LECCIÓN 7 Antonio Galindo Brito REACCIONES DE ELIMINACIÓN Química Orgánica 2º Objetivos Completar el examen de la reactividad de los haluros de alquilo estudiando la segunda reacción que pueden experimentar conocida como β-eliminación o (1,2)-eliminación. Conocer dos de los posibles mecanismos (E1 y E2) por los que se llevan a cabo las eliminaciones, sus requisitos estereoquímicos aplicados tanto a sustratos acíclicos como cíclicos, particularmente a los derivados del ciclohexano y de los ciclos más pequeños. Saber predecir el tipo de mecanismo por el que progresará la reacción en función de los factores influyentes en la velocidad (tipo de sustrato, fuerza y concentración de la base, disolvente). Predecir cuál será el producto dominante en la reacción cuando puedan formarse dos alquenos diferentes, tanto en sustratos acíclicos como cíclicos. Conocer la competición entre las reacciones SN y E y saber predecir cuál será el producto mayoritario que se forme en función de los factores influyentes en las velocidades de ambas reacciones competitivas (tipo de sustrato, basicidad y nucleofilia del reactivo, temperatura y disolvente). Identificar en qué situaciones pueden formarse productos de reagrupamiento en ciertas eliminaciones. Extender las reacciones de eliminación a otros derivados como tosilatos o mesilatos de alquilo examinando como pueden formarse y las ventajas que presentan respecto de los haluros. Llegar a comprender la utilidad sintética de las reacciones de β-eliminación para la formación de compuestos insaturados y conocer los problemas que quedan planteados y sin resolver con este tipo de reacciones. 1 LECCIÓN 7 Antonio Galindo Brito REACCIONES DE ELIMINACIÓN Química Orgánica 2º 2 Eliminaciones (1,2) Reacción Eliminación. H ligeramente ácido H base 2 - + B C C 1 Reacción Sustitución (b) H - + + - alqueno grupo saliente Ruta (a) + HB anión haluro + HOEt + Br + Br - 1-Penteno 2E-Penteno Alqueno más sustituido Alqueno menos sustituido + OH base X ácido conjugado + Br CH3 3-bromo-3-metil-pentano + Ruta (b) + OEt (a) H C X nucleófilo Br C - 3-Metil-2-penteno Alqueno Saytzeff 2-Etil-1-buteno Alqueno Hofmann H2O - LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º Antonio Galindo Brito 3 Eliminaciones E2 Cinética.- Segundo orden v = K [Base] [Haluro]. Mecanismo.- Proceso concertado (una etapa). En el estado de transición se están rompiendo los enlaces C-H, C-X y se están formando los enlaces B-H y el pi: δB H 1 C H B - + C C 1 2 X * 2 C C δ- X C + H-B + X Curso Estereoquímico.- Requisito geométrico, el H, los dos C y X deben hallarse en el mismo plano (coplanares). Hay dos maneras, X y H coplanares y a diferente lado (anti-periplanares) o X y H coplanares y al mismo lado (syn-periplanares): X X X 1 H 2 H H Conformación antiperiplanar (Conformación alternada de menor energía) 2 H X 1 Conformación sinperiplanar (Conformación eclipsada de mayor energía) - LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º Antonio Galindo Brito 4 La E2 cursa con una estereoquímica anti y es estereoespecífica, es decir, se obtienen dos alquenos diastereómeros empleando dos haluros diastereómeros. Así, cuando los diastereómeros eritro y treo se tratan con potasa alcohólica se obtienen los alquenos 3-metil-2E-penteno y 3-metil-2Z-penteno, respectivamente, lo que prueba la total estereoespecificidad de las eliminaciones E2 y además demuestra que la reacción marcha a través de un curso estereoquímico anti: Br H 2 CH3 CH3 CH3CH2 Br Et H 