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DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ORGÁNICA EXPERIMENTACIÓN EN QUÍMICA (Química Orgánica) Curso 2009-2010
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DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ORGÁNICA
EXPERIMENTACIÓN EN QUÍMICA
(Química Orgánica)
Curso 2009-2010
1
PRACTICA 1
Adición de Michael y Anelación de Robinson Enantioselectiva
1. INTRODUCCIÓN
La síntesis de compuestos ópticamente puros es un objetivo fundamental en los campos
de la Química Farmacéutica y la Química de Productos Naturales, ya que las propiedades de
un determinado medicamento o compuesto con actividad biológica están directamente
asociadas a uno solo de sus enantiómeros. En esta Práctica se introduce la síntesis
enantioselectiva mediante la utilización de dos tipos de reacciones esenciales en Química
Orgánica: la adición de Michael, como reacción clásica de creación de enlaces C-C, y la
anelación de Robinson, como reacción de ciclación que tiene un amplio uso en la preparación
de estructuras biológicamente activas, como esteroides o terpenoides. Se aborda también la
problemática de utilizar un catalizador quiral para mejorar la enantioselectividad. Finalmente, se
utilizan las técnicas polarimétricas para la determinación del exceso enantiomérico en una
reacción.
La adición de Michael implica la adición conjugada de un compuesto β-dicarbonílico (2-
metil-1,3-ciclohexanodiona) a un aceptor carbonílico α,β-insaturado (etilvinilcetona). La triona
cíclica así obtenida experimenta una condensación aldólica intramolecular que conduce a una
endiona bicíclica, la cual constituye un valioso sintón quiral para la preparación de esteroides y
otros productos naturales. La eficacia de una síntesis asimétrica de este tipo se evalúa frecuentemente
determinando la relación enantiomérica por polarimetría. La pureza óptica se determina
dividiendo el poder rotatorio de la mezcla de productos obtenida en la reacción por el de un
enantiómero puro determinado en las mismas condiciones de temperatura y longitud de onda
[ ]TDα . Si se considera una relación lineal entre poder rotatorio y composición, el porcentaje de
pureza óptica es idéntico al exceso enantiomérico, y una medida de la inducción asimétrica
seria:
[ ][ ]
100% xTDα
α=ópticaPureza [ ] 100×=
lcobservadaαα
[ ]TDα = rotación especifica del enantiómero puro l = 10cm c (g / 100mL)
OMe
O
O
EtEt
O
AcOH/H2O/Δ
O
Me
O
(S)-PheAcOH/Δ
O
O
Me
Me
2
2. PROCEDIMIENTO
PREPARACIÓN DE 2-METIL-(3-OXOPENTIL)-1,3-CICLOHEXADIONA POR ADICIÓN DE MICHAEL (Nota 1)
Se calienta a reflujo durante una hora una mezcla de 10 mmol (1,26 g) de 2-metil-1,3-
ciclohexanodiona, 40 mL de agua, 4 mL de ácido acético y 20 mmol (2 mL, 1,70 g) de
etilvinilcetona (Nota 2). A continuación la mezcla de reacción se enfría y, tras añadir 1 g de
cloruro sódico, se extrae con éter etílico (3x30 mL) (Nota 3). El extracto orgánico se lava
sucesivamente con 30 mL de agua, 30 mL de disolución saturada de carbonato sódico (Nota 4) y 2x30 mL de disolución saturada de cloruro sódico y se seca sobre sulfato magnésico
anhidro. El disolvente se elimina a presión reducida, aislándose el producto de reacción.
Determinar el Rf y el rendimiento de la reacción.
Notas 1. La adición de Michael se realiza por parejas.
2. La adición de Michael se realiza en vitrina. Debido al carácter fuertemente lacrimógeno de
la etilvinilcetona debe extremarse la pulcritud del trabajo en vitrina. La adición de
etilvinilcetona se lleva a cabo con jeringa desde los viales preparados. No sacar ningún
material sucio de la vitrina, incluidos los guantes. El material utilizado se lavará en vitrina
con disolución de bisulfito sódico y los residuos de lavado se recogerán en botella
etiquetada como producto maloliente.
3. La extracción con éter etílico de la mezcla de reacción en la adición de Michael debe
realizarse también en vitrina, así como la eliminación del disolvente en el rotavapor.
4. Se observa que al cabo de 1h de calefacción, queda siempre 2-metil-1,3-ciclohexanodiona
sin reaccionar. Su eliminación se lleva a cabo lavando con disolución saturada de
carbonato sódico, pero no de bicarbonato. Es importante comprobar por C.C.F.(gel de
sílice, hexano/acetato de etilo 1:3) que toda la dicetona de partida ha sido eliminada tras los
lavados con carbonato sódico, de lo contrario volver a lavar con solución saturada de
carbonato sódico.
