Download reacciones de adición nucleofílica al grupo carbonilo.

FACULTAD
FACULTADDE
DE
QUÍMICA
QUÍMICA
4.1 Adición electrofílica a enlaces múltiples C-C
4.2 Adición de radicales libres a enlaces múltiples C-C
4.3 Adición nucleofílica a enlaces múltiples C-C
4.4 Adición nucleofílica a enlaces múltiples C-Heteroátomo
C C
sustrato
+
AB
C C
reactivo
A B
producto
C C
+
sustrato
AB
C C
reactivo
A B
producto
Br
CH3
C C CH3
+
Br
CH3
C C
Br
CH3
2-butino
bromo
Br
2,3-dibromo-2-buteno
Br Br
CH3
C C CH3
+ 2 Br
Br
CH3
C
C CH3
Br Br
2-butino
bromo
2,2,3,3-tetrabromobutano
- Electrofílicas
- Radicalarias
- Nucleofílicas
-Electrofílicas
-Adición a alquenos
- Adición de Diels-Alder
-Electrofílicas
-Adición a C=C y C≡C
Mecanismo de Reacción
Adición de Hidrácidos: HX
Adición de Hidrácidos: HX
¿Qué ocurre si el alqueno no es simétrico?
La reacción puede producir dos isómeros diferentes, pero
se forma preferentemente sólo uno de los dos, él que en el
primer paso deje el carbocatión más estable:
H3C
H
H
H+
H3C
H
H3C
H
+
H3C
CH3
H3C
CH3
Mayoritario
H3C
CH3
H
Minoritario
Adición de Hidrácidos: HX
¿Qué ocurre si el alqueno no es simétrico?
Para la mayoría de las adiciones a enlaces múltiples se puede
deducir el isómero mayoritario siguiendo la regla de
Markovnikoff:
El protón se adiciona al doble enlace de un alqueno
enlazándose al carbono del doble enlace que contenga mayor
número de átomos de hidrógeno.
La formulación moderna de la regla de Markovnikoff se puede
enunciar del siguiente modo: los electrófilos se adicionan al
doble enlace generando el carbocatión más estable.
H3C
H
H
H+
H3C
H
H3C
H
H3C
CH3
+
H3C
CH3
H3C
CH3
Mayoritario
H
Minoritario
Reacción de Hidratación en medio H+
En estas reacciones se emplean ácidos
fuertes no nucleofílicos, como el H2SO4 o el
H3PO4.
La reacción es un equilibrio y para aumentar
la producción del alcohol se agrega un exceso
de agua a la reacción.
Reacción de Hidratación en medio H+
Adición de Halógenos
Mecanismo de Reacción
+ Br2
Br
Br
Br
Br
Br
+ Br
Br
Ion Halogenonio
Br
+ Br
Br
Br
Adición de Halógenos
Mecanismo de Reacción
+ Br2
Br
Br
Br
Br
Br
+ Br
Br
Ion Halogenonio
Br
+ Br
Br
Br
Adición de Halógenos
+ Br2
Br
Br
Br
Br
Br
+ Br
Br
Ion Halogenonio
Br
+ Br
Br
Br
La estereoquímica del proceso se explica mediante la formación
del ión halogenonio cíclico. El nucleófilo ataca al ión bromonio
desde el lado opuesto a éste, lo que asegura la orientación anti
del proceso de adición.
Adición de Halógenos
La estereoquímica del proceso se explica mediante la formación
del ión halogenonio cíclico. El nucleófilo ataca al ión bromonio
desde el lado opuesto a éste, lo que asegura la orientación anti
del proceso de adición.
La reacción de adición de bromo al doble enlace del
ciclopenteno es una adición estereoespecífica anti.
