haluros de alquilo (reacciones de sustitucion nucleofilica)
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Química Orgánica II QUIM 3032
Semestre: Verano 2014
PRONTUARIO QUIM 3032
Puntos Importantes
I. Titulo del Curso: Química Orgánica II II. Codificación: QUIM 3032 III. Horas crédito: Cuatro (4) incluyendo clase y laboratorio IV. Horas contacto: Tres (2.5) horas contacto diarios V. Pre-requisitos: Química General I (QUIM 3001)
Química General II (QUIM 3002) VI. Descripción del Curso : Estudio de reacciones, mecanismos
y síntesis de compuestos orgánicos. Aplicación de técnicas para determinar estructuras, tale como, Resonancia Magnetica Nuclear (RMN 1H y 13C), IR, UV- VIS, y MS.
Objetivos Generales • Proporcionar al alumno los conceptos generales de la Química Orgánica
con el fin de prepararlos para tener una función eficaz en su área de estudio y / o trabajo.
• Establecer la importancia de la Química Orgánica en nuestra vida diaria. • Desarrollar en los estudiantes las actitudes necesarias para estudiar las
áreas relacionadas con la biología tales como, Medicina Experimental y Bioquímica
• Destacar las contribuciones de la Química Orgánica en la preservación del medio ambiente.
• Desarrollar en los estudiantes la capacidad de sintetizar compuestos orgánicos con diferentes métodos y estrategias. Establecer los mecanismos implicados en cada síntesis.
• Determinación de la estructura molecular mediante métodos espectroscópicos como RMN 1H y 13C, IR, UV, VIS, y MS.
Bosquejo del curso Actividad Tiempo (hrs)
Introducción 0.5
Cap.7: Sustitución Nucleofílica y Reacciones de eliminación de haluros de alquilo 4.0
Cap. 8: Reacciones de eliminación de haluros de alquilo Cap. 13: Espectrometría de masas
3.0 2.0
Examen I
Cap. 9: Alcoholes, Éteres y Epoxidos 4.0
Cap. 12: Oxidación y Reducción Cap. 19: Ácido carboxílicos y acidez del OH
4.0 3.0
Examen II
Cap. 20: Introducción a la qímica de carbonilos; Reactivos Organometalicos; oxidación-reducción
4.0
Cap. 21: Aldehídos y cetonas 4.0
Cap. 22: Ácidos carboxílicos y derivados 4.0
Examen III
Cap. 23: Reacción de sustitución en carbono alfa 4.0
Cap. 24: Reacciones de Halogenuros de alquilo y Condensación de carbonilos Cap. 15: Reaciones de Radicales
4.0
3.0
Examen IV
Evaluación Final: 4 Examenes Parciales 65% 5 Pruebas Cortas 10% Laboratorio 25%
Curva: 100-85 A 84-75 B 74-65 C 64-55 D 54-0 F
Text book: Gorzinsky-Smith, J. (2014) Organic Chemistry (4th Ed.) New York, N. Y.: McGraw-Hill.
Criterios de Evaluación y Nota*
8
9
• Los haluros de alquilo son moléculas orgánicas que contienen un átomo de halógeno unido a un átomo de carbono sp3 hibridado.
• El átomo de halógeno en los haluros menudo se representa con el símbolo "X".
• Los haluros de alquilo se clasifican como primaria (1º), secundario (2°), o terciario (3°), dependiendo del número de átomos de carbono unidos al carbono con el átomo de halógeno.
Haluros de Alquilo
10
• Haluros de vinilo tienen un átomo de halógeno (X) unido a un doble enlace C-C.
• Los haluros de arilo tienen un átomo de halógeno unido a un anillo de benceno.
Tipos de halogenuros de alquilo
Figure 7.2
11
• Haluros alílicos tienen X unido al átomo de carbono adyacente a un doble enlace C-C.
• Haluros bencílicos tienen X unido al átomo de carbono adyacente a un anillo de benceno.
