Herramientas de la Química Orgánica

Herramientas de la Química Orgánica

Compuestos carbonílicos O

δ− O Z

δ+ C

Conceptos basicos (III)

1

H

Z = R ó Ar

aldehídos

Z

Z = R ó Ar

cetonas

O

• plano • 120 ºC • C=O polar • sp2

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C

Z

C

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2

Herramientas de la Química Orgánica

Otros compuestos carbonílicos La polaridad (II): influencia del entorno molecular

O Z

C

ácidos carboxílicos

OH

δ− O

O Z

C

ésteres

OR

δ+ C

O Z

C

Cl

cloruros de ácido

O Z

C

NHR

amidas

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3

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Herramientas de la Química Orgánica

La polaridad (III): carbonilos aislados y conjugados O δ−

Herramientas de la Química Orgánica

Tautomería y resonancia en compuestos carbonílicos (I)

O

E+

C C

C

O

OH

C

C C H2

δ+ C

Nu

E+

O

O

C

C

C

C

4

Nu

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OC C

5

C H

C

C

C+

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6

1

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Herramientas de la Química Orgánica

La reacción de Cannizzaro

Los aldehídos que carecen de H en posición α al ser tratados en medio básico, pueden sufrir una reacción simultánea de oxidación y reducción, obteniéndose el alcohol y el ácido correspondientes (transferencia de un hidruro a otro C=O)

Los ácidos carboxílicos

ácidos orgánicos, caracterizados por la presencia del grupo carboxilo O C

RCOOH ArCOOH

O

carbonilo carbo

C OH carboxilo

OH

hidroxilo xilo

ácido

O δ−

polar 7

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C

δ+

+ HOH

OH

Herramientas de la Química Orgánica

O

O C

8

Propiedades químicas de los ácidos carboxílicos (IV): la acidez y estabilización por resonancia

1. La acidez

R

polar

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Herramientas de la Química Orgánica

Propiedades químicas de los ácidos carboxílicos (I)

OH

R

C

+ HO+H -

O H carboxilato oxonio

2. Efecto de la estructura sobre la acidez Los grupos que retiran electrones aumentan la acidez

buena estabilización

escasa estabilización

Los grupos que ceden electrones disminuyen la acidez

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9

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Herramientas de la Química Orgánica

Los derivados de ácido carboxílico (I)

Los ácidos carboxílicos, resumen de reacciones •con hidruros

•como ácidos

•con BH3

O R

• acilación • H en α

C

OH

resultan de sustituir el OH por otras agrupaciones atómicas. O

•Mantienen el grupo R C=O y modifican el OH R

C O

OR

C

X

•El nuevo grupo funcional mantiene algunas de las características reactivas del COOH

O R

11

C

ésteres halogenuros de acilo O

O

C

R’

anhídridos

O R

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10

C

NR1R2

amidas

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12

2

Herramientas de la Química Orgánica

Los derivados de ácido carboxílico (II): el grupo acilo O

1. presente en todos los derivados de R ácido 2. en cada uno de ellos cambia el carácter electrofílico del carbono

R

C O

OH

C

OR’

R

O R

C

Z

O

R

C O

O

R

C

NR1R2

C

Z

Z= Cl, Br mayor eficacia acilante. Al ser más electronegativo, tiene mayor eficacia para sustentar los e-

X

O

C

Los derivados de ácido carboxílico (III): el grupo acilo, consideraciones sobre la reactividad, 1

O

O R

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C

R’

13

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menor eficacia acilante. Tiene menor

Z= NH2

eficacia para sustentar los e-

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Herramientas de la Química Orgánica

Los derivados de ácido carboxílico (III): el grupo acilo, consideraciones sobre la reactividad, 2 R

Es una reacción de sustitución C+

O

H

O-

O

H

R

R

C

La reacción de acilación (I)

R

C

' RO

R

R C+

O

C

O-

' RO

' RO+

15

Herramientas de la Química Orgánica

La reacción de acilación (II): relación de reactividad entre los distintos acilos O

C

C

Nu

+ H-Z

Z= X; OCOR’, OR’, NHR’ Nu= OH; OCOR’, OR’, NH2, NHR’ María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra

16

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La reacción de acilación (III): el mecanismo

R

C

O O

C

R’

H2O

reactividad

H2O

R

R

X O

O

Z

la > ó < reversibilidad depende de los reactivos y de las condiciones de reacción

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C

C

O

+ H-Nu

O-

El carbono de los ésteres es menos positivo que el de los aldehídos (funciona como puente de paso de los e- en su desplazamiento entre oxígenos); sin embargo el H aldehídico no es grupo saliente.

