QUÍMICA ORGÁNICA PARA CIENCIAS DE LA SALUD

PROYECTO EDITORIAL BIBLIOTECA DE QUÍMICAS

Director:

Carlos Seoane Prado Catedrático de Química Orgánica Universidad Complutense de Madrid

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QUÍMICA ORGÁNICA PARA CIENCIAS DE LA SALUD M.a

Vicente Soler Martínez Eugenia González Rosende

EDITORIAL

SINTESIS

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© Vicente Soler Martínez M.ª Eugenia González Rosende

© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A. Vallehermoso, 34 - 28015 Madrid Teléf.: (91) 593 20 98 http://www.sintesis.com Depósito Legal: M. 27.197-2008 ISBN: 978-84-975657-8-3 Impreso en España - Printed in Spain Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente, por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización previa por escrito de Editorial Síntesis, S. A.

ÍNDICE

PRÓLOGO ......................................................................................................................

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1. INTRODUCCIÓN A LA ESTRUCTURA Y LOS ENLACES DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS...........................................................

15

1.1. Enlace covalente: hibridación, estructura y fórmulas de Lewis............. 1.1.1. Estructuras de Lewis ................................................................... 1.1.2. Hibridación en el átomo de carbono ........................................ 1.2. Polarización de los enlaces y de las moléculas ........................................ 1.3. Resonancia ................................................................................................... 1.4. Tautomería ................................................................................................... 1.5. Representación de los compuestos orgánicos ......................................... 1.6. Isomería ........................................................................................................ 1.7. Grupos funcionales .....................................................................................

16 17 17 19 21 23 24 25 28

2. REACCIONES ÁCIDO-BASE EN QUÍMICA ORGÁNICA ......................

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2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6.

Concepto ácido-base ................................................................................... Equilibrios ácido-base ................................................................................ Anfolitos ....................................................................................................... Ordenación según acidez ........................................................................... Hidrólisis/solvólisis ..................................................................................... Separación de componentes de mezclas en función de la acidez .........

32 33 34 35 39 40

3. ESTRUCTURA Y REACTIVIDAD DE ALCANOS Y CICLOALCANOS ............................................................................................

43

3.1. Relación entre las propiedades físicas de los alcanos y su estructura ...... 3.2. Análisis conformacional ............................................................................ 3.3. Halogenación de alcanos ........................................................................... 3.3.1. Mecanismo de la halogenación radicalaria .............................. 3.3.2. Determinación teórica de los rendimientos de la halogenación 3.4. Estructura molecular y conformación en cicloalcanos. Conformaciones del ciclohexano ..............................................................

44 45 47 47 49 51

6

Química Orgánica para Ciencias de la Salud

4. ESTEREOISOMERÍA .........................................................................................

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4.1. Clasificación de los isómeros ..................................................................... 4.2. Actividad óptica o quiralidad ................................................................... 4.2.1. Centro quiral o estereocentro .................................................... 4.2.2. Rotación óptica específica [α]D ................................................ 4.3. Configuración absoluta: notación R/S. Proyección de Fischer ............. 4.4. Estructura de las moléculas quirales ........................................................ 4.4.1. Enantiómeros y diastereómeros ................................................ 4.4.2. Forma meso .................................................................................. 4.5. Resolución de mezclas racémicas ............................................................. 4.6. Pureza óptica y pureza química ................................................................ 4.7. Estereoisomería en alquenos ..................................................................... 4.8. Estereoisomería en compuestos cíclicos. Ciclohexanos disustituidos ...... 4.8.1. Ciclohexano disustituido ............................................................ 4.8.2. Curiosidades científicas: los ácidos tartáricos ..........................

54 56 56 57 58 60 60 62 63 65 67 68 68 70

5. TIPOS DE REACCIÓN EN QUÍMICA ORGÁNICA E INTERMEDIOS CARBONADOS ................................................................

71

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5.

Mecanismo de reacción .............................................................................. Ruptura homolítica y ruptura heterolítica ............................................... Tipos fundamentales de intermedios carbonados .................................. Reactivos electrófilos y nucleófilos .......................................................... Tipos de reacciones orgánicas ...................................................................

72 72 73 76 77

6. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA (SN1 y SN2) ..........

