reacciones de sustitución

Dr. Edgar García-Hernández.

Instituto Tecnológico de Zacatepec.

Adición:

Eliminación:

Sustitución:

Transposición

Química Orgánica II. 2

Ocurren cuando las moléculas poseen dobles o triplesenlaces y se le incorporan dos átomos o grupos de átomosdisminuyendo la insaturación de la molécula original.


propeno bromo 1,2-dibromopropano

CH CH2CH3 + Br Br CH CH2CH3

Br Br

2-butino bromo 2,2,3,3-tetrabromobutano

C CCH3 CH3 + Br Br C CCH3

Br Br

Br

CH3

Br

2

2-butino bromo 2,3-dibromo-2-buteno

C CCH3 CH3 + Br Br

C C

CH3

Br CH3

Br


Son aquéllas en las que un átomo o grupo de átomos del sustrato son sustituidos por un átomo o grupo de átomos del reactivo.


+ KC N KBrCH2 BrCH3 C NCH2CH3 +

bromoetano cianuro de potasio

propanonitrilo bromurode potasio

LuzCH CH3CH3

H

+ Cl Cl CH CH3CH3

Cl

H Cl+

propano cloro 2-cloropropano cloruro de hidrógeno


Dos átomos o grupos de átomos que se encuentran encarbonos adyacentes se eliminan generándose un doble otriple enlace. Es la reacción opuesta a la adición.

C C

sustrato reactivo productos

+

ZC C

A B

ZAB +


2,3-dibromobutano

+CH CH CH3CH3

BrBr

C C CH3CH32 KOH 2 KBr 2 HOH+ +

2-butinohidróxido de potasio

2-clorobutano

etanol+CH CH CH3CH3

HCl

CH CH CH3CH3KOH KCl HOH+ +

2-buteno(mayoritario)

hidróxido de potasio


Esta clase de reacciones consisten en un reordenamientode los átomos de una molécula que origina otra conestructura distinta.

CH3 CH2 CH2 CH3

cat. CH3 CH

CH3

CH3


El mecanismo de una reacción es el detalle de lastransformaciones graduales que sufren lasmoléculas de las sustancias reaccionantes hastaconvertirse en productos de la reacción.


• El debilitamiento de los enlaces entre los átomos de losreactantes.

• La formación de un complejo activado o intermediariosinestables.

• La aparición de nuevos enlaces entre los átomos queforman los productos.

• La variación de la energía del proceso (la energíanecesaria para que se forme el complejo activado ointermediarios es la energía de activación Eact )


Función Fórmula Reacciones características

Alcanos C–C, C–HSustitución (de H, comúnmente por Cl o Br)

Combustión (conversión a CO2 y H2O)

Alquenos C=C–C–HAdición

Sustitución (de H)

Alquinos C≡C–HAdición

Sustitución (de H)

Haluros de alquilo H–C–C–XSustitución (de X)

Eliminación (de HX)

Alcoholes H–C–C–O–H

Sustitución (de H); Sustitución (de OH)

Eliminación (of HOH); Oxidación (eliminación de

2H)

Éteres (α)C–O–R Sustitución (de OR); Sustitución (de α–H)

Aminas C–NRHSustitución (de H);

Adición (a N); Oxidación (de N)


Benceno (anillo) C6H6 Sustitución (de H)

Aldehidos (α)C–CH=OAdición

Sustitución (de H or α–H)

Cetonas (α)C–CR=OAdición

Sustitución (de α–H)

Ácidos Carboxílicos (α)C–CO2H

Sustitución (de H); Sustitución

(de OH)

Sustitución (de α–H); Adición (a

C=O)

Derivados Carboxílicos(α)C–CZ=O

(Z = OR, Cl, NHR, etc.)

Sustitución (de Z); Sustitución

(de α–H)

Adición (a C=O)


Química Orgánica II.

15

Requiere calor o luz para la iniciación.

La longitud de onda más efectiva es la azul, la cual es absorbida por el gas cloro.

Se obtienen muchos productos a partir de un solo fotón de luz (reacción en cadena).

