INTERMEDIOS DE REACCIÓN ELECTRON

INTERMEDIOS DE REACCIÓN ELECTRON-DEFICIENTES
-CARGADOS
-CARBOCATIONES
- NEUTROS
-RADICALES
- CARBENOS
- NITRENOS
1
CARBOCATIONES
-Intermedios reactivos con una carga formal de +1 sobre un átomo de carbono
-Clasificación:
Carbocationes clásicos (iones carbenio): Trivalentes tricoordinados, CH3+
CH3
CH2 + H
H
H
H
Carbocationes no clásicos (iones carbonio): Hipercoordinados, CH5+
CH5
CH4 + H
H
H
H C
H
H
H
C
H
H
H
H
2
CARBOCATIONES
Formación de carbocationes:
Independientemente de su estabilidad, los carbocationes se generan mediante alguno de
estos procesos:
1. Ionización directa: Ruptura heterolítica de un enlace.
R X
R
+ X
2. Un protón u otra especie positiva se coordinan a un sistema insaturado
C Z
+ H
C Z H
3
CARBOCATIONES
Estructura y estabilidad
- Afinidad por hidruro
R
+
H
R-H
H
A mayor valor de H,
mayor
y afinidad p
por
hidruro y menor
estabilidad del
carbocatión
4
CARBOCATIONES
Estructura y estabilidad: Carbocationes alquílicos
La mayoria de carbocationes alquílicos presentan
una hibridación sp2 con un orbital p vacante.
1. Estabilidad: terciario > secundario > primario > CH3+
Causas:
a) Hiperconjugación: Al aumentar el número de sustituyentes aumenta el número de
estructuras resonantes y aumenta la estabilidad del catión
5
CARBOCATIONES
Estructura y estabilidad: Carbocationes alquílicos
Estabilidad: terciario > secundario > primario > CH3+
Causa:
b) Efecto inductivo: Debido a la diferencia de hibridación, los grupos alquilo (sp3)
tienen un efecto electron-dador hacia el carbono positivo (sp2) que contribuye a
disminuir la carga neta sobre el carbocatión y la dispersa por los carbonos vecinos,
d d una especie
dando
i más
á estable.
t bl
Dentro de una misma categoria, los cationes más grandes son más estables
CH3CH2
CH3
>
C
CH2CH3
CH3CH2
CH3
C
CH3
> CH3
CH3
C
CH3
6
CARBOCATIONES
Estructura y estabilidad
Cations alílicos y bencílicos están estabilizados por resonancia.
Debido a la deslocalización electrónica el catión alilo presenta cierta barrera rotacional
Cationes bencílicos:
CH2
CH2
CH2
CH2
La estabilidad depende de los sustituyentes en el anillo aromático
Grupos electrón
electrón-dadores
dadores en o y p estabilizan el carbocatión (p
(p-NH
NH2 26 Kcal/mol,
Kcal/mol pp
MeO 14 kcal/mol)
CH2
CH3O
CH2
CH3O
CH3O
CH2
H3CO
CH2
CH2
CH3O
Grupos electrón-aceptores
G
ó
en o y p desestabilizan el carbocatión
ó ((p-CN
C 12 Kcal/mol,
/
p-NO2 20 kcal/mol)
7
CARBOCATIONES
Estructura y estabilidad: Cationes bencílicos (cont)
El efecto estabilizador es aditivo. Los cationes difenilmetilo y trifenilmetilo son muy
estables. Por ej., el catión trifenilmetilo (tritilo) existe libre en disolución en disolventes no
nucleofílicos y en algunas
g
sales sólidas
SO2
Ph3CCl
Ph3C
+
Cl
Ph3C BF4
Comercial
Cationes ciclopropilmetilo
96% H2SO4
Son más estables que los bencílicos.
OH
La estabilidad se debe al solapamiento entre los orbitales del enlace curvo del anillo
de ciclopropano con el orbital p vacío del carbocatión. Esto favorece la conformación
bisectada entre el anillo de ciclopropano y los sutituyentes del catión
conformación
coplanar
conformación
bisectada
8
CARBOCATIONES
Estructura y estabilidad:
Efecto de heteroátomos
La presencia de heteroátomos con pares de electrones no enlazantes (N, O, Hal)
incrementa la estabilidad de carbocationes adyacentes. Por ej. MeOCH2+ SbF6- se ha
aislado como sal sólida. La causa es la deslocalización del par de electrones hacia el
carbocatión
R
R C O Me
R
R C O Me
Existe una barrera rotacional de aproximadamente 14 Kcal/mol
Este efecte se observa incluso en un elemento tan electronegativo como el flúor:
F2CH+ > F CH2+ > F3C+ > CH3+
La presencia de grupos electrón-aceptores desestabiliza carbocationes adyacentes
Y
R C X
R
kv
Y
R C
R
Y
kv
H
CN
CF3
1
10-3
10-66
C C N
C C N
Con el CN y el C=O
C O el efecto
se ve atenuado debido a su
9
capacidad dadora 
CARBOCATIONES
Estructura y estabilidad:
Efecto de heteroátomos
Los cationes acilo se han preparado en disolución y como sal sólida. Por ej., el catión
acetilo tiene una estabilidad similar al catión terc
terc-butilo.
butilo.
CH3
O
C
CH3 C O
C O
C=O
Estable per qüestions
estèriques.
tè i
Es
E pott
preparar en H2SO4
Cationes aromáticos
Algunos cationes con sistemas planos y conjugación electrónica cíclica que cumplen la
regla de Hückel (4n+2) presentan una estabilidad elevada.
