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QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA
TEMA 5
OBJETIVOS DIDÁCTICOS PERSEGUIDOS EN EL TEMA
Repaso de los mecanismos de reacción ya estudiados dispersos
en los capítulos dedicados a la descripción de grupos funcionales.
Profundizar en ciertos aspectos de estos mecanismos de reacción.
Estudio de mecanismos de reacción nuevos.
Descripción y análisis de reacciones nuevas como casos prácticos
de los mecanismos de reacción en estudio.
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ASPECTOS FUNDAMENTALES DEL ESTUDIO DE
UN MECANISMO DE REACCIÓN
COMPRENSIÓN RAZONADA DE LA DENOMINACIÓN DEL PROCESO
DESCRIPCIÓN DE LOS REACTIVOS INTERVINIENTES Y DE LOS MÓVILES
DEL ATAQUE
ESPECIFICACIÓN DETALLADA DEL MECANISMO EN CUANTO A :
INTERMEDIOS DE REACCIÓN
ESTADOS DE TRANSICIÓN
FLUJO ELECTRÓNICO
CINÉTICA DE LA REACCIÓN
BALANCE ENERGÉTICO (TERMODINÁMICA)
DESARROLLO ESTEREOQUÍMICO Y SUS IMPLICACIONES
ESTUDIO DE LA REACTIVIDAD (JUSTIFICACIÓN Y PREDICCIÓN)
PECULIARIDADES ESPECÍFICAS DEL PROCESO.
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Muestra de la sistemática de preparación teórica
de un mecanismo de reacción :
• ELIMINACIÓN
4
REACCIONES DE ELIMINACIÓN
E
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ELIMINACIÓN es todo proceso que cursa con la
expulsión de una molécula de tamaño reducido desde el
seno de un sustrato, frecuentemente con la formación de
una insaturación. La molécula saliente puede hacerlo
como entidad ya formada o separada en sus partes
constituyentes.
Las eliminaciones pueden clasificarse según la posición
relativa que ocupan en la molécula original los fragmentos
que componen la molécula saliente :
α : dos fragmentos salen del mismo carbono
β : fragmentos situados en carbonos contiguos
γ : fragmentos en posiciones 1,3
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Ejemplo de eliminación α : FORMACIÓN DICLOROCARBENO
H
:B
Cl — ¨
C — Cl + Cl- + H:B
Cl — C — Cl
Cl
Ejemplo de eliminación γ : CICLACIÓN INTRAMOLECULAR 1,3
B:
H
R
R
R
R
+ B:H + ClR
Cl
R
R
R
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Ejemplo de eliminación β : ELIMINACIÓN
HO
DE HOFMANN
-
CH3
H
calor
+
R
N
R
H3C
CH3
R
CH2
+ N(CH3)3 + H2O
R
PIRÓLISIS DE HIDRÓXIDOS DE AMONIO CUATERNARIO
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Ejemplo de eliminación β : DESHIDROHALOGENACIÓN
Reacción de los halogenuros de alquilo que cursa con la pérdida
global de hidrácido y la formación de una insaturación :
H
C
base
C
C
X
C
HX
CINÉTICAS :
E2 : vR = k2 [B-] [RX]
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E1 : vR = k1 [RX]
MECANISMOS E1 Y E2
H
E1
H
lento
C
C
X
C
C+
C
C
+ X-
H+
H
C
C+
rápido
E2
H
C
B10
C
C
X
C
+ HB + X-
VALORACIÓN TERMODINÁMICA DE LOS PROCESOS E1 Y E2
E
DDR E1
DDR E2
SIN EFECTO ISOTÓPICO
CON EFECTO ISOTÓPICO
( hidrógeno-deuterio )
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ESTEREOQUÍMICA E1
REGIOISOMERÍA Y ESTEREOISOMERÍA :
si formado el ión carbenio puede perderse más de un hidrógeno
distinto de la estructura, el doble enlace puede generarse en distintas
posiciones de la cadena ( REGIOISOMERÍA ).
Cuando son posibles distintas orientaciones espaciales para los
sustituyentes en el doble enlace formado en la eliminación se
presenta ESTEREOISOMERÍA.
ESTEREOISOMERÍA
Si en cualquiera de estas dos situaciones hay un isómero
cuya formación es preferente se habla respectivamente de :
REGIOSELECTIVIDAD y ESTEREOSELECTIVIDAD.