3 H Me H - HO: HO: H Br 3 2 CH3CH2 - (2S, 3S))-2-bromo-(3-metil-pentano Una forma eritro 2 H Me 3 CH3 + CH3 H2O + H CH3 CH3 CH3CH2 3-metil-2E-penteno 2 + KOH 3 H CH3 (2S, 3S))-2-bromo-3-metil-pentano Una forma eritro 3-metil-2E-penteno + H2O + Br - KBr LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º Br 1 Br H3C 2 H CH3CH2 3 HO: Et CH3 - H H HO: 1 Me Me H Antonio Galindo Brito 5 3 H 2 + H2O Br CH3 H3C H 3-metil-2Z-penteno CH3 CH3CH2 1 H Br 3 + 2 1 + - CH3CH2 - (2R, 3S)-2bromo-3-metil-pentano Una forma treo CH3 2 KOH + 3 H2O + KBr H CH3 (2R, 3S)-2bromo-3-metil-pentano Una forma treo 3-metil-2Z-penteno Orientación.- Cuando se pueden formar dos alquenos diferentes, en la mayoría de los casos se forma mayoritariamente el alqueno más sustituido (alqueno Saytzeff) frente al menos sustituido (alqueno Hofmann): Br - .. 2 1 2-bromobutano + : OH .. A. Hofmann A. Saytzeff 1 2 1-buteno (19%) + 1 2 2-buteno (81%) + Br - LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º Antonio Galindo Brito 6 Así, el cis-1-cloro-4-terc-butil-ciclohexano reacciona con el KOBut proporcionando 4-terc-butil-ciclohexeno a través de una conformación en la que el voluminoso terc-butilo se dispone ecuatorialmente. El diastereómero trans suministra muy lentamente (en la práctica no hay reacción) el mismo compuesto, pues para que la reacción progrese el voluminoso grupo terc-butilo debe situarse axialmente: axial Cl 1 1 H KOBu-t t-Bu ecuatorial 4 + t-Bu H H 2 4 ecuatorial + HOBu-t KCl H axial H Bu-taxial H axial 1 4 ecuatorial ecuatorial 2 H Cl t-Bu 2 4 1 H axial axial axial Cl 4 H H Bu-t Se forma muy lentamente 2 + 1 KOBu-t No hay reacción en esta conformación H KCl + HOBu-t LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º Antonio Galindo Brito 7 Cl axial trans-diaxial axial H 1 H H KOBu-t H 2 KOBu-t KCl 1 H Et Et ( +- )-3-etil-ciclohexeno Et HOBu-t ecuatorial 1-etil-ciclohexeno 2 + 3 H H cis (axial-ecuatorial) ( + - ) -cis-1-cloro-2-etilciclohexano axial ecuatorial KOBu-t Cl H HOBu-t 3 HOBu-t H (+ - ) -3-etil-ciclohexeno 2 1 KOBu-t Et + No hay reacción en esta conformación 1 Et axial Cl H + trans-diecuatorial Cl 2 H HOBu-t 2 axial Et (+ - ) -trans-1-cloro-2-etilciclohexano H H 2 1 2 H No hay reacción en esta conformación HOBu-t 1 cis (axial-ecuatorial) + 1 Et KCl + HOBu-t LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º Antonio Galindo Brito 8 El trans-1-cloro-2-etil-ciclohexano tratado con KOBut en HOBut da 3-etilciclohexeno, pero el diastereómero cis-1-cloro-2-etil-ciclohexano en las mismas condiciones, suministra una mezcla de 1-etilciclohexeno y 3-etilciclohexeno. En los ciclos de pequeño tamaño (3, 4y 5 eslabones) se alcanza la disposición anti pero los grupos no se hallan coplanares y la reacción progresa más fácilmente por una eliminación syn : Me Cl 2 H 1 H Reacción muy lenta + 1 NaOMe H ( +- ) -Cis-1-cloro-2-metil-ciclobutano. Me ; Me H 2 H 1 Cl 1 Reacción rápida + Me NaOMe 2 H ( +- )-Trans-1-cloro-2-metil-ciclobutano. El Cl y el H se hallan en anti pero no se hallan coplanares Cl y H se hallan syn coplanares Igual situación se presenta en ciertos compuestos tales como los biciclos-[2,2,1]-heptano y al igual que antes, la eliminación más rápida es la syn y no la anti, pues los grupos no son coplanares en la disposición anti pero si en la syn: 2 Cl exo NaOMe 1 Cl H 1 exo H meso-1-exo-2-exo-dicloroBiciclo-[2,2,1]-heptano El Cl y el H están anti pero no coplanares Reacción muy lenta Cl ; exo 2 Cl NaOMe Hexo 1 H Cl endo (+ - ) -1-endo-2-exo-dicloro- Biciclo-[2,2,1]-heptano El Cl y el H están sin y se hallan coplanares 1 Cl Reacción rápida LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º 1 exo 1 Br NaOMe H exo H 2 D endo (+ - ) -1-exo-bromo-2-d-endoBiciclo-[2,2,1]-heptano El Br y el H están syn y se hallan coplanares H + HBr 2 D eliminación syn 1 NaOMe Antonio Galindo Brito 9 H + En este sustrato, la eliminación anti llevaría a un alqueno sin D, mientras que la eliminación syn conduciría a un alqueno con D. Experimentalmente se ve que el único alqueno que se forma contiene D, lo que prueba que la eliminación ha sido syn. DBr 2 H eliminación anti (no se forma) No obstante, en haluros de cadena abierta las reacciones E2 siempre marchan a través de una anti eliminación. Cuando el producto pueda formarse como dos diastereómeros cis-trans, en general siempre está favorecida la formación del alqueno trans, porque el estado de transición que conduce a este alqueno es de menor contenido energético que el que conduce al cis. Así, cuando se trata el (±)-2-bromobutano con KOBut se genera una mezcla de 1-buteno (10%) y 2-buteno (80%). Este último es una mezcla de cis-2-buteno y trans-2-buteno en la que existe mucho más trans que cis. Para explicarlo recurriremos a visualizar los estados de transición de las dos reacciones en proyecciones de Newmann: LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. Br H NaOMe 2 1 1-buteno (10%) 2-bromobutano racémico Conformación anti, más estable H trans-2-buteno mayoritario δ- H Me δ MeO - Br Me MeO δ- Me H H H Conformación alternada, menos estable + - Br + HOMe H Alqueno trans, más estable Estado de transición que conduce al alqueno trans Más estable; Me alejados Me Me H H Br HOMe Me Me MeO + cis-2-buteno, minoritario H H NaBr * Me Me + 2-butenos (80%) Br H 2 + + 2 Br Antonio Galindo Brito 10 * H Me Me H + H Me H MeO δ - H Alqueno cis, menos estable Br + HOMe LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. Br H H 1 3 2 2 + NaOMe HHH H H 2-bromobutano Metóxido sódico δ racémico - H H H H HOMe H + H Et H H + H Et MeO NaBr * H Et + 1-buteno (10%) minoritario Br Br H 3 1 Antonio Galindo Brito 11 MeO δ - - Br + HOMe H 1-Buteno Estado de transición Las reacciones en las que se pierde un átomo de H y un átomo de halógeno (formalmente HX) se conocen como deshidrohalogenaciones y se llevan a cabo tratando un haluro de alquilo con una base. Existen otras eliminaciones en las que se pierden dos átomos de halógeno sobre carbonos vecinos que son conocidas como deshalogenaciones y que se efectúan casi siempre por la acción de una base de Lewis que casi siempre es zinc metálico: X 2 C C 1 X Derivado 1,2-dihalogenado + : Zn Alcohol, calor Base de Lewis 1 C C 2 Alqueno + ZnX2 Haluro de zinc LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 12 Las deshalogenaciones (pérdida de una molécula de halógeno), también son estereoespecíficas y transcurren por una anti eliminación a través de un proceso E2: Zn: Br H Me 3 C C 2 Me H Alcohol, calor Alcohol, calor H Me H Br H H Br Zn CH3 +ZnBr + ZnBr2 +ZnBr Me H + + Br- + H ZnBr2 meso-2,3-Dibromobutano Me Me C Me Br Zn C H cis-2-Buteno (+ - )-treo-2,3-Dibromobutano Me 3 H3C Br Br 2 H Alcohol, calor +ZnBr H Me Me H trans-2-Buteno + + ZnBr2 Br- Br- LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 13 Eliminaciones E1. Cinética.- Cuando un haluro terciario se trata con una base fuerte como el KOBut se obtiene un alqueno pero la cinética del proceso es de primer orden en haluro, v = k [haluro], siendo v no dependiente de la concentración de la base. Mecanismo.