Tipos de halogenuros de alquilo
Figure 7.2
12
Nombrar halogenuros de alquilo
13
• Los nombres comunes son de uso frecuente para los halogenuros de alquilo simples.
• Para asignar un nombre común: • Nombre todos los átomos de carbono de la molécula como un solo
grupo alquilo. • Nombre el halógeno unido al grupo alquilo. • Combinar los nombres del grupo alquilo y haluro, separando las
palabras con un espacio.
Nombres comunes de halogenuros de alquilo
14
• Los haluros de alquilo son moléculas débilmente polares. • Ellos exhiben interacciones dipolo-dipolo debido a su enlace polar C-X. • Dado que el resto de la molécula contiene sólo enlaces C-C y C-H, son
incapaces de hacer enlaces de hidrógeno intermolecular.
Polaridad de halogenuros de alquilo
15
Propiedades físicas de los halogenuros de alquilo
16
Figure 7.4
Halogenuros de alquilo simples
17
Halogenuros de alquilo comunes
18
• El átomo de halógeno electronegativo en haluros de alquilo crea un enlace polar C-X, haciendo el átomo de carbono deficiente de electrones.
• Mapas de potencial electrostático de cuatro haluros de alquilo simples ilustran este punto.
• Este carbono deficiente en electrones es un sitio clave en la reactividad de los haluros de alquilo.
Figure 7.5
Enlace polar carbono-halógeno
19
Tipos de reacción para halogenuros de alquilo
20
• Tres componentes son necesarios en cualquier reacción de sustitución.
Reacciones de sustitución
21
• Los nucleófilos son bases de Lewis que se pueden cargar negativamente o neutros.
• Nucleófilos cargados negativamente como HO! y HS! se utilizan como sales con contraiones de Li+, Na+, o K+ para equilibrar la carga.
• Dado que la identidad del contraión es generalmente insignificante, a menudo se omite de la ecuación química.
Los nucleófilos en Reacciones de sustitución
22
• Cuando se usa un nucleófilo neutro, el producto de sustitución lleva una carga positiva.
Los nucleófilos neutros
• Carga positiva del producto de sustitución por lo general es causada por un protón unido a O o N.
• Ese protón se pierde fácilmente a partir de una reacción ácido-base de Bronsted-Lowry, formando un producto neutro.
23
• El efecto general de cualquier sustitución nucleofilica es la sustitución del grupo saliente por el nucleófilo.
• Para dibujar cualquier producto de sustitución nucleofílica: • Encuentra la hibridación sp3 del carbono con el grupo saliente. • Identificar el nucleófilo, la especie con un par solitario o enlace !. • Sustituya el nucleófilo para el grupo saliente y asignar las cargas
(si es necesario) a cualquier átomo que está involucrado en el rompimiento de enlace o la formación de enlaces.
Reacciones de sustitución nucleofílica
24
• En una reacción de sustitución nucleofilica de R-X, el enlace C-X se rompe heterolíticamente, y el grupo saliente se aparta con el par de electrones en ese enlace, formando X:!.
• Cuanto más estable sea el grupo saliente X!, más capaz es de aceptar un par de electrones.
• Por ejemplo, H2O es un mejor grupo saliente que HO! porque H2O es una base más débil.
El grupo saliente
25
Tendencias en la Capacidad del grupo Saliente • Cuanto más débil es la base, mejor es el grupo saliente.
26
Buenos grupos salientes
27
Grupos salientes pobres • Bases conjugadas de ácidos débiles son grupos
salientes pobres.
28
• Los nucleófilos y bases son estructuralmente similares: ambos tienen un solo par de electrones o un enlace !.
• Se diferencian en a quien atacan. • Bases atacan protones. • Los nucleófilos atacan otros átomos deficientes en
electrones (generalmente carbonos).
Nucleofilos y Bases
29
• Aunque nucleofilia y basicidad están relacionados entre sí, que son fundamentalmente diferentes.
• Basicidad es una medida de la facilidad con un átomo dona su par de electrones a un protón.
• Se caracteriza por una constante de equilibrio, Ka en una reacción ácido-base, por lo que es una propiedad termodinámica.