Adición de Halógenos
Adición de Halógenos: Ejemplo
Adición de bromo al cis-2-buteno.
ion bromonio
aquiral
La reacción conduce al ion
bromonio aquiral. (La reacción
por la otra cara del alqueno
conduce al mismo ion bromonio)
El ion bromonio reacciona con el
ion bromuro de igual forma por la
ruta a que la b para dar dos
enantiómeros como una mezcla
racémica
Adición de Halógenos: Ejemplo
Adición de bromo al trans-2-buteno.
ion bromonio
quiral
La reacción conduce al ion
bromonio aquiral . (La reacción
por la otra cara del alqueno
conduce
al
ion
bromonio
enantiómero)
Cuando el ion bromonio reacciona
por la ruta a ó b, se obtiene el
mismo compuesto aquiral meso.
(La reacción del otro enantiomero
del ion bromonio conduce a los
mismos resulatdos)
Formación de Halohidrinas
Formación de Halohidrinas
Adición de Boro e Hidrógeno: Hidroboraciones
Cuando un alqueno reacciona con una disolución de THF:BH3 se
adiciona una molécula de BH2 y H.
La reacción no para ahí, sino que sigue reaccionando el R-BH2 con el
alqueno para formar el trialquilborano
Adición de Boro e Hidrógeno: Hidroboraciones
El átomo de B ataca a el átomo de carbono menos
sustituido del doble enlace.
- La hidroboración es regioselectiva y anti-Markovnikov.
La regioselectividad es en parte debida a efectos estéricos. El
voluminoso B se aproxima más fácilmente al carbono menos
sustituido de una forma más fácil.
Adición de Boro e Hidrógeno: Hidroboraciones
Mecanismo.
1) Los electrones π atacan al orbital p vacio del B.
2) El complejo π conduce al producto de adición pasando a través de
un estado de transición de 4 miembros, en el cual el átomo de boro
está enlazado al carbono menos sustituido del doble enlace. El
átomo de carbono más sustituido soporta una densidad de carga
positiva.
3) Tanto los efectos estéricos como electrónicos hacen que la
orientación sea anti-Markovnikov.
4) Los otros enlaces B-H del alquilborano pueden sufrir iguales
adiciones, para conducir finalmente al trialquilborano.
Adición de Boro e Hidrógeno: Hidroboraciones
Estereoquímica.
1) El estado de transición anterior requiere que el átomo de H y B se
añadan por la misma cara del doble enlace: conduciendo a una
adición syn.
Adición de Boro e Hidrógeno: Hidroboraciones
Estas reacciones de hidroboración son útiles porque se pueden formar
alcoholes a partir de alquenos a través de una reacción de oxidohidroboración.
El átomo de B acepta un par de Un grupo alquilo migra del boro la
electrones del ion hidroperóxido oxigeno la mismo tiempo que
para formar un intermedio inestable. parte un ion hidróxido.
Adición de Boro e Hidrógeno:
Hidroboraciones
Ejemplos
Reacciones de Polimerización
Estas reacciones pueden ser consideradas como de
auto-adición.
CH2
CH2
CATALIZADOR
CH2
CH2
x
Mecanismo de Reacción
CH2
CH2
CH2
CH2 CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
Reacciones de Polimerización
Mecanismo de Reacción
Reacciones de Polimerización
-Electrofílicas
-Adición de Diels-Alder
La reacción de Diels-Alder es la reacción entre un dieno (dos
dobles enlaces conjugados) y un dienófilo. Es una reacción en la
que se combinan 2 moléculas con insaturaciones por formación
simultánea de 2 enlaces σ entre ellas para cerrar un anillo a
expensas de 2 enlaces π que desaparecen. También se forma un
nuevo enlace π. Son procesos concertados, estereoespecíficos
(Una reacción que conduce de forma exclusiva a un
estereoisómero) y reversibles. Realmente es una reacción de
adición concertada pericíclica.
Reacción de Diels-Alder
Dienófilo
E.T.
200 ºC
Dieno
Aducto
Ciclo
La reacción de Diels-Alder es la reacción entre un dieno (dos
dobles enlaces conjugados) y un dienófilo. Es una reacción en la
que se combinan 2 moléculas con insaturaciones por formación
simultánea de 2 enlaces σ entre ellas para cerrar un anillo a
expensas de 2 enlaces π que desaparecen. También se forma un
nuevo enlace π. Son procesos concertados, estereoespecíficos y
reversibles. Realmente es una reacción de adición concertada
pericíclica.