16

C

H

H

H

H + Cl2Calor o Luz

C

H

H

H

Cl + HCl


1. Iniciación: Genera un intermediario (radicales,carbocationes o carbaniones).

2. Propagación: El intermediario reacciona conuna molécula estable para producir otrointermediario (y una molécula de uno de losproductos).

3. Terminación: Se destruyen los intermediarios.

17Química Orgánica II.

Una molécula de cloro se rompehomolíticamente formando dos radicales decloro.

18

Cl Cl + photon (h) Cl + Cl


Un radical cloro colisiona con un hidrógeno deuna molécula de metano y lo remueve,formando un radical metilo y una moléculade uno de los productos (HCl).

19

C

H

H

H

H Cl+ C

H

H

H

+ H Cl


El radical metilo colisiona con otra moléculade cloro, obteniéndose así el productoprincipal (cloruro de metilo) y un radical decloro. Así se repiten los pasos (1) y (2) de lapropagación.

20

C

H

H

H

+ Cl Cl C

H

H

H

Cl + Cl


21

C

H

H

H

H Cl+ C

H

H

H

+ H Cl

C

H

H

H

+ Cl Cl C

H

H

H

Cl + Cl

C

H

H

H

H + Cl Cl C

H

H

H

Cl + H Cl

Cl Cl + photon (h) Cl + Cl


Se da por la colisión de dos radicales libres cualquiera.

También por la combinación de los radicales libres con el solvente o contaminantes.

22

C

H

H

H

Cl+ C

H

H

H

Cl

¿Puedes sugerir otra (s)?


El rompimiento de enlaces requiere de energía (+EDH, proceso endotérmico).

La formación de enlaces libera energía (-EDH, proceso exotérmico).

23

A B A + B

Se puede utilizar la EDH para estimar la ΔHde la reacción.


Estime la H para cada paso utilizando las EDH.

25

104103

58 84

104 84

58 103

CH4 HCl+ +Cl CH3

CH3 + Cl2 CH3Cl + Cl

ó

Cl+CH4 CH3Cl + H

H Cl2+ HCl Cl+


Para: A + B C + D, velocidad = k[A]a[B]b

a es el orden con respecto a A

a + b es el orden global.

Orden es el número de moléculas dereactantes presentes en el pasodeterminante del mecanismo de reacción.

El valor de la constante de velocidad dereacción (k) depende de la temperatura deacuerdo con Arrhenius: ln k = -Ea + lnA

RT


Energía Mínima requerida para alcanzar el estado detransición.

A altas temperaturas, más moléculas alcanzan la energíarequerida.

27

C

H

H

H

H Cl


Para una reacción de un solo paso:

reactivos estado de transición productos

Un catalizador disminuye la Ea.


1. Reactivos Estado de transición intermediario

2. Intermediario Estado de transición productos

29

=>


Si la Ea incrementa, la velocidad disminuye.

Si la T aumenta, la velocidad incrementa.

Flúor: Reacciona explosivamente.

Cloro: Reacciona a velocidad moderada.

Bromo: Reacciona selectivamente.

Iodo: No reacciona (detectablemente).


Hay 6 H´s 1 H’s y dos H´s 2. Se espera una relación 3:1 de mezcla de los productos, es decir, 75% 1-cloropropano y 25% 2-cloropropano.

Experimentalmente se obtiene una mezcla de 40% 1-cloropropano y 60% 2-cloropropano.

Conclusión: No todos los H’s son igualmente reactivos.

31

1 C

2 CCH3 CH2 CH3 + Cl2

hCH2

Cl

CH2 CH3 + CH3 CH

Cl

CH3


La energía requerida para romper un enlace C-H decrece a medida que la sustitución sobre el carbono se incrementa.

Estabilidad: 3 > 2 > 1 > metiloH(kcal) 91, 95, 98, 104


Ea más baja, velocidad más alta, dado que se forman los intermediarios más estables.


Hay seis H´s 1 y dos H´s 2. Se esperaría una relación 3:1de mezcla de productos, es decir, 75% 1-bromopropano y25% 2-bromopropano.

Experimentalmente se obtiene una mezcla: 3% 1-bromopropano y 97% 2-bromopropano !!!