• Nucleofilicidad es una medida de la facilidad con un átomo dona su par de electrones a otros átomos.
• Se caracteriza por una constante de velocidad, k, por lo que es una propiedad cinética.
Nucleofilos vs. Bases
30
1. Nucleofilicidad es paralelo a la basicidad en tres casos: Para dos nucleófilos con el mismo átomo nucleofílico, la base fuerte es el nucleófilo fuerte. • La nucleofilia relativa de HO! y CH3COO!, se determina mediante
la comparación de los valores de pKa de sus ácidos conjugados (H2O = 15.7, y CH3COOH = 4.8). HO! es una base más fuerte y más fuerte que el nucleófilo CH3COO !.
2. Un nucleófilo cargado negativamente es siempre un nucleófilo más fuerte que su ácido conjugado. • HO! es una base más fuerte y nucleófilo fuerte que H2O.
3. De derecha a izquierda a través de una fila de la tabla periódica, aumenta a medida que aumenta nucleofilicidad y basicidad.
Nucleofilicidad paralelos a la basicidad
31
• Nucleofilicidad no es paralela con la basicidad cuando hay un impedimento estérico importante.
• El impedimento estérico es una disminución en la reactividad resultante de la presencia de grupos voluminosos en el lugar de una reacción.
• El impedimento estérico disminuye la nucleofilicidad pero no la basicidad.
• Bases estéricamente impedidos que son nucleófilos pobres se llaman las bases no nucleófilas.
Efectos estéricos en Fuerza Nucleófilo
32 32
Efectos solventes en Nucleofilicidad
• La mayoría de las reacciones orgánicas se llevan a cabo en un disolvente líquido capaz de disolver los reactivos, al menos hasta cierto punto.
• Dado que las reacciones de sustitución implican materiales de partida polares, disolventes polares se utilizan para disolverlos.
• Hay dos tipos de disolventes polares: próticos y apróticos. • Nucleofilicidad puede verse afectada por la naturaleza del disolvente.
Un disolvente aprótico no contiene hidrógeno unido a un oxígeno o a un nitrógeno; no forma puentes de hidrógeno.
Un disolvente prótico contiene hidrógeno unido a un oxígeno o a un nitrógeno; forma puentes de hidrógeno.
33
• Disolventes próticos polares solvatan también ambos cationes y aniones. • Si la sal de NaBr se utiliza como una fuente de la nucleófilo Br! en H2O:
• Los cationes de Na+ se solvatan por las interacciones iones-dipolo con moléculas de H2O.
• Los aniones Br! son solvatados por fuertes interacciones de enlace de hidrógeno.
Solvatación por Solventes Polares Próticos
34
• Aniones más pequeños y más electronegativos son solvatados con más fuerza en disolventes próticos, impidiendo que una reacción sea efectiva.
• En disolventes próticos polares, la nucleofilicidad aumenta por una columna de la tabla periódica como el tamaño de los aniones aumenta.
• Esto es lo contrario de la basicidad.
Figure 7.6
Nucleofilicidad en Solventes Polares Próticos
35
• Disolventes apróticos polares también exhiben interacciones dipolo-dipolo, pero no tienen enlaces OH o NH.
• Son incapaces de hacer puentes de hidrógeno.
Figure 7.7
Solventes Polares Aproticos
36
• Disolventes polares apróticos solvatan los cationes por interacciones ión-dipolo.
• Los aniones no son bien solvatados porque el disolvente no pueden formar puentes de hidrógeno con ellos.
• Estos aniones se dice que están "desnudos" y por lo tanto, es más reactiva.
Nucleofilicidad en disolventes polares apróticos
37
• En disolventes polares apróticos, la nucleofilicidad es paralela a la basicidad, y la base fuerte es un nucleófilo fuerte.
• Debido a que la basicidad disminuye a medida que aumenta el tamaño de una columna, nucleofilicidad disminuye también.