Ejemplo Diels-Alder
H
H
R
H
H
H
H
R
H
H
H
H
H
H
R
R
Dieno:
Isómero cis, preferentemente
con sustituyentes electrodonadores, variedad
estructural: lineal, cíclico,
heteroátomos
Dienófilo:
Grupos electro-atrayentes
Dieno:
Isómero cis, preferentemente
con sustituyentes electrodonadores, variedad
estructural: lineal, cíclico,
heteroátomos
Dienófilo:
Grupos electro-atrayentes
- Electrofílicas
- Radicalarias
- Nucleofílicas
La reacción de adición de HBr a alquenos en presencia de
peróxidos.
Mecanismo de Reacción
Terminación
Este mecanismo explica por qué la adición radicalaria de HBr a
olefinas proporciona el isómero anti-Markovnikov (El protón se
adiciona al doble enlace de un alqueno enlazándose al carbono
del doble enlace que contenga mayor número de átomos de
hidrógeno).
- Electrofílicas
- Radicalarias
-Nucleofílicas
-Enlaces múltiples C-C
- Enlaces múltiples C-Heteroátomo
- Electrofílicas
- Radicalarias
-Nucleofílicas
-Enlaces múltiples C-C
Reacción de Michael
La racción de Michael es la reacción de adición conjugada de
aniones enolatos a compuestos carbonílicos a,b-insaturados.
O
O
R
O
Base
R
R
R
R
R
H
R
R
R
Enolato
R
Carbonílicos
a,b-insaturados:
R
O
R
R
O
Reacción de Michael
Los aniones enolatos más usados son los enolatos derivados de
las b-dicetonas. Estos enolatos tienen la peculiaridad de que son
bases débiles y buenos nucleófilos.
O
O
R
Base
R
O
O
R
R
H
Reacción de Michael
O
O
O
Donador
O
+
O
BASE
Aceptor
disolventes
polar próticos
O
Reacción de Michael
Donador:
malonatos,
cianoacetatos,
carboxílicos,
cetonas,
aldehídos,
nitrocompuestos, sulfonas.
ésteres
nitrilos,
Estructura de los Enolatos
Aceptores:
a,b-insaturadas:
cetonas,
ésteres,
aldehídos, amidas, ácidos carboxílicos, nitrilos,
sulfóxidos, sulfonas, nitrocompuestos, fosfonatos,
fosforanos.
Estructura de los Aceptores
Base: NaOCH2CH3, NH(CH2CH3)2, KOH, KOC(CH3)3,
N(CH2CH3)3, NaH, BuLi, LDA.
Punto desde el que ataca la base
Reacción de Michael. Mecanismo.
1º. Formación del malonato de dietilo (Donador).
El malonato de dietilo se convierte en su base conjugada por reacción
con NaOEt en EtOH.
2º. Adición conjugada del nucleófilo a la ciclopentenona (Aceptor).
El anión derivado del malonato de dietilo es un nucleófilo y se
adiciona de forma conjugada a la ciclopentenona para dar un
cetodiéster.
Reacción de Michael. Mecanismo.
1º. Formación del malonato de dietilo (Donador).
El malonato de dietilo se convierte en su base conjugada por reacción
con NaOEt en EtOH.
2º. Adición conjugada del nucleófilo a la ciclopentenona (Aceptor).
El anión derivado del malonato de dietilo es un nucleófilo y se
adiciona de forma conjugada a la ciclopentenona para dar un
cetodiéster.
Reacción de Michael. Mecanismo.
2º. Adición conjugada del nucleófilo a la ciclopentenona (Aceptor).
El anión derivado del malonato de dietilo es un nucleófilo y se
adiciona de forma conjugada a la ciclopentenona para dar un
cetodiéster.
O
O
+
O
O
OEt
OEt
CO2Et
O
CO2Et
O
O
OEt
CO2Et
+
H
OEt
CO2Et
OEt
CO2Et
- Electrofílicas
- Radicalarias
-Nucleofílicas
- Enlaces múltiples C-Heteroátomo
REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA
AL GRUPO CARBONILO.