R

14

O H2O/H+/Q

OH

R

C

OR’ O

H2

O/H+/Q

R

C

NH2

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modificado de http://www.cem.msu.edu/~reusch/OrgPage/VirtualText/

17

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18

3

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Herramientas de la Química Orgánica

La reacción de acilación (IV): la catálisis ácida

Los nitrilos • Muy relacionados con los ácidos carboxílicos • Caracterizados por la presencia de un nitrógeno unido por un triple enlace a un carbono, presencia de dos nubes pi que rodean a una nube sigma. • Carbono electrofílico

catalizador

δ+

RC≡N

catalizador

Nu-

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δ−

19

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20

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Los nitrilos: nomenclatura Los nitrilos: resumen de reacciones

En los derivados de alcano, se nombran añadiendo el sufijo nitrilo al nombre del alcano correspondiente, reservando el localizador 1 para el carbono del nitrilo

En los nitrilos complejos, se nombran como derivados de ácidos carboxílicos, sustituyendo la terminación ico u oico del ácido por la terminación onitrilo

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21

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22

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hidrólisis de amidas, mecanismo

hidrólisis de nitrilos, mecanismo

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23

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24

4

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Los ésteres O

O

Derivados de ácidos carboxílicos R

C

OH

H2O/H+/Q

R

C

OR’

1. Los ésteres

O

carbonilo carboxilo oxilo

25

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Herramientas de la Química Orgánica

Esteres: obtención por reacción de esterificación

R

C

NH2

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26

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Esteres: obtención por reacción de esterificación, mecanismo

A partir de los ácidos carboxílicos: esterificación de Fischer O

O

R

C

+ HO

R

R'

C

+H2O

OR'

OH

El resultado final es la sustitución del OH de ácido por el OR’ del alcohol OH O O

R

R

C

sp2

OH

C OR'

sp3

OH

R

C

sp2

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OR' modificado de http://www.cem.msu.edu/~reusch/OrgPage/VirtualText/

27

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Herramientas de la Química Orgánica

Los ésteres cíclicos: esterificación intramolecular, obtención de lactonas Reacción intramolecular entre un grupo hidroxi y un grupo carboxílico. Condicionada por distancia entre ambos grupos (lactonas con ciclos de 5 ó 6 miembros) O HO

C H2

C H2

C H2

Herramientas de la Química Orgánica

Los ésteres cíclicos: esterificación intramolecular, obtención de lactonas

Reacción intramolecular entre un grupo hidroxi y un grupo carboxílico. Condicionada por distancia entre ambos grupos (lactonas con ciclos de 5 ó 6 miembros) O O H2C

C OH

28

C OH

H2C H2C

H+

OH

Q

H2C

C

H2C

O C H2

γ-butirolactona

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29

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30

5

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Herramientas de la Química Orgánica

Reacciones de los ésteres (I): la saponificación, mecanismo

Reacciones de los ésteres (I): la saponificación Hidrólisis del enlace éster en medio básico con recuperación del anión derivado del ácido carboxílico original y del alcohol de partida O R

+ NaOH

C

R

H2O

OR'

R

C

+ HOR’

C

R

C

OR'

O

Q

O-

O

R

OR'

OH

O R

O

C

R

OH

C

31

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OMgBr

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+ 2 R” MgBr

R

C

OR'

R"

H+

R

O

R

R"

LiAlH4

C OR'

C

32

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OH H2O

+ HOR’ O-

Reacciones de los ésteres (III): reducción con hidruros

Se produce un ataque sobre el carbono electrofílico del éster (se mantiene la fracción carbonilo del carboxilo) O

C base débil

Herramientas de la Química Orgánica

Reacciones de los ésteres (II): con reactivos de Grignard

ácido débil

O

H+

OH

C

O-H

OH-

H+

R

C

ácido fuerte

O-Na+

R

base fuerte + -OR’

O

éter

R

CH2OH + R’OH

mecanismo

R"

R"

R” MgBr

O-MgBr R

C

OR'

R

+

C

+ sales de aluminio

R"

R’OMgBr

R"

R” MgBr

O

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33

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34

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Reacciones de los ésteres (IV): la amonolisis

Se produce un ataque sobre el carbono electrofílico del éster por parte del par de e- del nitrógeno del amoníaco, que actúa como nucleófilo

O R

C

O

NH3

OR'

R

-

C + NH3

La acidez de los hidró hidrógenos en α a carboxilos

O OR'

R HOR’

C NH2

obtención de amidas María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra

35

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36

6

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Herramientas de la Química Orgánica

Los hidrógenos en α a carboxilos: carácter ácido (I)

Los hidrógenos en α a carboxilos: carácter ácido (II)

Los hidrógenos en posición α a un grupo carboxilo tienen un cierto carácter ácido (casi como los protones OH de un alcohol), debido a la proximidad del carboxilo.

