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TEMA 6
DERIVADOS HALOGENADOS
Haluros de alquilo
Haluros de arilo
Haluros de alquenilo
En este capítulo sólo estudiaremos los haluros de alquilo, es decir, los compuestos donde el halógeno está unido a un carbono sp3
Los compuestos halogenados son de uso corriente en la vida cotidiana: disolventes, insecticidas, intermedios de síntesis, etc.
No es muy común encontrar compuestos de origen natural que sólo tengan halógenos pero sí con otras funciones. Hay algunos importantes (TIROSINA).
1.- NOMENCLATURA
En la nomenclatura de la IUPAC el halógeno se considera como un sustituyente, con su número localizador, de la cadena carbonada principal. Sólo en casos especialmente sencillos los compuestos pueden nombrarse como halogenuros de alquilo
2-Bromo-2-metilpropano (bromuro de terc-butilo)
(2-Iodopropil)-cicloheptano
trans-1-Bromo-2-clorociclohexano
1,1,1-Trifluor-3-cloro-
4,7-dimetiloctano
2.- PROPIEDADES FÍSICAS
Punto de ebullición de algunos halogenoalcanos
Los haloalcanos tienen puntos de ebullición
mayores que los correspondientes
alcanos
C 2.5
F 4.0
Cl 3.0
Br 2.8
I 2.5
Electronegatividad
Tienen las propiedades físicas que podemos esperar para compuestos de baja polaridad, cuyas moléculas se mantienen juntas por fuerzas de Van der Waals o por atracciones dipolares débiles
Tienen puntos de fusión y de ebullición relativamente bajos, y son solubles en disolventes no polares e insolubles en agua
Los haluros de alquilo son más densos que
el agua
los halogenuros de alquilo son insolubles en agua, tal vez porque no son capaces de establecer puentes de hidrógeno.
Son solubles en los disolventes orgánicos típicos, de baja polaridad, como benceno, éter, cloroformo o ligroína
La fortaleza del enlace C-halógeno (C-X) decrece según descendemos en el SP
Halometano Longitud (Å) (D) Fortaleza (kcal/mol)
CH3F 1.39 1.81 110
CH3Cl 1.78 1.86 85
CH3Br 1.93 1.78 71
CH3I 2.14 1.64 57
El enlace C-X está muy polarizado y, por ello, el carbono unido al halógeno en un haloalcano es un punto importante de reactividad
3.- REACTIVIDAD
Resultado del ataque con NaOH al (R)-2-Bromooctano puro
Interpretación del experimento
Estos resultados permiten hacer las siguientes deducciones lógicas:
•El halógeno se ha sustituído por un grupo OH en su mayor parte.
•El halógeno se ha eliminado en una pequeña parte. Este proceso parece complejo porque se forma una mezcla de varios alquenos u olefinas.
•La configuración del alcohol es mayoritariamente S, la contraria del haluro de alquilo de partida. Por tanto, la reacción de sustitución se ha producido mayoritariamente con inversión de la configuración.
•Se ha obtenido una pequeña cantidad de alcohol R, lo que sugiere que ha ocurrido un pequeño porcentaje de racemización.
•La velocidad de reacción depende de los dos reactivos, haluro de alquilo y nucleófilo. Ambos deben intervenir en la etapa limitante de la velocidad.
3.1.- SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA BIMOLECULAR SN2
Formación del producto mayoritario, (S)-2-octanol
El OH- (nucleófilo) ha atacado al carbono que soporta el halógeno (grupo saliente) por el lado opuesto al que se va este último. Esta es la única manera de producir inversión en la configuración
Sustrato Nucleófilo Producto G. saliente
clorometano
hidróxido
metanol
cloruro
iodoetano
metóxido
etil metil éter
ioduro
2-bromobutano
ioduro
2-iodobutano
bromuro
1-iodo-2-metilpropano
cianuro
3-metilbutanonitrilo
ioduro
bromociclohexano
metilsulfuro
ciclohexil metil tioéter
bromuro
2-iodo-4-metilpentano
amoníaco
Ioduro de 2-(4-metil)pentilamonio
ioduro
bromometano
trimetilfosfina
bromuro de tetrametil- fosfonio
bromuro
Cinética, mecanismo y estereoquímica de SN2
La cinética de la reacción de sustitución nucleófila del (R)-2-bromooctano con hidróxido sódico es de segundo orden.