PREPARACIÓN DE (S)-(+)-5,8a-DIMETIL-3,4,8,8a-TETRAHIDRO-1,6(2H,7H)-NAFTALENODIONA POR ANELACIÓN DE ROBINSON
Se calienta a reflujo durante una hora una disolución de 2,0 mmol (0,42 g) de 2-metil-2-
(3-oxopentil)-1,3-ciclohexanodiona, 5 mL de ácido acético y 2,0 mmol (0,33 g) de S-fenilalanina
(Nota 5). La mezcla de reacción se enfría a temperatura ambiente y, tras adicionar 20 mL de
agua, se extrae con diclorometano. Los extractos orgánicos se lavan sucesivamente con 10 mL
de agua, 10 mL de disolución saturada de bicarbonato sódico y dos porciones de 10 mL de
disolución saturada de cloruro sódico. Después de secar sobre sulfato magnésico anhidro se
elimina el disolvente a presión reducida. El aceite obtenido se purifica por cromatografía de
columna en gel de sílice a presión media, utilizando como eluyente inicial una mezcla
3
hexano/acetato de etilo en proporción 9:1, aumentando posteriormente la polaridad a 7:3. A
continuación se procede a medir el poder rotatorio molecular del producto puro en un
polarímetro (Nota 6).
Notas 5. La reacción no puede seguirse por C.C.F., ya que los compuestos tienen igual valor de Rf.
El bruto de reacción debe analizarse por espectroscopia IR para comprobar si ha tenido
lugar la reacción.
6. El producto puro se analiza por IR y RMN y se procede a la medida de su rotación en el
polarímetro. Para determinar el exceso enantiomérico, debe tenerse en cuenta que
[α]D20=+79 (MeOH) para la (S)-biciclodiona pura.
Markgraf, J.; Fel, J. F., Ruckman, R. E., J. Chem. Ed. 1995, 72, 270.
4
O
O
5
O
O
O
6
O
O
Me
Me
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PRACTICA 2
Síntesis Diastereoespecífica de un Epóxido 1. INTRODUCCIÓN Los epóxidos son compuestos útiles como intermedios en síntesis orgánica, al presentar en su estructura un anillo de tres eslabones que se abre con facilidad tanto en medio básico como en medio ácido. Por otra parte, el anillo de oxirano se encuentra presente en una gran variedad de compuestos orgánicos con actividad biológica sobre los sistemas nervioso y hormonal, y con actividades fungicidas, antibacterianas, antimaláricas y anticancerígenas. Concretamente el trans-estilbeno y el óxido de trans-estilbeno presentan una actividad estrogénica significativa en el tratamiento del cáncer de próstata y de mama, así como en la prevención de abortos. En esta práctica se pretende la epoxidación de un alqueno a través de dos importantes reacciones: preparación de la bromohidrina del alqueno y formación del epóxido por reacción de sustitución núcleofila intramolecular . La primera cuestión es si la formación de la bromohidrina es o no estereoespecífica. Los dos diastereomeros que pueden formarse son:
Puesto que la diferencia de p.f. es suficientemente grande, la determinación del mismo
permite comprobar que se obtiene la bromohidrina eritro (p.f. 83-84ºC) y que la reacción es estereoespecífica.
La segunda cuestión es si la sustitución núcleofila del bromo tiene lugar con inversión o con retención de la configuración. De nuevo la cuestión puede ser resuelta con la determinación del p.f. que confirma la obtención del oxido de trans-estilbeno.
La confirmación final se realiza con los espectros de RMN. Discutir los desplazamientos químicos en 1H y 13C de los protones y carbonos del anillo de oxirano.
Ph
H
H
Ph
NBSCH CH
PhBr
Ph OH
K2CO3
MeOH
O
Ph PhH2O/DMSO
Ph
Ph
BrH
HOH
Ph
Ph
HBr
HOH
p.f. 83-84ºC p.f. 51-52ºC
O
Ph
HPh
H
OH H
Ph Ph
p.f. 65-67ºC p.f. 38-40ºC
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2. PROCEDIMIENTO BROMOHIDRINA DEL TRANS-ESTILBENO A una disolución de 1g (5,5 mmol) de trans-estilbeno en agua (0,5 mL) y DMSO (15 mL) se le añade en pequeñas porciones 1,8 g (15,2 mmol) de NBS (Nota 1) La mezcla de reacción se agita durante 30 minutos (Nota 2), y se vierte en 50 mL de agua-hielo. La mezcla lechosa se transfiere a un embudo de extracción, se diluye con 20 mL de agua y se extrae tres veces con éter etílico (3x30 mL) (Nota 3). Los extractos orgánicos se lavan con 50 mL de agua, y con 50 mL de disolución saturada de NaCl, se secan sobre sulfato magnésico anhidro y se elimina el disolvente a presión reducida. La bromohidrina del trans-estilbeno (¿eritro o/y treo?) se purifica por recristalización en hexano (Nota 4). Notas
1. La bromohidrina se prepara en matraz de dos bocas con refrigerante (no hacen falta gomas para el refrigerante) y pieza de agitación. La reacción se realiza en vitrina. Es importante que el trans-estilbeno esté solubilizado para mejorar la conversión. Para ello calentar suavemente con placa (no con baño de agua), hasta la total disolución del trans-estilbeno, dejando enfriar la disolución a temperatura ambiente, antes de la adición de NBS. La adición de la NBS se realizará en porciones durante 15 minutos. La NBS es muy irritante para la piel y se deben utilizar guantes para su manipulación.