Nucleofilicidad vs basicidad en disolventes polares apróticos
Identifique cada uno de los disolventes como próticos o apróticos. A. Cloroformo (CHCl3) B. Éter dietílico (CH3CH2OCH2CH3) C. Acido acético (CH3COOH) D. Hexano (CH3(CH2)4CH3)
39
Los nucleófilos comunes
40
• ¿Cuál es el orden de formación y ruptura de enlace? • En teoría, hay tres posibilidades.
• La formación y ruptura de enlace se producen al mismo tiempo.
• Ruptura de enlace ocurra primero. • La formación de enlace que ocurra primero.
Formación y Rompimiento de Enlace en Mecanismos de Sustitución Nucleofílica
41
• El mecanismo se compone de un solo paso. • En tal reacción bimolecular, la velocidad depende de la concentración de
ambos reactivos. • La ecuación de velocidad es de segundo orden.
1. Formación y rotura de enlaces se producen al mismo tiempo.
Sustitución Nucleofílica - Mecanismos concertados
42
• El mecanismo tiene dos pasos y se forma un carbocatión como un intermedio.
• El primer paso es determinante de la velocidad. • La velocidad depende de la concentración de RX solamente. • La ecuación de velocidad es de primer orden.
2. La ruptura de enlace se produce antes de la formación de enlace.
Mecanismos de Sustitución nucleofílica –Ruptura de enlace Primero
43
• Este mecanismo tiene un problema inherente. • El intermedio generado en el primer paso tiene 10 electrones alrededor
del carbono, la violación de la regla del octeto. • Debido a que otras dos posibilidades mecanicistas no violan una regla
fundamental, esta última posibilidad puede descartarse.
3. La formación de enlace se produce antes de rotura de enlaces.
Mecanismos de Sustitución nucleofílica –Formación de enlace primero
44
Considere la posibilidad de reacción 1 a continuación:
• Los datos cinéticos muestran que la velocidad de reacción 1 depende de la concentración de ambos reactivos, lo que sugiere una reacción bimolecular con un mecanismo de un solo paso.
• Este es un ejemplo de un mecanismo SN2 (sustitución nucleófila bimolecular).
Cinética y Mecanismos
45
• Los datos cinéticos muestran que la velocidad de reacción 2 depende de la concentración de sólo el haluro de alquilo.
• Esto sugiere un mecanismo de dos pasos en el que el paso determinante de la velocidad implica sólo el haluro de alquilo.
• Este es un ejemplo de un mecanismo SN1 (sustitución nucleófila unimolecular).
Considere la posibilidad de reacción 2 a continuación:
Cinética y Mecanismos
46
• El mecanismo de una reacción SN2 se elaborará como sigue.
• Notación de flecha curva se utiliza para mostrar el flujo de electrones.
Mecanismo de Reacción SN2
47
• Reacciones SN2 exhiben una cinética de segundo orden. • La reacción es bimolecular - tanto el haluro de alquilo y el
nucleófilo aparecen en la ecuación de velocidad.
vel = k[CH3Br][CH3COO-]
Cinetica SN2
48
Figure 7.8
Diagramas de energía para las reacciones SN2
49
• Existen dos posibilidades para la dirección que el nucleófilo se acercará al sustrato.
• Ataque frontal: El nucleófilo se acerca desde el mismo lado que el grupo saliente.
Estereoquímica de la reacción SN2
• Ataque por atrás: El nucleófilo se acerca desde el lado opuesto el grupo saliente.
50
• Los productos de ataque frontal y trasera son diferentes compuestos. • Ellos son enantiómeros.
Estereoquímica de la reacción SN2
• Todas las reacciones SN2 proceden con el ataque del nucleófilo por la parte trasera.
• Dan lugar a una inversión de la configuración en el estereocentro.
51
• El estado de transición siempre tiene enlaces parciales con el nucleófilo y el grupo saliente.
• También puede haber cargas parciales sobre el nucleófilo y/o grupo saliente.
Figure 7.9
Estados de transición de reacciones SN2
52
Inversión en reacciones SN2
• Dos ejemplos que muestra inversión de la configuración en un centro estereogénico.
