Química Orgánica-III

Materia : Química Orgánica-III
Texto-guía: Mecanismos de las
Reacciones Orgánicas en
Esquemas y Tablas
(Recapitulación de las conferencias)
Prof. Vladímir V. Kouznetsov
Escuela de Química
UIS
2006
“Aprender sin reflexionar
es malgastar la energía”
Prefacio
Querido lector, lo que Usted tiene en sus manos, no es libro ”clásico” sobre la Química
Orgánica, sino un texto-guía que pueda ayudarle a orientarse en ciertos problemas de la
Química Orgánica. Este guía es un andamio para conseguir los conocimientos de algunos
mecanismos de las reacciones orgánicas. En la literatura química se encuentran muchos
libros de excelente calidad; casi todos son obras voluminosas, en donde los estudiantes
de carrera de Química pueden “perderse” fácilmente. Por qué? Por la simple razón –
la Química Orgánica crea su materia, - moléculas orgánicas, y creándolas, trata de estudiarlas.
Cada año se añade la nueva información de las reacciones orgánicas, los métodos de
obtención de moléculas orgánicas y sus propiedades. Cómo se puede “orientarse en este
universo molecular de información abundante y creciente”?
El camino único es clasificar moléculas orgánicas y sus transformaciones. Así, al comienzo
del estudio de la Química Orgánica, Usted conoció ciertos tipos de compuestos orgánicos
que contienen grupos funcionales, los cuales hacen distinguir las propiedades químicas y
biológicas de las moléculas. Al aprender las propiedades químicas de ciertas clases de
compuestos, se puede notar que estas propiedades químicas (transformaciones químicas)
dependen de la estructura molecular en dónde el grupo funcional tiene un papel influyente
para definir estas propiedades. Las transformaciones químicas de compuestos orgánicos
se conocen como las reacciones. Como hay tantos compuestos orgánicos (naturales y
sintéticos), se tiene otro cartapacio de reacciones orgánicas que dan posibilidad de estudiar
moléculas orgánicas químicamente . También hace falta tenerlas clasificadas para poder
realizar estos estudios, para predecir los resultados de estas transformaciones, al fin, para
entender mejor la Química Orgánica. La quintaesencia del estudio de estas transformaciones
químicas es una descripción detallada cómo una molécula se transforma en otra, es decir,
el estudio de mecanismos de reacciones orgánicas.
En este texto-guía, que será soporte para entender el último curso de Química Orgánica de
Carrera de Química en la UIS, se presta mucha atención a los aspectos mecanísticos de
de reacciones orgánicas más generales. Buscando el entendimiento mejor de los procesos
en la Química Orgánica, este curso se enfoca a las preguntas “Cómo ocurren estas
transformaciones ?”, “Cómo se puede confirmar nuestras suposiciones de posibles
mecanismos ?”
El conocimiento de mecanismos de reacciones orgánicas le ayuda a tener una visión completa
de Química Orgánica y sea útil para entender mejor otros procesos, por ejemplo, bioquímicos.
A diferencia a los cursos de Química Orgánica-I y II (donde se estudian las propiedades de
clases de compuestos orgánicos), el curso de Química Orgánica-III tiene tarea de entender
el comportamiento de moléculas orgánicas a través de sus transformaciones químicas,
aplicando los criterios del estudio de mecanismos de reacciones orgánicas.
Este texto-guía tiene cinco partes: primer capítulo es introductorio dónde se acuerdan los
principios químicos más generales que podrían ser útiles en el aprendizaje del material de
este curso; segundo capítulo se dedica a las transformaciones químicas más generales de los
compuestos alifáticos, prestando atención a las reacciones de sustitución y reacciones de
eliminación; en el tercer capítulo se discuten las reacciones de adiciones al doble enlace y
las reacciones de cicloadición. El cuarto capítulo está dedicado a las reacciones más
generales de los compuestos aromáticos. En último capitulo se discutan las reacciones de RedOx y las transpociones, El contenido completo de este curso está en el programa que viene a
continuación. También se encuentra la lista de libros (obligatorios y optativos) que son
“su manantial principal de los conocimientos sobre moléculas orgánicas”.
