ácido

Glicinacloroacético

Obtención de nitrilos (SN2)

Un tipo de reacción extraordinariamente útil es la que tiene lugar entre unhalogenuro y un anión carbono ; los carbaniones alquilo sencillos no son satis-factorios en este caso, pero pueden emplearse muchas clases de carbaniones relati-vamente estables . El cianuro es un ejemplo adecuado .

CH3CH2CH 2CH2Br + Na +CN - -i CH 3CH2 CH 2CH2CN + Na +Br

1-Bromobutano

Valeronitrilo

Esta reacción brinda un método fácil para alargar una cadena carbonada un áto-mo más y se emplea ampliamente como procedimiento de síntesis . Va muy bienpara casi todos los halogenuros primarios y para muchos secundarios pero jamáspara los halogenuros terciarios .

OI I

EtOH-O-S-CH 3 + Et0 -

CH2OEt + CH 3 SO3

O


573

CH 2CI + Na+CN -

CH,CN + Na+CI-

Fenilacetonitrilo

NC(CH 2 ) 4CN + 2 Na+Cl -Adiponitrilo

CI(CH 2 )4C1 + 2 Na+CN -

Obtención de alquinos (SN2)

En la sección 7 .18 se señaló que los 1-alquinos, R-C == CH, mostraban una acidezexaltada con respecto a otros hidrocarburos . La reacción ácido-base entre un1-alquino y una base fuerte conduce a una sal .

R-C=--C-H + NaNH, --> R-C =-C - Na + + NH 3

Amiduro

Alquinurosódico

sódico

disolventeR-C-C-H + CH,CH 2CH2CH 2Li -,

> RC=C Li + + CH3CH 2CH 2 CH3inerte

n-Butil-litio

Alquinurode litio

Varios alquinuros de este tipo son ya productos comerciales, por ejemplo el pro-pinilsodio (CN3-C=-CNa) y el propinil-litio (CN 3-C=-CLi). Los alquinuros sonreactivos nucleófilos y dan sustituciones nucleófilas atacando al átomo de carbonodel agente alquilante y desplazando al grupo saliente . El balance total es la alquila-ción del alquinuro para dar un nuevo alquino .

RC=C M` + R'CH,-X --> RC=C'CH .,R' + M I + X

X = -Br o -OSO,R2

En general esta reacción se limita a los casos en los que el agente alquilante (elbromuro o el sulfonato de alquilo) es primario y no ramificado en el átomo decarbono en a . A pesar de esta limitación, el método es muy útil para obtener mu-chos alquinos, como puede verse en los ejemplos siguientes .

\IIHC=--CNa + CH3CH2CH2CH2Br liquido' CH 3CH,CH,CH 2 C=CH + NaBr

1-Hexino

z2

CHC=-CNa + (CH_ )zSO4 éter 2

CH2C-CC11 3 + Na2SO4

1-Ciclohexil-2-butino.

CH,,CH 2CH 2C=CNa + CH3CH2CH2BrN111

> CH3CH 2CH2C=CCH 2 CH2CH 3 + NaBrlíquido

4-Octino

574


EJERCICIO 16.10

Esquematice la síntesis para los compuestos siguientes partiendo de unhalogenuro o un sulfonato y utilizando nucleófilos adecuados :

OII

(a) CH3CH2CH2OCH3

(b) (CH3)2CHCH2CH2OCCH2CH(CH3)2

(c) (CH3)2CHCHCOOH

(d) (

CH2CNNH2

(e) CH3C=-CCH2CH2CH3

Obtención de tioles y sulfuros (SN2)

Los átomos de azufre o de fósforo que no vayan enlazados a átomos electronega-tivos, son nucleófilos excelentes . Las reacciones son análogas a las de los corres-pondientes compuestos del oxígeno o nitrógeno .

CH3CH2CHBr + Na+HS- - CH3CH2CHSH + Na+Br-CH3

CH3

CH3CH2CHSH + KOH --e CH3CH2CHS-K++H2O c CH3CH2CHSCH3 + K+I-CH3

CH3

CH3

Límites de las reacciones SNi y SN2

Todas las reacciones de sustitución nucleófila estudiadas hasta este momento,transcurren muy bien con los halogenuros primarios y aceptablemente bien conlos secundarios, aunque la eliminación tiende a ser un serio competidor, en estosúltimos, como reacción colateral . En cambio los halogenuros terciarios dan po-brísimos rendimientos en productos de sustitución, nulos a menudo ; siempre pre-domina en ellos la eliminación .

Las reacciones SNI se emplean en síntesis sólo con los halogenuros muy reac-tivos (terciarios, alílicos y bencílicos) y concretamente cuando no hay átomos dehidrógeno en (3 que pudiesen conducir a los productos de la competitiva elimi-nación (El) .

NC

CH2C1 + H2O ba,e- NC

CH2OH


575

Obtención de alquenos (E2)

Las reacciones bimoleculares de eliminación-(3 constituyen un importantísimo mé-todo de obtención de alquenos y de alquinos . Al planificar una síntesis de éstaslo más práctico es elegir un halogenuro o un sulfonato que den lugar sólo a unalqueno mejor que a una mezcla .

La monodeshidrohalogenación de los 1,1-dihaloalcanos o de los 1,2-dihaloal-canos en condiciones suaves, da halogenuros de vinilo :

Y

Cl+ KOH

metanol

Cl + KClCl

calor

1,1-Diclorociclohexano

BrCH2CHCH2Br + NaOH -* CH2=CCH2Br + NaCI

Br

Br

1,2,3-Tribromopropano

2,3-Dibromopropeno

Obtención de alquinos (E2)

Cuando se tratan los halogenuros de vinilo con bases muy fuertes, se forman al-quinos. También se obtienen alquinos, análogamente, eliminando 2 moles de halo-genuro de hidrógeno a partir de los 1,1- ó 1,2-dihalogenuros .

CH=CHBr + KOH calor

C=-CH + KBr

CH3CHZCH-Cl1Cl

1,1-DicloropropanoNI¡,

CH3CH-CHZ > CH3C=CH1

1Cl Cl

1,2-Dicloropropano

CH3CH=CH-Cl1 -cloro- 1 -propeno

1-Clorociclohexeno

El enlace triple, como el doble, es termodinámicamente más estable en la po-sición 2,3 que en la 1,2 . Si tratamos un compuesto como el 2,2-diclorobutano conel ion hidróxido, o con un ion alcóxido, obtendremos predominantemente el 2-bu-

576


tino. Ahora bien, la sodamida (o amiduro sódico) es una base tan enérgica quereacciona con el protón ácido de un 1-alquino para dar su sal sódica ; ni elhidróxido ni el metóxido son iones tan básicos como para lograrlo. Si hacemos reac-cionar 2,2-diclorobutano con sodamida, obtendremos el alquinuro que, tras la aci-dificación, dará el 1-alquino .