Figure 7.10
¿Por qué el ataque por atrás es mejor que el ataque frontal en una reacción SN2?
(A) El ataque por atrás da como resultado una interacción de enlace entre e l HOMO del nucleófilo y el LUMO del enlace C-Br
(B) E l a t a q u e f r o n t a l formaría una interacción de enlace y también una a n t i e n l a c e q u e s e anularían entre si.
!Reacción SN2, estado de transición.
Esta reacción produce la inversión de la configuración si el grupo saliente se adjunta a un carbono asimétrico. El nucleófilo ataca la parte posterior del carbono que está unido al halógeno. Inversión de Walden
Una reacción SN2 entre el ion hidróxido de sodio y bromuro de metilo muestra el ataque por la parte posterior y el intermediario. Los grupos alquilo y/o átomos de hidrógeno están en el mismo plano en el intermediario.
Inversión de la configuración en una reacción SN2.
Dado que esta reacción se lleva a cabo con una inversión de la configuración sólo hay un producto que se forma en esta reacción.
58
• Los metilos y Halogenuros de alquilo 1° sufren reacciones SN2 con facilidad.
• Los haluros de alquilo 2° reaccionan más lentamente. • Los haluros de alquilo 3° no experimentan reacciones SN2 debido a
efectos estéricos. • Grupos R voluminosos cerca del sitio de reacción hacen que el ataque
nucleofílico de la parte trasera sea más difícil, ralentizando la velocidad de reacción.
Reactividad del sustrato en las reacciones SN2
• A medida que aumenta el numero de grupos R enlazados al carbono con el grupo saliente, la velocidad de la reacción SN2 disminuye.
59
• Mapas de potencial electrostático ilustran los efectos de impedimento estérico alrededor del carbono que lleva el grupo saliente en una serie de haluros de alquilo.
Figure 7.11
Efectos estéricos en reacciones SN2
60
• Cuanto mayor sea el Ea, más lenta es la velocidad de reacción. • Por lo tanto, cualquier factor que aumenta Ea disminuye la velocidad de
reacción. Figure 7.12
Diagramas de energía para las reacciones SN2
61
• Aumentar el número de grupos R en el carbono con el grupo saliente aumenta la aglomeración en el estado de transición, disminuyendo de ese modo la velocidad de reacción.
• La reacción SN2 es más rápido con haluros sin impedimentos.
Efectos estericos en la velocidad de las reacciones SN2
62
Características del mecanismo SN2
63
Figure 7.13
La reacción SN2 en la síntesis de fármacos
64
• Reacciones de sustitución nucleófila son importantes en los sistemas biológicos también.
• Esta reacción se llama metilación porque un grupo CH3 se transfiere de un compuesto (SAM) a otro (: Nu!).
Reacciones de sustitución nucleofílica en Sistemas Biológicos
65
Figure 7.14 síntesis de adrenalina de noradrenalina en respuesta al estrés
Reacción SN2 en Síntesis de Adrenalina
Determine el producto que se formaría en la reacción SN2 del: a. 2-bromobutano y el ion hidróxido. b. (R)-2-bromobutano y el ion hidróxido. c. (S)-3-clorohexano y el ion hidróxido. d. 3-yodopentano y el ion hidróxido.
En las siguientes reacciones identifique cual es el nucleófilo y cual es el grupo saliente.
a. CH3I + CH3CH2ONa ! CH3OCH2CH3 + NaI b. NaI + CH3CH2Br ! CH3CH2I + NaBr c. 2CH3OH + (CH3)3CCl ! (CH3)3COCH3 + CH3OH2
+ + Cl-
d. CH3CH2CH2Br + NaCN ! CH3CH2CH2CN + NaBr e. C6H5CH2Br + 2NH3 ! C6H5CH2NH2 + NH4Br
En cada uno de los siguientes pares de reacciones SN2, indique cual de ellas se efectúa con mayor rapidez.
