Clase 17: Reactividad de los Haluros de Alquilo y algo de estereoquímica en Reacciones… Mario Manuel Rodas Morán Departamento de Química Orgánica Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia Universidad de San Carlos de Guatemala

Reacciones Estereoselectivas y estereoespecíficas:

CH3CH=CHCH3 + Br2 2-buteno 2 isómeros geométricos cis- y trans-

* *  CH3CHCHCH3 Br Br 2,3-dibromobutano 3 estereoisómeros (S,S)-, (R,R)-, y (R,S)- meso-

Veamos que posibilidades tenemos: H \

CH3 / C=C / \ CH3 H

CH3 CH3 \ / C=C / \ H H

trans-2-butene

cis-2-butene

Pensemos en los isómeros que podría generar la reacción: espejo CH3 H Br Br H CH3

CH3 Br H H Br CH3

(S,S)

(R,R)

CH3 H Br H Br CH3

meso

Estereoespecificidad •  Si tomamos al alqueno como un sistema plano, entonces la adición puede ser del mismo lado o de lado opuesto.

Veamos y discutamos cada reacción por separado: Br

Br H3C

H H3C

CH3 H

H Br

Br H

Br

rotando CH3

H

CH3 Br H CH3 Compuesto meso único Producto

Trans-2-buteno

Una reacción que produce predominantemente un solo esteroisómero (o uno solo del par de enantiómeros) es llamada reacción Estereoselectiva. En este caso el producto meso es el único y los demás diasterómeros no se producen.

Veamos el Caso del isómero CIS: Br H H3C

H3C H CH3

Br

H Br H3C

+ Br H

H3C Br

H3C H

Br H

Una reacción en la cual la esteroquimica de los reactantes de diferentes productos es llamada Reacción Estereoespecífica. En este caso el CIS y el TRANS dan productos diferentes.

En Resumen…

¿La Adición del Br2 es syn o anti?

Isómero Eritro e Isómero Treo CHO CHO HO H H OH

HO

H CH2OH L-eritrosa CHO H OH HO H CH2OH L-treosa

H

OH CH2OH D-eritrosa

CHO HO H H OH CH2OH D-treosa

Entonces tenemos al Isomero Eritro y al treo en las reacciones…

X X

X X Eritro

X

X

X

X Treo

Sustitución Nucleofílica

•  El átomo de halógeno es reemplazado por otro grupo en un carbono sp3 •  Esto es por qué el halógeno es más electronegativo que el carbono y el enlace CX, O o N se rompe y queda X-, O- “o” N-. •  El grupo que reemplaza al grupo saliente es un nucleófilo.

ELIMINACIÓN

•  Lo que pasa ahora es que una base roba un protón adyacente al halógeno. •  Se forma un enlace pi: es decir, el producto es un alqueno.

Sustitución Nucleofílica (SN2)

•  Sustitución Nucleofílica Bimolecular (Bimolecular por que la v=K[Nu][RX]) •  Reacción Concertada: Mientras el nuevo enlace se forma, el viejo se rompe al mismo tiempo. •  Ocurre inversión de Walden.

Sustitución Nucleofílica Bimolecular

•  Reacción de un Paso •  Estado de transición energético

Veamos nuevamente el mecanismo

•  Sustitución nucleofílica Bimolecular requiere ciertas condiciones: Nucleófilo

Un haluro de Alquilo

SN2: Reactividad del Sustrato

•  Carbono Positivo y buen grupo saliente. •  Mientras menos impedimento estérico más reactivo CH3 > 1rio > 2rio >>> 3(NR)

=>

Qué tan importante

Velocidades Relativas de algunos haluros de alquilos Haluro de Alquilo Tipo de C Velocidad Relativa HCH2X

metilo

30

CH3CH2X

primario

1

CH3CH2CH2X

primario

0.4

CH3CH2CH2CH2X

primario

0.4

(CH3)2CHX

secundario

0.025

(CH3)3CX

terciario

~0.00

Que es eso de buenos grupos salientes

•  Observemos la siguiente tabla:

Algunas conclusiones:

El mejor Grupo Saliente es el Yodo y el peor es el Fluor

El más reactivo son los yoduros de alquilo y los menos reactivos son los floruros de alquilo