CINHi NHi

CH3 -C-C'2-CH3- H-C=-C-CHZCH3 - > -C=-C-CHZCH3él

jH' -ocH,• CH3 -C==-C-CH3

HC=-C-CHZCH3

El triple enlace de un acetileno puede emigrar en presencia de sodamida . Así lamayoría de los acetilenos se transponen para dar las sales sódicas de los corres-pondientes 1-alquinos, en presencia de sodamida. Por ejemplo, el 3-hexino da1-hexino por tratamiento con sodamida, seguido de acidificación .

EJERCICIO 16 .11

Esquematice las obtenciones de los siguientes compuestos mediante reac-ciones de deshidrohalogenación :

() CH=CH2 (b) CH 2=CHBr (c) CH3(CH 2 ) 7C==CH

16.10 Otras reacciones de (O -eliminación

Mientras que una base suele eliminar H-X de un halogenuro, también esposible la eliminación de otro tipo de fragmentos bajo ciertas condiciones . Un1,2-dihalogenuro tratado con ion yoduro elimina suavemente el halógenó, porejemplo :

\ / \ /-C-C- -+ C=C + IX + X -

~~ / 1 \ / \I - X

Obsérvese que uno de los halógenos se separa sin el par de electrones delenlace (en forma de ion positivo) mientras que el otro lo hace como halogenuro .Está favorecida la orientación anti-coplanar de los dos halógenos .

Los metales activos ocasionan una reacción análoga :

Eliminación en alfa

577

I

\

/-C-C- + Zn -~ C=C + ZnX2V I

/ \X

Cualquier grupo saliente bueno puede comportarse como el ion halogenuro :

OCH3\C-C/

\C=C/ + ZnX(OCH 3 )/ \

/ \x

\

/OSO2C6H,CH3 \

/-C-C-

-+ C=C + XI + CH 3 C6H,SO3/ \

/ \X

Como ejemplos concretos se pueden citar :

CH3CH2CHCH2Br --, CH3CH2CH=CH21Br

20 . ALLINGER

?n i

CH2 CH2CM, CH\O/ \CH2-C1

16.11 Eliminación en alfa

La eliminación en a es una clase especial de eliminación en la cual los dos gru-pos que se separan lo hacen del mismo átomo de carbono . Por ejemplo, el iont-butóxido quita un protón del tribromometano en un equilibrio ácido-base . Enel paso siguiente, el tribromocarbanión pierde un ion bromuro del mismo car-

Zn i

Na

0,

CH2=CHCH 2CH2CH2OH

578


bono donde estaba el protón originando dibromocarbeno, un intermedio muy re-activo que puede capturarse si está presente en la mezcla de reacción un alqueno(por ejemplo el ciclohexeno) (sección 14 .12) :

(CH3 )3C-0 + H-CBr 3 -_± (CH3 ) 3C0-H + CBr3

t-Butóxido Tribromometano

Alcohol Tribromocarbaniónt-butílico

Br-C- r - [Br-C-Br] + Br -

Br Dibromocarbenoi

Ciclohexeno

A través de todo el capítulo ha podido verse que el ataque de los nucleófilosa los halogenuros de alquilo es muy complicado, coexistiendo las reacciones SN1o SN2 con las correspondientes E l o E2, y siendo también posibles la eliminaciónen a y los mecanismos a través de carbaniones . Es fundamental entender todos losmecanismos anteriores y los factores que influyen en ellos si se quiere predecircómo reaccionarán un nucleófilo y un halogenuro de alquilo concretos . Así puesdebe tenerse una base firme en cinética, teoría del estado de transición, estereo-química, estabilidad de iones carbonio y de carbaniones, factores estéreos y efectode la polaridad del disolvente .

16.12 Sustitución aromática nucleofila

Los alquenos, debido a sus electrones ic, exhiben reacciones que son, predomi-nantemente, las de las bases de Lewis ; están sujetos al ataque de los reactiveselectrófilos (sección 14 .3) . Los compuestos aromáticos se comportan de una ma-nera análoga y por la misma razón . La situación más frecuente (el que un alquenco un compuesto aromático actúe como base de Lewis y experimente el ataquede un electrófilo) puede invertirse en determinadas circunstancias . Si el sistemaigsaturado lleva uno o más grupos que atraigan fuertemente a los electrones, esposible que el doble enlace no actúe como una base de Lewis (con un par deelectrones de fácil acceso) sino que se comporte como un ácido de Lewis, comoun aceptor de electrones. En este caso el doble enlace estará sujeto al ataque deespecies nucleófilas (bases de Lewis) . Como podría anticiparse a partir de lo es-tudiado previamente, los alquenos deficientes en electrones tenderán a dar reac-ciones de adición nucleófila mientras que los compuestos aromáticos tambiéndeficientes en electrones tenderán a dar reacciones de sustitución nucleófila .

Un halógeno unido a un átomo de carbono saturado suele ser desplazado fá-

BrBr

Sustitución aromática nucleófila

579

cilmente por un nucleófilo adecuado a temperaturas menores de 100° C, segúnse ha discutido en secciones anteriores . Por el contrario, el clorobenceno y elbromobenceno son totalmente inertes a esta reacción en esas condiciones. Reac-cionan con el hidróxido sódico en agua, por ejemplo, sólo a temperaturas supe-riores a los 300° C. Por tanto un átomo de halógeno unido a un anillo aromático(o a un doble enlace olefínico, por ejemplo el bromuro de vinilo) es, en general,razonablemente inerte frente a la sustitución por nucleófilos (en cualquiera desus mecanismos, SN2 o SN 1) . Sin embargo, la sustitución puede ocurrir muy fá-cilmente si existe un grupo fuertemente aceptor de electrones unido al anillo aro-mático en posición orto o para con respecto al átomo de halógeno :

/~CI

O

Zso°c+ OH0 No hay reacción

Cl

OH

óNO,

111~NO,

\/+ OH-

H1O

CI + CH3NH2

~,NHCH3Z >

+

+ Cl-

02N~~

02N

Se trata de reacciones de sustitución nucleófila bimolecular ; el mecanismoimplica la formación de un carbanión intermedio análogo al que se forma en lassustituciones aromáticas electrófilas :

CI

OH~~NO2

O

+ OH~

~~ CI

O

+ CH3NH2 -i

O2 N~Z--- O2N

h°C°C

+ CI-

NH2CH3+ Cl -

580


Estos intermedios aniónicos se denominan a veces complejos de Meisenheimery han sido aislados varios de ellos, por ejemplo :

O2NCI

NO2

O Na'

El proceso de adición, al igual que en la sustitución electrófila de un anilloaromático, no concluye sino que en vez de ello queda desplazado el halógeno,regenerando el sistema aromático . Así que el mecanismo de sustitución nucleó-fila aromática puede describirse como un proceso de adición-eliminación .