CH3CH2Br + H2O ó CH3CH2Br + HO
CH3CHCH2Br + HO ó CH3CH2CHBr + HO
CH3 CH3
CH3CH2Cl + CH3O ó CH3CH2Cl + CH3Setanol
CH3CH2Cl + I ó CH3CH2Br + I
a.
b.
c.
d.
69
• El mecanismo de una reacción SN1 se obtiene de la siguiente manera: La flecha curva se utiliza para mostrar el flujo de electrones.
• Las principales características del mecanismo SN1 son que tiene dos pasos, y se forman carbocationes como intermedios reactivos.
Mecanismo de reacción SN1
En el primer paso, se rompe el enlace carbono-halógeno y el par de electrones compartidos con anterioridad se queda en el halógeno. En el segundo paso, el nucleófilo reacciona rápidamente con el carbocatión para formar un alcohol protonado. En el último paso se produce la transferencia de protones.
71
• Reacciones SN1 exhiben cinética de primer orden. • La reacción es unimolecular - que implica solamente el
haluro de alquilo.
• La identidad y la concentración del nucleófilo no tienen efecto sobre la velocidad de reacción.
• Por lo tanto, el nucleófilo no aparece en la ecuación de velocidad.
Vel = k[CH3Br]
Cinetica SN1
72
Figure 7.15
Diagramas de energía para las reacciones SN1
73
Para comprender la estereoquímica de la reacción SN1, debemos examinar la geometría del carbocatión intermedio.
Estereoquímica de las reacciones SN1
74
• Pérdida del grupo saliente en el paso [1] genera un carbocatión plano que es aquiral.
• En el paso [2], ataque del nucleófilo puede ocurrir en cualquier lado para dar dos productos que son un par de enantiómeros.
• Debido a que no hay preferencia por el ataque nucleofílico de cualquier dirección, se forma una mezcla racémica es decir una cantidad igual de los dos enantiómeros.
• Este proceso se llama racemización.
Racemización en reacciones SN1
75
Figure 7.16
Racemización en reacciones SN1
76
• La velocidad de una reacción SN1 se ve afectada por el tipo de haluro de alquilo en cuestión.
• Esta tendencia es exactamente opuesta a la observada en las reacciones SN2.
La reactividad del sustrato en las reacciones SN1
77
• El efecto del tipo de haluro de alquilo en las velocidades de reacción SN1 puede explicarse considerando la estabilidad del carbocatión.
• Los carbocationes se clasifican como primaria (1º), secundario (2°), o terciario (3°), basado en el número de grupos R unidos al átomo de carbono cargado.
• Como el número de grupos R aumenta, aumenta la estabilidad del carbocatión.
Estabilidad del carbocatión
78
• El orden de estabilidad del carbocatión puede racionalizarse mediante efectos inductivos e hiperconjugación.
• Efectos inductivos se producen por la atracción de la densidad
electronica a través de enlaces " causadas por las diferencias en electronegatividad entre los átomos.
• Los grupos alquilo son grupos donadores de electrones que
estabilizan la carga positiva debido a que contienen varios enlaces ", donando la densidad electrónica que ellos contienen.
• Como resultado, los grupos alquilo son más polarizable que un átomo
de hidrógeno, y más capaz de donar densidad electrónica. • En general, mientras más grupos alquilo unidos a un carbono con una
carga positiva, más estable será el catión.
Efectos inductivos y Estabilidad de Carbocationes
79
Figure 7.17 Electrostatic potential maps
for differerent carbocations
Estabilidad de Carbocationes
80
• El orden de estabilidad de carbocationes es también una consecuencia de hiperconjugación.
• Hiperconjugación es la difusión de la carga por la superposición de un orbital p vacío con un enlace " adyacente.
• Esta superposición deslocaliza la carga positiva en el carbocatión dado un volumen más grande y por lo tanto su estabilización.
• Por ejemplo: (CH3)2CH+ se puede estabilizar por hiperconjugación, pero CH3
+ no puede.
Hiperconjugación y Estabilidad de Carbocationes
81
Características del mecanismo SN1
Grupos salientes en reacciones SN1
Nucleófilo en reacciones SN1
En reacciones SN1 el nucleófilo no tiene influencia sobre la rapidez de la reacción.