2. La reacción se puede seguir por cromatografía en placa fina (cromatofolios de gel de sílice, hexano/acetato de etilo 20:1). Para ello, sacar la muestra de la reacción y extraer en un vial pequeño con agua/éter. Pinchar de la fase etérea directamente. En las condiciones de reacción queda trans-estilbeno sin reaccionar al cabo de 30 min. Se discutirán soluciones entre los alumnos para mejorar la conversión.
3. No hace falta filtrar el sólido que aparece durante la extracción (NBS mayoritariamente), a través de celita. Este sólido se puede descartar fácilmente haciéndolo pasar a la fase acuosa.
4. La recristalización debe ser lenta para evitar co-recristalización de trans-estilbeno. La pureza del producto obtenido se determina por p.f. y por C.C.F. Los cristales se lavan con hexano frío.
OXIDO DE TRANS- ESTILBENO Una disolución de 150 mg (0,54 mmol) de bromohidrina en 10 mL de metanol y 125 mg (0,90 mmol) de carbonato potásico anhidro se agita vigorosamente (Nota 5). Cuando la reacción se completa, se añaden 20 mL de agua y se extrae con hexano (2x10 mL). La fase orgánica se seca sobre sulfato magnésico y se elimina el disolvente a presión reducida, aislándose el óxido de trans-estilbeno (Nota 6). Calcular el rendimiento y el punto de fusión. Notas
5. La reacción se puede seguir por C.C.F. (hexano/acetato de etilo, 20:1). Pinchar a los 5 min directamente de la reacción y posteriormente cada 4 o 5 min hasta que la reacción se complete totalmente.
6. La recristalización no es necesaria debido al grado de pureza con que se obtiene el crudo de reacción. Comprobar con el p.f.
Ciaccio J.A., J. Chem. Educ., 1995, 72,1037
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PRACTICA 3
Reacción de Diels-Alder regioselectiva. Síntesis de α-
terpineol
1. INTRODUCCIÓN El objetivo de esta práctica es realizar la síntesis de un producto natural, concretamente
un terpeno (α-terpineol) mediante la secuencia sintética que se muestra en el esquema 1.
Asimismo, se estudiará la regioselectividad de la reacción de Diels-Alder utilizada mediante
modelización molecular (Práctica de Introducción a la Modelización Molecular).
MeMgI
CO2Me OHCO2Me
AlCl3
DCM Et2O
Esquema 1
El terpineol, también llamado terpilenol, es un terpeno ampliamente utilizado en la
industria por su carácter organoléptico. Está presente en diversos aceites aromáticos y su
campo de aplicación es amplio y variado. Su fuerte olor a lila hace que sea utilizado como
perfume en cosmética. También presenta propiedades como pesticida y se utiliza en la
industria minera en la extracción de oro, plata, cobre, wolframio e incluso uranio, debido a su
capacidad de generar espumas que favorecen la flotación de dichos metales y por tanto su
separación de otras sustancias no deseadas. Sus propiedades como desinfectante sirven para
aliviar congestiones asociadas a resfriados en combinación con otras sustancias volátiles. En la
industria textil se utiliza para producir tintes de alta calidad.
En general, el terpineol, como otros terpenos relacionados, suele obtenerse de fuentes
naturales (resinas de coníferas). Muchas de estas sustancias aromáticas, tales como geranial,
nerol, citral, mentol, etc., pueden también prepararse a partir de terpineol, lo cual mejora la
calidad del producto.
Todas estas propiedades hacen que la demanda de terpineol en el mercado sea elevada
y por tanto hacen a su vez de esta sustancia de estructura sencilla un producto muy valioso.
2. – PROCEDIMIENTO (Nota1) SÍNTESIS DE 4-METILCICLOHEX-3-ENILCARBOXILATO DE METILO (Nota 2)
En un matraz de dos bocas de 100 mL provisto de septum, refrigerante y tubo de cloruro
cálcico se introducen 0,68 g (0,005 moles) de tricloruro de aluminio (Nota 3) y 30 mL de
Diclorometano anhidro. A continuación se adicionan lentamente, con una jeringa, 3.8 mL de
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acrilato de metilo. Tras aproximadamente 5 minutos de agitación, se adicionan con una jeringa
gota a gota (aproximadamente en un intervalo de 5 minutos) 4,5 mL de isopreno. La mezcla se
deja agitando toda la noche. Al día siguiente se vierte sobre una disolución de ácido clorhídrico
2 M (aproximadamente 35 mL), la disolución lechosa se decanta y la fase acuosa se extrae con
diclorometano.
Los extractos orgánicos se lavan con agua y se secan sobre sulfato magnésico. El
desecante se elimina por filtración y el disolvente a presión reducida. El residuo es un líquido
ligeramente amarillo que se purifica por destilación a presión reducida obteniéndose un líquido
incoloro de olor persistente. (b.p.17 80-82 ºC). (Nota 4)
Notas
1. Es necesario tener en cantidad suficiente éter etílico y diclorometano anhidros
2. El material utilizado para llevar a cabo la reacción debe estar rigurosamente seco.
Todos los productos deben manipularse en vitrina y las jeringas, guantes y
material utilizado deben dejarse en una caja en la vitrina, para que se evaporen los
restos de producto (las agujas deben dejarse con su funda puesta en el contenedor específico, sólo de agujas). La vitrina debe quedarse funcionando toda
la noche.