Los grupos que atraen electrones (los grupos de nitro de los ejemplos citadosy de la mayoría de los otros casos importantes) estabilizan el intermedio por efectoinductivo y simultáneamente por deslocalización de la carga negativa :

+

+Cl NH2CH3

CI NHZCH3

NO~

-~O

-O'- + \O -

Si hay dos o más grupos aceptores de electrones en las posiciones orto y paradel anillo aromático, el intermedio es todavía más estable y la reacción de sus-titución transcurre aún más fácilmente :

CI

OH

+H2O 1300

+NaCI+H2O+C02Na2CO3 ac .

NO2

OCH3NO2

02N

NO2

+ CH3O- -a

+ Cl-

NO2

Así pues cualquier compuesto aromático que contenga un buen grupo saliente,tal como un halogenuro y un «grupo activante» moderadamente fuerte (o mejor


581

varios) en las posiciones orto o para, estará expuesto a la sustitución por un nu-cleófilo aceptablemente eficaz .

Obsérvese que el grupo activante de la sustitución nucleófila es un grupo concaracterísticas -I y -R . Esto es lo contrario de lo que se requiere para un grupoactivante de la sustitución aromática electrófila (sección 15 .6) .

El grupo activante debe estar en las posiciones orto o para ; si está en la po-sición meta, posee muy poco efecto activante . El examen de las estructuras reso-nantes del intermedio explica el por qué :

NO,

La carga negativa no está deslocalizada en el átomo de carbono que lleva elgrupo nitro en ninguna de las estructuras contribuyentes al híbrido de resonancia .Por tanto el ni-nitro no ocupa una posición en la que pueda estabilizar la carganegativa del intermedio ni por inducción ni por resonancia .

Las sustituciones aromáticas nucleófilas tienen mucho en común con las sus-tituciones aromáticas electrófilas .


H

Sustitución aromática electrófila

--0

H

+X-

+ Y+

582


Sin embargo, el efecto de un sustituyente, la naturaleza del grupo saliente yla del grupo atacante son totalmente opuestos en ambas sustituciones . En el pri-mer caso Z - debe ser un nucleófilo y X - un excelente grupo saliente (uno queacepte gustoso la carga negativa) . En el segundo caso, Z+ e Y+ tienen que serelectrófilos e Y+ debe tener mayor tendencia a llevar carga positiva si la fuerzatermodinámica que impulsa la reacción ha de actuar en la dirección apropiada .Los efectos activantes y orientadores de un sustituyente son opuestos en amboscasos . La sustitución nucleófila requiere un intermedio dotado de una carga ne-gativa. Un grupo con efectos -I y -R (como el -NO 2) situado en orto o paracon respecto a la posición atacada, estabilizará el intermedio y el anión a él con-ducente, por lo que tal grupo acelerará la reacción . En el caso electrófilo, la pre-sencia de un grupo con efectos -I y -R (como el -NO 2) desestabiliza elintermedio y su correspondiente estado de transición y retarda la reacción . Lapérdida de estabilidad es más importante cuando el grupo está en orto o en paracon respecto a la posición atacada . Si el grupo saliente es un protón, la sustitu-ción electrófila ocurrirá, como es típico, en la posición meta (véase sección 15 .7) .

ü

w

Coordenada de la reacción

Figura 16.4Diagrama de energía libre para una reacción típica de sustitución aromática nu-cleóf ¡la .

También podemos comparar y contrastar las reacciones de sustitución nucleó-fila aromática y alifática . Esta última no implica un intermedio (SN2) sino sim-plemente un estado de transición como el dibujado en la figura 16 .1 . La sustitu-ción nucleófila aromática, por el contrario, presenta un intermedio y dos estados

PhZ + X-

Reacciones con bencinos como intermedios

583

de transición (véase figura 16 .4) de los cuales el primero suele ser el de energíamás elevada :

Z+ Z_

EJERCICIO 16.12

Predecir el producto de esta reacción :

Et0 -200°C

Cl

Dibujar el diagrama energía libre-coordenada de la reacción .

16.13 Reacciones con bencinos como Intermedios

Durante la década de 1950, J . D . Roberts * y su grupo del Instituto Tecnológicode California encontraron (al seguir una sugerencia anterior de Georg Wittig **y sus colaboradores, en Heidelberg) que es posible conseguir lo que parece unasustitución nucleófila incluso con compuestos aromáticos normalmente poco re-activos (como el bromobenceno), cuando se utiliza como nucleófilo una base su-ficientemente enérgica . El amoníaco no desplaza al bromo del bromobenceno nitras prolongada calefacción en tubo cerrado . El ion amiduro, que puede obte-nerse dejando que el amoníaco reaccione con sodio, sí reacciona fácilmente conel bromobenceno (incluso a temperaturas muy bajas) . La anilina es el productode esta reacción y podría parecer a primera vista que se ha obtenido a través deuna reacción ordinaria de sustitución aromática nucleófila .

,-,~~Br

NHZO

NH, (liq .)+ NH2

Anilina

•

John D . Roberts . Nacido en 1918, en Los Ángeles . Institutos Tecnológicos de Massachusetts y de California . ' Georg Wittig . Nacido en 1897 en Berlín . Universidades de Friburgo, Tübingen y Heidelberg .

Z + X-

584


De hecho las cosas no son tan sencillas . Si tratamos el p-bromotolueno consodamida nos encontramos con que el producto no es exactamente la p-toluidinasino una mezcla de los isómeros meta y para .

,,-~,~CH3

- CH3

CH3

0

0 +Br-- Zo~

3 H2N-^,~

La formación del isómero meta requiere algún mecanismo de reacción dife-rente de un simple proceso de sustitución. Se dedujo que la reacción de un ha-logenuro aromático sencillo con una base fuerte transcurre, en realidad, en variospasos. En el primero de ellos, el bromobenceno, por ejemplo, experimenta unareacción de eliminación para dar un alquino sometido a una tensión elevada, elcual adiciona los elementos del amoníaco para dar anilina . Se cree que el pro-ceso de adición transcurre en dos etapas . Primero el anión amiduro ataca al tri-ple enlace para dar un carbanión, el cual a su vez extrae un protón del amoníacooriginando anilina y regenerando el anión amiduro :

+ NHZ --i

+ NHZ 0

p-ToluidinaNH 2

m-Toluidina

+ NH3 + Br-

NH2

NH2

NH2+ NH3 -

+ NH2

Reacciones con bencinos como intermedios

585

Cuando se aplica este esquema a la reacción del p-bromotolueno, el tripleenlace se forma en la posición 3,4 . El ion amiduro se puede adicionar al C-3 6al C-4, lo que resultará, respectivamente, en la formación de m- o de p-toluidina .Este proceso es bastante análogo a la formación de un alquino a partir deun halogenuro de vinilo (sección 16 .9) y a la adición de un nucleófilo a un alquino .El alquino intermedio, muy reactivo, que se obtiene en este caso, recibe el nom-bre de bencino y debe tener una estructura en verdad poco frecuente :

En la sección 7 .16 se discutió que un alquino, si no está sometido a tensión,tiene geometría lineal con una hibridación sp para los dos átomos de carbono . Elbencina no puede tener esta geometría porque el anillo obliga a los ángulos deenlace a adoptar un valor próximo a 120° en vez del valor que prefieren, 180° .Los carbonos acetilénicos deben tener una hibridación aproximadamente sp Z . Elenlace r, que está en el mismo plano, es muy débil, inestable y extraordinaria-mente reactivo debido a la pésima interpretación de los orbitales híbridos spZ .No resulta entonces sorprendente que semejante molécula reaccione muy rápida-mente con cualquier nucleófilo disponible y que nunca haya sido aislado el ben-cino, a temperatura ambiente . Sin embargo, es estable en una matriz de argón só-lido a 8° K .