Velocidad = k[ C8H17Br ][ OH- ] mol·L-1·s-1
Una reacción que sigue tal cinética se dice que es bimolecular porque sugiere que ambos, sustrato y reactivo nucleófilo, intervienen en el ET
de la reacción que da lugar a los productos.
El ataque del nucleófilo y la expulsión del grupo saliente tienen que estar sincronizados de algún modo.
Estado de
Transición
En el estado de transición de SN2 el carbono que sufre el ataque está momentáneamente pentacoordinado, en hibridación sp2
Se inicia el ataque. El nucleófilo debe aproximarse por el lado contrario del grupo saliente. Un orbital del nucleófilo interacciona con el lóbulo pequeño del orbital sp3 del carbono al que se une el
grupo saliente. Sólamente esta aproximaxión da lugar a un choque efectivo.
Se llega al estado de transición (ET), máximo de energía en el curso de la reacción. El carbono atacado está pentacoordinado, en
hibridación sp2. Su orbital p remanente mantiene enlaces transitorios con el nucleófilo y el grupo saliente. Los grupos R están
en un plano.
La tensión del ET se libera al desprenderse el grupo saliente. El carbono recupera la hibridación sp3 inicial. La configuración del
carbono que ha sufrido la reacción se ha invertido.
La reacción SN2 será más fácil si se efectúa sobre un sustrato que contiene un buen grupo saliente
Un grupo buen saliente debe poseer una basicidad muy moderada
Grupo pKb Grupo pKb
I- 19.2 CN- 4.8RSO3
- 16-19 CH3S- 4.0Br- 18.7 CH3O- -1.5Cl- 16.2 HO- -1.7
H2O 15.7 NH2- -21
F- 10.8 CH3- -36
CH3COO- 9.3
Buenos
Malos Muy malos
Grupo saliente
¿Por qué un grupo es más o menos básico?.
Un grupo que sea capaz de acomodar su densidad electrónica será poco básico y, por tanto, buen grupo saliente
•El tamaño
Cuanto mayor es el tamaño del átomo que soporta la carga negativa, más dispersada y estable se encuentra ésta y menos básica es la especie. Este es
el factor que predomina en los haluros: mayor tamaño I- > Br- > Cl- > F- menor tamaño base débil I- < Br- < Cl- < F- base fuerte
mejor saliente I- > Br- > Cl- > F- peor saliente
•La electronegatividad
Comparando átomos de la misma fila del sistema periódico, cuanto mayor es la electronegatividad del átomo que soporta la carga negativa, menos básico y mejor grupo saliente (en los haluros predomina el efecto de tamaño porque de
uno a otro cambiamos de fila del sistema periódico). mal saliente F- > HO- > NH2
- > CH3- pésimo saliente
•La deslocalización por resonancia
La resonancia permite la deslocalización de la carga y su estabilización. Por ello los sulfonatos son bases muy débiles y buenos grupos salientes.
Los factores que aumentan la estabilidad electrónica de una especie son:
La reacción SN2 será más fácil si se efectúa con un buen nucleófilo atacante. ¿Qué hace que un nucleófilo sea bueno?.
•La carga
Entre un par de nucleófilos que contienen el mismo átomo reactivo, la especie con carga negativa neta es la más reactiva:
•La electronegatividad La nucleofilia aumenta al disminuir la electronegatividad del átomo reactivo:
•La solvatación La solvatación, es decir, la interacción entre el nucleófilo y el disolvente,
modifica e invierte incluso la relación aparente nucleofilia-basicidad.
La habilidad para ser buen grupo saliente sí se puede relacionar con la basicidad porque los dos son procesos termodinámicos.
Sin embargo, la nucleofilia es un proceso cinético.
A primera vista, nucleofilia y basicidad parecen estar directamente relacionadas, pero:
Cuanto más concentrada esté la carga en el átomo reactivo, mayor será en principio su nucleofilia, pero mayor su interacción con el disolvente, y éste actúa como pantalla disminuyendo la nucleofilia
Por tanto, la naturaleza del disolvente es de primordial importancia en una reacción de sustitución nucleófila.