Catión tropilio
Catión ciclopropilo
10
CARBOCATIONES
Estructura y estabilidad:
Carbocationes con hibridación sp
Son menos estables que los carbocationes con hibridación sp2 debido al mayor caracter
(más electronegativo) del orbital.
>
CH3CH2
Afinidad por hidruro
CH2=CH
274 Kcal/mol
> CH3
287 Kcal/mol
314 Kcal/mol
Se preparan a partir de compuestos con grupos salientes muy reactivos
H
CH3
OSO2CF3 CH CO H
3
2
CH3
H2C C CH-CH3 +
5%
H3C-HC CH-CH3
77%
+
H3 C
OAc
H
CH3
17%
El catión
tió ffenilo
il es muy iinestable
t bl ((afinidad
fi id d por hid
hidruro 298 K
Kcal/mol).
l/ l) L
La geometria
ti d
dell anillo
ill
2
impide la rehibridación. El orbital vacío mantiene la hibridación sp y como es perpendicular
al sistema  del benceno, no hay estabilización por resonancia
11
CARBOCATIONES
Estructura y estabilidad:
Los carbocationes con hibridación sp2 tienden a una geometría trigonal plana. Factores
estructurales que dificultan esta geometría desestabilizan el carbocatión.
No ioniza
X
Preparado en disolución superàcida
a -78 ºC. Estabilización adicional por
los anillos de ciclopropano
Br
Br
v solvolisi (SN1)
en EtOH
1
10-3
Br
La v de solvolisis
disminuye con la rigidez
de la molécula
10-10
12
CARBOCATIONES
Procesos experimentados por carbocationes:
1. Reacción con bases de Lewis
R
+ Y
R Y
2. Adición: Un carbocatión se adiciona a un sistema insaturado generando un nuevo
carbocatión.
R
+
R C C
C C
3. Transposiciones: Un protón o un grupo alquilo migran con su par de electrones
3
generando un nuevo catión.
CH3
H
C CH2
H
CH3 C CH3
H
CH3
CH3
C CH2
CH3
CH3 C CH2CH3
CH3
4. Fragmentación: Pérdida de un protón o de otra especies positiva de un átomo vecino.
C C Z
C C
+ Z
Z = H, C, etc
13
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
1. Reacciones de formación de enlace C-C
* Alquilación y acilación de Friedel-Crafts
O
O
+
R
R Cl
+ R-Cl
AlCl3
R
Cl
R
AlCl3
O
R
O
AlCl3
Cl +
AlCl4
+
O
R
R
R
Cl + AlCl3
AlCl4
+ R
14
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
1. Reacciones de formación de enlace C-C
•
Adición de alquenos a carbocationes
Nu
Nu
polimer
p
+
-H
La polimerización puede evitarse utilizando reactivos de vinil o alilsilano (o equivalentes
de Sn). Si y Sn estabilizan cargas positivas en  y eliminan rápidamente neutralizando el
carbocatión
M
+
M = SiMe3
M = SnBu3
M
+
M = SiMe3
M = SnBu3
M
M
15
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
1. Reacciones de formación de enlace C-C
•
Acilación de alquenos con haluros de ácido
H
O
H
+ R
O
H
A.L.
Cl
H
R
Nu
Cl
R
O
-H
O
Nu
O
R
Cl
O
R
O
AlCl3
16
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
1. Reacciones de formación de enlace C-C
•
Reacción de Prins: Adición de alquenos a aldehídos
O
H
+ R
+
A.L. o H
O
H
H
H
H
R
R
O
OH
OH
-H
R
OH
H
SnCl2
H
H
17
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
1. Reacciones de formación de enlace C-C
•
Ciclación poliolefínica. Algunos carbocationes poliénicos, con dobles enlaces
adecuadamente posicionados,
posicionados pueden experimentar la formación sucesiva de
enlaces C-C. El proceso es útil para formar sistemas policíclicos.
H
-H2O
OH
OH2
mezcla
-H
18
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
2. Reacciones de transposición
-
Las transposiciones son procesos característicos de los carbocationes.
-
Normalmente se producen por migración de grupo alquilo, arilo o H.
-
La migración genera un nuevo carbocatión en el átomo al cual estaba únido el grupo
que migra
-
La fuerza motriz de las transposiciones es la formación de un carbocatión más
estable que el inicial.
-
Las transposiciones más habituales implican el desplzamiento de un grupo desde el
carbono vecino al carbocatión (desplazmiento 1,2 o transposició de WagnerMeerwein)
R
R C CHRR'
R C CHR'
R
R
H
R C CHR'
R
R C CH2R'
R
19
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
2. Reacciones de transposición
Las transposiciones requieren la coplanariedad entre el orbital p del catión y el orbital 
del grupo que migra
migra.
H
R
R
H
H
R
R
R
H
R
R
R
R
H
H
Capacidad migratoria: Arilo > Alquilo ramificado > alquilo
Las diferencias en la capacidad migratoria no son muy grandes y no suele
haber mucha selectividad. A menudo se observa migración preferente del
grupo mejor posicionado desde el punto de vista estereoquímico. El curso de
la reacción también depende de la tensión. En general un desplazamiento que
disminuya la tensión angular de la molécula suele estar favorecido.
20
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
2. Reacciones de transposición
* Transposición pinacolínica: Se observa frecuentemente al tratar 1,2-dioles con ácido. La
fuerza motriz es la formación de un carbocatión estabilizado por O
O.