MATERIA OPTATIVA

Orientación en las reacciones que transcurren a través de un bencino intermedio .Si existen sustituyentes en el anillo, sólo pueden actuar sobre el triple enlace porinducción. El efecto de resonancia sólo entra en acción para lo que afecta al sistemade electrones n del anillo del bencino, que es perpendicular al débil enlace c . Así sitratamos el p-bromoanisol con ion amiduro, el producto principal de la reacción es

586

p-metoxianilina . El ion amiduro fuertemente básico convierte al p-bromoanisol en4-metoxibencino :

+ BH + Br -


CH3OH

4-Metoxibencino

El ion amiduro puede atacar ahora la posición para o la meta . Se producirándos carbaniones diferentes que se protonarán a continuación :

HH~

CH3O^O~

ataque en p

HNH2-

ataque en m

'

HH ~~

CH3O~ ( NH2H

NH2NH,

HH,_,,~,NH2

CH3O^Y'^`1 HH

productopreponderante

H

H ',,

CH3O

NH2H

productosecundario

El efecto inductivo del grupo metoxilo estabiliza el ion correspondiente al ataqueen para más que al del ataque en meta, de aquí que el producto más abundante seala p-metoxianilina .

EJERCICIO 16.13

Predecir el producto de la reacción de la p-bromodimetilanilina con sodamidaen amoníaco líquido . Explicarlo .

16.14 Preparación de compuestos organometálicos a partir dehalogenuros

En la sección 4.21 se discutieron los reactivos organometálicos que contienen en-laces carbono-metal . Estos compuestos son intermedios muy útiles en las síntesis

Preparación de compuestos organometálicos a partir de halogenuros

587

de sustancias orgánicas . De hecho los reactivos de Grignard (o compuestos orga-nomagnésicos, preparados a partir de halogenuros orgánicos y de magnesio) figu-ran entre los reactivos más útiles de los que dispone el químico orgánico . En estasección discutiremos la preparación de los compuestos organometálicos y en lapróxima sus reacciones con los halogenuros orgánicos .

El método común de preparación de un compuesto organometálico consisteen hacer reaccionar un halogenuro orgánico con un metal . La reactividad de los ha-logenuros frente a los metales aumenta al variar el átomo de halógeno desde el Fhasta el 1 . La reactividad del compuesto organometálico resultante aumenta al ha-cerlo el porcentaje de carácter iónico del enlace carbono-metal . En la tabla 4.10puede versa que el enlace C-Na posee un 47 % de carácter iónico mientrasque el C-Hg tiene mucho menos (9 %) ; el enlace C-Mg es intermedio, conun 35 % de carácter iónico . En todos los casos la polarización del enla-ce carbono-metal tiene el mismo sentido : el metal presenta un exceso decarga positiva mientras que el fragmento orgánico soporta una carga negativaparcial. Generalmente ayuda mucho el recordar que esta carga negativa está enel carbono y que las reacciones químicas que experimentan los compuestos orga-nometálicos son las típicas de los carbaniones y de los nucleófilos .

El sodio reacciona fácilmente con la mayoría de los halogenuros y los com-puestos organosódicos resultantes son tan activos que atacan frecuentemente alhalogenuro de partida o al disolvente tan pronto como se forman . El magnesioreacciona con un halogenuro orgánico en éter para formar un reactivo de Grignardque representamos como RMgX, que es de reactividad intermedia .

éterR-X + Mg --> RMgX

Reactivo de Grignard

En la sección 4 .21 se mencionó que la estructura de un reactivo de Grignardes más complicada de lo que indica la fórmula RMgX porque el éter se coordinacon el magnesio ; esta interacción con el disolvente impide que el reactivo ataque elhalogenuro que no ha reaccionado todavía . Los fluoruros no reaccionan con el mag-nesio en éter . Los cloruros de alquilo tienden a reaccionar lentamente y los clo-ruros de arilo no reaccionan . Tanto los bromuros como los yoduros reaccionanprontamente con el magnesio pero en la práctica se suelen utilizar los bromuroscon mayor frecuencia porque son más baratos y más fácilmente accesibles :

Br~o~

Cl + Mgéter

BrMg -{ o}-Cl

Fas la obtención y manejo de los reactivos compuestos organometálicos, tales comolos reactivos de Grignard, ha de evitarse el contacto con el aire o con los disol-

588


yentes próticos . Para trabajar con estas sustancias es imprescindible emplear disol-ventes rigurosamente anhidros y atmósferas inertes . Por ejemplo, el agua hidrolizalos compuestos de Grignard dando alcanos .

RMgX + H 2O -~ RH + MgXOH

Como el enlace carbono-magnesio está polarizado con la carga negativa par-cial en el carbono y la positiva sobre el magnesio, no van unidos los reactivos deGrignard y las transposiciones del tipo del ion carbonio. Por ejemplo, se puedepreparar el reactivo de Grignard del cloruro de neopentilo sin ninguna transpo-sición :

CH3

CH31 ó-

6+CH3-C-CHZ -Cl + Mg

éter-CH3 -C-CHZ-MgO

1

1CH3

Cloruro de neopentilmagnesioCH3

Clorobenceno

El tetrahidrofurano es el disolvente más utilizado para preparar reactivos deGrignard a partir de los halogenuros de vinilo o de los cloruros de arilo, por sermenos reactivos :

tetrahidrofuranoCl + Mg

MgCI

Cloruro de fenilmagnesio

tetrahidrofuranoCH2=CH-Br + Mg

> CHZ=CH-MgBr

Bromuro de vinilo

Bromuro de vinilmagnesio

A menudo se añade un iniciador que suele ser una traza de yodo, yoduro demetilo o 1,2-dibromoetano . Se cree que los iniciadores actúan reaccionando rá-pidamente con el metal, limpiando su superficie y acelerando la reacción entre elmetal y el halogenuro .No pueden prepararse reactivos de Grignard a partir de halogenuros de estostipos :