¿Por qué la –bromación es más selectiva que la cloración?34

1 C

2 C

CH3 CH2 CH3 + CH2

Br

CH2 CH3 +Br2heat

CH3 CH

Br

CH3


Para comparar la reactividad de los hidrógenos hay quedeterminar la cantidad de producto formada porhidrógeno: 3% 1-bromopropano a partir de 6 hidrógenos y97% 2-bromopropano a partir de 2 hidrógenos.

3% 6 = 0.5% por hidrógeno primario y 97% 2 = 48.5%por hidrógeno secundario.

Los hidrógenos secundarios son: 48.5% 0.5% = 97 vecesmás reactivos hacia la reacción de bromación que los H’sprimarios.


Note la gran diferencia en la Ea

Por qué es endotérmico?



39

Los carbocationes se pueden rearreglar para formar un carbocatión más estable.

Migración de Hidruro (:H-) de un carbono adyacente unido al carbocatión C+.

Migración de un Metiluro (:CH3-) de un carbono adyacente

unido al carbocatión C+ (solo si no hay hidrógenos disponibles).


Carbocatión 3o

Carbocatión 2o

CH3 C

Br

H

C

H

CH3

CH3CH3 C

H

C

H

CH3

CH3

CH3 C

H

C

H

CH3

CH3CH3 C

H

C

CH3

CH3

H

CH3 C

H

C

CH3

CH3

H

NucCH3 C

H

C

CH3

CH3

H Nuc


Carbocatión 3o

CH3 C

Br

H

C

CH3

CH3

CH3CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3

CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3

CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3

NucCH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3 Nuc

Carbocatión 2o



SN2 SN1

Haluros de metilo y primarios Haluros terciarios

Nucleófilos fuertes Nucleófilos Débiles (pueden ser

solventes)

Solvente polar aprótico Solvente polar prótico, sales de plata

velocidad = k[haluro][Nuc] velocidad = k[haluro]

Inversión total de la configuración Racemización de compuestos activos

ópticamente

Reacción concertada (un solo paso) Reacción en dos pasos

Estado de transición Intermediarios

No se presentan rearreglos Rearreglos por migración de :H- ó

:CH3-

Es común una mezcla de productos.



55

Hidratación de alquenos.

Hidroboración-oxidación.

Reducción de compuestos carbonílicos.

Hidrólisis de haluros de alquilo.

Reacción de reactivos de Grignard y compuestos carbonílicos.

Por fermentación.


58

SN2.

Reacción concertada: Formación de un enlace nuevo yrompimiento de un enlace “viejo” al mismo tiempo.

Inversión total de la configuración del producto conrespecto a la configuración del haluro (Inversión Walden)

C

H

Br

HH

H O CHO Br

H

HH

CHO

H

HH

+ Br-


61

Haloalcano H2O HO-

Metil No reacciona SN

Primario no impedido No reacciona SN

Primario ramificado No reacciona SN, E2

Secundario SN1 lenta, E1 SN2, E2

Terciario SN1, E1 E2

El ión hidróxido es un nucleófilo (¡y una base!) más

fuerte que el agua y los resultados de la sustitución

pueden ser diferentes dependiendo de la estructura

del sustrato de partida.

En general, este método no es útil para obtener

alcoholes.Química Orgánica II.

62

Nucleofilo Producto Familia

R-X + I- R-I Haluro de Alquilo

R-X + OH- R-OH Alcohol

R-X + -OR' R-OR' Eter

R-X + -SH R-SH Tiol

R-X + -SR' R-SR' Tioeter

R-X + NH3 R-NH3+X- Sal de amina

R-X + N3- R- N3 Azida

R-X + -CC-R' R-CC-R' Alquino

R-X + -CN R-CN Nitrilo

R-X + R-COO- R-COO-R' Ester



63

Ion Alcóxido + Bromuro de alquilo 1 (o tosilato)

Ejemplo:


CH3 O H + K CH3 O_

K+

CH3 O_

+ CH3CH2 C

H

H

Br CH3 O CH2CH2CH3 + Br_

Los iones fenóxido se producen fácilmente mediante lasíntesis de Williamson.

Los haluros de fenilo o tosilatos no pueden ser utilizadosen este método de síntesis.