En la mayoría de los casos en las reacciones SN1 el disolvente es el mismo nucleófilo y a este tipo de reacción se le conoce como solvólisis.
En una reacción SN1 de 2-bromo-2-metilbutano, el carbocatión secundario sufre un desplazamiento de 1,2-hidruro para formar un carbocatión terciario. El carbocatión terciario es atacado por el agua. En una reacción SN2, no se produce reordenamiento.
Reordenamiento de carbocatión
84
• El postulado de Hammond relaciona la velocidad de reacción a la estabilidad.
• Proporciona una estimación cuantitativa de la energía de un estado de transición.
• Los estados en el postulado de Hammond dice que el estado de transición de una reacción se asemeja a la estructura de las especies (reactivo o producto) a la que está más cerca en energía.
El Postulado de Hammond
85
El Postulado de Hammond • La velocidad de reacción SN1 aumenta según aumenta el
número de grupos R el carbono. • La estabilidad de un carbocatión aumenta a medida que el
número de grupos R aumenta en el C+.
86
• Así, la velocidad de una reacción SN1 aumenta a medida que la estabilidad de los carbocationes aumenta.
Postulado Hammond y reacciones SN1
87
Energía de Estado de Transición y el Postulado de Hammond
88
• En una reacción endotérmica, el estado de transición se asemeja a los productos más que a los reactivos, así que cualquier cosa que estabiliza el producto se estabiliza el estado de transición también.
• Por lo tanto, la reducción de la energía del estado de transición
disminuye Ea, lo que aumenta la velocidad de reacción. • Si hay dos posibles productos de diferente estabilidad en una
reacción endotérmica, el estado de transición que conduce al producto más estable es más baja en energía, por lo que esta reacción debe ocurrir más rápidamente.
Endothermic Reaction Transition States
89
Figure 7.18
Energía del Estado de Transición de una reacción endotérmica
90
• En el caso de una reacción exotérmica, el estado de transición se asemeja mas a los reactivos que a los productos.
• Por lo tanto, la reducción de la energía de los productos tiene poco o ningún efecto sobre la energía del estado de transición.
• Cuando Ea no se ve afectada, la velocidad de reacción no se ve afectada.
• La conclusión es que en una reacción exotérmica, el producto más estable se puede o no formar más rápido, debido a que Ea es similar para ambos productos.
Reacción exotérmica estados de Transición
91
Figure 7.19
Transition State Energy of an Exothermic Reaction
92
• En la reacción SN1, la etapa determinante de velocidad es la formación del carbocatión, un proceso endotérmico.
• De acuerdo con el postulado de Hammond, la estabilidad del carbocatión determina la velocidad de su formación.
Application of the Hammond Postulate to the SN1 Reaction
93
• Como CH3+ es menos estable que (CH3)3C+
• Ea [1]> Ea [2] • Reacción [1] es más lento
Figure 7.20 Energy diagram for carbocation
formation in two different SN1 reactions
Aplicación del Postulado de Hammond a la reacción SN1
94
• Reacciones SN1 se cree que desempeñan un papel en la forma en nitrosaminas, compuestos que tienen la estructura general R2NN=O, actúan como toxinas y carcinógenos.
• Con ácido y calor, se pueden descomponer para formar carbocationes, que reaccionan con nucleófilos biológicos.
Las reacciones SN1, nitrosaminas y cáncer
95 95
Predecir el Mecanismo de Reacciones de Sustitucion Nucleofílica
• Cuatro factores son relevantes para predecir si es probable que continúe por un SN1 o un mecanismo SN2 una reacción dada:
• El haluro de alquilo -CH3X, RCH2X, R2CHX o R3CX • El nucleófilo fuerte o débil • El grupo saliente - bueno o malo • El disolvente prótico o aprótico
96
• El factor más importante es la identidad del haluro de alquilo.