1

I

1

I-C-C--

-C-C-1

I

1

IX X

X OR

Estos 1,2-dihalogenuros (dihalogenuros vecinales) así como los (3-halo-éteres oC3-halo-esteres reaccionan con el magnesio o con otros metales activos dando alque-

Preparación de compuestos organometálicos a partir de halogenuros

589

nos (sección 16 .10) . Si los átomos de halógeno en los dihalogenoalcanos están másalejados, o si están en un anillo aromático (pero no en posición orto), tiene lugarla formación del mono- o del di-reactivo de Grignard en vez de la eliminación :

Br-(CH2)„-Br + 2Mgéter-> BrMg-(CH 2),,-MgBr

n>3

di-reactivo de Grignard

tetrahidrofuranoBr + 2Mg

> BrMg o~ MgBr

Bromobenceno

MATERIA OPTATIVA

Otros compuestos organometálicos . Los compuestos de tipo dialquilzinc, dialquil-cadmio y dialquilmercurio se preparan adecuadamente a partir de los halogenuros dealquilo comenzando por obtener el reactivo de Grignard y añadiendo posteriormentecloruro de zinc, de cadmio o mercúrico :

n>3

p-Dibromobenceno

Aunque los compuestos organosódicos son tan reactivos que pueden atacaral disolvente, los correspondientes organolíticos pueden prepararse sin que sepresente este problema ; se utilizan mucho . Por ejemplo, el bromuro de n-butiloreacciona con el litio en pentano como disolvente, para dar n-butil-litio con ren-dimiento elevado . Los halogenuros de arilo, como el bromobenceno y el cloro-benceno, son también muy reactivos frente al litio metálico :

pentanoCH 3CH2CH2CH2-Br + 2Li

> CH3CH2CH2CH2-Li + LiBr

Bromuro de n-butilo n-Butil-litio

éterBr + 2Li

>

Li + LiBr

Fenil-litio

CH3CH2C1 + Mg -> CH3CH 2 MgCl

Cloruro de etilo

Cloruro deetilmagnesio

zncl,

cdCI,

HgCI 2

> (CH 3CH2 ) 2Zn + MgCI 2

Dietilzinc

> (CH 3CH 2 ) 2Cd + MgCI 2Dietilcadmio

> (CH 3CH2 ) 2Hg + MgCI2Dietilmercurio

590


La reacción del cloruro de etilo con el plomo (en forma de aleación plomo-sodio)es de importancia industrial para preparar el tetraetilplomo (sección 4 .21) :

4 CH3CH2C1 + 4 Pb(Na) -* (CH 3CH2 )4Pb + 4 NaCI + 3 PbTetraetilplomo

16.15 Reacciones de los halogenuros con los compuestosorganometálicos

Se ha mencionado en la sección precedente que la preparación de un com-puesto organosódico a partir del sodio y de un halogenuro orgánico se complicadebido a que el organosódico, muy reactivo, ataca al halogenuro que todavía noha reaccionado. El resultado de este ataque es el acoplamiento de los dos halo-genuros de alquilo para producir un alcano :

CH3-Cl + 2Na -, CH3-Na + NaCI

CH3-Na + CH 3-Cl - CH3-CH3 + NaCI

Puesto que el enlace C-Na tiene un carácter fónico considerable (sec-ción 4.21), el carbono del metilsodio actúa como un carbanión nucleófilo y puededesplazar un ión cloruro del cloruro de metilo en una reacción de tipo SN2 :

CH3 Ná++CH3-CCl -* CH3-CH3 + Na*Cl-

Esta reacción de acoplamiento se conoce como reacción de Wurtz * y tieneuna utilidad muy limitada para síntesis .

CH3CH2CH2CI-13 Na+ + CH 3CH2CH2CH2CI -* CH 3(CH2 )2CH2CH2(CH2) 2CH3n-Butilsodio

Cloruro de n-butilo n-Octano (producto de acoplamiento)

+ CH 3CH2CH=CH2 + CH3(CH2)2CH3 + Na+CI-1-buteno

butano

Productos de la eliminación

EJERCICIO 17.17

Formular un mecanismo lógico para la reacción del magnesio con el 1,3-di-bromopropano en la que se forma ciclopropano .

* Adolphe Wurtz . 1817-1884 . Nacido en Estrasburgo . Universidad de París .

Reacciones de los halogenuros con los compuestos organometálicos

591

Frecuentemente el acoplamiento de Wurtz es una reacción secundaria inde-seable al preparar reactivos de Grignard . La reacción de acoplamiento es especial-mente rápida al obtener reactivos de Grignard alílicos o bencílicos .

éterCH2=CHCH2-Br + Mg -> CH2=CHCH2-MgBrBromuro de alilo

Bromuro de alilmagnesio

rápidaCH2=CHCH2-MgBr + CH2=CHCH2-Br -> CH2=CHCH2CH2CH=CH2+MgBr2

1,5-Hexadieno

CH2Br + Mg éter

CH2CH2

+ MgBr2

Bromuro de bencilo

bencilo

En cambio es posible emplear esta reacción ventajosamente, para ciertas sín-tesis . Un reactivo de Grignard tiene cierto carácter de carbanión y aunque no reac-cione con la mayoría de los halogenuros de alquilo, sí lo hace con los más «activos»como los de alilo o de bencilo .

CH2Cl + CH3CH2MgCl -*

Cloruro de

Cloruro de

2,3-Dibromopropeno

etilmagnesio

Bromuro defenilmagnesio

1,2-Difeniletano

CH2=CCH2Br + C6H>MgBr -* CH2=CCH2C6H5 + MgBr2Br

Br

CH2CH2CH3 + MgCl2

n-Propilbenceno

Una reacción de acoplamiento de halogenuro de arilo que encuentra utilidad esla que se denomina reacción de Ullmann y consiste en calentar halogenuros de arilocon cobre, formándose biarilos :

2CH3~or I + 2Cu - CH3

CH3 + 2 CuI

592


o-Cloronitrobenceno

Los inestables compuestos orgánicos del cobre actúan como compuestos inter-medios en esta reacción .

