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TEMA 6 DERIVADOS HALOGENADOS 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). 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 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) trans-1-Bromo-2clorociclohexano (2-Iodopropil)-cicloheptano 1,1,1-Trifluor-3-cloro4,7-dimetiloctano 2.- PROPIEDADES FÍSICAS 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 C 2.5 F 4.0 Cl 3.0 Br 2.8 I 2.5 Tienen puntos de fusión y de ebullición relativamente bajos, y son solubles en disolventes no polares e insolubles en agua Punto de ebullición de algunos halogenoalcanos Los haloalcanos tienen puntos de ebullición mayores que los correspondientes alcanos 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 Los haluros de alquilo son más densos que el agua La fortaleza del enlace C-halógeno (C-X) decrece según descendemos en el SP Halometano Longitud (Å) m(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 clorometano iodoetano Nucleófilo Producto G. saliente hidróxido metanol cloruro metóxido etil metil éter ioduro bromuro 2-bromobutano ioduro 2-iodobutano ioduro 1-iodo-2-metilpropano cianuro 3-metilbutanonitrilo bromociclohexano metilsulfuro ciclohexil metil tioéter amoníaco Ioduro de 2-(4metil)pentilamonio trimetilfosfina bromuro de tetrametilfosfonio bromuro 2-iodo-4-metilpentano bromometano ioduro bromuro Cinética, mecanismo y estereoquímica de SN2 La cinética de la reacción de sustitución nucleófila del (R)-2bromooctano 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. Grupo saliente 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 Buenos Grupo pKb Grupo pKb I- 19.2 CN- 4.8 RSO3- 16-19 CH3S- 4.0 Br- 18.7 CH3O- -1.5 Cl- 16.2 HO- -1.7 H2O 15.7 NH2- -21 F- 10.8 CH3- -36 CH3COO- 9.3 Malos Muy malos ¿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 Los factores que aumentan la estabilidad electrónica de una especie son: •El tamaño •La electronegatividad •La deslocalización por resonancia 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 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 resonancia permite la deslocalización de la carga y su estabilización. Por ello los sulfonatos son bases muy débiles y buenos grupos salientes. La reacción SN2 será más fácil si se efectúa con un buen nucleófilo atacante. ¿Qué hace que un nucleófilo sea bueno?. •La carga •La electronegatividad •La solvatación Entre un par de nucleófilos que contienen el mismo átomo reactivo, la especie con carga negativa neta es la más reactiva: La nucleofilia aumenta al disminuir la electronegatividad del átomo reactivo: La solvatación, es decir, la interacción entre el nucleófilo y el disolvente, modifica e invierte incluso la relación aparente nucleofilia-basicidad. A primera vista, nucleofilia y basicidad parecen estar directamente relacionadas, pero: 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. Efecto del disolvente en la SN2 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 •Aproticos 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. 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. Disolvente Carácter Vel. relativa CH3OH 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 H2O 81 HCO2H 59 CH3OH 45 (CH3)2SO (DMSO) 39 CH3CN 37 HCON(CH3)2 (DMF) 33 30 CH3CH2OH (CH3)2CHOH 18 (CH3)3COH 11 7 NO POLAR (APOLAR) HMPA 24 23 CH3CO2H Disolventes apróticos. (CH3)2CO (Acetona) THF 6 4 (C2H5)2O (éter) 2 n-C5H12; C6H6; Ccl4 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. 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. R1 R2 R3 krel H H H 145 H H CH3 1 H CH3 CH3 7.8·10-3 CH3 CH3 CH3 < 5·10-4 H H CH2CH3 0.80 H H CH2CH2CH3 0.82 H H CH(CH3)2 3.6·10-3 H H C(CH3)3 1.3·10-5 3.2.- SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA UNIMOLECULAR SN1 La sustitución nucleófila unimolecular (SN1) explica la formación de una pequeña cantidad de (R)-2-octanol. ¿Cómo se obtiene la 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 SN2 Los disolventes polares favorecen el mecanismo SN1. Los disolventes polares dificultan el mecanismo SN2. 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. 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 s enlazantes vecinos al orbital p vacío pueden dar lugar a un solapamiento lateral distorsionado (parecido al de un enlace p pero mucho menos efectivo) y deslocalizar así el defecto de densidad electrónica. Cuantos más enlaces s 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. secundario Lenta. 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. terciario Muy 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 basicidadnucleofilia 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 partida b) la nucleofilia-basicidad del nucleófilo-base c) la polaridad del disolvente. Reglas generales sustitución-eliminación Nu débil Base débil Nu fuerte Base débil Nu fuerte Base fuerte Nu fuerte Base fuerte (impedidos) Grupo saliente H2O, ROH I-, 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 SN2 SN2 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. 3.7.- EJEMPLOS Reacción entre halogenoalcanos y el ión hidróxido Nucleófilo fuerte-Base fuerte Tipo de halogenoalcano Sustitución o eliminación primario Sólo sustitución secundario Ambas sustitución y eliminación terciario Sólo eliminación Calentamiento a reflujo en mezcla 50% de etanol y agua La proporción de agua en el disolvente. 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 Altas temperaturas favorecen la eliminación •Agua favorece la sustitución •Etanol favorece la eliminación Altas concentración de NaOH favorece la eliminación Reacción entre halogenoalcanos y el ión CNNucleófilo fuerte-Base media Halogenoalcanos primarios: SN2 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 secundarios SN1 y SN2 Halogenoalcanos terciarios SN1 Reacción entre halogenoalcanos y agua Nucleófilo 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) Halogenoalcanos primarios SN2 Formación del bromuro de etilamonio Formación de la amina Mecanismo: 1era etapa: SN2 2da etapa: equilibrio Problema: la etilamina puede atacar al bromoetano Halogenoalcanos terciarios SN1 Halogenoalcanos secundarios SN1 y SN2 3.7.- REACCIÓN CON METALES ACTIVOS R3C-X + 2Li ——> R3C-Li + LiX R3C-X + Mg ——> R3C-MgX Reactivo alquil litio 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. Usos de los reactivos de Grignard Reacciona con agua para dar alcanos Reacciona con CO2 para dar ácidos carboxílicos con un carbono adicional 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 del aldehido podemos cambiar el grupo CH3 por otro grupo alquilo que estuvieran en el aldehido original •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 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 primario secundario terciario Nucleófilo fuerte (Br-, I-) Nucleófilo débil (Cl-, HSO4-) SN2 SN2 lenta, E1 SN1 E1 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 HALUROS DE HIDRÓGENO 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: 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 p 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.