Hay dos tipos fundamentales de disolventes:
•Próticos
Tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por ello, forman enlaces de hidrógeno con el nucleófilo. Dan lugar a solvatación fuerte, enmascaran la nucleofilia y las reacciones se ralentizan.
•Aproticos
No tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por ello,no forman enlaces de hidrógeno. La solvatación es débil y las
reacciones se aceleran.
Efecto del disolvente en la SN2
Disolvente Carácter Vel. relativaCH3OH metanol
prótico 1
HCONH2 formamida
prótico 12.5
HCONHCH3 N-metilformamida
prótico 45.3
HCON(CH3)2 N,N-dimetilformamida
(DMF)aprótico 1.2·106
La reacción se produce mucho más rapidamente en DMF, disolvente que no contiene hidrógenos que pueden asociarse con el disolvente. Los
hidrógenos de la formamida, su N-metilderivado y del metanol se asocian fuertemente por enlace de hidrógeno al cloruro, retardando
considerablemente la reacción.
POLAR Disolventes Próticos
Cte. Dieléctrica a 25ºC
Disolventes apróticos.
H2O 81
HCO2H 59
45 (CH3)2SO (DMSO)
39 CH3CN
37 HCON(CH3)2 (DMF)
CH3OH 33
30 HMPA
CH3CH2OH 24
23 (CH3)2CO (Acetona)
(CH3)2CHOH 18
(CH3)3COH 11
7 THF
CH3CO2H 6
4 (C2H5)2O (éter)
2 n-C5H12; C6H6; Ccl4
NO POLAR(APOLAR)
Efecto estéricos en la SN2
La reacción SN2 es muy sensible a impedimentos estéricos ya que su ET es una bipirámide trigonal y hay, por tanto, cinco grupos muy próximos entre sí.
R1 R2 R3 krel
H H H 145H H CH3 1
H CH3
CH37.8·10-
3
CH3
CH3
CH3 < 5·10-4
H H CH2CH3 0.80
H H CH2CH2CH3
0.82
H H CH(CH3)23.6·10-
3
H H C(CH3)31.3·10-
5
El aumento de los sutituyentes en el carbono reaccionante ocasiona una
disminución drástica de la velocidad de reacción.
El alargamiento lineal de la cadena de uno de los sustituyentes del carbono
reaccionante disminuye sólo ligeramente la velocidad.
La ramificación de una de las cadenas sustituyentes en posición contigua al
centro reactivo disminuye severamente la velocidad de reacción.
3.2.- SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA UNIMOLECULAR SN1
¿Cómo se obtiene la pequeña cantidad de (R)-2-octanol?
La sustitución nucleófila unimolecular (SN1) explica la formación de una pequeña cantidad de (R)-2-octanol.
El enlace C-Br del 2-bromooctano esta muy polarizado hacia el bromo, más electronegativo.
La presencia del disolvente polar puede provocar la ruptura de este enlace. Los iones
resultantes quedarán más o menos separados por el disolvente.
El carbocatión formado es plano. El carbono está hidridado sp2. El orbital p vacío,
perpendicular al plano del carbocatión, puede ser atacado con igual probabilidad por sus dos
lóbulos.
El ataque del nucleófilo por un lado u otro da lugar a los dos enantiómeros posibles. Como el
ataque a un lado u otro tiene igual probabibilidad de darse, los enantiómeros se producen en igual proporción, obteniéndose
una mezcla racémica.
Las reacciones SN1, como la solvolisis de cloruro de terc-butilo, tienen una cinética de primer orden.
Velocidad = k[(CH3)3CCl] mol·L-1·s-1
Esto quiere decir que en la etapa limitante de la velocidad sólo interviene el haluro y no el nucleófilo, al contrario de lo que
ocurría en el mecanismo SN2
SN2 SN1
El carbocatión es atacado por el nucleófilo:
En la solvolisis del cloruro de terc-butilo el nucleófilo es el propio disolvente que colapsa con el carbocatión. Otra molécula de disolvente abstrae el protón que
sobra.