16.16 Reducción de los halogenuros orgánicos

Los halogenuros de alquilo pueden reducirse a alcanos por la acción de un metal ac-tivo, como el zinc, y un ácido :

CH, 3I

CH3-CH-CI + Zn + HCI -> CH 3CH2CH3 + ZnC12

Cloruro de

Propanoisopropilo

Un metal más activo dará un resultado análogo con un ácido más débil :

CH3CH2CH2CH2Br + 2 Na + EtOH - + CH 3CH2CH2CH3 + EtONa + NaBr

La reducción indirecta de un halogenuro al hidrocarburo correspondiente tienelugar si se pone en contacto un reactivo de Grignard (u otro reactivo organo-metálico) con la humedad :

CH3CH2MgBr + H 2O --> CH3CH3 + MgBr(OH)

(O CH 2MgC1

r+D20

CH D + MgCI(OD)

Los halogenuros se pueden reducir también mediante la hidrogenación cata-lítica :

CH2-Br + H2 ó(0)_ CH3 + Br- + H 2O

NO22.2'-Dinitrobifenilo

Bromuro de bencilo

OH -

Tolueno

+ Br- + H2O

Resumen de las reacciones de los compuestos orgánicos halogenados

593

16.17 Resumen de las reacciones de los compuestosorgánicos halogenados

Muchas reacciones de los halogenuros pueden clasificarse como sustituciones ocomo eliminaciones . Estos dos tipos de reacción suelen ir unidos, actuando unode ellos como indeseable reacción secundaria de la intentada. Es convenientedividirlas en las parejas El/SN1 y E2/SN2 . Los compuestos que pueden liberariones carbonio estables (halogenuros terciarios, de bencilo, o análogos) suelen darlas reacciones El/Sx1 . Las E2/SN2 son las típicas de los compuestos reacios a for-mar iones carbonio y relativamente libres de impedimentos (tal como los haloge-nuros primarios) . Los halogenuros secundarios son un caso intermedio en elque uno encuentra ambas parejas de reacciones transcurriendo simultáneamente .Es posible cambiar el predominio de uno de los pares de reacciones sobre elotro, cambiando las condiciones de reacción, y alterando por tanto, las propor-ciones de los productos obtenidos . Los detalles experimentales necésarios paraconseguir que una pareja predomine sobre la otra se han resumido en la sec-ción 16 .8 .

Transposiciones

Las reacciones que transcurren a través de iones'carbonio suelen dar productostranspuestos, por ejemplo,

CH3

OEt

CH3C-CH2Br E`~ CH3 C-CH2CH3

CH3

CH3

La participación de un grupo vecino también puede llevar a transposicionesen las reacciones donde intervengan iones carbonio como intermedios .

Reacciones de sustitución

En general los halogenuros reaccionan con los nucleófilos . Los éteres, los esteresy los alcoholes pueden obtenerse por reacción con alcóxidos, carboxilatos o hidró-xidos, respectivamente .

-* ROCH3RO- CH3X+O O

11R-C-O- CH3X ---~ R-C-OCH3+

CH3OHOH - + CH3X -e

594

Reacciones de los compuestos orgánicos halogenaaos

El amoníaco es un nucleófilo excelente y reacciona con los halogenuros dandoaminas. Análogamente el ion cianuro produce nitrilos y la sal de un alquino pri-mario da un acetileno disustituido .

NH3 + CH3X

CN- + CH3X

$r

CH-CHCH3

Br

CH3-NH2

CH3 C=N

R-C--C- + CH3X -~ R-C=C-CH3

Los sulfuros y los tioles pueden obtenerse por reacción de un halogenuro conel anión adecuado .

R-X + S2- --* R-S-R

R-X + HS- -~ R-S-H

R-X + R1-S- -, R-S-R1

Reacciones de eliminación

Las reacciones de eliminación se suelen efectuar con una base fuerte, en disol-vente que no sea muy polar (normalmente un alcohol) y a alta temperatura . Laeliminación de HX de un halogenuro de alquilo en esas condiciones da unamezcla termodinámica de olefinas ; así el 2-bromobutano da principalmente eltrans-2-buteno, con algo del isómero cis y de 1-buteno . Esta eliminación transcurreen anti .

H~ CH3

H~ HKOHCH3CH2CHCH3Eoa

C=C/1 + /C=C~ + CH3CH2CH=CH2

Br

CH3

H

CH3

CH3Abundante

Escaso

Escaso

Un 1,2-dihalogenuro se convierte en alqueno al ser tratado con el ion yoduroo con un metal como el zinc o el sodio .

I- CH=CHCH3

La racción con el yoduro es una eliminación en anti de forma que la estereoquí-mica del producto depende de la sustancia de partida . Las reacciones con zinc osodio no son estereoespecíficas y conducen a los productos termodinámicamenteprevisibles .

Resumen de las reacciones de los compuestos orgánicos halogenados

595

Eliminaciones que originan alquinos (acetilenos)

Cuando se efectúa una reacción de eliminación en un dihalogenuro de estructuraconveniente se obtienen acetilenos (alquinos) sustituidos .

BrC-CH 2

Br

CH-CH

Br Br

O) KOH

EtH

O) KOH

EtH

Los dihalogenuros sencillos experimentan la reacción de eliminación al tratarloscon KOH y dan el alquino esperado . Con una base tan fuerte como la sodamida,si es posible la molécula tipo acetileno terminal, el triple enlace emigra al extremode la cadena .

BrCH 3CH2 C-CH2CH3

KOH CH3 C=-C-CH2CH3

Br(1) NaNH23~

CH 3CH 2CH 2C==-Cli(2) H 2O

Sustituciones aromáticas nucleófilas

Si hay grupos que atraigan fuertemente electrones en las posiciones orto o para alhalogeno de un compuesto aromático, puede tener lugar una sustitución nucleófiladel citado halógeno .

CI

CH,O -

<cr CK~o)0>-C-=C

-<0

CNO

CN -

596

Reacciones a través del bencino

CINH,

NH3 líq .


B+ Mg -~

NH 2

Con bases suficientemente enérgicas, como la sodamida, los halogenuros aromáti-cos corrientes reaccionan a través de un bencino intermedio .

Formación de reactivos de Grignard

Los halogenuros de alquilo o de arito corrientes pueden convertirse en reactivosde Grignard al tratarlos con magnesio, o en los correspondientes compuestos delitio por tratamiento con este metal. Como los compuestos organomagnésicos uorganolíticos son muy útiles como pasos intermedios en las síntesis, ambas reaccio-nes son muy importantes .

OM gBr

.~/

CH3CH2CH2CH2C1 + Li --* CH 3CH2CH2CH2-Li

Estos compuestos organometálicos reaccionan con el agua dando hidrocarburos .Así pues la formación de un reactivo de Grignard a partir de un halogenuro, se-guida de la reacción de éste con agua, es un método para reducir un halogenuro ahidrocarburo .

R-Br -M IL> R-MgBr H1° * R-H

El empleo de agua pesada es el último paso, abre un camino para sintetizar com-puestos deuterados .

R-MgBr °°° R-DEn los capítulos siguientes se discutirán otros usos de los reactivos de Grignard .

16.18 Resumen de métodos de síntesis para halogenuros orgánicos

En esta sección se resumen los métodos de síntesis para halogenuros orgánicos quetienen utilidad general . Continuando lo que se practicó anteriormente (capítu-

Resumen de métodos de síntesis para halogenuros orgánicos 597

lo 14), se incluyen aquí todos los métodos de síntesis de halogenuros buscando sutotal agrupación y su revisión posterior . El estudiante debe aprender ahora aque-llos métodos que se basen en reacciones estudiadas en éste y en anteriores capítulos,especialmente los comprendidos en los apartados la, 2a,b y 3b .