SN2: Fuerza Nucleofílica

•  Los nucleófilos fuertes reaccionan más rápido. •  Las bases fuertes son buenos nucleófilos pero no todos los buenos nucleófilos son básicos

SN2: Fuerza del Nucleófilo

•  Si se tiene pares conjugados ácido base la base es un nucleófilo más fuerte OH- > H2O, NH2- > NH3 •  La fuerza decrese de izquierda a derecha de la tabla periódica: OH- > F-, NH3 > H2O •  La fuerza se incrementa mientras más abajo se este de la tabla, por el tamaño: –  I- > Br- > Cl-

Otra forma de ver

•  Mientras más grande sea será mucho más fácil formar un nuevo enlace

SN2: Efecto del solvente

•  Un solvente polar prótico decrece la nucleofilia por formar puentes con el nucleófilo:

SN2: Efecto del Solvente

•  Es mejor utilizar solvente polares apróticos, pues estabilizan la carga.

SN2: Estereoquímica

•  INVERSIÓN DE WALDEN

Inversión???

SN2 occurre con inversión de la configuración sobre un carbono electrofílico.

Algunos ejemplos:

Sustitución Nucleofílica (SN1)

•  Sustitución Nucleofílica Unimolecular (unimolecular por v=K [RX] •  La Reacción es de dos pasos ya que hay un carbocatión intermediario. •  No hay inversión hay una mezcla racémica.

Diagrama de Energía

Reactividad del sustrato

•  Más reactivo es el halogenuro terciario, pues forma un carbocatión terciario, mientras que el carbocatión metílico no reacciona. •  Los halogenuros primarios reaccionan tan lentamente que prácticamente no reaccionan.

Más SN1

•  El solvente es polar prótico (agua o etanol)

•  El grupo saliente debe ser bueno:

Mezcla Racémica

•  Como el carbocatión es plano da lugar a que el nucleofilo entre por ambos lados:

•  •  •  •  •  • 

SN2 ó SN1 ? Metilo o Primario Terciario Nucleófilo débil (solvente) Nucleófilo fuerte Solvente polar Solvente polar prótico aprótico Vel = k[haluro] Vel = k[haluro][Nuc] Inversión de Walden Racemato. Rearreglo de carbocatión No rearreglo

Topico interesante

•  En bioquímica las reacciones de sustitucíón nucleofílica son comunes

Mecanismo General de la Eliminación

•  El mecanismo general es:

β-eliminación

E2

•  Hay que recordar la SN2, por ejemplo la E2 es E por eliminación y 2 por bimolecular:

Note  la  fuerte,  como  en  una  SN2,  por  ello  la  velocidad   de  una  E2  requiere  una  buena  base,  por  ello  la   ecuación  de  velocidad  es:     V  =  [Halogenuro  de  Alquilo]  [Nucleófilo]  

Diagrama de Energía

•  Al ser concertado es en un solo paso.

Reactividad respecto al grupo saliente

•  Al igual que en una sustitución nucleófilica el grupo saliente es importante. Y depende del tamaño del halógeno, por ello el los yoduros son más reactivos:

Regioselectividad

•  Observe la siguiente reacción:

Se  da  el  producto  más  susDtuido,  por  ser  el  más   estable,  de  acá  se  deriva  la  regla  de  Zaitsev,  “mientras   más  susDtuido  un  alqueno  más  estable  suele  ser”.  

Curva de enregía

•  Por ser un proceso concertado es un proceso de una sola étapa:

Más datos:

•  También el 2-bromo-2-metilbuteno, tiene el mismo comportamiento, dando mayor rendimiento el producto más estable:

Este  comportamiento  se  sigue  repiDendo  por  lo  que  la  se   conoció  como  la  regla  de  Zaitsev  (saitseff)  “El  alqueno  más   susDtuido  es  obtenido  al  remover  un  protón  en  un  carbono   beta  para  formar  un  doble  enlace”    

Entonces quien es más reactivo

•  ¿Los Terciarios?, Los Secundarios??? O los Primarios??????

Entonces es una cuestión de estabilidad…. •  Es decir que se pueden tener productos más estables: Estabilización por resonancia?

