León Felipe Otálvaro Tamayo 1 REACCIONES ÁCIDO

León Felipe Otálvaro Tamayo
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REACCIONES ÁCIDO-BASE
Hemos visto que en general, las reacciones en química orgánica ocurren entre nucleófilos y
electrófilos, de cara a que un enlace es formado entre el centro nucleofílico y el centro
electrofílico.
En las reacciones ácido base, el ácido actúa como electrófilo y la base como nucleófilo.
Antes de trabajar con estas reacciones, miremos las definiciones de ácido y base.
Trabajaremos con dos definiciones, la de Bronsted-Lowry y la de Lewis.
Definición de Brønsted-Lowry:
Un ácido es una molécula que puede donar un protón, y una base es una molécula que
puede aceptar ese protón:
Ejemplo:
H2 O
+
NH3
OH
+
NH4
Ejercicio: Proponga un mecanismo para la reacción anterior!!
Para las siguientes reacciones, proponga un mecanismo e identifique el ácido y la base:
NH3
+
NH4
+
CH3CO2H
H2O
NH4
+ CH3CO2
NH3
+
H3O
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H2O
+ CH3CO2H
CH3NHCOCH3
PhOH
H3O
H
OH
+
CH3NH2
+
+
2
H3O
+
CH3CO2
CH3NCOCH3 +
PhO
+
CH3NH3 +
H2
H2O
H2O
Escriba las expresiones de las constantes de equilibrio para las reacciones que
anteriormente estaban en equilibrio.
A continuación se presentan algunos valores de Ka para varios ácidos. Ordene los ácidos en
orden decreciente de acidez.
CH3CO2H (1.75× 10-5) Cl3CCO2H (23200× 10-5) ClCH2CO2H (136× 10-5)
Cl2CHCO2H (5530× 10-5) CH3CH2CH2CO2H (1.52× 10-5) PhCO2H (6.3× 10-5)
CH3CH2OH (1.0× 10-16) HCN (6.31× 10-10) PhOH (1× 10-10)
CF3CH2OH (3.98× 10-13) p-nitrofenol (6.31× 10-8) CH3CH2NH2 (aprox 10-40)
CH3CONH2 (1× 10-15) NH3 (1× 10-33)
Es mas conveniente trabajar con valores de pKa, por definición:
pKa= -logKa
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Halle los valores de pKa para los ácidos anteriores!!
Como se correlacionan los valores de Ka y los de pKa con la fuerza ácida?
Es importante desarrollar una idea de la fuerza ácida de algunos compuestos orgánicos, la
siguiente tabla pone de manifiesto algunas conclusiones importantes:
CCl3CO2H
CH3CO2H
pyrH+
PhNH3
0 EtOH
*4.7 CH3CONH2
*5 t-BuOH
+
*17
17
19
5 CH3COCH3
*20
HCN
9 CH3SO2CH3
23
NCCH2CO2Et
9 CHCH
*25
*10 CH3CO2Et
*25
Et3NH+
PhOH
10 CH3CN
26
CH3NO2
10 CH3SOCH3
31
EtSH
11 NH3
*35
MeCOCH2CO2Et
11 C6H6, CH2CH2
*37
EtO2CCH2CO2Et
*14 CH3CHCH2
HOH
*15 alcanos
ciclopentadieno
*15
37
*40-44
Los valores marcados con asterisco deben ser memorizados para tener una buena referencia
de un amplio espectro de compuestos!!
Las siguientes tendencias pueden ser inferidas de la tabla:
•
Siendo todo lo demás igual, la acidez incrementa a medida que uno se mueve hacia
la derecha en la tabla periódica (H3CH, H2NH, HOH), es decir, a medida que
aumenta la electronegatividad.
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•
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Siendo todo igual, la acidez incrementa a medida que uno se mueve hacia abajo en
la tabla periódica, es decir, a medida que el tamaño incrementa (EtOH con EtSH).
Esta tendencia es opuesta a la de la electronegatividad. La tendencia se explica
debido al pobre solapamiento de el pequeño orbital (s) del H con el tamaño cada ves
mayor del orbital de valencia del átomo al cual esta enlazado.
Nota: los efectos de solapamiento solo entran en juego cuando el protón acídico esta
directamente unido al heteroatomo. Si este no es el caso, los efectos inductivos
predominan.
•
Siendo todo igual, un átomo es más ácido cuando posee carga positiva que cuando
está neutro (compare NH4+ con NH3). Sin embargo, no es cierto que todo ácido
positivo es más ácido que todo ácido neutro: (compare R3NH+ con CH3CO2H).
Recíprocamente, un átomo es usualmente más básico cuando posee una carga
formal negativa que cuando está neutro.
•
La acidez de HA incrementa cuando grupos inductores electrón atrayentes están
unidos a A y disminuye cuando grupos inductores electrón donadores están unidos a
A (compare CCl3CO2H con CH3CO2H, y HOH con EtOH)
•
Para ácidos neutros, la acidez decrece a medida que incrementa el impedimento
estérico (compare EtOH con t-BuOH). Dado que la base conjugada está más
impedida, la habilidad para que el solvente alrededor de la carga pueda neutralizar
parcialmente esta carga usando interacciones dipolo o puentes de hidrógeno se ve
cada vez más comprometida. Como resultado, la base conjugada incrementa su
energía, y el ácido se hace debil.