Naturaleza del haluro de alquilo
97
• Nucleófilos fuertes (que por lo general llevan una carga negativa) presentes en concentraciones altas favorecen reacciones SN2.
• Nucleófilos débiles, tales como H2O y ROH favorecen reacciones SN1 disminuyendo la velocidad de cualquier reacción SN2 que pueda competir.
• Consideren lo que sucede cuando el haluro de alquil 2° A, que puede reaccionar por cualquier mecanismo, se trata con el nucleófilo fuerte HO! o con nucleófilo débil como H2O.
Efecto del nucleófilo
98
• El nucleófilo fuerte va a favor de un mecanismo SN2.
• El nucleófilo débil favorece un mecanismo SN1.
Predicción de SN1 o SN2- nucleófilo
99
• Un mejor grupo saliente aumenta la velocidad de ambas reacciones SN1 y SN2.
Efecto de grupos salientes
100
• Disolventes polares próticos como H2O y ROH favorecen reacciones SN1 porque los intermedios iónicos (ambos cationes y aniones) se estabilizan por solvatación.
• Disolventes polares apróticos favorecen reacciones SN2 porque los nucleófilos no están bien solvatados, y por lo tanto, son más nucleofílicos.
Efecto del disolvente
101
Predecir una SN1 o SN2- Resumen
102
• Las reacciones SN1 o SN2 se producen en carbonos con hibridación sp3. • Haluros de vinilo y arilo, que tienen un halógeno unido a un carbono con
hibridación sp2, no se someten a las reacciones SN1 o SN2. • La heterólisis del enlace C-X formaría un vinilo muy inestable o catión
arilo.
Halogenuros de Vinilo y arilo
¿Cuál haluro de alquilo será más reactivo en una reacción SN1 de solvólisis?
Tiene más estructuras resonantes
¿Cuál haluro de alquilo es más reactivo en una solvólisis SN1?
C C
H
H3CHCH2C
CH2CH3
H
Br
C C
H
H3CH2CHC
CH2CH3
H
Br
ó
¿Cuál haluro de alquilo es más reactivo en una reacción SN2? En cualquier caso puede suponer que ambos tienen la misma estabilidad.
CH3CHCl
CH3
CH3CHBr
CH3
óa.
CH3CH2CHBr CH3CH2CHBr
CH2CH3
ó
CH3CH2CH2CHBr
CH3
CH3
CH3CH2CHCH2Br
CH3
ó
b.
c.
CH2CH2Br CH2CHCH3
Br
ód.
107 107
• La síntesis orgánica es la preparación sistemática de un compuesto a partir de un material de partida fácilmente disponibles a través de uno o varios pasos.
• Las reacciones de sustitución nucleofílica, especialmente SN2, se utilizan para introducir una amplia variedad de grupos funcionales en una molécula, dependiendo de la nucleófilo.
• La síntesis orgánica ha producido muchos compuestos útiles (por ejemplo, productos farmacéuticos, pesticidas y polímeros utilizados en la vida cotidiana).
• Los químicos pueden depender de la síntesis para preparar sustancias útiles, tales como un producto natural producido por microorganismos, pero sólo en cantidades mínimas (por ejemplo, Taxol se utiliza en el tratamiento del cáncer).
Síntesis Orgánica
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Síntesis Orgánica Usando halogenuros de alquilo
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• Para llevar a cabo la síntesis de un compuesto particular, tenemos que pensar al revés, y hacernos la siguiente pregunta: • Cuál material de partida y reactivos se necesitan para hacerlo?
• Si se está utilizando una sustitución nucleófila, hay que determinar el haluro de alquilo y el nucleófilo que se puede utilizar para formar un producto específico.
Pensando hacia atrás en Síntesis Orgánica
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• Para determinar los dos componentes necesarios para la síntesis, tener en cuenta que los átomos de carbono provienen de el material orgánico de partida, en este caso, un haluro de alquilo 1°.
• El grupo funcional proviene de la nucleófilo, HO en este caso. • Con estos dos componentes, se puede completar la síntesis.
Enfoques utilizados en Síntesis Orgánica