65

O H

+ NaOH

O_

Na+

+ HOH


Te sugiero este otro video: http://www.youtube.com/watch?v=hCxeao5X_6wQuímica Orgánica II. 66

http://www.youtube.com/watch?v=hCxeao5X_6w

Obtención de aminas a partir de haluros de alquilo:



68

70

=>


El -OH del alcohol es protonado.

El grupo -OH2+ es un buen grupo saliente.

Los alcoholes 3° y 2° reaccionan con el Br-

vía SN1

Los alcoholes 1° reaccionan vía SN2

71

H3O+

Br-

R O H R O H

H

R Br


El ion cloruro es un nucleófilo más débil que el bromuro.

El ZnCl2 se enlaza fuertemente con el -OH, para promover a reacción.

El producto clorado es insoluble.

Test de Lucas: ZnCl2 en HCl concentrado.

Alcoholes 1° reaccionan lentamente o no reaccionan.

Alcoholes 2 reaccionan en 1-5 minutos.

Alcoholes 3 reaccionan en menos de 1 minuto.


El HI no reacciona.

Rendimientos pobres para cloruros 1° y 2°.

Se puede favorecer la obtención de un alqueno en lugar de un haluro de alquilo.

Puede existir rearreglo del carbocatión intermediario.


Buenos rendimientos con alcoholes 1° y 2°.

PCl3 para cloruros de alquilo (es mejor el SOCl2).

PBr3 para bromuros de alquilo.

P and I2 para ioduros de alquilo (PI3 no es estable).


El P se enlaza con el -OH y el Br-

sale.

El Br-

ataca vía SN2

El HOPBr2 sale.


Produce cloruro de alquilo, SO2 y HCl

El S se enlaza al -OH, el ion Cl-sale.

El ion Cl- abstrae un H+ del OH

El enlace C-O se rompe a medida que el Cl-

es transferido al C.



78

La aromaticidad no se limita al benceno, sino que se leasocia con ciertas moléculas que presentan cuatrocaracterísticas comunes:

1.Son estructuras cíclicas que contienen cierto número de enlaces.

2.Son estructuras planas o por lo menos muy cercanas a lasplanas.

3.Cada átomo en el anillo debe tener hibridación sp2, (en algunoscasos sp).

4.Puede ocurrir deslocalización de los electrones


80

“Estaba sentado, escribiendo mi libro, pero el trabajo no

progresaba. Mis pensamientos estaban lejos. Moví la silla

hacia el fuego y dormité. Los átomos nuevamente brincaban

ante mis ojos. Esta vez, los grupos más pequeños se

mantenían modestamente al fondo. Mi ojo mental, agudizado

por las repetidas visiones de este tipo, podía ahora distinguir

estructuras mayores de muchas conformaciones: largas filas,

a veces apretadas, girando y retorciéndose como serpientes.

Pero, ¿qué fue eso? Una de las serpientes había logrado asir

su propia cola y la figura danzaba burlonamente ante mis

ojos. Desperté como por el destello de un relámpago;... pasé

el resto de la noche desarrollando las consecuencias de la

hipótesis. Señores, aprendamos a soñar y quizás

entonces, aprendamos la verdad” -August Kekulé, 1890.


Cada C sp2 hibridizado en el anillo tiene un orbital p sinhibridizar, perpendicular al anillo, los cuales se traslapanalrededor del anillo.


Dado que el benceno es un trieno conjugado

cíclico se podría esperar que participara en las

reacciones típicas de los polienos, sin embargo se

observa que:Br2/CCl4

Oscuridad, 25°C

25°C

KMnO4/H2O

Calor

H3O+/H2O

H2/Ni

No hay adición de bromo

No hay oxidación

No hay hidratación

Adición lenta a

temperatura y

presión altas


Los seis orbitales p que se traslapan deben formar seisorbitales moleculares.

Tres serán de enlace y tres de antienlace.

La energía más baja de los OM tendrá todas lasinteracciones de enlace, no hay nodos!.

A medida que la energía de los OM aumenta, el número denodos se incrementa.


Los seis electrones llenan tres orbitales pi deenlace.

Todos los orbitales se llenan (“closed shell”), unarreglo extremadamente estable.


El electrófilo sustituye a un hidrógeno en el anillo debenceno.