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ejemplos
¿ Cuales son las causas de la REGIOSELECTIVIDAD E1 ?
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A) el doble enlace incipiente en un estado de transición se estabiliza
cuando su orbital vacío π* puede interactuar con orbitales llenos de
enlaces σ paralelos contiguos de C-H y C-C :
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
π∗-C-H
H
π∗-C-C
HIPERCONJUGACIÓN
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B) el estado de transición más estabilizado se alcanza más
rápidamente por lo que su producto será el más abundante :
E
REGIOSELECTIVIDAD
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Ión carbenio
DDR E1
CAUSAS DE LA ESTEREOSELECTIVIDAD E1
- El nuevo enlace π solamente se puede formar si el orbital vacío p del
carbocatión y el enlace C-H que se rompe están alineados paralelamente
- Pueden existir dos posibles conformaciones del ión carbenio que cumplan
esto pero una es más estable que la otra por impedimento estérico
H
H
Ph
Ph
+
C
H
H
Cl
H
Ph
H
CH3
H
H
H
Ph
Ph
+
C
H
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H3C
H
H3C
H
CH3
CH3
H
La conformación más estable del carbocatión pasa por un estado de
transición también más estable y llega hasta el producto más estable por
las mismas causas más rápidamente por lo que será más abundante
ESTEREOSELECTIVIDAD E1
+ Cis
E
+ Trans
Z
E
Desarrollo de reacción
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ESTEREOQUÍMICA E2
- Interacción necesaria para la formación del nuevo enlace π :
HOMO : ORBITAL σ ENLAZANTE C-H
LUMO : ORBITAL σ* ANTIENLAZANTE C-X
- Condición espacial : alineamiento paralelo en el mismo plano
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H
X
σ∗
X
σ
H
σ∗
σ
SYNPERIPLANAR
ANTIPERIPLANAR
- Posibilidades conformacionales :
ANTIPERIPLANAR :
estrictamente paralelos
solapamiento intenso
conformación alternada
MAYOR
ESTABILIDAD
CONFORMACIÓN
PREFERENTE
SYNPERIPLANAR :
semiparalelos
solapamiento pobre
conformación eclipsada
MENOR
ESTABILIDAD
Sólo se da si la
antiperiplanar
está impedida
REGIOSELECTIVIDAD E2: la posibilidad de adopción de disposición antiperiplanar
es motivo suficiente para que una orientación sea preferente entre varias y que esto
conduzca mayoritariamente a uno sólo de los isómeros de posición posibles.
Esto puede apreciarse especialmente en estructuras cíclicas que por rigidez del ciclo
presentan impedido el giro C-C necesario para adoptar la conformación preferente
antiperiplanar.
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energía
REGIOSELECTIVIDAD E2 : si pudieran darse dos orientaciones, ambas
en antiperiplanar, el estado de transición más estable se alcanzará más
rápidamente por lo que su producto será el más abundante :
evolución de la reacción
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ESTEREOSELECTIVIDAD E2 : aún adoptando disposición antiperiplanar
son posibles, en ocasiones, varias orientaciones de los grupos sustituidos
lo que puede conducir a distintos isómeros y a alguno de ellos de forma
preferente.
X
Ph
H
H
X
H
Ph
H
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Ph
H
H
Ph
H
Ph
Ph
H
Ph
H
H
Ph
ESTEREOESPECIFICIDAD E2 : el adoptar una disposición antiperiplanar
puede tener una repercusión en el resultado obtenido en una E2 según cuál
sea la estereoquímica (configuración ) del reactivo de partida :
Br
Ph
H
Ph
H3C
E
H
(R)
Br
Ph
H
CH3
Ph
(S)
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H
Z
¡ distinción importante !
ESTEREOSELECTIVA : reacción en la que de los distintos
isómeros posibles se obtiene preferentemente uno porque en su
transcurso se da una elección por el camino de menor energía de
activación (control cinético ) o por el que conduce al producto
más estable (control termodinámico ).
ESTEREOESPECÍFICA : reacción que, partiendo de reactivos
estereoquímicamente diferentes pero por un mismo mecanismo,
conduce a productos estereoquímicamente distintos. No hay
elección entre caminos alternativos sino caminos paralelos.
