SUSTITUCIONES NUCLEOFÍLICAS y...

Derivados halogenados:Reacciones de Sustitución Nucleofílica

y Eliminación

Cátedra Química Orgánica I

Facultad de Farmacia y Bioquímica. UBA

2012

Dra. M. Gabriela Lorenzo

Dra. María Gabriela Lorenzo2

Solventes Halogenados

¿Qué compuestos halogenados conocemos?

PRODUCTO GENERAL

ESPECIFICOS

HIDROCARBUROS ALIFATICOS

Cloroformo, Cloruro de Metileno, Tricloroetileno, Tetracloruro de Carbono, Triclorotrifluoretano, Bromometano, Iodometano

HIDROCARBUROS AROMATICOS

Clorobenceno, Diclorobenceno, Diclorofenol, Bromobutano, Bromotolueno, Clorotolueno, Hexafluorobenceno, Iodobenceno

- La sigla PCB (PolyChlorinated Biphenyls = Bifenilos Policlorados). Se la usa en forma genérica la sigla en inglés - en casi todos los idiomas - no sólo para los bifenilos sino también para otros compuestos halogenados aromáticos relacionados con ellos, como p. ej.los Terfenilos Policlorados, Difenilos Policlorados, etc. Los PCB son una clase de compuestos químicos orgánicos clorados (organoclorados) de muy alta estabilidad, no corrosivos y muy baja inflamabilidad, que se comenzaron a elaborar por primera vez en 1929 a escala comercial.


Usos de los derivados halogenados

- Líquidos refrigerantes

El Teflón (PTFE), patentado por la multinacional DuPont, es un polímero similar al polietileno, en el que los átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos flúor. La fórmula química del monómero, tetrafluoroeteno, es CF2=CF2.


http://es.wikipedia.org/wiki/Polietileno

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Fl%C3%BAor

http://es.wikipedia.org/wiki/Mon%C3%B3mero

R

H

H

H

H

X

R

HH

H

HNu

Nu

Base R

H

H

H

Sustitución

Eliminación

Reacciones de Sustitución y de Eliminación


SustratoProductos

1- ¿Cuáles pueden ser los sustratos?2- ¿Qué átomos o grupo de átomos puede ser X?3- ¿Qué relación existe entre el nucleófilo y la base?4- ¿Cuál será el tipo de reacción predominante?

Sustitución Nucleofílica

• Cualquier reacción en la cual un nucleófilo(Nu:-) es sustituido por otro y X es un grupo saliente.

• Reacción ácido-base donde:

–el Nu:- es la base Lewis, dona un par de electrones para formar un nuevo enlace covalente (OH-, CH3CH2O

-, NH3)

–el electrófilo es el ácido Lewis



Ejemplos de Reacciones SN

¿Conocen algún otro Nu?

Ejemplos de Nucleófilos


1-¿Por qué el OH- es mejor Nuque el H2O?2- ¿Por qué los derivados del amoníaco no son tan buenos nucleófilos como los alcoxilos?

• Concentración de la carga negativa

• Relación con la basicidad (del Nuy de su base conjugada)

• Impedimento estérico del Nu

• Solvatación

Factores que inciden sobre la nucleofilicidad

Nucleofilicidad de haluros


1- ¿Cómo explica los órdenes dados?2- ¿Por qué varía el orden con el tipo de solvente?

Carácter Nucleofílico


Nucleofilicidad vs Basicidad

Solventes para las reacciones de sustitución nucleofílica


Constante dieléctrica: Medida de la habilidad del solvente para aislar cargas opuestas.

≥ 15 Solventes POLARES< 15 Solventes NO-POLARES

Próticos

–Dona un ión hidrógeno.–Los más comunes contienen el grupo OH. Ejemplo:

•H2O•Alcoholes de bajo peso molecular

Apróticos

–No pueden donar iones hidrógeno.–No tienen H enlazados a átomos electronegativos.–Ejemplo•Diclorometano(CH2Cl2)•Éter etílico

Ejemplos de solventes


próticos apróticos

Nucleofilicidad de solventes apróticos

• Estos solventes son efectivos para solvatarcationes, los pares de electrones en los átomos de O y N actúan como bases de Lewis:

– Acetona

– acetonitrilo

• Los aniones son pobremente solvatados en estos solventes por lo que participan libremente en reacciones de sustitución nucleofílica

• F->Cl->Br->I-


Ejercicio 1, p. 68

1) El producto principal de la mezcla de la reacción del (R)-2-bromooctano

con NaOH es el (S)-2-octanol.

a) Formule la ecuación de la reacción mencionada. ¿Qué tipo de reacción es?

b) ¿Qué hecho estereoquímico puede deducir a partir de los datos

experimentales proporcionados por la transformación?

c) Experimentalmente se observa que la velocidad de reacción depende de la

concentración de cada uno de los reactantes. Sobre la base de estos

resultados experimentales, escriba la expresión de velocidad para esta

transformación.

d) Plantee un mecanismo probable que permita la interpretación de los

resultados experimentales observados.

e) Esquematice el diagrama energético correspondiente al mecanismo

postulado formulando las especies presentes en cada punto de inflexión.