Ph OH
Ph C C CH3
OH CH3
H
Ph O
Ph C C CH3
CH3
H+
Ph OH
Ph C C CH3
OH2 CH3
H
Ph O
Ph C C CH3
CH3
-H2O
-H
H+
Ph OH
Ph C C CH3
CH3
Ph O
Ph C C CH3
CH3
21
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
2. Reacciones de transposición
•
Reacción de Tiffeneau-Demjanof. Semejante a la anterior, es la transposició de amino alcoholes per diazotación
OH
R2C CH2 NH2
HNO2
HO
OH
R2C CH2 N N
CH2NH2
-N2
OH
RC CH2
-H+
R
O
RC CH2R
O
HNO2
22
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
2. Reacciones de transposición
* Transposición de Favorskii. Es la transposición de una -halocetona por tratamiento con
una base.
base
En el mecanismo de la reacción participan intermedios con estructura de
ciclopropanona o isómeros 1,3-dipolares de ciclopropanona.
23
CARBOCATIONES
Reacciones que implican la participación de carbocationes:
•
Transposición de Favorskii.
En ausencia de hidrógenos ácidos, puede operar otro mecanismo distinto llamado de
transposición semibencílica.
Una de las aplicaciones más interesantes de la reacción de Favorskii es la contracción
de sistemas cíclicos.
24
CARBOCATIONES
Reaccions que impliquen la participació de carbocations:
3. Reacciones de fragmentación
Son reacciones en las que la formación de un carbocatión promueve la ruptura de un
enlace C-C. La presencia de un átomo (N,O) con electrones no enlazantes, capaces de
estabilizar el nuevo carbocatión facilita la fragmentación
Y C
+ C=A
Y C C A X
+ X
Y C
Un caso particularmente útil es la fragmentación de monosulfonats de 1,3-dioles,que
se ha utilizado en numerosas síntesis de productos naturales.
HO
O
OTs
+
+ TsO-
25
RADICALES
-Son
Son especies químicas con un electron desapareado sobre un átomo de carbono con
una carga formal nula.
CH3
Ph3C
H2C CH
-Tienen
Tienen 7 e
e- en la capa de valencia
valencia.
-Muestran una elevada tendencia a ganar 1 e- para completar el octete.
La mayoría de reacciones orgánicas implican la ruptura heterolítica del enlace, lo cual
origina especies cargadas positivamente (carbocationes) o negativamente (carbaniones).
En contraste, los radicales se generan por ruptura homolítica de los enlaces.
C X
C X
C+ +
X-
C· +
X·
26
RADICALES
- Estabilidad de los radicales:
La mayoría de radicales libres son especies muy reactivas con tiempos de vida muy
cortos. En ausencia de otras especies reactivas, se autodestruyen por dimerización o
desproporción:
Tambien pueden reaccionar con otras sustancias químicas, como por ejemplo O2 o
disolventes.
R
+
O2
R-O-O·
R
+
SH
S-H
RH + S·
S
27
RADICALES
- Estabilidad de los radicales:
La estabilidad relativa de los radicales alquílicos sigue la misma pauta que los
carbocationes:Terciario> secundario > primario. Se explica por hiperconjugación.
Los radicales que presentan deslocalización por resonancia, por ej. Radicales alílicos
y bencílicos,
b
íli
son más
á estables
t bl que los
l radicales
di l alquílicos
l íli
sencillos.
ill
A
Aun así,
í solo
l
tienen una existencia transitoria en condiciones normales. Sin embargo, el radical
trifenilmetilo existe en disolución a t. amb. en equilibrio con una forma dimérica (2 % en
benzeno).
28
RADICALES
- Estabilidad de los radicales: Algunos radicales con tiempos de vida más largos
29
RADICALES
Formación de radicales:
A. Ruptura homolítica de enlaces 
Proceso térmico (sólo útil si se produce a T<200ºC)
Proceso fotoquímico
B. Reacción de radicales con especies no radicalarias (iniciación y propagación)
A-1. A partir de peroxocompuetos
C O O C
100-130 oC
O
O
Ph C O O C Ph
O
R C O O C
60-100
60
100 oC
60-100 oC
C O OH + M2+
C O
2
O
2 Ph C O
O
R C O
+
2
C O
2Ph · + 2CO2
C O
+
R · + CO2 +
C O
-
OH + M3+
30
RADICALES
A) Formación de radicales por ruptura homolítica de enlaces  (cont)
A-2. A partir de azocompuestos
luz
R
N N
R
R
N N
R
N
2 R + N2
N
C
CH3 C N N C CH3
CH3
CH3
C
N
o
C
60 100 C
60-100
CH3 C
CH3
o luz
+ N2
Azobisisobutironitrilo
AIBN
A-3 A partir de N-nitrosoanilidas
N
N
O
calor
R
N
N
O
O
R
O
+ N2
+
R
O
O
A-4 A partir de halógenos
31
RADICALES
-
REACCIONES POR RADICALES LIBRES:
Características generales:
•
Se trata de reacciones en cadena
•
Una o varias reacciones se repiten de manera cíclica (propagación)
•
El número de pasos de propagación se conoce como longitud de cadena
32
RADICALES
-
REACCIONES POR RADICALES LIBRES (Aspectos cinéticos)
A) Iniciadores: Son sustancias que forman rápidamente radicales libres, los cuales
pueden acelerar la etapa de iniciación: AIBN, peroxocompuestos, etc. Normalmente
se utilizan en cantidad subestequiométrica.
subestequiométrica
B) Inhibidores: Son sustancias que retardan o impiden la cadena de propagación.
Normalmente se trata de sustancias que forman radicales estables. Por ej.
antioxidantes
OH
O
ROOH +
ROO· +
BHT
2,6-di-terc-butil4-metilfenol
persistente
impedido
no propaga
33
RADICALES
-
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:
Ó
1. Halogenación: Es un procedimento importante para funcionalizar hidrocarburos. El
procedimiento más utilizado es la bromación con Br2.