81

6.1. Definición y mecanismo de la reacción de sustitución nucleofílica unimolecular, SN1 ........................................................................................ 6.2. Definición y mecanismo de la reacción de sustitución nucleofílica bimolecular, SN2 .......................................................................................... 6.3. Estereoquímica de la sustitución nucleofílica ......................................... 6.3.1. Ataque dorsal en las reacciones SN2 ......................................... 6.3.2. Racemización en la SN1 .............................................................. 6.4. Efecto de la estructura del sustrato en las reacciones SN1 y SN2 .......... 6.5. Efecto del poder nucleofílico en las reacciones SN1 y SN2 .................... 6.6. Efecto de los grupos salientes en las reacciones SN1 y SN2 ................... 6.7. Efecto del disolvente en las reacciones SN1 y SN2. Reacciones de solvólisis .................................................................................................. 6.8. Reacciones de transposición ...................................................................... 6.9. Participación de grupos vecinos. Sustitución nucleofílica intramolecular .............................................................................................

82 84 86 86 88 89 91 92 93 95 97

Índice

7. REACCIONES DE ELIMINACIÓN E1 y E2 ................................................. 7.1. 7.2. 7.3. 7.4.

Cinética y mecanismo de la eliminación unimolecular, E1 ................... Cinética y mecanismo de la eliminación bimolecular, E2 ..................... Estereoquímica de la reacción de eliminación E2 .................................. Regioselectividad en las reacciones de eliminación E2 ......................... 7.4.1. Regla de Saytzev .......................................................................... 7.4.2. Regla de Hofmann ...................................................................... 7.5. Relación entre la estereoquímica y la regioselectividad en la eliminación E2 ................................................................................... 7.6. Condiciones que favorecen la reacción de eliminación frente a la sustitución .............................................................................................

99 100 101 103 105 105 106 107 109

8. QUÍMICA DE LOS COMPUESTOS ORGANOMETÁLICOS .................. 113 8.1. Definición ..................................................................................................... 8.2. Síntesis de compuestos organometálicos ................................................. 8.3. Reactividad de los compuestos organometálicos ................................... 8.3.1. Polarización del enlace entre el carbono y el metal ............... 8.3.2. Comportamiento de los compuestos organometálicos como bases .................................................................................... 8.3.3. Comportamiento nucleofílico de los compuestos organometálicos ...........................................................................

114 114 115 115 116 117

9. QUÍMICA DE LOS ALCOHOLES .................................................................. 125 9.1. 9.2. 9.3. 9.4.

Estructura molecular de los alcoholes ..................................................... Propiedades físicas de los alcoholes ......................................................... Propiedades ácido-base de los alcoholes ................................................. Reacciones de los alcoholes ....................................................................... 9.4.1. Ruptura del enlace O–H ............................................................ 9.4.2. Ruptura del enlace C–O ............................................................. 9.5. Síntesis de alcoholes ................................................................................... 9.5.1. Desplazamiento nucleofílico por ión hidróxido ...................... 9.5.2. Hidrogenación catalítica de aldehídos y cetonas ..................... 9.5.3. Reducción de compuestos carbonílicos con hidruros ............. 9.5.4. Apertura de oxaciclopropano con hidruro de aluminio y litio .. 9.5.5. Síntesis con reactivos organometálicos .....................................

126 126 128 132 132 136 142 142 142 143 144 144

10. QUÍMICA DE LOS ÉTERES ............................................................................ 151 10.1. Propiedades físicas de los éteres ............................................................... 10.2. Síntesis de éteres ......................................................................................... 10.2.1. Síntesis de Williamson ................................................................. 10.2.2. Deshidratación de alcoholes ......................................................

152 152 152 153

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Química Orgánica para Ciencias de la Salud

10.2.3. Alcohólisis de haloalcanos o sulfonatos de alquilo ................. 10.2.4. Formación de éteres metílicos ................................................... 10.3. Reacciones de éteres .................................................................................. 10.3.1. Formación de iones oxonio ........................................................ 10.3.2. Ruptura con HX .......................................................................... 10.4. Síntesis de éteres cíclicos ........................................................................... 10.4.1. Síntesis de Williamson intramolecular ...................................... 10.4.2. Epoxidación de alquenos ............................................................ 10.5. Reacciones de éteres cíclicos ..................................................................... 10.5.1. Apertura catalizada por ácidos .................................................. 10.5.2. Apertura con nucleófilos ............................................................