- El proceso ocurre en dos etapas, la primera de las cuales es lenta e idéntica a la SN1 y por tanto conduce a la formación de un catión. En la segunda etapa, rápida, el catión pierde un protón por la acción de la base para originar el alqueno. Curso estereoquímico.- Al contrario que en la E2 los procesos E1 no son estereoespecíficos y por ello habitualmente cuando el alqueno puede presentarse en dos formas diastereómeras se genera una mezcla de ellas. R´ Me R H Me B: H Me Br R H Me C + C + lenta C C R C R´ C Me + R R´ HB Me Me Br R´ C + - C Me Mezcla de alquenos E y Z LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. R´ Me H R Me C - Eliminación anti B: H lenta C Antonio Galindo Brito 14 R´ C R Me Br C + Br + Me - rotación alrededor del enlace C-C El H y el Br se hallan en anti B: H R R´ Me + C C HB Me Alqueno Z Eliminación syn Me R C rápida C + R´ rápida Me C Me El H y el Br se hallan en syn R´ C Me R + HB Alqueno E Transposiciones en las E1 Como los procesos E1 implican carbocationes como especies intermedias, es frecuente que en las reacciones tipo E1 puedan ocurrir transposiciones de manera completamente análoga a como ocurría con las SN1. Así, al calentar el 3-bromo-2,2-dimetil-butano con KOH en metanol, se obtiene en pequeña proporción el alqueno normal, el 2,3-dimetil-1-buteno, pero el alqueno mayoritario es el 2,3-dimetil-2-buteno, que evidentemente se ha formado por transposición con migración (1,2) de un grupo metilo: LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. 2 3 Br - + 3 Br ( +- ) -3-bromo-2,2dimetil-butano 2 HO - H C C Antonio Galindo Brito 15 catión 3,3-dimetil-2-butilo 2 + Transposición (1,2)-Me 3 + 1 2 2 3 + 3 + H2O H H catión 2,3-dimetil-2-butilo 2,3-dimetil-1-buteno (minoritario) 2,3-dimetil-2-buteno (mayoritario) Competición E2-E1 1º.- La reacción E2 ocurre preferentemente sobre sustratos primarios y la E1 sobre terciarios. 2º.- Un aumento en la polaridad del disolvente favorece la E1 sobre la E2. Las E2 van mejor con disolventes dipolares y apróticos (ver Lección 6) y las E1 con disolventes próticos (agua, ácidos carboxílicos, fenoles, alcoholes, etc.). 3º.- Una base fuerte y en buena concentración favorece la E2 sobre la E1. Conclusión.- Sustratos primarios o secundarios, elevadas concentraciones de bases fuertes y el empleo de disolventes dipolares apróticos favorecen la E2, mientras que sustratos terciarios con bases muy débiles y poco concentradas, disolventes polares y próticos favorecen la E1. No obstante, incluso los terciarios marchan por la E2 usando bases fuertes concentradas. En general, se prefiere que las reacciones marchen por la E2 porque son estereoespecíficas y es posible controlar la estereoquímica del alqueno eligiendo adecuadamente la estereoquímica del sustrato y las condiciones de reacción. LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 16 Competición SN2-E2 1º.- Con nucleófilos poco voluminosos se favorece la sustitución. Los voluminosos favorecen la eliminación. Si se quiere hacer una eliminación en lugar de usar KOMe es preferible usar KOBut. 2º.- Un aumento en la polaridad del disolvente favorece la sustitución. Si se quiere hacer una sustitución con KOH se debe usar agua como disolvente, mientras que si se quiere hacer una eliminación es mejor usar KOH en metanol o etanol como disolventes. 3º.- Un temperatura moderada o baja favorece la sustitución. Si se quiere efectuar una eliminación es mejor hacer la reacción a reflujo. Conclusión.