Al extraer el protón mediante una base, se obtiene el anión enolato, que está estabilizado por resonancia

H

O

C

C

δ−

Los electrones del enlace HC son atraídos por el carácter positivo del carbono carboxílico, por lo que está debilitado y el protón es fácilmente extraíble por una base

OR

δ+

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37

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Reacciones de condensación en carboxilos (II)

Reacciones de condensación en carboxilos (I) • Los aniones obtenidos a partir de carboxilatos con H en α, actúan como nucleófilos y pueden atacar a carbono electrofílico de otros carboxilatos, o carbonilos de aldehídos y cetonas, dando lugar a reacciones de

centro negativo nucleó nucleófilo

O H C

R

-

C

O

C

C

• necesidad de existencia de H en posición α • necesidad de catálisis • posibilidad de condensaciones mixtas •consideraciones sobre reactividad relativa como centro positivo y negativo

C

anión María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra

39

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Reacciones de condensación (III) : la condensación de Claisen, obtención de β-cetoésteres

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HOC2H5

H

CH3COOC2H5

2º H3

O+

-

CH3COCH2COOC2H5

C H2

-

C

acetoacetato de etilo

positivo

O H3C

C OC2H5

CH2COOC2H5

H3C

negativo

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C OC2H5

+ CH3CH2OH CH3CO

H2C

OC2H5

OC2H5

O

CH3CO-CH2COOC2H5

O

O

1º NaOC2H5/HOC2H5

40

Reacciones de condensación (III) : la condensación de Claisen, mecanismo

Obtención de β-cetoésteres CH3COOC2H5

centro positivo electró electrófilo

Consideraciones

-

OR

OR

grupo saliente

C---OR

R

condensación

O

38

C

O-

O C H2

H3C

C OC2H5 -

41

OC2H5

C

O C H2

OC2H5

C OC2H5

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42

7

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Reacciones de condensación (III) : la condensación de Claisen cruzada, 1 Obtención de un β-cetoester (molécula en la que coexisten un carbonilo y un carboxilo) a partir de compuestos carboxílicos H C

C

OR’

R3

H C

R1

R3

C

C

R2

H C

C

O C

H C

R3 OR’

R4

O

H C

R1

O

R1

C

C

R4

C

O

R3

C

C

R1

OR’

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43

H C

C

CH OR’

R2

H C

OR’

O

R1

C

C

R4

O C

R3

H C

O C

R4

R3 OR’

H C

O C OR’

R2 O

R1

C

C

R4

R3

C

R3 OR’

R4 O

C

O

R4

R2

O

R2

C

H C

R1

orden

R3

R2

OR’

R4

R2

O

Reacciones de condensación (III) : la condensación de Claisen cruzada, 2

O

O R1

Herramientas de la Química Orgánica

O C OR’

R2 O

R1

C

CH OR’

R4

O C

R2

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OR’ 44

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Reacciones de condensación: vías sintéticas a partir de Claisen, ejemplos

Derivados de ácidos carboxílicos 2. Los halogenuros de acilo

tomado de http://www.cem.msu.edu/~reusch/OrgPage/VirtualText/ María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra

45

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Los halogenuros de acilo: obtención

Los halogenuros de acilo

A partir de los ácidos carboxílicos correspondientes por tratamiento con reactivos como SOCl2 (cloruro de tionilo) ó PCl5 (pentacloruro de fósforo)

O R

C

X O

H2O

R

C

O

O O

C

C

R

R’

OH

R

C

•Son los derivados de ácido más reactivos •Carbono electrofílico por efecto resonante e inductivo

O + SOCl2

C

R

C

OH

O

O R

46

Cl O

O OR’

R

C

+ PCl5 OH

O R

C

R

C

+ HCl + PCl3 Cl

El resultado final es la sustitución del OH de ácido por el halogeno

NH2

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+ HCl + SO2

47

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48

8

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Herramientas de la Química Orgánica

Reacciones de los halogenuros de acilo Reacciones rápidas con la mayoría de los nucleófilos O

O R

+ HOH

C

R

C

Cl O R

R

+ R’OH

C

OR’ O

O R

+ 2 NH3

C

ácidos

Derivados de ácidos carboxílicos

+ HCl

C

Cl

R

+ HCl OH O

+ NH4+Cl-

C

NH2

Cl

3. Los anhidridos de ácido

ésteres

amidas

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49

Herramientas de la Química Orgánica

R

C

O

C

R’

R

C

OR’

O R

OH

R

C

O + R’

C

C

OH O C

R’’OH

R'

O

R

+ R’

C

OH O C OH O

OR’’ O

NH2

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R

O

C

O

O C

HOH

• Son más reactivos que los ésteres pero menos que los halogenuros de acilo

O H2O

R

Fundamentalmente dan reacciones de sustitución nucleofílica de acilo rápida.