Iniciación
Propagación
Global
Br2 + R3CH
R3CBr +
HBr
Br2
h
Br
R3CBr
Br2
R3C·
R3CH
HBr
34
RADICALES
-
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:
1. Halogenación (continuación): La etapa determinante de la velocidad es la abstracción de
hidrógeno (primera en la cadena de propagación) y determina la composición de la
mezcla. En el caso de la bromación con Br2 se observa cierta selectividad:
terciario>secundario>primario. Las posiciones bencílicas también suelen bromarse de
manera efectiva
Me
Me
H
Me
Br2
+ altres
Me
llum
Br
90%
La cloración radicalaria con Cl2 presenta una baja selectividad y conduce a mezclas de
productos clorados. La causa es la mayor reactividad del cloro y se explica aplicando el
postulado de Hammond a los correspondientes ET.
Me
Me
H
llum
Me
Me
Cl2
Me
+
Cl
40%
Me
+ altres
H
25%
Cl
35
POSTULADO DE HAMMOND
Halogenación radicalaria
ET
R + BrH
E (C-H)= 98 Kcal/mol, E (H-Br)= 87 Kcal mol
Bromación etapa (2) es endotérmica con un
ET lejano
La energia y estructura de los ET son
parecidos a los radicales que se forman
Las variaciones en la energia de los ET son
paralelas a las de los radicales
Br + RH
G(ET3) < G(ET2) < G(ET1)
E (C-H)= 98 Kcal/mol, E (H-Cl)= 102 Kcal mol
Cl + RH ET
Cloración etapa (2) es exotérmica con un ET
próximo.
La energia y estructura de los ET son
parecidos a las de los reactantes y varian poco
segun se forme un radical 3, 2 o 1.
R + ClH
La reacción no es selectiva
36
RADICALES
-
REACCIONES POR RADICALES LIBRES
LIBRES-SUSTITUCIÓN:
SUSTITUCIÓN:
Halogenación (continuación):
Por ejemplo el cloro no muestra una elevada selectividad hacia las posiciones bencílicas:
Cl
CHCH3
CH2CH3
CH2CH2Cl
Cl2
+
luz
La cloración radicalaria con Cl2 muestra un efecto polar sustancial: Las posiciones
sustituidas
tit id con grupos electron-aceptores
l t
t
son poco reactivas,
ti
aunque ell radical
di l
formado podría estar estabilizado. La causa es que el átomo de cloro es electrofílico y
por lo tanto evitar atacar a posiciones relativamente pobres en electrones.
Las reacciones de fluoración son excesivamente exotérmicas, mientras que la iodación
con iodo es muy lenta.
37
RADICALES
-
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:
Ó
1. Halogenación (continuación):
Otros reactivos de halogenación.
N-Bromosuccinimida (NBS). Se utiliza para la bromación de posiciones alílicas y
bencílicas. Catalizada por luz o por alguna fuente de radicales.
O
N Br
O
Br
CH3
S
Br
CH2Br
S
38
RADICALES
1.Halogenación (continuación):
Otros reactivos de halogenación.El agente reactivo en las reacciones con NBS es Br2. La
NBS procura una concentración baja de Br2 en la mezcla de reacción que evita la adición
de bromo al doble enlace.
enlace Si los dos carbonos de los extremos del sistema alílico no son
equivalentes se pueden obtener mezclas de productos.
Br
+
H
H2C CH C H
H
H2C CH CH2 + HBr
O
O
N H + Br2
N Br + HBr
O
O
H2C CH CH2 + Br B r
H2C CH CH2Br + Br
Cloración con hipoclorito de terc-butil (selectividad baja)
Iniciación
O
O-Cl
O
+ RH
+ Cl·
OH
+ R
P
Propagación
ió
R
+
O-Cl
R-Cl +
O
39
RADICALES
-
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:
Ó
2. Autooxidación: Es la oxidación radicalaria de algunos compuestos orgánicos con
oxígeno molecular.
Iniciación
Propagación
Global
RH + O2
ROOH
In
In-H
R-H
R
R-OOH
R-H
O O
ROO
La segunda etapa de propagación es la que determina la v de reacción, la cual depende
de la estabilidad de R·, y es especialmente importante en carbonos alílicos, bencílicos y40
terciarios.
RADICALES
2. Autooxidación:
Los mejores resultados preparativos se obtienen con compuestos que sólo tienen un
carbono reactivo (alílico, bencílico). Per ej. La obtención industrial de fenol a partir de
cumeno.
H2SO4
O2
+
O
OH
OOH
H2O
Ph
O
H
O
PhOH
O-OH2
Oxidación de tetralina
Ph O
+
Ph O
Oxidación en  a éteres
41
RADICALES
2. Autooxidación:
Grupos funcionales capaces de estabilizar radicales (aldehídos) se oxidan fácilmente en el
aire.
In
In-H
RCHO
R
O
C
OOH
R
RCHO
R
O
C
O
C
O O
OO
42
RADICALES
-
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:
LIBRES SUSTITUCIÓN:
3. Reducción: Reducción de xantatos: El hidruro de tributilestaño es un reductor eficaz
para haluros y derivados de alcoholes. La reacción transcurre via radicalaria. Los
alcoholes no reaccionan con Bu3SnH, pero los xantatos sí que lo hacen.