Paso 1: El ataque al electrófilo forma el complejo sigma

Paso 2: La pérdida de un protón da el producto de sustitución

Complejo sigma (ion arenuro


Reacciones de sustitución electrofílica aromática

Halogenación

Nitración

Sulfonación

Alquilación de Friedel-Crafts

Acilación de Friedel-Crafts


Ion arenio

La evidencia experimental indica que el ataqueelectrofílico al sistema del benceno forma un carbocatiónno aromático conocido como un ión arenio, ión becenonio oalgunas veces llamado complejo sigma.


Paso 1. El electrófilo toma dos electrones de los seiselectrones del sistema para formar un enlace σ con unade los carbones del benceno.

Paso 2. El ión arenio pierde el protón del carbón que tieneunido al electrófilo, restableciéndose entonces los seiselectrones del sistema.

Reacción lenta,

determina la velocidad de

la reacción.

Reacción rápida


El ion arenio es un

intermediario que cae

entre los estados de

transición 1 y 2. En el

estado de transición 1 el

enlace entre el electrófilo y

el carbón del benceno

está solo parcialmente

formado. En el estado de

transición 2 el enlace entre

el carbón del benceno y su

átomo de hidrógeno está

parcialmente roto.


Reaccionan en presencia de ácidos de Lewis.

Buenos rendimientos

95

Clorobenceno (90%)

Bromobenceno (75%)

calor


Mecanismo para la reacción

Paso 1

Paso 2

Paso 3

El bromo se combina con el FeBr3 para formar un complejo que se

disocia para formar un ion bromuro positivo y FeBr4-.

ION ARENIO

El ion bromuro ataca al benceno para formar un ion arenio.

El ion arenio pierde un protón para convertirse en bromobenceno.


El fluor reacciona tan rápido con el benceno que la

fluoración aromática requiere condiciones especiales

y tipos de aparatos especiales. Más aún, es difícil

limitar la reacción a la monofluoración.

Por otro lado, el yodo es tan poco reactivo que se

requieren técnicas especiales para efectuar la

yodación directa; la reacción se efectúa en presencia

de un agente oxidante como el ácido nítrico.


El benceno reacciona lentamente con ácido nítricoconcentrado (caliente) para dar nitrobenceno. La reacciónes mucho más rápida si se efectúa con calentamiento yutilizando una mezcla de ácidos nítrico y sulfúricoconcentrados.



Paso 1

Paso 2

En este paso el ácido nítrico acepta un protón del ácido más fuerte, el

ácido sulfúrico.

Una vez protonado, el ácido nítrico se disocia para formar un ion

nitronio.


Paso 3

Paso 4

Ión arenuro

El ion nitrónio es el electrófilo en la nitración; el cual reacciona con el

benceno para formar un ión arenuro estabilizado por resonancia.

El ion arenuro transfiere un protón a la base para convertirse en

nitrobenceno.


Trióxido

de azufre

Ácido becensulfónico

(56%)

El benceno reacciona con ácido sulfúrico fumante (soluciónal 7% de SO3 en H2SO4) a temperatura ambiente paraproducir ácido bencensulfónico.



Paso 1

Paso 2

Paso 3

Este equilibrio produce SO3 en H2SO4 concentrado.

El ion arenio pierde un protón para formar el ion bencensulfonato.

El SO3 es el electrófilo que reacciona con el benceno para formar el

ion arenuro.

Otras estructuras resonantes


Paso 4

El ion bencensulfónico acepta un protón para convertirse en ácido

bencensulfónico.


En 1877 Charles Friedel (francés) y James M. Crafts(USA), descubrieron un método para la preparación dealquilbencenos (ArR) y acilbencenos (ArCOR).

Una ecuación general para una reacción de alquilación deFriedel-Crafts es la siguiente:



Paso 1

Esta es una reacción ácido-base de Lewis.

El ion se dissocia para formar un carbocatión y AlCl4-.


Paso 2

Paso 3

El ion arenio pierde un protón para formar isopropilbenceno.

Este paso regenrado el AlCl3 y libera HCl.

El carbocatión, actúa como un electrófilo, reaccionando con el

benceno para producir un ion arenio.