Todo este material representa a unos apuntes del curso en forma de “transparencias” que
se exponían durante últimos diez años.
A lo largo de este curso se presta atención a las múltiples aplicaciones de moléculas orgánicas,
que se puede planear a sintetizar, conociendo los mecanismos generales de reacciones
orgánicas, es decir se presta mucha atención a la importancia de la síntesis orgánica. Así,
este curso está ligado fuertemente a las actividades en laboratorio Química Orgánica-III.
Se espera que al terminar este curso, al lector (que no fue “solo receptor pasivo”) le completan
sus conocimientos básicos sobre la Química Orgánica.
Entonces, le invito a comenzar reflexionar sobre los procesos químicos que sufren moléculas
orgánicas, en general y sobre los mecanismos de las reacciones orgánicas que ayudan a
entender generar la diversidad molecular de Química Orgánica, en particular.
Prof. Vladímir V. Kouznetsov, PhD, DSc
PROGRAMA
Capítulo 1: Introducción.
Tema 1. Clasificación de las reacciones orgánicas.
Sistemas de clasificación: según la ruptura de enlaces (Homólisis y Heterólisis), según la
naturaleza de los intermediarios (Reacciones polares y reacciones no polares), según las
estructuras de los compuestos participantes en la reacción [Sustitución, Eliminación, Adición
(Cicloadición), Transposición]. Reacciones pericíclicas.
Tema 2. Criterios en el estudio de un mecanismo y clasificación de los reactivos
e intermediarios.
Métodos para determinar los mecanismos de reacción orgánica. Demostración de la existencia
de productos intermedios. Identificación de los productos intermedios y los productos finales
de una reacción. Empleo de isótopos. Nucleófilos y Electrófilos. Fuerza de los ácidos y de
las bases. Nucleofilia y basicidad. Radicales libres. Algunos estados intermediarios.
Iones carbonio. Carbaniones. Radicales de carbono. Carbenos y nitrenos.
Capítulo 2: Química de los compuestos alifáticos.
Tema 3. Sustitución
Sustitución nucleófila SN. Concepto de Nucleofilia relativa. Constante de Nucleofilia
(Swain y Scott). Mecanismos de la SN alifática: Sustitución nucleófila bimolecular SN2.
Características cinéticas. Características estéricas. Sustitución nucleófila unimolecular SN1.
Características estéricas. Factores que determinan el mecanismo de las reacciones SN: 1)
La estructura del substrato; 2) Papel del disolvente; 3) La estructura del nucleófilo.
Criterios para distinguir mecanismos SN1 y SN2. Mecanismo SNi.
Mecanismo SN2 contra mecanismo SN1. Uso práctico de estas reacciones. Reacciones
competitivas en la sustitución nucleófila: eliminaciones y transposiciones.
Tema 4. Eliminación.
Eliminaciones. Reglas de Saytzeff y Hofmann. Regla de Bredt. Mecanismos de eliminación
E1, E2 y E1cB: efectos de temperatura, disolvente y base. Estereoquímica del mecanismo E2.
PROGRAMA. continuación
Capítulo 3: Química de los compuestos olefínicos y de los compuestos carbonílicos.
Tema 5. Adición electrófila y cicloadición.
Mecanismos de adición a dobles y triples enlaces carbono-carbono. Regla de Markovnikov. Estereoquímica
de la adición. Efecto de Karasch. Hidroboración-oxidación (método de Brown). Adición a sistemas conjugados
(1,3-Dienos). Productos de adición 1,2- y 1,4-. Reacción de cicloadición [4+2] (reacción de Diels-Alder) :
mecanismo, reglas de Alder, estereoquímica de la cicloadición. Reacción de cicloadición dipolar [3+2].
Aplicación en la síntesis orgánica fina. Noción de metátesis. Su uso sintético moderno.
Tema 6. Adición nucleófila a los compuestos carbonílicos.