Los perfiles de energía de ambos procesos SN1 y SN2 son:
SN1
La reacción SN1 carece de estereoespecificidad al transcurrir a través de un intermedio carbocatiónico plano.
SN2
3.3.- COMPETENCIA ENTRE SN1 Y SN2
SN1 SN2Los disolventes polares favorecen el mecanismo
SN1.
El intermedio carbocatión tiene una carga neta y se estabiliza por solvatación. El ET se parece más al carbocatión que a los reactivos y disfruta de esta
estabilización parcialmente.
Los disolventes polares dificultan el mecanismo SN2.
El ET tiene un desarrollo de cargas mínimo y no se
favorece especialmente por la polaridad del disolvente. Sin embargo, el nucleófilo puede estar solvatado por un
disolvente polar y dificultarse el mecanismo SN2.
La presencia de grupos salientes buenos favorece el mecanismo SN1.
La presencia de grupos salientes buenos favorece el mecanismo SN2.
La fortaleza del nucleófilo no afecta a la velocidad del mecanismo SN1.
La fortaleza del nucleófilo aumenta la velocidad del mecanismo SN2.
La sustitución en el carbono reaccionante favorece el mecanismo SN1.
La sustitución en el carbono reaccionante impide el mecanismo SN2.
Los carbocationes, al igual que los radicales, tienen mayor estabilidad a medida que son más sustituídos.
La razón es la misma que para los radicales:
Los orbitales enlazantes vecinos al orbital p vacío pueden dar lugar a un solapamiento lateral
distorsionado (parecido al de un enlace pero mucho menos efectivo) y deslocalizar así el
defecto de densidad electrónica. Cuantos más enlaces haya alrededor del centro
carbocatiónico, mayor será la estabilización. De esta forma tan sencilla entendemos por qué un
carbocatión terciario es el menos inestable.
La proporción de moléculas que reaccionarán según los mecanismos SN1 ó SN2, con las implicaciones estereoquímicas que ello conlleva
(racemización o inversión), depende de su estructura:
R-X SN1 SN2
metil Nunca se da en disolución.Muy rápida con buenos
nucleófilos y buenos grupos salientes.
primario Nunca se da en disolución. Igual al anterior. Difícil cuando el carbono contiguo está ramificado.
secundarioLenta. Se acelera con un buen grupo saliente y en disolventes
próticos.
Lenta. Se acelera con una concen-tración alta de un buen
nucleófilo y en disolventes apróticos.
terciarioMuy rápida, sobre todo en
disolventes polares próticos y con buenos grupos salientes.
Extremadamente lenta.
3.4.- ELIMINACIÓN UNIMOLECULAR E1
¿Cómo se produjeron las olefinas en el experimento que venimos comentando?
El carbocatión puede sufrir otro proceso alternativo:
El nucleófilo, actuando como base, puede extraer un protón del carbono adyacente al carbocatión, dando lugar a una olefina.
Evoluciones posibles del carbocatión
La proporción entre sustitución y eliminación no depende del grupo saliente porque el carbocatión formado es el mismo, pero sí de la relación basicidad-nucleofilia de la base-nucleófilo atacante.
Cualquier hidrógeno contiguo al carbono que soporta el grupo saliente puede participar en la reacción E1. Por tanto, en el carbocatión generado a partir del 2-bromooctano se pueden obtener dos olefinas, el 1- y el 2-octeno
Mayor proporción
3.5.- ELIMINACIÓN BIMOLECULAR E2
La eliminación bimolecular E2 transcurre sin intermedios y consta de un único ET, en el que la base abstrae el protón, el grupo saliente se va y los dos carbonos implicados se rehibridan desde la sp3 a la sp2.
La cinética depende del haluro y de la base/nucleófilo y es, por tanto, de segundo orden. La reacción E2 es bimolecular
La reacción E2 tiene lugar con una estereoquímica definida: el grupo saliente y el hidrógeno sobre el carbono en posición contigua han de estar en disposición antiperiplanar
3.6.- COMPETENCIA SUSTITUCIÓN-ELIMINACIÓN
El camino más rápido y, por tanto, el que prevalezca será el que conlleve el estado de transición más bajo en energía.