- Nucleófilos poco voluminosos, disolvente muy polares y apróticos y temperaturas moderadas favorecen la sustitución. Bases voluminosas, disolvente menos polares y temperaturas elevadas favorecen la eliminación. Reactividad de los diferentes haluros de alquilo 1.- Haluros primarios.- Los haluros primarios no impedidos generalmente experimentan reacciones SN2 si el reactivo es buen nucleófilo o E2 si el reactivo es una base fuerte no impedida. Es posible forzar a un haluro primario a dar reacciones E1 empleando como catalizador AgNO3, aunque es estos casos es frecuente que se observen muy mayoritariamente productos de transposición. Vamos a precisar el término impedido y no impedido con algunos ejemplos: Me H Me Me H H R X X Me Me Haluros de alquilo no impedidos Me Me X H H X H H Haluros de alquilo impedidos LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. 1-bromobutano H (SN1) metil, sec-butil, éter 2-metoxi-butano AgNO3 2 metanol .. CH3OH 1 Br + .. + C .. Ag + Br : 1 .. H H H .. C + CH3OH C .. H (E1) H H H H C + H H (E1) C + H 1 2 H .. Br .. + C H H H C .. OH + CH3.. H + 2 Ag - + C + metil, sec-butil, éter .. CH3OH2 + 2 H 3 + 3 2-trans-buteno + C + 2 + H .. :.. OMe CH3OH2 + H (CH3OH2) (HNO3) + .. 2-cis-buteno 3 2 3 catión 2-butilo AgBr + :OHMe .. + 1,2 (H) MeOH, NO3 H 2-trans-buteno 1-buteno + H OMe + .. CH3OH .. + Antonio Galindo Brito 17 2 2-cis-buteno 1 1-buteno Los productos que pueden obtenerse a partir de un haluro primario dependen de las condiciones experimentales y así, cuando el bromuro de propilo se trata con diferentes reactivos que pueden comportarse como nucleófilos o bases, según sea su carácter y su tamaño, se obtienen diferentes productos, como se aprecia a continuación: .. LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. Base fuerte impedida Mal nucleófilo Eliminación E2 (CH3)3OK (CH3)3OH Base fuerte no impedida Buen nucleófilo Br Bromuro de propilo Haluro primario no impedido MeONa > 80% propeno < 10% MeOH + Antonio Galindo Brito 18 Sustitución SN2 O terc-butil, propil, éter (< 20%) + O metil, propil, éter (>90%) CN Buen nucleófilo Base muy mala NaCN (0%) Propanonitrilo (100%) Los haluros primarios con bases fuertes impedidas (malos nucleófilos) dan productos SN2, con bases fuertes no impedidas (buenos nucleófilos) compiten la SN2 y la E2 casi siempre de modo favorable a la SN2 y finalmente, con muy buenos nucleófilos (malas bases) se obtienen exclusivamente productos SN2. 2.- Haluros secundarios Las reacciones de los haluros secundarios son difíciles de predecir pues varían mucho en función de las condiciones experimentales. Con bases muy fuertes y en buena concentración se pueden dar tanto la SN2 como la E2. Con bases débiles y disolventes próticos son posibles tanto la SN1 como la E1 obteniéndose en general, mezclas de producto derivados de ambas reacciones. Química Orgánica 2º. LECCIÓN 7 Antonio Galindo Brito 19 Así, el bromuro de isopropilo reacciona con diferentes especies obteniéndose diferentes productos en función de la nucleofilia y basicidad del reactivo, a través de diferentes mecanismos en función del disolvente utilizado: Base débil no impedida Buen nucleófilo CH3COOK Br (CH3)3OH Base fuerte no impedida Buen nucleófilo Eliminación E2 Sustitución SN2 O + propeno ( 0%) CH3CH2ONa Acetato de isopropilo (100%) OCH2CH3 (80%) + Etil, isopropil, éter (20%) EtOH Bromuro de isopropilo Haluro secundario Nucleófilo débil, Base