O O

Herramientas de la Química Orgánica

Reacciones de los anhidridos de ácido

Los anhídridos de ácido O

50

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NH3

R

C

+ R’

C

NH2

51

OH

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52

Herramientas de la Química Orgánica

Las amidas: clasificación • Son los derivados de ácido menos reactivos O

Derivados de ácidos carboxílicos

R

C

primaria

NH2 O R

4. Las amidas

C

secundaria

NH-R’ O R

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53

C

NR’R’’

terciaria

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54

9

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Las amidas: consideraciones sobre el carácter básico y ácido

bases

O R

O

C

NH2

R

C

Herramientas de la Química Orgánica

Las amidas: características del enlace (I)

-

O

+

N H2

C par de electrones deslocalizado menos disponible para protonarse

ácidos O R

C

NH2

R

C

H

-

O -

NH

R

C

O

NH

C C

N H

anión amidato, estabilizado por resonancia

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55

Herramientas de la Química Orgánica

H2O

+

C

H+ ó OH-

R

C

+

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56

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Reacciones de las amidas (II): mecanismo de reducción con LiAlH4

Reacciones de las amidas (I)

1. Reaccionan con nucleófilos, pero en general con mayor lentitud, frecuentemente necesitan calentamiento prolongado y catálisis ácida o básica O O R

N

C

H

C

pKa ≈ 15

C C

N

los seis átomos situados en el mismo plano

O

base

O

C C

NH3

OH

NH2

2. Reducción: formación de aminas O R

LiAlH4

C NH2

éter

R

CH2

NH2 modificado de http://www.cem.msu.edu/~reusch/OrgPage/VirtualText/

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57

Herramientas de la Química Orgánica

Las aminas (I): clasificació clasificación

NH3

H

N H

H

H

R R

+

N

R R

Herramientas de la Química Orgánica

1. Puentes (enlaces) de hidrógeno

amina primaria

Dador

N R R

R

58

Propiedades Químicas de las aminas: los puentes de hidrógeno

N R H

H

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amina secundaria

N R R

amina terciaria

Aceptor

compuesto de amonio cuaternario

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59

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60

10

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Herramientas de la Química Orgánica

Propiedades Químicas de las aminas: el carácter básico (I)

Propiedades Químicas de las aminas: el carácter ácido

2. Carácter básico Base: acepta H+ (Bronsted); dona e- Lewis)

..

N+ H

+ N

OH

muy débil, protón extraible por bases muy fuertes H + -O H

R R NH2

R NH2

p

OH

r

OH2

R NH3 p

Kbase =

p

OH

R NH2

r

OH

+

+

+

R NH3

Keq =

+

R NH3

OH2

+

NH + H+

R

NH2

Ka=10-40

R O- + H+

R OH

Ka=10-16

carácter ácido menor que los alcoholes similares

p

r

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61

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Herramientas de la Química Orgánica

62

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Las aminas: obtención de aminas primarias por alquilación de amoníaco

Las aminas: obtención

NH3 +

1. Por alquilación del amoníaco o de

R

X

R

N + H3 +

X-

hal ogenur o de al qui l am oni o

otras aminas 2. Por reducción de otros derivados con

NaOH

nitrógeno R-NH2 + H2O+ NaX

3. Por aminación reductora María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra

63

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Las aminas: obtención por alquilación de otras aminas RNH 2 +

R

X

N +HX-

R

Na O H

R

R R R

NH +

R

X

R

R

N +X -

R

N

N + R X-

R

X

RNH 2 +

R

X

N +HX-

R

N

R

Na O H

R

R R + H 2 O + Na + X -

NH +

R

X

R

N +X -

Na O H

R

sal de amonio cuaternaria

R R

N

+ H 2 O + Na + X -

R

R N

N H + H 2 O + Na + X R

R

R

R

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R

R

R

R + R

N H + H 2 O + Na + X -

R R

R

R

Las aminas: obtención por alquilación de otras aminas

R Na O H

64

R + R

X

R

N + R XR

sal de amonio cuaternaria 65

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66

11

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Herramientas de la Química Orgánica

Inciso: consideraciones sobre empleo de halogenuros en la síntesis de aminas

Las aminas: obtención por alquilación de otras aminas RNH 2 +

R

X

N +HX-

R

Na O H

R

NH +

R

X

R

R

R

+ H 2 O + Na + X -

N

+ R

X

Aumenta la eliminación

RX =

N + R X-

R

R

+ NH4+Br-

CH2

¡¡¡Sólo para halogenuros de alquilo primarios!!!