La reactividad del grupo carbonilo (de cetona y aldehídos) es
consecuencia de la diferencia de electronegatividad entre el
átomo de carbono y el átomo de oxígeno. La reacción más
común de este grupo funcional es la adición nucleofílica, que
consiste en la adición de un nucleófilo y de un protón al doble
enlace C=O.
O
R
E
O
R
R
R
Nu
O
E
R
R
Nu
REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA
AL GRUPO CARBONILO.
El átomo de carbono electrofílico del grupo
carbonilo presenta hibridación sp2 y es plano,
y por tanto está relativamente libre de
impedimento estérico y abierto al ataque
desde ambos lados del doble enlace C=O.
REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA
AL GRUPO CARBONILO.
Cuando una especie nucleofílica ataca al átomo de carbono del grupo carbonilo,
los electrones del enlace π son desplazados hacia el átomo de oxígeno,
generándose un ión alcóxido. En este proceso el átomo de carbono cambia su
hibridación de sp2 a sp3. En un paso posterior, el ión alcóxido puede protonarse
para dar lugar al producto de la adición nucleofílica.
Orbitales Involucrados
Nuevo enlace σ
Electrones en HOMO
interaccionan con LUMO
sp2
sp3
Mientras al mismo tiempo:
El llenado de LUMO causa
la ruptura del enlace π
Los electrones del enlace π
terminan sobre el O dejándolo
cargado negativamente
REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA
AL GRUPO CARBONILO.
Mecanismos General.
REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA
AL GRUPO CARBONILO.
Una característica de estos procesos de adición nucleofílica es que los
nucleófilos débiles también pueden adicionarse a los grupos carbonilo si la
reacción se hace en presencia de un ácido de Lewis. En este caso uno de los
pares electrónicos libres del átomo de oxígeno se coordina con el ácido de Lewis
originando un complejo ácido-base que es fuertemente electrofílico y puede ser
atacado por nucleófilos débiles.
Adición de Agua a Carbonilos
Adición de Agua a Carbonilos
Catalizada por ácidos próticos
Adición de Agua a Carbonilos
Catalizada por bases
Adición de Agua a Carbonilos
Diferencias entre Cetonas y Aldehídos
Las cetonas tienen menos tendencia a formar hidratos que los
aldehídos. En una cetona, los grupos alquilo electrón-dadores
compensan la retirada de densidad electrónica provocada por el átomo
de oxígeno. En cambio, en un grupo carbonilo de aldehído sólo existe
un grupo alquilo electrón-dador y la carga parcial positiva no está tan
estabilizada como en el caso de las cetonas. Por lo tanto, los aldehídos
son ligeramente más electrofílicos y menos estables que las cetonas.
Sustituyentes electrón-atrayentes también desestabilizan al grupo
carbonilo y favorecen la hidratación.
Adición de Alcoholes a Carbonilos
Formación de Acetales
Los aldehídos y las cetonas reaccionan con alcoholes
para formar acetales. En la formación de un acetal se
agregan dos moléculas de un alcohol al grupo
carbonilo y se elimina una molécula de agua. La
formación de un acetal debe catalizarse con un
ácido.
Adición de Alcoholes a Carbonilos
Formación de Acetales
Mecanismo
Adición de Cianuros de H a Carbonilos
Formación de Cianohidrinas
El cianuro de hidrógeno es un líquido tóxico, soluble en agua, que hierve a 26°C
y que se disocia en agua para dar iones cianuro y protones.
Como el cianuro de hidrógeno es un ácido débil, su base conjugada, el ión
cianuro, es una base fuerte y un nucleófilo fuerte y puede atacar a los aldehídos
y a las cetonas dando lugar a unos productos de adición denominados
cianohidrinas.