débil, medio polar y prótico O OCH2CH3 CH3CH2OH (50%) + Eliminación E1 Etil, isopropil, éter (20%) Sustitución SN1 La importancia del reactivo utilizado se pone de relieve en las reacciones del (±)-2-bromobutano frente a diversos reactivos. Así,frente al NaI (buen nucleófilo, mala base) da fundamentalmente (±)-2-yodo-butano (SN2) mientras que frente al KOBut (mal nucleófilo, excelente base) da mayoritariamente 2-buteno (E2): LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. Br (CH3)2CO ( + )-bromuro de sec-butilo + Br ( + ) -bromuro de sec-butilo + Antonio Galindo Brito 20 I S2 N E2 + NaI anhidra ( + ) -yoduro de sec-butilo (mayoritario) KOBu t HOBu + NaBr + KBr 1-buteno t t OBu butil, terc-butil, éter + 1-buteno (mayoritario) Haluros terciarios Los haluros terciarios no dan reacciones SN2 por su gran impedimento estérico. Con bases fuertes dan reacciones E2 y en ausencia de bases fuertes y en medios polares y próticos dan reacciones SN1 y E1, en proporciones variables difíciles de predecir, pues varía mucho con las condiciones experimentales. Así, cuando el 2-bromo-2-metil-propano reacciona con etóxido sódico en etanol da etil, terc-butil, éter (3%; producto SN1) y 2-metilpropeno (97%; producto E2), mientras que por solvólisis en etanol se obtiene etil, terc-butil, éter (80%; producto SN1) y 2-metil-propeno (20%; producto E1). Esta experiencia nos permite apreciar la importancia de la elección de la base y el disolvente pues puede condicionar no sólo el mecanismo sino también el producto final. LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. NaOCH2CH3 2-metil-2-bromo-propano; haluro terciario 3 1 Producto E1 Producto E2 Producto SN1 Base fuerte; disolvente prótico e ionizante Antonio Galindo Brito 21 2 1 O HOCH2CH3 etil, terc-butil, éter (3%) 2-metil-propeno (97%) Isobutileno 2 Br 2 Base débil; disolvente prótico e ionizante HOCH2CH3 1 (20%) (80%) Es importante generalizar la reactividad de los haluros de alquilo, observando que también pueden dar reacciones de eliminación y sustitución otros sustratos alquílicos que portan un grupo saliente diferente del halógeno, muy particularmente los grupos mesilato (OMs) y tosilato (OTs): mesilato de butilo OMs tosilato de butilo cianuro potásico + -OMs pentanonitrilo KCN 1-penteno E2 + ; - OTs KOMs tosilato potásico + KOBu-t - OSO2CH3 mesilato potásico CN terc-butóxido potásico OTs + SN2 - OSO2 - KOTs CH3 LECCIÓN 7 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 22 Resumen reactividad haluros HALURO PRIMARIO HALURO SECUNDARIO HALURO TERCIARIO No ocurre y si se efectúa siempre se lleva a cabo con transposición Ocurre con reactivos ni muy básicos ni muy nucleófilos y en medios próticos y muy polares Favorecida con nucleófilos poco básicos en medios polares y próticos. SN1 No ocurre SN2 E1 E2 Muy favorecida; exclusiva con Nu poco básico. Mayoritaria con sustratos y Nu no impedidos Ocurre en competencia con la E2. Exclusiva con buenos nucleófilos que sean poco básicos No ocurre y si se efectúa siempre se lleva a cabo con transposición Ocurre con reactivos ni muy básicos ni muy nucleófilos y en medios próticos y muy polares Ocurre de forma secundaria con bases débiles y con bases fuertes en bajas concentraciones Se da con bases fuertes. Mayoritaria con haluros con impedimento estérico o/y bases muy impedidas Ocurre en competencia con la SN2. Mayoritaria cuando se usan bases fuertes y muy impedidas Favorecida y exclusiva cuando se emplean bases fuertes e impedidas.