Adición nucleófila al grupo carbonilo. Mecanismos. AdN de nucleófilos nitrogenados (aminas, oximas etc) y
oxigenados (agua, alcoholes), de carbaniones (compuestos organometálicos) e hidruros. Estereoquímica de
la adición. Regla de Cram. Reacción de Cannizzaro como ejemplo de la adición del hidruro. Reacciones
de condensación aldólica : regioselectividad, catalizadores, complicaciones. Condensación crotónica.
Adición a las α,β-enonas. Reacción de Baylis-Hillman. Uso práctico de estas reacciones.
Capítulo 4: Química de los compuestos aromáticos.
Tema 7. Sustitución nucleófila sobre núcleos aromáticos.
Sustitución del hidrógeno. Compuestos de diazonio aromático. Sustitución de halógenos sobre núcleo
aromático. Mecanismos SN2Ar y SN1, mecanismo “bencínico”. Estructura y estabilidad de los
complejos de Meizenheimer. Uso práctico de estas reacciones. Sustitución nucleófila aromática vía
catálisis de metales transitorios: reacción de Heck, reacción de Stille, reacción de Suzuki, reacción de
Sonogashira.
Tema 8. Sustitución electrófila sobre carbonos aromáticos.
Mecanismo SE2Ar. Estructura y estabilidad de los complejos de Wheland. Nitración. Sulfonación.
Halogenación. Reacciones de Friedel-Crafts. Formilación. Efecto de los sustituyentes presentes sobre
una nueva substitución en el núcleo: grupos del primer genero, grupos del segundo género.
Uso práctico de estas reacciones.
PROGRAMA. continuación
Capítulo 5: Reacciones de RedOx y algunas transposiciones de importancia
sintética.
Tema 9. Transposiciones.
Noción de la reacción electrocíclica. Transposiciones moleculares (Tr). Tr con la participación del ion
carbonio: transposiciones de Beckmann, Schmidt, Hofmann, Favorskii, Baeyer-Williger. Tr con la
participación de carbaniones: transposiciones de Stevens, Wittig, transposición bencílica. Tr sigmatrópicas:
transposición de Claisen, Cope, Frier, transposición bencidínica.
Tema 10. Reacciones RedOx.
Clasificación. Número de oxidación. Sistemas RedOx-I, sistemas RedOx-II. Oxidaciones comunes:
conversión de los alcoholes en aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos. Aperturas oxidativas de los
glicoles y alquenos. Reducciones de las cetonas con metales. Reducciones de los derivados de ácidos
carboxílicos con los hidruros mixtos. Reacciones RedOx bioquímicas. Nociones generales.
Bibliografía:
Obligatoria
R.T. Morrison, R.N. Boyd “Química orgánica”, 5ª edición, 1998 - ( MB).
P. Sykes “Mecanismos de reacción en química orgánica”, 1985 - (Sykes, 1985).
K. P.C. Vollhardt, N.E. Schore, ”Organic Chemistry”, 2003 - (VS).
F. A. Carey, “Química Orgánica”, 3a edición, 1999.
F.A. Carroll “Perspectives on Structure and Mechanism in Organic Chemistry”, 1998.
Optativa
M.B. Smith, J. March “Advanced Organic Chemistry”, 5a edición, 2001 - (SM).
F.A. Carey, R.J. Sunberg “Advanced Organic Chemistry, Parte A”, 3a edición, 1990 - (CS).
P. Sykes “Investigación de mecanismos de reacción en química orgánica”, 1982 - (Sykes, 1982).
R. Bruckner “Advanced Organic Chemistry. Reaction Mechanisms”, 2002.
Capítulo 1:
Introducción
Química Orgánica es una
Ciencia que estudia las propiedades de los
compuestos del carbono, así como sus cambios
en estructura y composición, y de la energía
que acompaña a estos cambios.
Cambios:
estructurales
energéticos
físico-químicos
biológicos
“Entendimiento de los fenómenos naturales
a nivel molecular”
Moléculas!
Introducción
Estructura
Reacción
Mecanismo
son tres aspectos fundamentales
en la Química Orgánica
Química orgánica tiene su idioma (estructura y reacción) y su lógica
(mecanismo), basándose en el comportamiento físico-químico de las
moléculas.