Se aconseja que repase ahora los métodos para sintetizar alquenos que se die-ron en la sección 14 .17 y que hayan sido explicados desde entonces ; se trata delos métodos la,c,h y 2a,b de la sección 14 .17. Algunos de los problemas de la pró-xima sección pondrán a prueba los conocimientos del estudiante respecto a estasreacciones de síntesis . Si el estudiante es incapaz de resolver un problema desíntesis debe buscar auxilio en la última sección de cada capítulo (excepto el 15)donde se discute la síntesis buscada para un cierto tipo de compuesto, por ejem-plo el capítulo 14 para compuestos insaturados, el 16 para los halogenuros y asísucesivamente . Esta costumbre se seguirá en los próximos capítulos .

1 . Halogenuros de alquiloa . Adición a alquenos (secciones 14 .3 y 14 .4) :

(1) de HX

\

/

I IC=C + HX - -C-C-

/

\

I IH X

(Mecanismo a través de iones carbonio, excepto para el HBr en presencia deperóxidos en cuyo caso los productos son distintos) .

(2) de X2

\

/

I IC=C + X 2 -* -C-C- (X = Cl, Br)X X

b. A partir de alcoholes (sección 17 .3) :(1) y HX; X = Br, 1 y en algunos casos Cl

1

1-C-OH + HX --* -C-X + HOH

(2) y PX 3 ; X = Br, 1 y en algunos casos Cl

I

13 -C-OH + PX 3 -- 3 -C-X + H 3P03

598


(3) y SOCI2

-C-OH + SOC1 2 --> -U-Cl + SO 2 + HCl

c . A partir de alcanos (sección 21 .2)

1

iniciador

1-C-H + X2

-C-X + HX (X = Cl, Br)

(El mecanismo a través de radicales libres produce normalmente una mezclade productos muy difícil de separar .)

d . Reacción de Hunsdiecker (sección 23.2)

-C-CO2Ag+ + Br2 -+ -C-Br + CO 2 + AgBr 1

2 . Halogenuros de viniloa . Por adición de HX a alquinos (sección 14 .15)

-C=-C- + HX - C=CH

X

b. A partir de dihalogenoalcanos (sección 16.9)

H Cl

/Cl-C-C- + B- - C=C + BH + CI -

Cl

HI I

N

/-C-C- + B- ~ C=C + BH +C¡~Cl Cl

C

3 . Halogenuros de ariloa . A partir de aminas vía sales de diazonio (sección 20 .9)

Problemas

599

N2O

*X

BCuX

X + N,COA

N 2* + BF,- --, (o>- F + BF 3 + N 2

PROBLEMAS

(O>-N2++ 1 - 0

(o>-1 +N2

b . A partir de hidrocarburos aromáticos (sección 15 .2)

halogenurosH + X2

metálicos O X + HX

(El halogenuro metálico que actúa como catalizador puede ser A1C1 3 , FeC1 3 , etc .)

1 . ¿Cómo sintetizaría CH,-C = C-CD, a partir de CH,-CH = CH 2 yCD,C1?

2 . (a) Dar una estructura que sea concordante con estos datos del espectrode RMN para un compuesto de fórmula C,H 8Br :

8 1,9 singlete integración : 38 3,9 singlete integración : 1

(b) Dar una estructura que sea concordante con estos datos del espectrode RMN para un compuesto de fórmula C,H,Br :

6 2,0 doblete integración : 36 5,15 cuadruplete integración : 16 7,35 multiplete

integración : 5

3 . A es un compuesto intermedio en la síntesis de B a partir de trans-2-buteno .¿Cuáles son las estructuras de A y de B?

H

CH3

/C=C\

+ HC1(g) é-e0 ACH3

H

CH,OHA + CH 30-Na* -

Ben frío ;

disoluciótidiluida

600

2,5100


4 . Cuando se calienta el 2-bromo-3-metilbutano con acetona no anhidra, se for-ma un compuesto del que se dan sus espectros infrarrojo y de RMN . Iden-tificar ese producto e interpretar los espectros al dar la respuesta .

Longitud de onda (pm)5

6

10

12

∎/ ∎∎/∎∎∎∎//Ri3

/∎/ iU

Wli/I~I IAwrr

~ / ~

h 11/'.m/~w∎∎∎~/~∎Í' •u∎ ∎•uu . ∎ p.Ñ ~~ ',r/Í'IV tL%pa~1/∎/~~Ii~N////

M∎/1\∎II/ IE1§-∎∎/∎// ∎////∎///∎/\\∎Il//IIIPY///∎∎//∎N~∎/∎/////~/N///MN%amas %~/IY//~~%%~ maula

Emana%ma%~~/ ∎

Rmmm '.~~'/ ::CG ::'/gis:mamam

∎//∎∎∎∎∎/~!/m//∎_//∎/∎∎////N∎∎///∎∎/∎/∎/∎ ∎/∎/∎ // /∎∎/∎∎∎∎∎/∎∎//N/ ∎ N/

G

á

02000 1800 1600 1400 1200 1000

800

600Frecuencia (cm -')

Espectro infrarrojo (en estado líquido puro) del producto incógnito del pro-blema 4 .

Espectro de RMN del producto incógnito del problema 4 .

Problemas

601

5 . Predecir cuáles serán los productos de sustitución de las reacciones :

(a) CH3-Br + HC=-C"Na+-i

CH3 H1

1

acetona

(c) CH3-C-C-CH 3 + H 2O - (d)1

1Br H

(e)

H ~ClCH3

~o~ Br,

Y OHia( \CICH3

O--.Y

(f) Y + Br- --

acetona

(g) CH 3O

C- CH I-Br + H 2O

ll~

1-),"C,

CH 3

6. Cuando se disuelve el cloruro de trifenilmetilo, (C eH.),CCI, en benceno quelleva disuelto (CH,CH 2CH 2CH 2),N` *Cl - (con cloro radiactivo), tiene lu-gar el intercambio de cloro a una velocidad que es independiente de la con-centración del cloruro de amonio cuaternario . Explicarlo .

7 . Predecir las velocidades relativas de las siguientes reacciones de sustituciónnucleófila : (a) etóxido en etanol con CH,Br,

CH 31

CH 3CH 2Br,

CH 3-C-CH 3 ,

Br

+ HO- -

+ CH30-CH 'oH4

602

CH2 =CH-CH2 -Br,

O2N


CH3

CH3 -C-CH2-Br,

CH2=CH-Br,1CH3

CH3

CH3

CH2 -Br ;(b) etóxido en etanol con CH 3-CH-Br,

CH3-CH-F,

CH3

CH3

CH3-CH-Cl, CH 3-CH-l;(c) agua disuelta en ácido fórmico con

CH2-Br,

8 . Examinar la reacción :

CH3CH2Br + HO - --+ CH 3CH2 OH + Br-

CH3

CH3

CH3-C-Br

CH3-C-OH+ H2O ---

+ HBr

CH2Br,

H3C

CH2 Br,

H3CO

CH2Br.