Otras estructuras resonantes



Paso 3

Paso 5

Paso 4


Paso 6

En el último paso, el cloruro de aluminio (ácido

de Lewis) forma un complejo con la cetona (una

base de Lewis). Para finalizar la reacción, el

complejo es tratado con agua, liberando así a la

cetona.


Limitaciones de las reacciones de Friedel-Crafts

1. Cuando se forma un carbocatión a partir de un

haluro de alquilo, alqueno o un alcohol, este puede

rearreglarse a un carbocatión más estable, obteniéndose

como producto principal entonces el de carbocatión más

estable.

Butilbenceno

(32-36% de la mezcla)

sec-butilbenceno

(64-68% de la mezcla)Química Orgánica II. 112

2. Las reacciones de Friedel-Crafts generalmente dan

pobres rendimientos cuando están presentes en el anillo

grupos electroatractores fuertes o cuando el anillo tiene

grupos –NH2, -NHR, o -NR2. Esto aplica para las

reacciones de acilación y de alquilación.

Estos grupos generalmente dan pobres

rendimientos en las reacciones Friedel-

CraftsQuímica Orgánica II. 113

3. Los haluros de arilo y vinilo no se utilizan debido a

que no forman carbocationes rápidamente

No hay reacción de Friedel-Crafts

No hay reacción de Friedel-Crafts


4. Frecuentemente ocurren polialquilaciones:



117

Grupo activante

Más reactivo que el

benceno en sustituciones

electrofílicas

El grupo metilo es un grupo activante y un director orto-para. El tolueno reacciona considerablemente más rápido que el benceno (25 veces más rápido), en todas las reacciones de sustitución electrofílica.


Cuando el tolueno tiene una reacción de

sustitución electrofílica, la mayoría de las

sustituciones toman lugar en las posiciones orto y

para. Cuando el tolueno se nitra con ácido nítrico

y ácido sulfúrico, se obtiene una mezcla de

mononitrotoluenos en las siguientes proporciones:

o-nitrotolueno p-nitrotolueno m-nitrotouleno

(59%) (37%) (4%)Química Orgánica II. 122

El grupo hidroxilo y el grupo amino son activantes

poderosos y también son poderosos directores orto-

para. El fenol y la anilina reaccionan con bromo en

agua (no se requiere catalizador) para generar

productos en los cuales ambas posiciones están

sustituidas. Estos producto tribromados se obtienen

en cantidades muy altas.

2,4,6-tribromofenol

(~ 100%)

2,4,6-tribromoanilina

(~ 100%)


El grupo nitro es un grupo desactivante muy fuerte. Elnitrobenceno sometido a una nitración tiene una velocidadde reacción solo de 10-4 veces más que el benceno. Elgrupo nitro es un grupo director meta.


Sustituciones electrofílicas del clorobenceno

El cloro y el bromo son desactivantes débiles, lavelocidades de reacción del clorobenceno y bromobencenoen una nitración son 33 y 30 veces más lentas que la delbenceno, respectivamente. Además estos grupos halo sondirectores orto-para.


El efecto inductivo de un sustituyente S se presenta porlas interacciones electrostáticas del grupo S polarizadounido al anillo. Por ejemplo, si S es un átomo (o grupo)más electronegativo que el carbono, entonces el anillotendrá la parte positiva del dipolo.


Ejemplos de otros grupos electroatractores que

tienen un efecto inductivo al estar unidos

directamente al anillo de benceno:


Se refiere a la posibilidad de que la presencia del grupo Spueda incrementar o disminuir la estabilización porresonancia del ion arenuro intermediario.


Todos los grupos directores meta tienen en el átomo que seencuentra unido directamente al anillo:

Una carga parcial positiva, o

Una carga positiva completa.


Contribuyente

altamente inestable

Ataque orto

Ataque meta


Contribuyente

altamente inestable

Ataque para


Par de electrones

libres Como

en

Anilina Fenol

Clorobenceno

Excepto para los sustituyentes alquilo y fenilo, todos losdirectores orto-para tienen al menos un par de electronesno compartidos en el átomo unido al anillo de benceno.


Ataque orto

Ataque metaContribuyente

relativamente estable


Ataque para

Contribuyente relativamente

estable


Resumen del efecto de los sustituyentes en la

orientación y reactividad:



139

reacciones de sustitución

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