Moléculas, átomos y enlaces...
Enlace iónico
Enlace covalente
(de pares de electrones compartidos)
(Lewis, 1816)
Enlace covalente polar
Ejemplos
Cl Cl
+
Enlace covalente coordinado
HCl
-
Na Cl
CCl4
H3C CH3
NH3
H3C Cl
(L. Pauling, “The Nature of the Chemical Bond”,
3 ed., Corhell University Press, Uthaca, NY, 1960)
Introducción
Una reacción orgánica
Es la interacción entre unos compuestos orgánicos (sustratos)
en ciertas condiciones o también la transformación de un
compuesto orgánico en otro(s) (productos finales) en presencia
de un compuesto (un reactivo) que puede ser orgánico o
inorgánico
Una característica importante de las reacciones
orgánicas es
la ruptura del enlace químico de las
moléculas
Durante la realización de reacciones químicas,
moléculas (sustratos y reactivos) sufren
cambios estructurales
Una síntesis
Construcción intencional de las moléculas orgánicas
por medio de reacciones químicas
Introducción
Clasificación estructural
Según las estructuras de sustratos y de productos obtenidos:
Sustrato
Producto final
Sustituciones (S), Adiciones (Ad), Eliminaciones (E),
Transposiciones (Tr)
Oxidaciones-Reducciones (Red-Ox)
Syke (1985), p. 30-32
Ejemplos...
A-B
Ad:
E:
Tr:
G´
G
S:
A G, G´ – grupos funcionales
B
A
B
- A-B
“Herramientas necesarias” para
efectuar la reacción:
Sustratos, Reactivos, Disolvente,
“Ayudante” (Catalizador o Inhibidor)
Esta clasificación abarca casi todas las
reacciones orgánicas, pero no aclara bien sus
aspectos mecanísticos
Introducción
“Más al fondo...”
Clasificación química
Estos cambios se pueden clasificar de
la siguiente manera:
Según el modo de ruptura de los enlaces en
una molécula A-B
Heterólisis
Homólisis
A: B
A :B
Al romper el enlace químico,
pueden formarse los intermediarios
iónicos (polares) y radicalares (no polares)
A- / B+
A+ / B-
A./ B.
Introducción
Sin embrago !
Existe un grupo grande de reacciones que
transcurren sin formación de iones, ni radicales
y se llaman REACCIONES PERICÍCLICAS.
Se puede ahora sumar estas observaciones en
la tabla siguiente:
REACCIONES
POLARES
RADICALES
PERICÍCLICAS
Ad, S, E, RedOx, Tr, Cad
Introducción
Naturaleza de los reactivos y clasificación
de reacciones orgánicas
Carey, p. 274
Sykes (1985), p. 28-30
Nucleófilos- :Nu reactivo debe tener por lo menos un par de
electrones en los orbitales p- o n- no compartidos o
centros con la carga electrónica alta.
Electrófilos- E+ reactivo debe tener por lo menos un orbital vacante
o centros de poca densidad electrónica
Radicales- R. especies que contienen electrones desapareados
Tipos de las reacciones según “los participantes”
S:
SN
SE
Srad
Ad,E:
Tr:
TrN
Trrad
Nucleófilas
Electrófilas
Radicalarias
Introducción
Mecanismo de reacción en química orgánica
El mecanismo es una descripción
detallada del camino por el cuál
transcurre la reacción.
?
?
S
?
P
Etapas elementales;
Intermediarios;
Estado de transición
Para conocer el mecanismo completo es necesario:
Saber la situación exacta de los reactivos en el sistema durante
toda la reacción;
Conocer la naturaleza de interacción ó de formación de los enlaces
entre los átomos que participan en esta interacción;
Saber la energía del sistema en todas las etapas de la reacción;
Saber la velocidad de los cambios que transcurren en el sistema.
Introducción
Este volumen de información supera lo que se sabe hasta
ahora de cualquier reacción.