Los residuos de lavado deben ser recogidos en una botella debidamente
etiquetada con la indicación de producto maloliente y depositada en la vitrina del
almacén.
3. La manipulación del Tricloruro de Aluminio debe realizarse con guantes, evitando lo
más posible su exposición al aire (El tricloruro de aluminio causa quemaduras y es
irritante a los ojos, la piel y el sistema respiratorio, ya que en presencia de humedad
descompone desprendiendo cloruro de hidrógeno).
4. Debido a la formación de espumas durante la destilación, es conveniente utilizar lana
de vidrio abundante en lugar de astilla (material general), y controlar que no haya
excesivo vacío. El residuo polimérico que queda en el matraz de destilación se disuelve
por tratamiento con diclorometano, seguido de tratamiento con solución concentrada de
NaOH si es necesario.
SÍNTESIS DE 2-(4-METILCICLOHEX-3-EN-1-IL)-PROPAN-2-OL (α-TERPINEOL)
En un matraz de dos bocas de 100 mL provisto de refrigerante de bolas, embudo de
adición y entrada y salida de gases, se introducen 1,21 g (0,05 moles) de magnesio (Nota 1) y
25 mL de éter etílico anhidro bajo atmósfera de argón. A continuación desde el embudo de
adición se añaden unas gotas de yoduro de metilo y la mezcla se agita vigorosamente hasta
que se observa el inicio de la formación del magnesiano (la disolución refluye y el magnesio
comienza a disolverse).Tras varios minutos de agitación sé continua la adición gota a gota del
resto de la disolución de yoduro de metilo (3,1 mL, 0,05 moles) en éter etílico anhidro (15 mL)
de tal forma que se mantenga el reflujo constante. Una vez finalizada la adición, la mezcla se
refluye 30 minutos y se deja enfriar a temperatura ambiente. A continuación se adiciona, gota a
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gota, el éster (3 g, 0,02 moles) disuelto en 10 mL de éter etílico anhidro desde el embudo de
adición (la mezcla refluye vigorosamente durante la adición) y posteriormente se refluye
durante 1 h, tras lo cual se deja agitando a temperatura ambiente hasta el día siguiente
(manteniendo la atmósfera de argon con un globo). La mezcla de reacción se enfría a 0ºC
(baño de hielo) y se adiciona muy despacio (gota a gota) una disolución saturada de cloruro
amónico hasta completar la hidrólisis. Se extrae con éter etílico y los extractos etéreos se lavan
con agua y se secan sobre sulfato magnésico. Tras eliminar el disolvente a presión reducida,
se obtiene un aceite amarillo que se purifica por cromatografía de columna en gel de sílice a
presión media. Encontrar condiciones optimas. (a título orientativo, empezar con Hexano/éter
1:1 y optimizar). Las placas se revelan con I2. También puede destilarse a vacío con lana de
vidrio para dar un aceite incoloro con olor a trementina (b.p15. 94-95 ºC).
Nota 1: La formación del magnesiano es mejor si el Mg una vez introducido en el matraz y con
corriente de Ar, se calienta suavemente con la pistola. A continuación se deja enfriar y
se adiciona el éter anhidro.
L. F. Tietze and T.H. Eiches, “Reactions and Syntheses in the Organic Chemistry
Laboratory”,1989, University Science Book.
20
O OCH3
21
OH
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PRACTICA 4
Introducción a la Modelización Molecular1
La Química Computacional es una disciplina que ha adquirido mucha popularidad en
las ultimas décadas y es usada como una herramienta para comprender mejor los procesos y
reacciones químicas. Permite predecir la estructura y estabilidad de sistemas químicos, estimar
la diferencia de energía entre estados diferentes, explicar el curso de una reacción y su
mecanismo ...etc.
HyperChem 5.1 de Hypercube (el software que se utiliza en esta práctica) es un
programa de modelización molecular muy versátil, y un potente paquete computacional que
dispone de diversos métodos de cálculo de mecánica molecular y mecánica cuántica. 1.- Optimización geométrica de una molécula Para calcular las propiedades de una molécula, se necesita generar en primer lugar
una estructura bien definida que represente un mínimo de energía potencial. HyperChem
cuenta con diversos métodos para realizar la optimización geométrica de una molécula.
Ejemplos de optimización geométrica por mecánica molecular.
O
O
1
a) Dibujar el esqueleto de la molécula 1 en dos dimensiones (2D).
Uso del icono DRAW clic izda. selecciona
clic dcha. borra o deselecciona
b) Introducir los heteroátomos Abrir tabla periódica por doble clic en el icono DRAW o en el menú Build
seleccionar Select Default Element
c) Construir la estructura 3D
Uso del icono SELECT (doble clic) o menú Build ⇒ Add H & Model Build
d) Minimización energética
Elegir el campo de fuerza: menú Setup ⇒ Molecular Machanics ⇒ MM+ ⇒ OK
Optimización geométrica en el nivel elegido:
menú Compute ⇒ Geometry Optimization ⇒
Aparece un cuadro de dialogo donde debe seleccionarse:
Algorithm ..... Polar-Ribiere
RMS gradient ......0.1 kcal/mol
In vacuo
Screen refresh .......1 Cuando todo este correcto seleccionar OK.