R OH
R-OH
1. CS2, KH
S
1. CS2, KH
R-OH
OCS
R-O-C-SMe
R-O-C-SMe
Bu3Sn
S
Bu3SnH
R-O-C-SMe
R-H
2. MeI
2. MeI
S
S
SnBu3
Bu3SnH
R
R-O-C-SMe
S
R-H + Bu3Sn
SnBu3
O=C SMe
O=C-SMe
In
Bu3SnH
In-H
R-H
Bu3Sn
S
R-O-C-SMe
Bu3SnH
R
S
SnBu3
O=C-SMe
S
SnBu3
R-O-C-SMe
43
RADICALES
-
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:
LIBRES SUSTITUCIÓN:
3. Reducción: Descarboxilación reductiva de ésteres de N-hidroxipiridintiona. Estos ésteres
se reducen con Bu3SnH con descarboxilación para dar un alcano con un átomo de
carbono menos que el éster de partida.
O
R C Cl
O
R C O N
+
HO N
O
R C O N
S
S
Et3N
+
RH + CO2
+ Bu3SnH
Bu3SnS
S
O
R C O N
S
N
Bu3Sn
O
R C O N
Bu3SnS
O
R C O
+
N
Bu3SnS
-CO2
Bu3SnH
R H + Bu
R-H
B 3Sn
S
R
44
RADICALES
-
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:
LIBRES SUSTITUCIÓN:
3. Reducción: Conversión de ácidos aromáticos en haluros aromáticos.
O
Ar C O N
Cl3CS
S
O
Ar C O N
S
N
Ar-Br
Ar
Br + CO2 +
+ BrCCl3
Cl3C
O
Ar C O N
Cl3CS
O
Ar C O
+
N
Cl3CS
-CO
CO2
BrCCl3
Ar-Br + Cl3C
Ar
45
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓN
LIBRES ADICIÓN
1. Adición radicalaria de HX a alquenos: La adición de haluros de hidrógeno a alquenos por
vía radicalaria tiene lugar con regioselectividad anti-Markownikoff
In
In-H
HBr
R-CH
R
CH2-CH
CH2Br
Br
R-CH=CH2
HBr
R CH CH2Br
R-CH-CH
B
46
RADICALES
1. Adición radicalaria de HBr a alquenos (cont):
Estereoquímica anti: Se explica en términos de la participación de un radical puente
parecido al catión bromonio.
Adición de HCl: La reacción puede conducir a polímeros.
R CH CH2
R CH CH2
+ Cl
R CH CH2Cl
R CH CH2Cl
H2C
CHR
HCl
polimer
R CH2 CH2Cl
+ Cl
La adición de HF y HI no está favorecida energéticamente en ninguno de los dos
casos aunque la etapa desfavorable sea diferente en cada caso
casos,
caso.
In
H-F
R CH CH2
RH + F
+ I
Prohibido energéticamente
R CH CH2I
endotérmico
47
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓN
LIBRES ADICIÓN
2. Adición de halometanos CBr4, CCl4, HCBr3
También
El bromotriclorometano también puede utilizarse en esta reacción. Debido a la mayor
facilidad de abstracción de un átomo de Br, se obtiene el producto que incorpora una
unidad de triclorometano al carbono menos sustituido del doble enlace.
48
RADICALES
2. Adición de halometanos (cont)
La eficacia de la reacción depende de la v relativa de abstracción del halógeno frente a la
adición del radical al alqueno.
El ordren de reactividad de los halometanos es: CBr4>CBrCl3>CCl4>CH2Cl2>CHCl3
49
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓN
LIBRES ADICIÓN
3. Adición de aldehídos
RCHO
H
O
R'-CH-CH2-C-R
+ R'-CH=CH2
In
RCHO
O
R'-CH2-CH2-C-R
RCHO
In-H
O
R C
R'-CH=CH2
O
R'-CH-CH2-C-R
50
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓN
LIBRES ADICIÓN
3. Adición de haluros de alquilo e hidruro de tributilestaño: Equivale formalmente a una
adición de hidrocarburo
Bu3SnH + In
R-X + Bu3Sn
R
R + R'-CH=CH2
R'-CH-CH2-R +
RX
R-X
Bu3SnH
+
+ InH
Bu3Sn
+
Bu3SnX
R'-CH-CH2-R
Bu3SnH
R'-CH=CH
R
CH=CH2
R'-CH2-CH2-R +
Bu3Sn
H
R'-CH-CH
R
CH CH2-R
R
+ Bu3SnH
In
In H
In-H
R'-CH2-CH2-R
Bu3Sn
Bu3SnH
R-X
O
O
R'-CH-CH2-R
Bu3SnH
I
CH2=CHCO2Me
Bu3SnH
O
O
CH2CH2CO2Me
R
R'-CH=CH2
51
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓN
LIBRES ADICIÓN
3. Adición de xantatos e hidruro de tributilestaño (Cont): La reacción anterior se puede
hacer sustituyendo el haluro por un xantato.
Bu3SnH + In
Bu3Sn
S SnBu3
S
R-O-C-SMe + Bu3Sn
R
O=C SMe
O=C-SMe
R'-CH-CH2-R
R + R'-CH=CH2
R' CH CH2-R
R'-CH-CH
R +
+
Bu3SnH
S
R-O-C-SMe + R'-CH=CH2 + Bu3SnH
R' CH2-CH
R'-CH
CH2-R
R+
B 3Sn
Bu
S
H
R'-CH-CH2-R
4. Adición de tioles: Los tioles se adicionan siguiendo un mecanismo parecido a la adición
de HX. Suele ser una reacción general y con buenos resultados.