SN2


Velocidad de una reacción SN2

Estereoquímica de una reacción SN2

1. ¿Cómo es la estereoquímica de una reacción SN2

2. Analice la reacción que se presenta a continuación. Indique la configuración de los compuestos. ¿Qué puede decir respecto de la estereoquímica de la reacción en este ejemplo?


Cl

CH3

H

OCH3 NaCN

CH3

CN

H

OCH3

4) La reacción del R-3-cloro-3-metilhexano con propanol rinde una mezcla de

productos siendo un éter su componente principal.

a) ¿Cuál es la fórmula estructural y el nombre del éter obtenido?

b) ¿A qué tipo de reacción corresponde la transformación observada?

c) Experimentalmente se observa que la velocidad depende

EXCLUSIVAMENTE de la concentración del derivado halogenado. Sobre

la base de estos resultados experimentales, escriba la expresión de

velocidad de esta transformación.

d) Proponga un mecanismo para interpretar la reacción teniendo en

cuenta que, además, se observa racemización parcial como resultado

estereoquímico. Plantee el diagrama energético correspondiente

e) ¿Qué función cumple el alcohol en esta reacción? Justifique su

respuesta.


Ejercicio 4, p. 69

SN1


Velocidad de una reacción SN1

Estabilidad de carbocationes

2) La reacción de 1-bromopropano con etóxido de sodio en DMSO está constituida por 91% de etil propil éter y 9% de propeno.

• a) Indique tipo de reacción en cada caso

• b) Plantee el mecanismo probable para interpretar la reacción de formación del alqueno.

• c) Si se cambia el sustrato de la reacción por 1-bromo-2-metilpropano, se observa que el rendimiento del compuesto insaturado aumenta a 60%. ¿Cuál es el alqueno obtenido en este caso? ¿Cómo puede explicar este hecho experimental?

3) El tratamiento de cualquiera de los enantiómeros (R,R) o (S,S) del 1-bromo-1,2-difenilpropano con KOH/ol rinde un alqueno de configuración Z.

• a) Escriba la fórmula del alqueno obtenido. Indique tipo de reacción

• b) Plantee un mecanismo que permita explicar la formación del producto y su configuración.

• c) Si se plantea la misma reacción partiendo de cualquiera de los enantiómeros (R,S) o (S,R), ¿cuál será la configuración del alquenoresultante?


Ejemplos de ejercitación

Reacciones de Eliminación

• Aparecen cuando el nucleófilo se comporta como base y compiten con la SN

• En general las altas temperaturas favorecen la Eliminación.

• Mecanismos:

– E1 (eliminación unimolecular)

– E2 (eliminación bimolecular)


1) Las reacciones de Eliminación: ¿Son regioselectivas? ¿Son estereoselectivas? ¿Son estereoespecíficas? Explique utilizando un ejemplo apropiado.

2) ¿Cómo es la estereoquímica de las reacciones de Eliminación? ¿Existen diferencias entre la E1 y la E2?

3) ¿Puede haber reordenamientos en una reacción de Eliminación? ¿De qué depende?

4) La obtención de alquenos por deshidratación de alcoholes es una reacción de eliminación. ¿Cuál? Plantee detalladamente su mecanismo.

Ejemplo de reacciones de E


Producto E2


La reacción de Eliminación normalmente compite con la Sustitución, sin embargo no hay posibilidad de eliminación si no hay H en posición Beta

Mecanismo E1


• ¿Qué sustratos pueden sufrir reacciones de E1? Formule un ejemplo de cada uno.

• Dadas las siguientes proposiciones relativas a una reacción de eliminación unimolecular E1:

I. Se forma como intermediario un carbocatión.

II. El primer paso de la reacción se ve favorecido por solventes polares.

III. Las bases fuertes aceleran la reacción.

IV. En su transcurso se producen reordenamientos moleculares hacia estructuras más estables.

V. La facilidad para actuar como grupo saliente en estas reacciones es Cl > Br > I

Son correctas:

a) I, III y IV

b) II, III y V

c) I y IV

d) I, II y IV

e) III y V


Un ejercicio diferente para practicar

Mecanismo E2


Orientación de la Eliminación. Regla de Saytzeff


• Dadas las siguientes proposiciones relativas a una reacción de eliminación bimolecular E2:I. Se ven favorecidas por altas concentraciones de base.II. No se producen transposiciones en el transcurso de estas

reacciones.III. La velocidad de estas reacciones disminuye al aumentar la

temperatura.IV. Una base voluminosa como el terbutóxido de sodio

favorece una reacción E2 sobre la competitiva SN2.V. Las reacciones E2 muestran una cinética de primer ordenVI. Las reacciones E2 son estereoespecíficasSon correctas:

a) I, II yIIIb) III y Vc) I, II, IV y VId) I, III, V y VIe) II, IV y VI


Un ejercicio diferente para practicar

5) Analice y justifique las siguientes observaciones experimentales empleando

las fórmulas correspondientes:

a) La velocidad de la reacción del 1-cloro-3-metil-2-buteno en agua es

1000 veces mayor que la del 1-cloro-2-buteno en el mismo medio.