1 Todos los cálculos deberán quedar reflejados en el cuaderno de laboratorio.
27
El programa empieza la optimización geométrica y cuando acaba, aparece en la parte
inferior de la pantalla “Converged=Yes” y un valor de la energía en Kcal/mol (no es un calor de
formación).
La geometría obtenida no tiene que corresponder a la conformación más estable de la
molécula. Es la conformación más cercana al dibujo de partida.
e) Medida de distancias y ángulos
Uso del icono SELECT: seleccionar dos átomos contiguos o no (medida de distancia en
Å); seleccionar tres átomos contiguos (medida de ángulo en grados); seleccionar cuatro
átomos ( medida de ángulo de torsión o diedro en grados). Los valores aparecen en la parte
inferior de la pantalla en la barra de tareas.
f) Información sobre los átomos
Menú Display ⇒ Labels
Se elige la información que se desea ( p.e. quiralidad, tipo de átomo, carga ....etc)
g) Visualización de la molécula
Menú Display ⇒ Rendering
Se elige el tipo de visualización ( p.e. bolas, varilla ...etc)
Optimización geométrica de un compuesto bicíclico
N
O
NH2
HbHa
H3C
12
345
6
7
89
10
2
Dibujar la molécula 2 lo mas parecida posible al dibujo anterior, pasar a estructura 3D y
comprobar que tenemos el diastereómero deseado. Si no es así, hacer los cambios necesarios.
Optimizar geométricamente la molécula por Mecánica Molecular (MM+) de manera análoga al
ejemplo anterior.
• ¿Valor de la Energía?
• Determinar la estereoquímica de todos los centros quirales. ¿Qué ocurre con la
quiralidad del átomo 1?
• Comparar y discutir las distancias N-C (1-2 y 3-10)
• Comparar los ángulos : H-C9-C7, C8-C4-C3, y H-C5-C4. Según esto ¿qué tipo de
hibridación tienen respectivamente los carbonos C9, C4 y C5?.
• Medir los ángulos diedros: H-C4-C8-Ha, H-C4-C8-Hb, H-C7-C8-Ha y H-C7-C8-Hb.
28
Análisis conformacional
El análisis conformacional de una determinada sustancia, puede en ciertos casos ser
fundamental a la hora de establecer sus propiedades, sus aplicaciones, su reactividad ...etc. La
optimización geométrica de las diferentes conformaciones de una molécula por giro alrededor
de un enlace sencillo, es un método simple de realizar dicho análisis conformacional.
Estudio conformacional de la bromohidrina del trans-estilbeno
HO
C C
Br
HPh
HPh
a) Dibujar en 2D uno de los enantiómeros (RS) o (SR) (los anillos bencénicos hay que
dibujarlos. Dibujar un ciclohexano plano y hacer doble clic en uno de los enlaces),
que se forman al tratar el trans-estilbeno con N-bromosuccinimida y pasar a 3D
(doble clic en el icono SELECT).
b) Comprobar quiralidad de los carbonos en menú Select ⇒ Label ⇒ Chirality ⇒ OK.
Debe ser RS o SR y si no lo es, debe invertirse la configuración de uno de los
carbonos.
c) Invertir la configuración de un carbono:
- Seleccionar el carbono a invertir
- Menú Select ⇒ Name Selection ⇒ Point ⇒ OK
- Deseleccionar el carbono en cuestión
- Seleccionar los dos sustituyentes del carbono a invertir que queramos
cambien de posición
- Menú Edit ⇒ Invert (si no hay selección, Invert, invierte la totalidad de la
molécula)
- Deseleccionar todo y aplicar de nuevo el Model Build (doble clic en el icono
SELECT)
- Comprobar de nuevo la quiralidad de los carbonos
d) Optimizar geométricamente la estructura por mecánica molecular (MM+). Tomar
nota de la Energía. Medir el ángulo diedro HO-C-C-Br y dibujar en el cuaderno la
conformación obtenida en forma tridimensional y en proyección de Newman.
e) Pasar a otra conformación alternada:
- Seleccionar el ángulo diedro HO-C-C-Br
29
- Menú Edit ⇒ Set Bond Torsion ⇒ entre valor deseado del ángulo en
grados ⇒ OK
- Deseleccionar ángulo diedro, optimizar geométricamente repitiendo el
apartado d)
f) Repetir para la tercera conformación alternada. Los ángulos diedros HO-C-C-Br
seleccionados para las tres conformaciones deben ser –60, +60 y 180º.
¿Cuál es la conformación más estable de las tres?. ¿Cuál es la conformación reactiva en
MeOH/base para formar el epóxido?. ¿Por qué?.
2.- Cálculo de calores de formación y calores de reacción
El calor de formación 0fHΔ de una molécula es la entalpía necesaria para su
formación a partir de sus elementos constituyentes. Medir de forma directa dicho calor de
formación es sólo posible en casos muy sencillos, de modo que para la mayoría de las
moléculas este dato se determina de forma indirecta. La mayoría de los compuestos orgánicos
tienen 0fHΔ negativos, es decir se libera energía cuando se forman a partir de sus elementos
constituyentes. Es una medida de su estabilidad relativa.Por otra parte, a partir de los calores
de formación de los reactivos y de los productos de una reacción, podemos estimar el calor de
reacción de la misma.
aA + bB → cC + dD
( ) ( )( ) ( ) ( )( )BHbAHaDHdCHcH ffffr00000 Δ+Δ−Δ+Δ=Δ
HyperChem estima con un alto grado de fiabilidad los calores de formación de
cualquier molécula orgánica. Para calcular el calor de formación de una determinada molécula,
se requiere un calculo energético por mecánica cuántica (semiempírico o ab initio).