154 155 155 155 156 158 158 159 160 160 161

11. QUÍMICA DE LOS ALQUENOS ..................................................................... 165 11.1. Estructura y enlace en los alquenos ......................................................... 11.2. Estabilidad relativa de los alquenos ......................................................... 11.3. Síntesis de alquenos .................................................................................... 11.3.1. Reacciones de eliminación E2 ................................................... 11.3.2. Deshidratación de alcoholes ...................................................... 11.4. Reacciones de adición a los alquenos ...................................................... 11.4.1. Hidrogenación catalítica ............................................................. 11.4.2. Adición electrofílica .................................................................... 11.4.3. Funcionalización regioselectiva y estereoespecífica mediante hidroboración .............................................................. 11.4.4. Adiciones radicalarias ................................................................. 11.5. Reacciones de oxidación ............................................................................ 11.5.1. Dihidroxilación vecinal sin ......................................................... 11.5.2. Epoxidación de alquenos. Dihidroxilación vecinal anti ......... 11.5.3. Ruptura oxidativa de alquenos: ozonólisis ...............................

166 167 168 168 171 171 171 173 178 180 181 181 182 184

12. QUÍMICA DE LOS ALQUINOS ...................................................................... 191 12.1. Estructura y enlace en alquinos ................................................................ 12.2. Acidez de alquinos terminales. Alquilación de aniones etinuro .......... 12.3. Reactividad de los alquinos ....................................................................... 12.3.1. Reducción ..................................................................................... 12.3.2. Adición electrofílica .................................................................... 12.3.3. Hidroboración-oxidación ............................................................ 12.4. Síntesis de alquinos ..................................................................................... 12.4.1. Reacciones de doble eliminación a partir de 1,2-dihaloalcanos ...................................................................... 12.4.2. Reacciones de doble eliminación a partir de 1,1-dihaloalcanos ......................................................................

192 193 195 195 198 200 203 203 204

Índice

13. QUÍMICA DE LOS DIENOS CONJUGADOS .............................................. 209 13.1. Alcadienos. Dienos conjugados ................................................................ 13.2. Propiedades de los sistemas conjugados 1,3 ............................................ 13.3. Reactividad de los sistemas conjugados 1,3 ............................................ 13.3.1. Hidrogenación .............................................................................. 13.3.2. Adición electrofílica .................................................................... 13.3.3. Reacción de Diels-Alder ............................................................

210 212 213 213 213 216

14. GRUPO CARBONILO: ALDEHÍDOS Y CETONAS .................................. 227 14.1. Aldehídos y cetonas: estructura molecular y enlace .............................. 14.2. Propiedades físicas y químicas de aldehídos y cetonas .......................... 14.3. Síntesis de aldehídos y cetonas ................................................................. 14.3.1. Oxidación de alcoholes ............................................................... 14.3.2. Ozonólisis de alquenos ................................................................ 14.3.3. Hidratación de alquinos .............................................................. 14.3.4. Hidroboración-oxidación de alquinos ....................................... 14.4. Reactividad del grupo carbonilo: mecanismo de la reacción de adición .... 14.5. Reacciones de adición al carbonilo .......................................................... 14.5.1. Adición de agua: hidratación ..................................................... 14.5.2. Adición de alcoholes. Grupos protectores .............................. 14.5.3. Adición de nucleófilos relacionados con el amoníaco ............ 14.5.4. Adición de ión cianuro: formación de cianhidrinas ................ 14.5.5. Adición de iluros de fósforo: reacción de Wittig ..................... 14.6. Reacciones de oxidación de aldehídos y cetonas ................................... 14.7. Reacciones de reducción de aldehídos y cetonas ................................... 14.7.1. Reducción a alcoholes ................................................................. 14.7.2. Reducción a hidrocarburos ........................................................

228 229 231 232 233 235 235 236 237 237 238 241 244 244 246 249 249 251

15. ÁCIDOS CARBOXÍLICOS ................................................................................ 257 15.1. 15.2. 15.3. 15.4. 15.5. 15.6. 15.7. 15.8. 15.9. 15.10.

Propiedades físicas ...................................................................................... Acidez y basicidad de los ácidos carboxílicos ......................................... Reactividad del grupo carboxilo: mecanismo de adición-eliminación ...... Conversión de ácidos carboxílicos en haluros de ácido y anhídridos ..... Conversión de ácidos carboxílicos en ésteres ......................................... Conversión de ácidos carboxílicos en amidas ......................................... Reducción de los ácidos carboxílicos ....................................................... α-halogenación: reacción de Hell-Volhard-Zelinsky............................... Descarboxilación ......................................................................................... Preparación de ácidos carboxílicos ........................................................... 15.10.1. Por reacciones de oxidación ....................................................... 15.10.2. Carboxilación de reactivos organometálicos ............................ 15.10.3. Hidrólisis de derivados de ácido y nitrilos ................................