??? (es mucho)
Simplificación
Por eso, nos vemos obligados a limitar el problema de estudio
del mecanismo. Vamos a opinar que “sabemos el mecanismo”
cuando todos los intermediarios que se forman en la reacción
son conocidos y cuando se puede, en términos generales, a
indicar cómo ocurre cada etapa separada de la reacción
compleja.
Esta simplificación es posible sólo cuando se sabe cuales son
los átomos que atacan a otros, qué fácil es este ataque y que tipo
de enlaces se forman (se rompen) en etapas separadas.
Introducción
SM, p. 218
Carroll, p. 297
Intermediarios de reacciones
orgánicas
•
•
•
•
•
•
Carbocationes
Carbaniones
Radicales libres
Carbenos
Nitrenos
Bencinos
Son especies reales:
1. Tiempo de vida: inestabilidad;
2. Deficiencia en e-s para formar un octeto estable.
Introducción
Carbocationes
(IUPAC)
MB, p. 192-195
Iones de carbenio trivalentes
tricoordinados
CH3+: iones clásicos
SM, p. 580;
Carroll, p. 284
Iones carbonio
hipercoordinados
CH5+ : iones no-clásicos
J. Am. Chem. Soc., 1972, 94, 808;
J. Chem. Edu., 1986, 63, 930-933
El concepto de cationes alquilo como intermediarios
fue desarrollado por Meerwein (1902), Ingold y Whimore (años
30-50 del siglo XX), Olah (años 60-80 del siglo XX)
G.A. Olah, Premio Nobel de Química, 1994.
“For his contribution to carbocation chemistry”
Olah G.A., “My search for Carbocations and Their
Role in Chemistry (Noble Lecture)”, Angew. Chem.
Int. Ed. Engl., 1995, 35, 1393-1405;
Olah G.A., “100 Years of Carbocations and Their
Significance in Chemistry”, J. Org. Chem., 2001, 66,
5943-5957;
Olah G.A., J. Org. Chem., 2005, 70, 2413-2420.
Introducción
Carbocationes: aspectos generales
SM, p. 218
Carroll, p.283
A. Iones clásicos: σ-carbocationes
π-carbocationes
∃Geometría planar;
∃ Estabilidad relativa;
∃ Generación
+
B. Iones no-clásicos: iones carbonio
iones cíclicos tipo catión
2-norbornil
+
OSO2C6H4Br-p
H
H
“Tres centros para compartir
carga electrónica”
Norbornano (Biciclo[2.2.1]heptano)
Introducción
Problema del ion metonio
Estructura ?
Trabajo inicial de Olah (1987)
CH5+
EM, IR
“Modelo de trípode: CH3+ + H2 “
Ver animación: www.theochem.rub.de/go/ch5p.html
Superácidos
CH4
CH5+
? Superácido? Ácido mágico?
Introducción
SM, p. 227
Carbaniones: aspectos generales
∃ Geometría piramidal;
∃ Estabilidad relativa;
∃ Generación
..
Todos carbaniones son bases
Rbase
Ácidos conjugados débiles
R-H
(Pirámide de Keops)
ácido conjugado
Base fuerte
Estabilidad baja
del carbanión
Introducción
SM, p. 238
Radicales: aspectos generales
Radicales “libres”
( de quién?)
“Carboradicales”
∃ Geometría “mixta” planar o piramidal;
∃ Estabilidad relativa;
∃ Generación
.
.
Son especies
paramagnéticas
o
o
“Heteroradicales”
Ejemplos: difenilpicrilhidrazil radical;
nitróxido radical;
fenoxi radicales
Introducción
“Carboradicales”
Método de Resonancia Espin Electrónico (R.S.E.)
(>1945)
Orientación del espin de un electrón
no apareado en un campo magnético
variable externo
CH3.
Ubicado en un campo magnético y
sometido a radiación electromagnética
Sensibilidad – hasta 10-12 mol/L
Desdoblamiento de las señales
(3+1)=4
1: 3 : 3 :1
(igual como en RMN)
Introducción
“Heteroradicales”
Fenoxi radicales
CMe3
CMe3
PbO2
Me3C
Me3C
OH
O
.