Para ello, previamente se realiza una optimización geométrica por mecánica molecular
(MM+) (ver apartado 1) y a continuación sobre la estructura minimizada se repite el cálculo
semiempírico. Calculo semiempírico:
a) menú Setup ⇒ Semi-empirical ⇒ AM1 ⇒ Options
Total charge: 0 Convergence limit: 0.01
Spin multiplicity: 1 Iteration limit: 50
• RHF • Accelerate convergence
• Lowest
comprobar que estos son los parámetros elegidos y aceptar (OK)
b) Menú Compute ⇒ Geometry Optimization ⇒ aparece el cuadro de dialogo de la
optimización geométrica y las opciones deben ser las mismas que se
seleccionaron para el método MM+ ( ver apartado 1) ⇒ OK
30
c) Crear un archivo para guardar información sobre los cálculos realizados:
Menú File ⇒ Starlog ⇒ nombrar el fichero por ejemplo A:\ benceno.log
(nombre relacionado con la molécula y en el disquete A:) con la opción
Quantum Print Level = 0 ⇒ OK
Menú Compute ⇒ Single Point ⇒ OK
Cuando termina el proceso:
Menú File ⇒ Stoplog
El fichero de extensión .log puede leerse con cualquier editor de texto ( p.e. Microsoft
Word) y contiene todos los parámetros de la minimización, el nº de electrones implicados en el
cálculo, el nº de orbitales y su función de ondas, las diferentes energías consideradas, el calor de formación, el momento dipolar….etc.
o Calcular los calores de formación del BENCENO, del 1,3-CICLOHEXADIENO y del
CICLOHEXENO. Comentar las diferencias.
o Calcular los calores de hidrogenación de:
BENCENO → 1,3-CICLOHEXADIENO
1,3-CICLOHEXADIENO → CICLOHEXENO
o Comentar las diferencias.
3.- Investigando la Reactividad de las Moléculas.
El HyperChem puede ser usado para predecir la reactividad de las moléculas y de sus
grupos funcionales. Un método es usar la Teoría de los Orbitales Frontera. Podemos calcular la
energía de los orbitales moleculares, los coeficientes, las propiedades nodales y con ello
estimar la reactividad relativa de diferentes sustituyentes moleculares, la regioselectividad de
una reacción ..etc. Estos cálculos deben hacerse con los métodos de mecánica cuántica
(semiempíricos o ab initio)
De acuerdo con la teoría de los orbitales frontera, en el caso de una reacción de
cicloadición, como la reacción de Diels-Alder, es necesario establecer que pareja de
orbitalesfrontera (HOMO de un reactivo y LUMO del otro) debe ser considerado.
R2
+
R2
R2
R1 R1 R1
I II
Esquema 1
Es decir, tenemos que establecer si la velocidad de reacción será mayor por interacción
del HOMO del dieno y el LUMO del dienófilo o al revés (LUMO del dieno y HOMO del dienófilo).
31
CHO
OMeHOMO
HOMO
LUMO2,5 eV
-10,9 eV
LUMO0 eV
-8,5 eV
E (eV)
ELUMO -EHOMO = 8,5 eV
ELUMO -EHOMO = 13,4 eV
Esquema 2
El proceso será mas rápido, cuanto menor sea el valor de ΔE = ELUMO - EHOMO de la pareja de
orbitales frontera implicados.
A título de ejemplo, en el esquema 2 se encuentra representado el diagrama de
energías del HOMO y el LUMO del caso concreto del metoxibutadieno y la acroleina, del que
se deduce que la reacción transcurrirá por interacción del HOMO del dieno y el LUMO de la
acroleina
Los programas de modelización molecular, utilizando métodos de mecánica cuántica
(semiempíricos o ab initio) nos permiten estimar las energías de todos los orbitales moleculares
de una determinada molécula. Por tanto podremos conocer las energías del HOMO y el LUMO
de los reactivos y predecir que pareja de orbitales frontera debemos considerar.
En el esquema 1,
observamos que en la cicloadición
planteada existe la posibilidad de
formación de dos aductos
diferentes. La explicación de la
regioselectividad del proceso (uno
de ellos se forma
preferentemente) puede ser
justificada por los coeficientes de
los orbitales atómicos del dieno y
del dienófilo.
Los coeficientes de los
orbitales atómicos que
contribuyen a la formación del
HOMO y el LUMO influyen en la
regioselectividad, la
locoselectividad y la
periselectividad de las reacciones de cicloadición. Los coeficientes son una medida de la
contribución de cada orbital atómico al orbital molecular correspondiente. Centrándonos solo en
la regioselectividad, si miramos los coeficientes de los orbitales atómicos de un dieno
monosustituido y de un dienófilo también monosustituido encontraremos una distribución
asimétrica y diferente en los extremos (esquema 3). El tamaño de los círculos es proporcional
al tamaño de los coeficientes. Los círculos representan los lóbulos de los orbitales p sobre el
plano del papel y el color su signo.