52
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES
LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES
Las reacciones de sustitución y adición radicalarias pueden tener lugar
intramolecularmente. Las reacciones de sustitución intramoleculares resultan
especialmente interesantes ya que permiten funcionalizar carbonos remotos alejados de
cualquier grupo funcional. En moléculas acíclicas la funcionalización intramolecular implica
la abstracción de un átomo de hidrógeno a través de un estado de transición cíclico de 6
miembros. El resultado es la introducción de funcionalidad en el carbono  en relación al
radical:
di l


C 
C
C
C

X
C
C
H
C
C
C
C
C
C
C
C
X
H
Y-Z
C
C
C
C
C
C
C
X
Y
H
+ Z·
53
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES
LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES
1. Reacción de Hofmann-Loeffler: Es la descomposición fotoquímica de N-cloroaminas. El
producto inicial es una -cloroamina que puede ciclar a pirrolidina.


R


llum
NHCH3
H
Cl
R
H
NHCH3
+ Cl
Cl
R
H
NHCH3
R
NH2CH3
R
Cl
HO
R
Cl
NH2CH3
R
Cl
NHCH3
R
NH2CH3
+ HCl
N
CH3
54
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES
LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES
2. Ciclación fotoquímica de N-iodoamidas. Relacionada con la anterior conduce a lactonas


H
NH2
O
llum
NH2
O
R
O
I2

R
O
NH
H
I
R
R
H
NH + I
NH2
I
R
I
O
H2O
R
NH2
O
R
O
O
I
55
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES
LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES
3. Ciclación intramolecular de radicales oxígeno. Las condiciones desarrolladas
inicialmente implican la descomposición térmica o fotoquímica de alcóxidos de Pb(IV)
generado a partir de Pb(OAc)4.


llum
Pb(OAc)4

R

H
OH
R
H
O-Pb(OAc)3
·Pb(OAc)3
R
OH
-
((-1e )
R
OH
o calor
+ AcO + Pb(OAc)2
R
H
O
+ ·Pb(OAc)3
R
O
56
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES
LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES
4. Fotólisis de nitritos (Barton). La reacción fue desarrollada inicialmente para funcionalizar
grupos metilo en esteroides, pero se han encontrado otras aplicaciones.
57
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES
LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES
La adición intramolecular de un radical a un grupo insaturado es un procedimento útil para
la formación de compuestos cíclicos. Las más habituales implican haluros como fuente del
radical intermedio. El radical se genera habitualmente por abstracción del hidrógeno con
un trialquilestaño como reactivo y AIBN como iniciador. En este caso la ciclación acaba con
la abstracción de hidrógeno.
Regioselectividad: Se observa una preferencia para la formación de anillos de
5>6>7.
La regioselectividad se puede ver influida por otros factores de tipo estérico o por
la presencia de grupos capaces de estabilizar los radicales intermedios.
58
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES
LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES
Ejemplos
59
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES
LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES
El radical formado por la adición intramolecular pueden hacerse reaccionar con un alqueno
electrofílico (Tandem).
60
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES
LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES
La reacción también puede hacerse utilizando una cantidad catalítica de trialquilestaño.
Esto evita la terminación por abstracción de hidrógeno. En este caso, el trialquilestaño
sirve para iniciar la reacción, la cadena se propaga por abstracción de haluro.
Iniciación
HC C (CH2)3C(CH3)2
HC C (CH2)3C(CH3)2 + Bu3SnI
+ Bu3Sn
I
CH
HC C (CH2)3C(CH3)2
I
propagación
p
p g
CH
HC C (CH2)3C(CH3)2 +
HC C (CH2)3CCH3)2
C
H
+
I
61
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-TRANSPOSICIONES
LIBRES TRANSPOSICIONES
-Estan poco favorecidas en comparación a las transposiciones catiónicas
-Grupos insaturados y arílicos migran con más facilidad a través de estados de transición
cíclicos
í li
((normalmente
l
t con un anillo
ill d
de ciclopropano).
i l
)
O
O
O
62
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-TRANSPOSICIONES
LIBRES TRANSPOSICIONES
EJEMPLOS. El progreso de la reacción depende de la estabilidad del nuevo radical
formado.
R1
Ph C CH2CO2
R2
R1
Ph C CH2
R2
2
R1
C CH2Ph
R2
+ CO2
R1=Me, R2=H
R1=R2=Ph
O
CH2COOBut
CH2
140oC
O
CH2CO
-CO2
CH2
39%
100%
H
CH3
H
63
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-FRAGMENTACIÓN
LIBRES FRAGMENTACIÓN
-1. Descarboxilación de radicales aciloxi. Esta reacción tiene lugar con mucha facilidad.
O
R-C-O-OBut
140oC
O
+ ButO
R-C-O
R
+ CO2
-2. Descarbonilación. Este proceso se encuentra menos favorecido y depende de la
estabilidad del radical formado.
O
O
In·
In
CCl4
O
Cl
H
+ CCl3
-CO
CCl4
Cl + CCl3
64
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-FRAGMENTACIÓN
LIBRES FRAGMENTACIÓN
-3. Descomposición de radicales alcoxilo
65
RADICALES
RADICALES CARGADOS
Algunas especies químicas con electrones desapareados tienen carga neta.
Radicales aniónicos participan en la reducción de sistemas aromáticos con metales
reductores
d t
((reacción
ió d
de Bi
Birch).
h)
66
RADICALES
RADICALES CARGADOS
También se forman radicales aniónicos a partir de cetonas y metales reductores:
Radicales cetilo
67
RADICALES
RADICALES CARGADOS
Radicales semidiona: Se forman a partir de 1,2-dicetonas
68
CARBENOS
-Son
Son especies químicas con un átomo de carbono divalente neutro
-Son intermedios de reacción muy reactivos con tiempos de vida media inferiores a 1
seg.