R

N

C H3 N H2

CH3 H3C

R

R R

Br

R

Na O H

N +X -

R

H3C

CH3

R

R R

H3C

N H + H 2 O + Na + X -

R

C H3

CH3

NH3 +

1°

R

3°

Aumenta la sustitució sustitución

sal de amonio cuaternaria María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra

2°

67

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Herramientas de la Química Orgánica

68

Herramientas de la Química Orgánica

Las aminas: obtención por reducción de otros grupos funcionales nitrogenados Las aminas: obtención por aminación reductora de carbonilos

a) Reducción de derivados nitrados NH 2

NO 2

*** =

***

+ 2 H2 O

H 2 / Ni ra n e y ó 1 . SnCl 2 , HCl 2 . Na O H, H 2 O

H2 O

R

R

b) Reducción de amidas O R

C

R' N

Li Al H 4

R

R''

R

C

N

R'

C

N

H

c) Reducción de nitrilos H

Li Al H 4 ( ó H 2 , Ni )

R

C H

O + RNH 2

C

H

C

H

N

H 69

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Herramientas de la Química Orgánica

Reacciones de las aminas (II)

1.- Formación de sales:

3.-Acilación

+ RNH 3 Cl -

O

clo ru ro d e a lq u ila m o n io

R

CH 2

Cl -

R

+

H2 N

R'

C

HN

R'

R

+

am i na s ec undar i a

71

C

NH

R'+ HCl

am i da s ec undar i a

O Cl

R ''

cloruro de benciltrietilamonio

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Cl

O

(CH 3 CH 2 ) 3 N + CH 2

Cl

C

O am i na pr i m ar i a

2.- Formación de compuestos de amonio 4° (CH 3 CH 2 ) 3 N +

70

Herramientas de la Química Orgánica

Reacciones de las aminas (I)

NH 2 + HCl

CHNHR

R''

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R

[ H-]

NR

R

C

N

R ' + HCl

R'' am i da ter c i ar i a

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72

12

Herramientas de la Química Orgánica

Herramientas de la Química Orgánica

Derivados de las aminas: las sales de diazonio

Derivados de las aminas: las sales de diazonio, mecanismo de obtención

Proceso fundamental en la química de las aminas aromáticas

Na + NO 2 - +

+

N N

NH2

H

NaNO2

H

O

N

O +

0 a 5º

H+

H

H

+ O

+ O

N

+ H2 O + N

O

+ N

NH 2 +

Ar

O

H

H + N N

O

ió n n it ro s o n io

H+

H

O

Ar

O

Ar

N

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O +

N

H+

Ar

N +

N

Ar

OH

N

O

+ N

N

ió n a rild ia z o n io

H2 O 73

N

n it ro s a m in a p rim a ria

ió n n it ro s o n io

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Herramientas de la Química Orgánica

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Herramientas de la Química Orgánica

Derivados de las aminas: las sales de diazonio, reactividad en reacciones por sustitución (I) +

+ H2 O + N

O

H

H

N N

N

H

H O N O + Na + Cl á c id o n it ro s o

H+

O +

ClAr

H + Cl -

N

H O N O + Na + Cl á c id o n it ro s o

H

HCl

Na + NO 2 - +

O

0 a 5º

H + Cl -

Derivados de las aminas: las sales de diazonio, reactividad en reacciones por sustitución (II)

OH H2O

+

I

N N KI

CN KCN

F

Cu2(CN)2

HBF4

H

Calor

H3PO4

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Herramientas de la Química Orgánica

Derivados de las aminas: las sales de diazonio, reacción de Sandmeyer +

N N

Derivados de las aminas: las sales de diazonio, reacciones de acoplamiento

Br HBr Cu2Br2

+ N

Cl

N +

OH

OH-

N

N

OH

HCl ion

Cu2Cl2

bencenodiazonio

p - hidroxiazobenceno

*Reacción de Sandmeyer: Conversión de sales de diazonio a halogenuros de arilo, con catálisis de sales cuprosas María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra

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