b) El producto de la primera reacción es una mezcla de 1-hidroxi-3-metil-

2-buteno y de 2-hidroxi-2-metil-3-buteno.

c) La escasa reactividad del cloruro de vinilo frente a la misma reacción.

6) La reacción de los halogenuros de alquilo con AgNO3/ol es de suma utilidad

ya que permite la caracterización de este tipo de compuestos.

a) Dadas las características de esta reacción, ¿qué tendría que

visualizar?

b) ¿Cómo ordenaría los siguientes derivados halogenados de acuerdo

a la velocidad de reacción con AgNO3/ol? Cloruro de ter-butilo, cloruro

de vinilo, cloruro de isopropilo, cloruro de alilo, cloruro de n-pentilo.

c) ¿Cómo justifica el ordenamiento propuesto? Formule las estructuras

de los intermediarios de reacción.


Ejemplos de ejercitación


RX + :Nu- RNu + X-

RX + NuH RNu + XH

SN1 SN2

ETAPAS 1) R:X LENTO R++ :X-

carbocatión

2) R+ +Nu- RÁPIDO RNu

o R+ + Nu RNu+

R:X + Nu- RNu + X-

o R:X + :Nu RNu+ + X-

CINÉTICA v=k[RX] (1erorden) v=k[RX] [:Nu] (2doorden)

ET DEL PASO

LENTO

d+ d-

C ------ :X

d- d-

:Nu ---- C ----X (con Nu-)

MOLECULARIDAD Unimolecular Bimolecular

ESTEREOQUÍMICA Inversión parcial Inversión (ataque por la retaguardia)

REACTIVIDAD:

Estructura de R

Factor

determinante

Naturaleza de X

Efecto del solvente

sobre la velocidad

3o > 2o > 1o > CH3

Estabilidad de R+

RI > RBr > RCl > RF

Aumenta en solventes

polares próticos

CH3 > 10 > 2o > 3o

Impedimento estérico de R

RI >RBr > RCl > RF

Aumenta en solventes pola-

res apróticos

EFECTO DEL

NUCLEÓFILO

RX reacciona con nucleó-

filos débiles (generalmen-

te solventes)

RX reacciona con nucleófi-

los fuertes. La velocidad de-

pende del carácter nucleofí-

lico:

I- >Br-> Cl- ; RS-> RO-

COMPETENCIA Eliminación (E1 ) Eliminación (E2 ), especial-

mente RX 30 con bases fuertes

POSIBILIDAD DE

REORDENAMIENTO

SÍ NO

DESPLAZAMIENTOS NUCLEOFÍLICOS TIPO SN1 y SN2


REACCIONES DE ELIMINACIÓN E1 y E2, INDUCIDAS POR BASES

E1 E2

ETAPAS

Uno:

ESTADO DE

TRANSICIÓN

d+ d-

H C C X

CINÉTICA V=k[RX] (1erorden)

La ionización determina la velocidad

V=k[RX].[:B-] (2doorden)

MOLECULARIDAD Unimolecular Bimolecular

ESTEREOQUÍMICA No estereoespecífica Eliminación anti

REACTIVIDAD:

Estructura de R

Factor determinante

Naturaleza de la base

Concentración de la base

RX 30 > 2o > 1o

Estabilidad de R+

Débil

Baja

RX 30 > 20 > 10

Estabilidad del alqueno.

(Regla de Saytzeff)

Fuerte

Alta

POSIBILIDAD DE

REORDENAMIENTO

Sí No

COMPETENCIA SN1 SN2

Resumen

RX Nu D Nu F

1º - SN2

2º SN1 + E1 SN2 + E2

3º SN1 (E1) E2

Bencílico/Alílico SN1 SN2

Arílico/Vinílico - -

Paso limitante C+ (reord.) Edo Trans. C pentav.

Dependencia Ef. Electrónicos (I y M)

Ef. Estéricos

Estereoquímica Racemización (p.) SN2: InversiónE2: anti periplanar

Orden 1 2


Bibliografía

• Bruice, P. (2008). Química Orgánica. (5TA Edición).

• Brunet, E. La química orgánica transparente. (lecciones)

• http://www.uam.es/departamentos/ciencias/qorg/docencia_red/qo/l00/pral.html (visitado 28/03/2012)


http://www.uam.es/departamentos/ciencias/qorg/docencia_red/qo/l00/pral.html



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