La altura relativa de los ET depende de:a) la estructura del producto de partidab) la nucleofilia-basicidad del nucleófilo-basec) la polaridad del disolvente.
Nu débil Base débil
Nu fuerte Base débil
Nu fuerte Base fuerte
Nu fuerte Base fuerte (impedidos)
Grupo saliente H2O, ROHI-, Br-, RS-, N3
-, RCOO-, PR3
HO-, CH3O-, EtO-, H2N-
(CH3)3CO-, [(CH3)2CH]2N-
Metil No reacciona SN2 SN2 SN2
Primario no impedido No reacciona SN2 SN2 E2
Primario ramificado No reacciona SN2 lenta E2 E2
Secundario SN1 lenta, E1 SN2SN2
SN1, E1, E2 E2
Terciario SN1, E1 SN1, E1 E2 E2
En el caso de los nucleófilos HO-, CH3O-, EtO-, H2N-,(CH3)3CO-, el disolvente suele ser el correspondiente ácido conjugado. En los demás casos se supone un disolvente polar aprótico como la dimetilformamida, el dimetilsulfóxido o la acetona.
Reglas generales sustitución-eliminación
3.7.- EJEMPLOS Reacción entre halogenoalcanos y el ión hidróxido
Nucleófilo fuerte-Base fuerte
Calentamiento a reflujo en mezcla 50% de etanol y agua
Calentamiento a reflujo con una disolución concentrada de NaOH o KOH en etanol. El propeno pasa por el condensador (gas) y debe ser recogido posteriormente
Tipo de halogenoalcano
Sustitución o eliminación
primario Sólo sustitución
secundario Ambas sustitución y eliminación
terciario Sólo eliminación
La proporción de agua en el disolvente.
•Agua favorece la sustitución
•Etanol favorece la eliminación
Altas temperaturas favorecen la eliminación
Altas concentración de NaOH favorece la eliminación
Reacción entre halogenoalcanos y el ión CN-
Nucleófilo fuerte-Base media
Calentamiento a reflujo con una disolución de cianuro de sodio o potasio en etanol (no usar agua)
El halógeno es reemplazado por el grupo –CN dando lugar a un nitrilo
Esta reacción permite alargar la cadena carbonada, además resulta fácil cambiar el grupo CN situado al final de la cadena dando lugar a otras funciones orgánicas
Halogenoalcanos primarios: SN2
Halogenoalcanos terciarios SN1
Halogenoalcanos secundarios SN1 y SN2
Reacción entre halogenoalcanos y aguaNucleófilo Débil-Base Débil
Halogenoalcanos primarios SN2
Sustitución lenta del halógeno por OH dando lugar a un alcohol
Lenta, el agua es un nucleófilo débil y una base débil
Halogenoalcanos terciarios SN1
Calentamiento a reflujo con agua. La reacción es mucho más rápida que en los halogenoalcanos primarios
Reacción entre halogenoalcanos y amoniaco
El halogenoalcano es calentado con una solución concentrada de amoniaco en etanol (recipiente cerrado)
Formación del bromuro de etilamonio Formación de la amina
Mecanismo:
1era etapa: SN2
2da etapa: equilibrio
Problema: la etilamina puede atacar al bromoetano
Halogenoalcanos primarios SN2
Halogenoalcanos terciarios SN1
Halogenoalcanos secundarios SN1 y SN2
3.7.- REACCIÓN CON METALES ACTIVOS
R3C-X + 2Li ——> R3C-Li + LiX Reactivo alquil litio
R3C-X + Mg ——> R3C-MgX Reactivo de Grignard
Carbono con gran carácter nucleofílico y básico
Preparación de reactivos de Grignard (RMgX)
Se adiciona el halogenoalcano sobre pequeñas cantidades de magnesio en un matraz que contiene dietiléter. La mezcla se calienta a reflejo y posteriormente se enfría sobre agua durante 20 o 30 minutos
Los metales son insolubles en disolventes orgánicos, por ello estas reacciones son heterogéneas. Las condiciones para que tengan lugar son:
Primero, el metal debe estar limpio y finamente dividido para proporcionar gran superficie de reacción. Segundo, debe usarse un disolvente adecuado. En la formación de laquil litio debe usarse pentano, hexano o etiléter. En la sístesis de reactivos de Grignard puede usarse etiléter o THF . Tercero, como el compuesto organometálico es muy reactivo deben evitarse contaminates tales como el agua, alcoholes y oxígeno.