(a) ¿Qué le ocurrirá a la velocidad de reacción si se duplica la concentracióndel bromuro de etilo? ¿Y si se duplica la del hidróxido? ¿Y si se triplicanambas?(b) ¿Y si se aumenta la temperatura?(c) Dibujar un esquema del estado de transición en la etapa determinantede la velocidad .(d) Bosquejar un diagrama energético de la reacción poniendo cuidadosamen-te los nombres pertinentes .

9 . Contestar las mismas preguntas a-d del problema 8 para la reacción si-guiente :

10 . Definir: (a) par iónico ; (b) deslocalización electrónica no clásica ; (c) sus-titución nucleófila intramolecular ; (d) ayuda anquimérica .

11 . (a) Exponer los factores que favorecen la eliminación en a . (b) Discutirbrevemente los factores que influyen en que una eliminación en R trans-curra por un mecanismo El, por un mecanismo E2 o por un mecanismoa través de un carbanión .

Problemas

12 . Prediga los productos procedentes de la eliminación El y E2 (según las condi-ciones) para :

(a) CH3CH2-CH-CH 31Br

(c)

H H

(b)

(d)(CH3 ) 2CH

Cl H

603

13, Cuando se calienta el 2-bromo-3-metilbutano con HBr, se forma un com-puesto cuyo espectro de RMN se indica a continuación . ¿Cuál es el pro-ducto obtenido? Interpretar totalmente el espectro de RMN .

~r~~rr~rr~rr~rirrr~~rr~rr

Espectro de RMN del producto desconocido del problema 13 .

14. ¿Cómo sintetizaría el meso-2,3-butanodiol a partir del 2-bromobutano? ¿Cómosintetizaría el dl-2,3-butanodiol partiendo de la misma sustancia inicial?

1604


15 . Proponer una síntesis de la p-nitroanilina a partir del clorobenceno .16 . Predecir los productos de las dos reacciones siguientes :

CH3

(a) H-/(-- .Br + Mg éterH C,Br

1CH3

17 . Proponer un esquema de síntesis para obtener : (a) CH 3

CH3

a partir de CH 3

CH2Br; (b) CH 2=CH-CH Z-CH3 a partir de

cloruro de alilo y de bromuro de metilo ; (c) CH 3CHCH3 a partir de1D

propeno y de D 2O .

(a)

18 . Predecir los productos más abundantes que resulten de las reacciones si-guientes :

Br

N(CH3)2

CH2CH=CHCH3

(cis)

(e) CH: O

-CH_C1cH,M 9 >

r-BuO(g)

+ CHBr 3 -

(b)\O/

(b) CH 3CH-Cl + Na --~1CH3

~~ Br1 . Zn

2 . Luego H30 -

Cl

COOEt

~ (d)

+ -CH

~NH 3

COOEt

I . NH2(f)Ph-C-CH

2 CH 3CH,CH 2 Br

011(h) CH3CH2SCH2CH2C1

Problemas

605

19 . Proyéctense síntesis de laboratorio lógicas que partiendo del acetileno y decualquier halogenuro . de alquilo que haga falta permitan obtener los com-puestos siguientes :(a) CH, 3CH,CH„C=CH(h) CH,3CH_CH_C=CCH,CH,CH .j(e) cis-CH 3CH >CH 2CH-CHCH,CH 2CH,,(d) meso-CH,,CH 0CH.,CHCHCH 9CH 2CH 3

HO OH(e) Un único isómero óptico del dl-4,5-octanodiol

20 . Indicar cómo sintetizaría, a partir del bromuro de n-butilo, los compuestossiguientes :(a) 1-buteno

(b) trans-2-buteno(c) cis-2-buteno

(d) 1-butino(e) 2-butino

(f) 2-bromobutano(g) valeronitrilo

(h) sulfuro de di-n-butilo(i) éter fenil n-butílico

(j) yoduro de n-butilo21 . Al hervir un líquido de fórmula C,H,1 con tina disolución de hidróxido po-

tásico en alcohol etílico, se desprendió un gas . Cuando el gas se pasó a tra-vés de HI concentrado, se formó un líquido que resultó tener la fórmulaC,H,I pero cuyo punto de ebullición no era el mismo que el de la sustanciainicial. Identificar cada uno de los tres compuestos de este problema .

22 . Un líquido incoloro de punto de ebullición menor de 50° C cae al fondo cuandose añade sobre agua, no siendo miscible con ella . Cuando se le agita y calientasuavemente con hidróxido sódico diluído, se va disolviendo lentamente; ladisolución resultante produce un precipitado amarillo pálido con nitrato deplata . Cuando la sustancia inicial se hierve con hidróxido potásico disueltoen alcohol, se desprende un gas que decolora la disolución de bromo en te-tracloruro de carbono al burbujear a través de ella . ¿Qué clase de sustanciaes el producto de la primera reacción? ¿Cuál es la estructura más probablede la sustancia inicial?

23 . Teniendo presentes las características de los desplazamientos nucleófilos,¿cuáles de las sustancias siguientes reaccionarán con el amoníaco para daruna amina primaria? :(a) bromuro de isopropilo

(b) 1-bromo-2-metil-2-fenilpropano(c) acetal dietílico del propionaldehído (d) 3-clorotolueno(e) cloruro de 1-p-tolilciclohexilo

(f) 2,4,6-trinitroclorobenceno(g) butirato de n-propilo

24. Dar los principales productos orgánicos que cabe esperar de la reacción delbromuro de n-butilo con cada uno de los reactivos siguientes :(a) NaOH acuosa caliente

(b) H2SO_, concentrado y frío(c) yoduro sódico en acetona

(d) benceno y AICI,(e) C,H s-C - CNa

(f) Mg en éter y luego agua25. Indicar cómo se realizarían en la práctica las transformaciones siguientes, es-

cribiendo las correspondientes ecuaciones y especificando los reactivos ne-cesarios y las condiciones experimentales :

606


(a) 2,2,5,5-tetrametil-3-hexeno a di-t-butilacetileno(b) 2-buteno a 2-cloro-2-buteno

PROBLEMAS OPTATIVOS

26 . Prediga los productos de las reacciones siguientes y sugiera mecanismos ló-gicos para su formación .

(a) CHZ CH-CH 2CH2C1 III°->

(b)

NMe,

27 . Esquematice síntesis para los compuestos siguientes, partiendo de cualesquierahidrocarburos .

(a) (CH3CH 2 ) 2Zn

(b) Ph 2Cd(c) (CH3CH2CH2)2Hg

BrNH ;NH,

Cap 16- Reacciones de los compuestos orgánicos halogenados

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