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REACTIVIDAD E1 - E2
- Factores electrónicos :
salida del halógeno favorecida por el efecto inductivo
(alquilos) y por el conjugativo (alílicos, bencílicos, αheterosustituidos).
- Factores estéricos :
sin influencia aquí ya que sp3
- Efecto halógeno :
I- > Br- > Cl- > F- Tipo de halogenuro de alquilo :
3º > 2º > 1º
- Estabilidad del alqueno producto :
conjugados, hiperconjugación.
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sp2.
ELIMINACIÓN UNIMOLECULAR EN LA BASE CONJUGADA DEL
SUSTRATO (E1cB)
Aunque menos frecuentes, hay estructuras que favorecen la
deshidrohalogenación en dos pasos, iniciándose el proceso por la
abstracción de un protón por una base, generación de un carbanión y
posterior salida del halógeno :
X
R
R
base
R
R
H
X
R
R
-
R
C R
R
FACTORES FAVORABLES :
- halógeno peor saliente
- base fuerte / H fácilmente abstraible
- grupos vecinos estabilizantes del carbanión
- efecto disolvente
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R
R
R
TEORÍA DEL ESTADO DE TRANSICIÓN VARIABLE
Describe un marco completo de posibilidades para incluir cualquier
eliminación desde un extremo iónico E1(+) hasta el otro de signo
opuesto E1cB (-), pasando por el punto medio E2 con diferentes
grados de sincronía :
CH2=CH2
- CH2-CH2X
E1cB
E2
E1
CH3-CH2X
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CH3-CH2+
REGIOSELECTIVIDAD
Como se ha visto, la mayoría de las eliminaciones E1 y E2 son
regioselectivas, obteniéndose el alqueno más sustituido :
ORIENTACIÓN SAITZEFF
La E1cB, aplicando los mismos principios de estabilización de
intermedios, produce preferentemente el alqueno menos
sustituido :
ORIENTACIÓN HOFMANN
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REACCIONES COMPETITIVAS : SN vs E
- Competencia entre mecanismos de cinéticas 1 y 2.
- El mismo sustrato (RX) con reactivos electrónicamente similares
(nucleófilos o bases) producen reacciones distintas (SN o E) según el
punto electrónicamente deficiente de ataque (C o H).
- POSIBILIDADES :
SN1, SN2, E1 y E2
¿ es posible la predicción en un proceso químico concreto ?
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CRITERIOS GENERALES PARA PREDICCIÓN DE TIPO DE
REACCIÓN Y MECANISMO PREFERENTES
variable
efecto
1º
Tipo de halogenuro
de alquilo
2º
3º
SN2
SN1, E1, E2
el impedimento estérico potencia E
débil : SN1, E1
blando : SN2 (salvo 3º = E1)
Tipo de nucleófilo
duro, básico : SN2 (1º) y E2 (resto)
duro, impedido : E2
alta concentración potencia orden 2
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REACCIÓN MÁS FAVORABLE :
ENTRE NUCLEÓFILO Y ELECTRÓFILO DEL MISMO TIPO
C
Nucleófilo : blando, polarizable
sp3
ELECTRÓFILO BLANDO
H
ELECTRÓFILO DURO
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Factor dominante : inteacción HOMO-LUMO
Estado de transición : tardío
Reacción preferente : SUSTITUCIÓN
Nucleófilo : duro, base fuerte
Factor dominante : atracción electrostática
Estado de transición : temprano
Reacción preferente : ELIMINACIÓN
CRITERIOS GENERALES PARA PREDICCIÓN DE TIPO DE
REACCIÓN Y MECANISMO PREFERENTES
variable
Temperatura
efecto
Alta T favorece E :
E : 2 moles a 3 moles
SN : 2 moles a 2 moles
∆S positivo, más espontánea a alta
temperatura
Alta T potencia el orden 2
Alqueno formado
en la eliminación
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Mayor estabilidad (conjugación +
hiperconjugación) favorece la E
CRITERIOS GENERALES PARA PREDICCIÓN DE TIPO DE
REACCIÓN Y MECANISMO PREFERENTES
variable
efecto
F
Tipo de halógeno
Cl
Br
I
mayor reactividad en general
orden 2
orden 1
Todos los polares potencian orden 1
Alta cte. dieléctrica potencia orden 1
Disolvente
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Polares apróticos potencian orden 2
cuando los productos son más
iónicos que los reactivos