Reacciona con agua para dar alcanosReacciona con CO2 para dar ácidos carboxílicos con un carbono adicional
Usos de los reactivos de Grignard
Reacciona con compuestos carbonílicos para dar alcoholes
Adición al doble enlace
Hidrólisis
El alcohol formado depende del compuesto carbonílico utilizado
•Cambiando el reactivo Grignard podemos cambiar el grupo CH3CH2 por otros grupos alquilo
•Cambiando la naturaleza de la cetona podemos cambiar los grupos CH3 por otros grupos alquilo que estuvieran en la cetona original
•Cambiando el reactivo Grignard podemos cambiar el grupo CH3CH2 por otros grupos alquilo
•Cambiando la naturaleza del aldehido podemos cambiar el grupo CH3 por otro grupo alquilo que estuvieran en el aldehido original
4.- SINTESIS DE HALUROS DE ALQUILO
4.1.- SUSTITUCIÓN DE ALCOHOLES
El grupo hidroxilo es un mal grupo saliente:
Es necesario tratar el alcohol previamente con un ácido para que se protone y el grupo saliente sea, en realidad, una molécula de agua:
La fuerte polarización del enlace C-O que provoca la protonación hace que se debilite, facilitando la ruptura heterolítica espontánea. Por ello el mecanismo más probable es el unimolecular. Como es habitual, la eliminación siempre estará en competencia con la
sustitución:
Ion alquiloxonio Nucleófilo fuerte (Br-, I-) Nucleófilo débil (Cl-, HSO4-)
primario
SN2 SN2 lenta, E1
secundario
SN1 E1
terciario
SN1, E1 E1
La muy probable producción del carbocatión plantea problemas de transposición, es decir, la obtención de productos inesperados.
Transposición de carbocationes
La reacción siguiente tiene un resultado sorpresa:
Se ha producido una transposición de hidrógeno a través del mecanismo siguiente:
Recordemos que la estabilidad relativa de carbocationes es: Terciario > Secundario > Primario
También pueden producirse migraciones de grupos alquilo:
La conversión haluro de alquilo/alcohol es reversible y el desplazamiento del equilibrio dependerá de qué reactivo se
encuentra en exceso:
Reactivos útiles para la sustitución de alcoholes por halógeno: •Cloruro de tionilo (Cl2SO): •Tribromuro de fósforo (PBr3)
•Cloruro de tionilo (Cl2SO):
Tribromuro de fósforo (PBr3):
4.2.- ADICIÓN A ALQUENOS
Los haluros de hidrógeno sufren ruptura heterolítica con facilidad. El protón resultante es fuertemente electrófilo y es atacado por el doble enlace, formándose un carbocatión (¡el menos inestable posible!), con el que colapsa el anión haluro:
HALUROS DE HIDRÓGENO
Regla de Markovnikov: El protón del haluro de hidrógeno se une al carbono menos sustituído.
Cualquiera de los cuatro haluros de hidrógeno (HI,
HBr, HCl ó HF) da la reacción que es
regioselectiva: El producto formado depende de la estabilidad relativa de
los carbocationes intermedios.
La protonación inicial de la olefina se produce de
forma que se obtenga el carbocatión menos
inestable.
Pero, ¿qué ocurre si en el medio de reacción agregamos un peróxido?.
La regioquímica de la reacción cambia. El mecanismo debe
ser, por tanto, diferente
El mecanismo de esta reacción no transcurre mediante carbocationes sino a través de radicales libres.
HALÓGENOS
La nube del doble enlace puede provocar la ruptura heterolítica de la molécula de bromo, formándose un intermedio reactivo con estructura de catión heterociclopropano, que se abre por ataque del contraión haluro, dando lugar a un dihaloderivado vecinal de estereoquímica anti.
La reacción sólo tiene utilidad práctica con Cl2 y Br2.
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