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HOMO HOMOCHO
CHO
OMe OMe
LUMO LUMO
A B
Esquema 3
La teoría de los orbitales frontera demuestra que la interacción estabilizante es grande-
grande/pequeño-pequeño (opción A, esquema 3) y que el producto que se forma
mayoritariamente en este caso es el compuesto I (Esquema 1).No obstante, no hay que olvidar
que el signo es un factor más importante que el tamaño.
Síntesis del α-Terpineol.
La síntesis del α-Terpineol realizada en el laboratorio (Práctica 3) se comenzó con la
reacción de Diels-Alder entre el isopreno y el acrilato de metilo, para en una segunda etapa
acceder al producto.
COOMe COOMe
+
1
4
1
2
En el presente ejercicio:
Calcularemos en primer lugar las energías del HOMO y el LUMO del isopreno y el
acrilato de metilo.
De acuerdo con las energías, seleccionaremos la pareja de orbitales frontera a
considerar.
Considerando los coeficientes de los orbitales atómicos de los carbonos 1 y 4 del
dieno y 1 y 2 del dienófilo (de los orbitales frontera considerados), predeciremos
que regioisómero debe formarse preferentemente y comprobaremos si coincide con
el obtenido experimentalmente en la Práctica 3
Cálculo de orbitales moleculares.
a) Dibujar el isopreno en 2D. Pasar a 3D y comprobar que es el confórmero S-cis. Si
tenemos el S-trans, cambiar girando el enlace central
b) Optimizar geométricamente por mecánica molecular con el método MM+ (Apartado
1).
c) Comprobar numeración asignada por el programa a cada átomo y tomar nota:
Display ⇒ Label ⇒ Number ⇒ OK
33
d) Optimizar geométricamente por mecánica cuántica con AM1 como se indico en el
apartado 2a y 2b
e) Crear un archivo .log:
Menú File ⇒ Starlog ⇒ nombrar el fichero por ejemplo A:\ isopreno.log
con la opción Quantum Print Level = 1 ⇒ OK
Menú Compute ⇒ Single Point ⇒ OK
Cuando termina el proceso:
Menú File ⇒ Stoplog
f) Menú Compute ⇒ Orbitals ⇒ aparece un cuadro de dialogo que nos da los valores
de los orbitales:
Al señalar con el ratón sobre las líneas que representan los niveles energéticos, vemos
a la izquierda la energía de cada orbital en eV y tomaríamos nota del HOMO y del LUMO. Al
pulsar OK, veremos la representación 3D del correspondiente orbital. Si marcamos “Labels”
nos situará los electrones en los orbitales ocupados... etc. Probar y ver las distintas opciones,
ensayando antes de comenzar el ejercicio siguiente.
Repetir el proceso para el acrilato de metilo.
En Microsoft Word abrir el fichero a:\isopreno.log y buscar en el orbital HOMO y LUMO
los coeficientes de los orbitales atómicos 2pz de los carbonos 1 y 4 del dieno (o el nº que les
haya asignado el programa) y apuntar su valor. Repetir el proceso con el fichero a:\acrilato de
metilo.log
Representar en el cuaderno unos esquemas similares al 2 y al 3 con los datos
obtenidos y predecir que regioisómero debe formarse preferentemente. ¿Es el que se obtiene
experimentalmente?.
34
PRACTICA 5
Medida de la Polaridad de Disolventes. fectos solvatocrómicos
1. INTRODUCCIÓN Cuando se emplea el término “polaridad” referido a un determinado disolvente, la
mayoría de los químicos saben, de forma intuitiva, lo que éste significa. Sin embargo, la
caracterización de los disolventes mediante su polaridad es todavía un problema no totalmente
resuelto. Por polaridad puede entenderse: a) el momento dipolar permanente de un compuesto
(propiedad microscópica), b) su constante dieléctrica (propiedad macroscópica) y c) la suma
de todas las propiedades moleculares responsables de las interacciones disolvente-soluto
(electrostáticas, enlaces de hidrógeno, etc.).
Se han elaborado numerosos procedimientos para cuantificar la polaridad de los
disolventes. Uno de ellos está basado en los efectos solvatocrómicos que muestran algunas
sustancias. El término “solvatocromismo” se emplea para describir el cambio pronunciado en la
posición (y en ocasiones en la intensidad) de una banda de absorción en el espectro UV/Vis (p.
ej. una banda de TC (transferencia de carga)) al variar la polaridad del medio (disolvente). Un
desplazamiento hipsocrómico (hacia el azul, ↓λ) de la banda, al aumentar la polaridad del
disolvente, recibe el nombre de solvatocromismo negativo. En cambio, un desplazamiento
batocrómico (hacia el rojo, ↑λ) de la banda, corresponde a un solvatocromismo positivo.
El sentido del efecto solvatocrómico en cada sustancia depende de los momentos
dipolares (μf y μe) del estado fundamental (Sf) y del estado excitado (Se). Al aumentar la
polaridad del disolvente se estabiliza en mayor medida el estado más polar. Si μf > μe, el
compuesto mostrará un solvatocromismo negativo, mientras que si μf < μe, el solvatocromismo
será positivo.