•
HA es mucho más ácido cuando el par libre de la base conjugada puede ser
estabilizado por resonancia (compare PhOH con EtOH, PhNH3+ con Et3NH+ y
CH3CHCH2 con alcanos). HA es especialmente ácido cuando el par libre puede ser
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deslocalizado en un grupo carbonilo (compare alcanos con CH3COCH3 y
EtO2CCH2CO2Et). El grupo anión estabilizante más común es el grupo carbonilo
(-CO-), pero los grupos nitro (-NO2) y sulfonilo (-SO2R) son también muy buenos
grupos anión estabilizantes (compare CH3NO2, CH3COCH3 y CH3SO2CH3).
Incluso, los grupos nitro son mejores anion estabilizadores que los grupos carbonilo
debido a los efectos inductivos.
•
Para un átomo dado A, la acidez incrementa al incrementar el carácter s de el
enlace A-H (es decir, al pasar de hibrido sp3 a sp2 y a sp) (compare pyrH+ con
R3NH+ y CHCH con benceno y los alcanos)
•
Un ácido HA nó aromático, será mucho más ácido si su base conjugada es
aromática. (compare ciclopentadieno con propeno). Recíprocamente, una sustancia
es una base muy pobre si la protonación resulta en la perdida de aromaticidad
Los grupos carbonilos son quizás los compuestos ácidos más importantes. La energía de un
compuesto carbonilo está principalmente determinada por la energía de su estructura
resonante secundaria (C+-O-). Mientras más pueda un grupo R estabilizar esta estructura de
resonancia ya sea por donación de pares libres, hiperconjugación, o efectos inductivos, más
baja energía tendrá la molécula. La acidez correlaciona bien con la energía del grupo
carbonilo: mientras menos energía tenga el grupo carbonilo, menos acidez tendrá el
compuesto. Es decir, el orden de incremento de acidez es: carboxylatos < amidas < esteres
< cetonas < aldehidos < anhídridos de ácido < cloruros de ácido.
Nota: un grupo carbonilo α,β insaturado no es ácido en el carbono α. El enlace π CO
prefiere estar en conjugación y coplanar con el enlace π del doble enlace. Es decir:
O
H
H
H
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por lo tanto, el orbital del enlace C-H del carbono α está de la siguiente forma:
O
H
H
H
es decir, el orbital σ C-H en el carbono α no se solapa con el orbital π del enlace CO. Por lo
tanto para que la desprotonación se de, un cambio conformacional desfavorable debe
ocurrir primero:
H
O
H
O
H
H
H
H
Note que este caso contradice la regla de que C(sp2) es más ácido que C(sp3), siendo todo
igual !!
Una desprotonación normal de un carbono sp3 en posición α a un carbonilo desde el punto
de vista de los orbitales se puede representar de la siguiente manera:
Nu
H
O
O
H
H3C
H
H
H
H
anion conjugado
(estabilizado por
resonancia)
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Como predecir si una reacción ácido-base ocurrirá a partir de los valores de pKa
Para dar respuesta a esta pregunta basta con analizar los pKa de las especies ácidas en
ambos lados de la reacción. Por ejemplo, para la siguiente reacción:
CH3CO2H
+
OH
CH3CO2
+ H2O
si miramos la reacción de reactivos a productos, el ácido es el CH3CO2H, y si miramos de
productos a reactivos, el ácido es el H2O. Consultando los valores de pKa para estas dos
especies, podemos escribir:
CH3CO2H
+
OH
CH3CO2
+ H 2O
pKa=15.74
pKa=4.76
Para que la reacción sea favorable (termodinámicamente) en el sentido de reactivos a
productos, debe suceder que lleguemos a un ácido menos fuerte que del que partimos, es
decir, el ácido producido tendría que ser más débil y menos reactivo que el ácido inicial (o
la base producida debe ser menos fuerte que la base inicial).
Cuando esto ocurre, se puede asumir que la base desprotona por completo al ácido inicial!
(por eso la flecha del equilibrio es tan pequeña en el sentido de derecha a izquierda).
En el presente ejemplo, se observa que el agua con un pKa mayor que el del ácido acético,
es un ácido mucho más debil. Entonces estamos pasando de un ácido más fuerte a uno más
débil (de pKa 4.76 a 15.74).
Es esta la razón por la cual en algunos textos la anterior reacción se dibuja así:
CH3CO2H
+
OH
CH3CO2
+ H2O
Lo que indica que el porcentaje de conversión del ácido acético en acetato es cercano al
100%.
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Algunas veces sin embargo, una base débil puede desprotonar un ácido débil para dar una
base más fuerte, así esta desprotonación sea termodinámicamente desfavorable, pero
siempre y cuando la diferencia de pKa entre los ácidos (reactivo y producto) no sea más de
8!!, esta “regla de cajón”, conocida como la regla del pKa, nos dice si una desprotonación
termodinámicamente desfavorable es permisible como para proponerla en un mecanismo.
Ejemplo:
O
O
+
H 3C
OH
CH 3
pKa=20
+
H 3C
H2O
CH 2
pKa=15.7
Según los pKa, esta reacción no es termodinámicamente favorable (de 20 pasa a 15.7, es
decir, de un ácido débil a uno más fuerte), sin embargo, la diferencia de pKa (=20-15.7 =
~4) nos dice que, aunque no sea favorable, es lo suficientemente rápida como para
proponerla en un mecanismo.
Claro está que en tal caso, de darse esta reacción, el equilibrio estaría desplazado hacia la
izquierda (pero ocurre!).