258 259 260 262 264 266 267 267 268 269 269 271 271

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Química Orgánica para Ciencias de la Salud

16. DERIVADOS DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS .............................................. 277 16.1. Derivados de ácidos carboxílicos. Reactividad ....................................... 16.2. Reacciones de derivados de ácido con el agua como nucleófilo: reacciones de hidrólisis ............................................................................... 16.3. Reacciones de derivados de ácido con alcoholes como nucleófilos: preparación de ésteres ................................................................................ 16.4. Reacciones de derivados de ácido con el amoníaco y las aminas como nucleófilos ......................................................................................... 16.5. Reacciones de reducción de los derivados de ácido ............................... 16.6. Reacciones de derivados de ácido con compuestos organometálicos ..... 16.7. Alcanonitrilos ..............................................................................................

278 282 284 285 287 288 289

17. AMINAS Y DERIVADOS .................................................................................. 295 17.1. Estructura molecular de las aminas .......................................................... 17.2. Reactividad de las aminas .......................................................................... 17.2.1. Comportamiento básico .............................................................. 17.2.2. Comportamiento nucleofílico .................................................... 17.3. Síntesis de aminas ....................................................................................... 17.3.1. Reacciones de reducción ............................................................ 17.3.2. Reacción con haluros de alquilo ................................................ 17.3.3. Transposición de Hofmann ......................................................... 17.3.4. Síntesis de Gabriel ....................................................................... 17.4. Sales de amonio cuaternario. Eliminación de Hofmann .......................

296 297 297 298 305 305 306 306 306 308

18. EL BENCENO Y LA SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA ....................................................................................................... 313 18.1. Estructura del benceno: aromaticidad ..................................................... 18.2. Reacciones de sustitución electrofílica aromática (SEAr) ..................... 18.2.1. Mecanismo de la sustitución electrofílica aromática ............... 18.2.2. Reacciones de halogenación ..................................................... 18.2.3. Reacciones de nitración .............................................................. 18.2.4. Reacciones de sulfonación .......................................................... 18.2.5. Reacciones de Friedel-Crafts ..................................................... 18.3. Efecto de los sustituyentes en la sustitución electrofílica aromática ....... 18.3.1. Activación y desactivación del anillo aromático ..................... 18.3.2. Efecto en la orientación en la sustitución electrofílica aromática ...................................................................................... 18.4. Reacciones de oxidación y reducción del benceno ................................ 18.4.1. Reacciones de reducción ............................................................ 18.4.2. Reacciones de oxidación de las cadenas laterales ................... 18.5. Sales de arenodiazonio como intermedios sintéticos .............................

314 316 317 318 319 319 320 322 323 323 327 328 328 329

Índice

19. REACCIONES A TRAVÉS DE ENOLES E IONES ENOLATO DE ALDEHÍDOS Y CETONAS ........................................................................ 335 Acidez de los H en α de aldehídos y cetonas: aniones enolato ............ Alquilación en α de cetonas ...................................................................... Tautomería ceto-enólica ............................................................................. Reacciones de enoles y aniones enolato de aldehídos y cetonas .......... 19.4.1. Condensación aldólica ................................................................ 19.4.2. Condensación aldólica mixta ...................................................... 19.4.3. Condensación aldólica intramolecular ...................................... 19.5. Reacción de Cannizzaro ............................................................................. 19.6. Halogenación en α de aldehídos y cetonas. Prueba del haloformo ..... 19.7. Preparación y química de aldehídos y cetonas α,β-insaturados ........... 19.7.1. Síntesis de aldehídos y cetonas α,β-insaturados ...................... 19.7.2. Reacciones de aldehídos y cetonas α,β-insaturados ............... 19.7.3. Adición conjugada 1,4 a aldehídos y cetonas α,β-insaturados ...

19.1. 19.2. 19.3. 19.4.

336 337 339 340 340 343 346 347 348 350 350 351 352

20. REACCIONES DE CONDENSACIÓN DE ENOLATOS DE ÉSTER ..... 357 20.1. 20.2. 20.3. 20.4. 20.5.

Condensación de Claisen ........................................................................... Condensación de Claisen mixta ................................................................ Condensación de Claisen intramolecular (Dieckmann) ........................ Otras condensaciones de tipo Claisen de interés en síntesis ................. Los compuestos β-dicarbonílicos como intermedios sintéticos ............ 20.5.1. Nucleofilia de aniones enolato de compuestos β-dicarbonílicos ........................................................................... 20.5.2. Reacciones de descarboxilación ................................................ 20.6. Síntesis acetoacética ................................................................................... 20.7. Síntesis malónica ......................................................................................... 20.8. Adición de un anión dicarbonílico a sistemas conjugados: adición de Michael ......................................................................................

358 362 364 366 366 366 367 369 370 371

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 377

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