Se
μf > μe y Polaridad del disolvente Estabiliza Sf
Sf
Se
μf < μe y Polaridad del disolvente Estabiliza Se
Sf
Por tanto, el máximo de absorción (λmax) de determinados compuestos puede emplearse
para determinar la polaridad de disolventes dada la correlación lineal que existe entre λmax y la
polaridad. Éste es el objetivo de la práctica, para lo cual se van a emplear dos compuestos que
ΔE λ
Solvatocromismo ⊝
ΔE λ
Solvatocromismo ⊕
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muestran marcados efectos solvatocrómicos: la betaína de Reichardt (1) y el azul fenol (2).
Cada una de estas sustancias se ha empleado para establecer diferentes escalas de polaridad:
la ET(30) en el caso de 1, y la escala π* en el caso de 2.
N
O
O
N
NCH3H3C
1 2
En esta práctica se pretende determinar experimentalmente la polaridad de una serie de
disolventes basándose en los efectos solvatocrómicos que muestran los compuestos 1 y 2.
2. PROCEDIMIENTO
Parte A: DETERMINACIÓN DE LA POLARIDAD DE DISOLVENTES EMPLEANDO EL REACTIVO DE REICHARDT Disolventes: MeOH, EtOH, i-PrOH, CH3CN, CH3COCH3, CH2Cl2, CHCl3
Pipetear 5 mL de disolvente en un vial y añadir una punta de espátula (< 1 mg aprox.) de
reactivo de Reichardt. Una vez disuelto el colorante, con una pipeta Pasteur introducir 3 o 4
gotas de la disolución en la cubeta de UV y terminar de llenar con disolvente. Medir el máximo
de la banda de absorción de cada disolución con el espectrofotómetro UV. La polaridad de
cada disolvente viene dada por la expresión:
ET(en kcal mol-1) = 28591/λmax(nm)
donde λmax es la longitud de onda del máximo de absorción determinado experimentalmente y
ET la energía de transición. Finalmente se ordenan los disolventes estudiados por orden de
polaridad según la escala ET.2
Parte B: DETERMINACIÓN DE LA POLARIDAD DE DISOLVENTES EMPLEANDO AZUL FENOL Disolventes: Hexano, CH3COCH3, CH2Cl2, CHCl3, CH3CN, MeOH, EtOH, CH3COOEt
2 Disolventes como el agua (ET = 63.1; λmax = 453 nm) o el difeniléter (ET = 35.3; λmax = 810 nm) dan lugar a disoluciones incoloras. El anisol (ET = 37.1; λmax = 769 nm), da lugar a una disolución amarilla.
36
Pipetear 5 mL de disolvente en un vial y añadir una punta de espátula (<1 mg aprox.) de
azul fenol. Una vez disuelto el colorante, con una pipeta Pasteur introducir 3 o 4 gotas de la
disolución en la cubeta de UV y terminar de llenar con disolvente. Medir el máximo de la banda
de absorción de cada disolución con el espectrofotómetro UV. Con los datos de la Tabla 1
dibujar una gráfica, representando π* frente a λmax, e interpolando los valores de λmax obtenidos
experimentalmente determinar los valores de π* de cada disolvente.
π* es la polaridad intrínseca del disolvente
Tabla 1
Disolvente Cl4C Et2O Tolueno THF Anisol
π* 0.28 0.27 0.54 0,58 0,72
λmax(nm) 561 558 569 575 582
Completar la Tabla 2 con los datos obtenidos y comentar cual de las dos escalas es
más o menos acorde con el momento dipolar o la constante dieléctrica de los disolventes
estudiados.
Tabla 23
Hexano CHCl3 AcOEt CH2Cl2 PriOH CH3COCH3 EtOH MeOH CH3CN H2O
ε 1,89 4,80 6,02 9,08 18,30 20,70 24,30 32,63 38,80 78,54
μ 0 1,01 1,78 1,60 1,66 2,88 1,69 1,70 3,92 1,85
ET(30)
π*
5. Cuestiones 1.- ¿Qué tipo de solvatocromía presentan los compuestos 1 y 2 empleados en la práctica?.
2.- Comente el orden de polaridad obtenido en los experimentos. ¿Coincide con la idea
intuitiva que tenía sobre esta cuestión?.
3.- ¿Cuál de los dos colorantes es más sensible para la determinación de la polaridad de
disolventes?.
4.- ¿Por qué no puede emplearse el compuesto 1 para determinar la polaridad del ácido
acético?.
5.- Los valores de los disolventes H2O (π* = 1.09; λmax = 656), MeOH (π* = 0.60; λmax = 610)
y EtOH (π* = 0,54; λmax = 610) se desvían sensiblemente del comportamiento general, en
el segundo experimento. ¿A qué es debido este hecho?. Bibliografía C. Reichardt “Solvents and solvent effects in Organic Chemistry”, VCH, 1990.
O. W. Kolling Anal Chem. 1981, 53, 54.
M. J. Kamlet, J.-L. M. Abboud, M. H. Abraham, R. W. Taft J. Org. Chem. 1983, 48, 2877
3 Los valores de μ y de ε han sido obtenidos de: Handbook of Chemistry and Physics de CRC Press y The Merck Index, 12 ed. 1996.