H CN + H2O
CN + H3O
Adición de Cianuros de H a Carbonilos
Formación de Cianohidrinas
La formación de la cianohidrina es reversible y las constantes de equilibrio
siguen la tendencia general de reactividad de los aldehídos y cetonas:
formaldehído > otros aldehídos > cetonas
Las cetonas estéricamente impedidas reaccionan lentamente con el HCN y en el
equilibrio predomina la forma carbonílica, Los bajos rendimientos en la
formación de cianohidrinas de cetonas estéricamente impedidas se deben en
gran parte a efectos estéricos.
Adición de Aminas a Carbonilos
Formación de Iminas
El amoniaco y las aminas primarias reaccionan con los
aldehídos y las cetonas para formar iminas, denominadas
también bases de Schiff.
Adición de Aminas a Carbonilos
Formación de Iminas en medio ácido
Mecanismos
El pH del medio es crucial en el
proceso de formación de la imina. El
segundo paso, el de formación de la
carbinolamina, está catalizado por
el ácido.
Sin embargo, si el medio es demasiado ácido, la amina se protona
completamente y se convierte en un catión amonio perdiendo su
nucleofília e inhibiéndose el primer paso del mecanismo.
Adición de Aminas a Carbonilos
Formación de Iminas en medio ácido
Mecanismos
Las cetonas y los aldehídos también condensan con otros derivados del
amoniaco, como la hidroxilamina y las hidrazinas, para dar productos análogos
a las iminas. Los productos de condensación entre aldehídos o cetonas y la
hidroxilamina, o derivados, se denominan genéricamente oximas:
Cuando los aldehídos o las cetonas reaccionan con hidrazina los productos
obtenidos se denominan genéricamente hidrazonas:
Adición de Compuestos Organometálicos a Carbonilos
Las adiciones nucleofílicas de reactivos organometálicos al grupo carbonilo son
de gran utilidad porque permiten la creación de enlaces C-C. Los compuestos
organometálicos, como los reactivos de Grignard, los reactivos organolíticos y
los acetiluros metálicos, se adicionan nucleofílicamente al grupo carbonilo para
formar un alcóxido que, por protonación, conduce a un alcohol.
Adición de enolatos a Carbonilos
Reacción de Condensación Aldólica
Los enolatos se pueden generar por ionización de un compuesto carbonílico son
especies básicas. Uno de los electrófilos que puede ser atacado por el anión
enolato es el propio compuesto carbonílico. Cuando esto ocurre se obtiene un
compuesto β-hidroxicarbonílico denominado genéricamente aldol. Bajo
determinadas condiciones de reacción, el aldol se puede deshidratar para dar
lugar a un compuesto carbonílico α,β-insaturado. Este proceso recibe el nombre
de condensación aldólica.
O
O
R
R
O
Base
R
R
R
R
H
R
R
Enolato
R
Adición de enolatos a Carbonilos
Reacción de Condensación Aldólica
El mecanismo de la condensación aldólica se inicia con la reacción ácido-base
entre la acetona y el anión hidróxido lo que genera un equilibrio en el que está
presente el ión enolato. En el segundo paso del mecanismo, el ión enolato ataca
nucleofílicamente a la acetona para formar una β-alcoxicetona que, por
reacción ácidobase con las moléculas de agua del disolvente, genera el aldol.
Adición de enolatos a Carbonilos
Reacción de Condensación Aldólica
La condensación aldólica es reversible y las
concentraciones de los productos en el equilibrio
suelen ser pequeñas. La forma de aumentar el
rendimiento del proceso es eliminar alguno de los
productos de la reacción.
Adición de enolatos a Carbonilos
Reacción de Condensación Aldólica
Compuesto
Carbonílico 1
Adición de enolatos a Carbonilos
Reacción de Condensación Aldólica
Compuesto
Carbonílico 2
Adición de enolatos a Carbonilos
Reacción de Condensación Aldólica
Deshidradatación de los productos aldólicos
Al calentar en medio ácido o básico una disolución que contenga un
aldol, se produce la deshidratación para generar un aldehído o cetona
α,β-insaturados. En medio ácido, la reacción de deshidratación sigue
normalmente un mecanismo de eliminación E2.