-Se trata de especies deficientes electrónicamente. El átomo de carbono tiene solo 6
e- en su esfera electrónica de valencia.
-Tienen una elevada tendencia a captar 2 e- para completar el octete.
- Dependiendo de los spines de los electrones no enlazantes, los carbenos se
pueden clasificar como carbenos singletes o tripletes.
Carbenoides: Este término se aplica a especies que reaccionan como los carbenos
pero en las que el carbono se encuentra unido
unido, al menos parcialmente a otros
átomos. En muchos carbenoides el carbono divalente se encuentra unido a un metal
de transición.
69
CARBENOS
Formación de carbenos
1. Descomposición de diazoalcanos.
Síntesis de diazoalcanos
diazoalcanos. Los diazocompuestos son inestables y tóxicos
tóxicos.
a) Descomposición de hidrazonas con óxido de mercurio. Este procedimiento es
válido sólo para hidrazonas aromáticas.
HgO
Ar2C NNH2
Ar2C N N
70
CARBENOS
Síntesis de diazoalcanos
diazoalcanos.(cont.)
(cont )
b) Tratamiento básico de N-nitrosocompuestos
diazald
Mecanismo
71
CARBENOS
Síntesis de diazoalcanos.(cont)
c) Síntesis de -diazocetonas. Son un importante grupo de diazocompuestos en síntesis
orgánica
c1. A partir de cloruros de ácido
O
R C Cl
O
R C CH2 N N
+ H2C N N
O
R C CH N N
O
R C CH N N
luz
o calor
-H
H+
O
R C CH
-N2
C2. Reacción de -oximino cetonas con cloramina
O
O
RONO
t-BuOK
O
NOH
NH3
N
N
NaOCl
72
CARBENOS
Formación de carbenos (cont.)
(cont )
2. Descomposición térmica o fotoquímica de sales de arenosulfonilhidrazonas. No se
puede llevar a cabo en disolventes próticos.
En disolventes próticos:
73
CARBENOS
Formación de carbenos (cont.)
(cont )
3. Fotólisis de epóxidos y diazirinas.
4. -Eliminación de haluros
Br
H C Br
Br
RO
Br
C Br
Br
Br
C Br
-Br
74
CARBENOS
REACCIONES VIA CARBENO-ADICIÓN
1. Los carbenos se adicionan a alquenos para formar un anillo de ciclopropano.
La adición de carbenos singlete tiene lugar por un mecanismo concertado y se mantiene la
estereoquímica del alqueno de partida (reacción estereoespecífica)
estereoespecífica). Diazometano en
disolución
R'
R'
H
R
+ R'2C
R
H
R'
C
singlete
H
R
R'
R
H
H
R
R
H
Con carbenos tripletes la reacción tiene carácter radicalario. Después de la adición inicial se
requiere una inversión del espín de uno de los electrones. La reacción conduce a mezclas de
productos (reacción no estereoespecífica). Diazometano en fase gas
75
CARBENOS
REACCIONES VIA CARBENO-ADICIÓN
Ejemplos
76
CARBENOS
REACCIONES VIA CARBENO-ADICIÓN
2. Reacción de Simmons-Smith. Se trata de un procedimento muy efectivo para la
preparación de ciclopropanos a partir de alquenos. Se utiliza un diiodometano como fuente
de metileno.
-En el procedimento original se utiliza diiodometano y la pareja Zn-Cu
CH2I2 + Zn-Cu
Zn Cu
ICH2ZnI
(ICH2)2Zn + ZnI2
-La especie activa se cree que es ioduro de iodometilzinc en equilibrio con
bis(iodometil)zinc.
-La reacción es estereoespecífica.
- Con moléculas con un grupo OH próximo al doble enlace el metileno se introduce sin al
grupo OH
- La especie reactiva es un carbenoide.
- Modificaciones:
CH2Br2, Zn-Cu, ultrasonidos
EtZnI, CH2I2
77
CARBENOS
REACCIONES VIA CARBENO-ADICIÓN
2. Reacción de Simmons-Smith. (ejemplos)
78
CARBENOS
REACCIONES VIA CARBENO-INSERCIÓN
1. Son reacciones en las que un intermedio reactivo, en este caso un carbeno, se interpone
en un enlace existente. En términos de síntesis, normalmente se trata de un enlace C-H.
Carbenos singletes se insertan normalmente en un proceso de un único paso
H
H
H3C C CH3 +
H
CH2
CH2
H3C C CH3
H
Con carbenos tripletes la reacción tiene lugar en dos pasos: abstracción de hidrógeno y
recombinación
H
H3C C CH3 +
H
H
CH2
H3C C CH3 +
H
CH2
H
CH2
H3C C CH3
H
79
CARBENOS
REACCIONES VIA CARBENO-INSERCIÓN
1. Inserción intermolecular. Debido a la elevada reactividad de los carbenos intermedios, la
inserción intermolecular de carbenos no es muy selectiva. La distribución de los productos
de inserción resultantes de la fotólisis de diazometano en heptano es prácticamente la que
se espera sobre una base estadística no selectiva.
80
CARBENOS
REACCIONES VIA CARBENO-INSERCIÓN
2. Inserción intramolecular. Las reacciones de inserción intramolecular tienen mayor
aplicación. La inserción tiene lugar al enlace C-H más próximo en el espacio al carbeno.
Estas reacciones proporcionan acceso a estructuras muy tensionadas que serian difíciles
de preparar de otra manera.
81
CARBENOS
REACCIONES VIA CARBENO-TRANSPOSICIÓN
El proceso más habitual es el desplazamiento de hidrógeno para formar un alqueno.