El producto conjugado es mucho más estable: (resonancia).

Más de los factores:

•  El tamaño de la base puede marcar una diferencia muy interesante:

Regioespecificidad •  El ataque siempre es anti, ya que es menos energético (favorecido) atacar donde hay menos impedimento estérico:

Conformación antiperipla alternada

Estereoquímica E2

•  Observemos los ciclos:

Es necesario que el hidrógeno esté anti al grupo saliente si no, no puede haber reacción.

Por ejemplo……

ring flip

A su vez……

Este reacciona 40 veces más rápido por pura y llana probabilidad

Ejercicio

•  De los siguientes pares ¿Quién es más reactivo para una E2?

Estabilidad de Carbocationes •  ¿Qué carbocationes son los más estables?

•  En donde era necesaria la estabilidad de un carbocatión ¿SN1 ó SN2?

E1

•  Una Reacción de E1 es de orden uno, es decir, la velocidad solo depende de la concentración del halogenuro de alquilo:

•   V  =  [Halogenuro  de  Alquilo]   •   La  base  no  es  fuerte.   •   Proceso  de  dos  etapas.  

Mecanismo E1

•  El mecanismo tiene dos etapas, la lenta, que es la formación del carbocatión y la rápida que es la extracción del protón gracias a la base:

Curva de energía E1

Regioselectividad

•  La regla de Zaitsev, se sigue cumpliendo es decir en una E1 siempre se obtiene el producto (alqueno) más estable:

Curva de Energía:

•  El proceso es en dos pasos:

Grupo Saliente

•  El más reactivo es el que logre formar la base más estable, y este es el Yodo. Por lo que la reactividad se ve de la siguiente manera:

E1 o E2 •  Terciario  >  Secundario   •  Base Débil   •   Solvente  súper  polar   •  Velocidad  =  k[haluro  o   alcohol]   •  Producto  Saytzeff   •  No  requiere  geometría   específica   •  Rearreglo  de  carbocaDón  

•  Terciario  >  Secundario   •  Requiere  base FUERTE   •  La  polaridad  no  es   importante   •  Velocidad  =  k[haluro] [base]   •  Producto  Saytzeff   •  AnD  (coplanar)   •  No  Rearreglos      

Competencia entre E1 y E2

•  Comparemos ambas eliminaciones por el sustrato:

¿Cómo  se  puede  comparar  el  secundario  y  el  terciario,  Habrá  algún   otro  punto  de  comparación?  

La  BASE,  si  es  fuerte  es  una  E2  y  si  es  débil   es  un  mecanismo  de  E1  

Ejercicio

•  Por qué mecanismo, preferíria cada reacción:

•  Observemos:

Competencia entre SN/E

Como saber si es SN o E •  Uno de los factores más importantes es el fuerte calentamiento:

ΔG = ΔH - TΔS SN2 Bases débiles No impedimento estérico. Baja temperatura

E2 Bases fuertes Mejor si hay impedimento estérico Alta temperatura.

Substitución ó Eliminación?

•  La  Fuerza  del  nucleófilo  determina  el   orden:  nuc.  Fuerte  es:  SN2  o  E2.   •  Haluro  primario  usualmente  SN2.   •  Haluro  Terciario  mezcla:  SN1,  E1  o  E2   •  Alta  Temperatura  favorece  eliminación.   •  Vol.  de  bases  favorece  eliminación.   •  Buenos  nucleofilos,  pero  bases  débiles,   favorece  subsDtución.                                                      

Competencia entre Eliminación y Sustitución No favorece la fuerza del nucleófilo a una SN1 o una E1 SN2 es lenta por el impedimento estérico, pero no una E2 Base fuerte y Nuc. fuerte

Base fuerte favorece la E2

Competencia SN vrs E

Base Fuerte Base débil

Y el Tamaño de la Base:

•  El tamaño de la base influye, cuando la base es más voluminosa la Eliminación es favorecida.

SN o E

Como ya vimos el tamaño de la base es muy importante ya que si la base es muy grande por lo regular prefiere la eliminación (producto cinético):

Prediciendo: SN1, SN2, E1 o E2.

66

Prediciendo: SN1, SN2, E1 o E2.

67

Prediciendo:

68