CMe3
CMe3
Muy estables,
Inhibidores de procesos radicales
Difenilpicrilhidrazil radical
O2N
.
N N
O2N
NO2
Introducción
Carbenos :
∃ Geometría
SM, p. 247
∃ Generación
El metileno es el carbeno más simple
: CH2 ( ) singulete
: CH2 ( ) triplete
Utilidad sintética: reactivo de Simmons-Smith
CH2I2 – Zn/Cu, Et2O -Ciclopropanación
Su “pariente”
:CCl2
¿Su estado electrónico?
“Carbenos –campeones”
CF3
..
Br
Br
CF3
J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 10213.
Ph
N N
Ph
:
N
Ph
Se vende !
Introducción
Criterios del estudio de un mecanismo
Sykes (1985), p. 43-44
Cuatro criterios:
1
El mecanismo debe explicar la formación de los productos finales
de la reacción.
Es bien evidente, pero la importancia de este criterio consiste en que el mecanismo
debe explicar no sólo la formación de los productos, sino también su estereoquímica
y además, los resultados del estudio de la reacción con compuestos que tengan
átomos isotópicos (marcaje isotópico).
2
En un mecanismo de varias etapas donde se supone la formación de
unos intermediarios, es deseable la comprobación de su existencia por
métodos químicos o físico-químicos.
Sin embargo, en todos los casos, estos intermedios deben llevar a la formación de los
productos finales obtenidos. Si no es así, el mecanismo puede ser falso.
3
El mecanismo debe explicar la influencia de los cambios de las
condiciones de reacción.
Más importantes son los cambios del pH, de la temperatura, de la naturaleza del disolvente
y la influencia del catalizador sobre el carácter de los productos y sobre la velocidad
de reacción. Eso significa que el mecanismo debe explicar:
4
El mecanismo debe explicar la cinética de la reacción.
Es el caso particular, pero muy importante del criterio anterior. Uso cinético del marcaje
isotópico.
Introducción
1
El mecanismo debe explicar la formación de
los productos finales de reacción
Determinación (confirmación) de la estructura del producto
final
A. Si es conocida (descrita en la literatura química) a veces
basta comparar los datos físicos
B. Si es desconocida (nueva en la literatura química) hace
falta analizar su estructura por métodos físico-químicos:
IR, UV, RMN (1H, 13C, .. ), EM, CG-EM, RSE, DRX
Cualquier producto (incluyendo secundario) de una reacción orgánica debe ser
analizado (determinado)
Introducción
1a
Estudio de la estereoquímica del
producto final
Sykes (1985), p. 50-51
Br2
Br
CCl4
Br
Trans o Cis?¿
Introducción
“Marcaje isotópico”
1b
Sykes (1982), p. 38-49
Estudios con sustratos marcados
(trazadores)
Uso no cinético
Uso cinético
D, T, 13C, 14C,
15N, 18O, 32P, 35S,
37Cl, 131I
George de Hevesy, Premio Nobel de Química, 1943.
J. Chem. Edu., 2001, 78, 301
Para recordar:
Isótopo es una de dos (o más) formas (especies) de un elemento que tienen
el mismo número atómico, pero distintas masas atómicas. La diferencia en la
masa se debe a la presencia de uno o más neutrones extra en el núcleo..
Introducción
1b
Ejemplos!!
Hidrólisis básica de los esteres
Trasposición de Claisen
?
?
MB., p. 862
Carroll, p. 325
Marcaje isotópico con carbono
Utilización valiosa en las investigaciones
bioquímicas y biomédicas:
1.
2.
3.
Fotosíntesis: empleo de 14CO
Biogénesis de los productos naturales
Rutas metabólicas de los fármacos
Introducción
1b
Efecto isotópico primario
Uso cinético para determinar la etapa
más lenta del proceso.
KH/KD ~ 6.9-10.0
KH/KT ~ 16-60
K12C/K13C ~ 1.022-1.250
K12C/K14C ~ 1.5
K14N/K15N ~ 1.14
K16O/K18O ~ 1.19
“Efecto isotópico de deuterio”
D-C, D-O, D-N
>
H-C, H-O, H-N
A mayor masa, más fuerte es el enlace
Para romper esos enlaces se
necesita más energía!!