Compite con la inserción intramolecular.
Una aplicación de esta reacción es la síntesis de alenos a partir de ciclopropilidenos
Ph
Ph
NO
NCNH2
O
Ph
LiOEt
Ph
Ph
Ph
C C C
H
H
82
CARBENOS
REACCIONES RELACIONADAS
Algunas reacciones estan conceptualmente relacionadas con la forma de reaccionar de los
carbenos aunque estos no participen.
1. Transposición de Wolff: Transposición de -diazocetonas.
1
-diazocetonas
a) Térmica: Tiene lugar de manera concertada
O
R C CH N N
O
R C CH N N
Nu-H
N2 +
RHC C O
RCH2
O
C Nu
cetena
b) Fotoquímica: Transcurre via carbenos
O
R C CH N N
O
luz
R C CH N N
-N2
NuH
RHC C O
RCH2
O
R C CH
O
R
H
O
C Nu
83
CARBENOS
REACCIONES RELACIONADAS
Transposición de Wolff (cont): Una aplicación sintética de la reacción de Wolff es la
homologación de ácidos carboxílicos.
180 oC
1. SOCl2
CO2H
COCHN2
2. CH2N2,
Et3N
1. NaOH
CH2CO2CH2Ph
collidina
Ph
OH
80%
CH2CO2H
2. H3O+
En sistemas cíclicos p
puede p
producirse la contracción del anillo.
O
llum
C O
H2O
CO2H
N2
84
NITRENOS
-Son
Son especies químicas con un átomo de nitrógeno monovalente neutro
neutro.
-Se trata de especies deficientes electrónicamente. El átomo de nitrógeno tiene solo
6 e- en su esfera electrónica de valencia.
- Dependiendo de los spines de los electrones no enlazantes, los carbenos se
pueden clasificar como carbenos singletes o tripletes.
Formación de nitrenos
El procedimento más general para generar nitrenos es la descomposición térmica o
fotoquímica de azidas orgánicas.
R N N N
N2 + R N
R = alquilo, arilo, acilo, sulfonilo
85
NITRENOS
REACCIONES VIA NITRENOS
1. Nitrenos alquílicos y arílicos:Dan reacciones de transposición pero no de inserción o
adición.
2 Nitrenos arílicos:
2.
arílicos Dan reacciones de inserción intramolec
intramolecular
lar
86
NITRENOS
REACCIONES VIA NITRENOS
2. Nitrenos de carboxialquilo. Dan reacciones de inserción y adición.
En ell caso d
E
de llas reacciones
i
d
de iinserción
ió se observa
b
cierta
i t selectividad
l ti id d
CH>CH2>CH3
87
NITRENOS
REACCIONES VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE
1. Transposición de Curtius. Es el equivalente a la reacción de Wolff pero con compuestos
nitrogenados. Consiste en la transformación de una acilazida en un isocianato.
O
R C N N N
100 oC
N N
O
C
N
O C N R
-N
N2
isocianato
R
R'OH
R
OH
O
R'O
R
O C NH R
carbamato
O C N R
H2O
O
H-O
H
O C NH R
R-NH
R
NH2 + CO2
ácido carbámico
Sí t i de
Síntesis
d acilazidas
il id
RCOCl
+
NaN3
RCONHNH2 + HNO2
RCON3
RCON3
88
NITRENOS
REACCIONES VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE
2. Transposición (degradación) de Hofmann. Las amidas primarias se transforman en
aminas con pérdida de un átomo de C por tratamiento con bromo en medio básico.
BrO- o
O
R C NH2
O Br
R C NH
R N C O
O
R C N Br
-H2O
Br2/NaOH
H2O
OH
O
R NH C O-H
-Br-
R-NH2 + CO2
Una de las aplicaciones más interesantes de esta reacción es la preparación de
aminas aromáticas.
O
NH2
N
F
NH2
Br2
KOH
N
F
89
NITRENOS
REACCIONES VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE
3. Reacción de Schmidt. Es la degradación de un ácido por tratamiento con ácido
hidrazoico (HN3)
O
R C OH
HN3
O
R
H
OH
HN N N
-N2
O
HO C N R
H
-CO
CO2
R-NH2
Una reacción parecida tiene lugar con cetonas
O
R C R
HN3
O
R
H
R
HN N N
-N2
O
R C N R
H
Amida
90
NITRENOS
REACCIONS VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE
4. Transposición de Beckmann. Oximas son convertidas en amidas. El mecanismo implica
la conversión del OH de la oxima en un grupo saliente. Ionización y migración tienen lugar
de manera concertada. El grupo que migra es el que esta anti al grup OH de la oxima.
N
R
OH
N
X
R
R
R'
OH
R N C
H
O X
H
O X
R'
N
R'
R
N
C
R'
H2O
O
R NH C R'
R'
Ejemplos:
91
NITRENOS
REACCIONES VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE
4. Transposición de Beckmann (cont). En algunos casos durante la transposición de
Beckmann se puede producir una reacción de fragmentación si alguno de los sustituyentes
de la oxima es capaz de estabilizar un carbocatión.
N
X C
OH
N
X
C
X C
H
O X
X C + R-C N
+ XOH
C
PCl5
N-OH
N
92
RADICALES
-REACCIONES
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES
LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES
La reacción también puede hacerse utilizando una cantidad catalítica de trialquilestaño.
Esto evita la terminación por abstracción de hidrógeno. En este caso, el trialquilestaño
sirve para iniciar la reacción, la cadena se propaga por abstracción de haluro.
Iniciación
p p g
propagación
+
93