Gráfica!
Introducción
1c
Carroll, p.323
Experimentos de cruzamiento
Reacciones cruzadas (experimentos de cruzamiento)
son una herramienta muy útil e importante en el
estudio de los mecanismos
Ejemplos…
Introducción
2
Estudio de los intermediarios de reacción
Sykes (1985), p. 48-50
S + R
[I]
P
Tres técnicas comunes:
4 Aislamiento
Detección
(UV, IR, RMN, RSE, EM)
4 Atrapado
(Trampas químicas)
Introducción
La mayoría de las reacciones orgánicas transcurren a través de uno o más intermediarios,
o sea, consisten en varias etapas elementales
Un paso elemental
0.01 nm
10-100 fs
Sykes (1982), p. 7-8
MB, p. 30-69
CS, p. 192-194
ET
“ET” – estado quasi termodinánico con max. G
o
en él no existe especies moleculares distintas
sino una agrupación única
E
Eact
su fuente es la energía cinética
de las partículas en movimiento. Cada
reacción requiere colisiones de partículas
con energía suficiente y de orientación
apropiada.
S
1 nm
1-10 ns
P
χ
Estudio del ET con el método UED (ultrafast electron diffraction)
(“Femtoquímica” 10-15 s - Chem. Rev., 2004, 104, número 4)
A.H. Zewail, Premio Nobel en Química, 1999.
Introducción
Reacción de dos pasos
elementales
CS, p. 193
Sykes (1985), p. 40
En diferentes gráficas:
ET1
I – un intermediario
E
I
ET2
S
P
χ
¿Cuál diferencias existe entre ambas gráficas?
Introducción
3
Influencia de los cambios de las condiciones
sobre la velocidad de la reacción
Cuatro factores:
4 Temperatura
Ecuación de Arrenius:
K = A.e -Eact/RT
4 Disolvente
4 pH
(Catálisis ácida,
catálisis básica)
4 Catalizador
Introducción
3b
CS, p. 232-236
Influencia del disolvente
Disolventes apróticos no polares:
CCl4 , CS2, ciclohexano etc.
Disolventes apróticos bipolares:
acetona, acetonitrilo, DMSO, HMPT,
DMF, NMP, DMPU, piridina, esteres,
CHCl3 etc.
Disolventes próticos:
H2O, NH3, ROH, RCOOH etc.
Las reacciones en solución, incluso con ruptura
hemolítica de los enlaces, ocurren más rápido y
a temperatura más baja que las mismas en fase
gaseosa.
La polaridad de los disolventes puede afectar
a las rutas de reacciones.
Introducción
3d
Influencia de la catálisis
Sykes (1985), p. 42
En gráficas:
E
χ
Introducción
4
Sykes (1982), p. 11-20
Sykes (1985), p. 36-39
Cinética:
La expresión matemática de la relación
Velocidad ≅ Concentración
xX
aA + bB
Sustratos
+ yY
Productos finales
C
C
χ
χ
Etapa determinante..
Velocidad total de una reacción de varias etapas de la velocidad
de una etapa más lenta de todas...
Introducción
Cinética y termodinámica
∆G0 =∆H0-T∆S0
Reacción favorable
∆G0 < 0
(∆H0 < 0, reacción exotérmica)
Reacción altamente favorable ∆G0
<< 0
(∆H0 < <0, reacción muy exotérmica)
Reacción desfavorable
∆G0 > 0
(∆H0 > 0, reacción endotérmica)
Gráficas!
Introducción
Postulado de Hammond
CS, p. 211-215
Una teoría de ET que explica la relación entre
estructura y reactividad en unas reacciones
orgánicas de manera cualitativa
(J. Am. Chem. Soc., 1955, 77, 334)
Para una reacción de una sola etapa, la geometría
de ET se parece al lado que está cerca
en energía libre.
(Idea similar fue propuesta antes por J.E. Leffler, 1953)
Introducción
Postulado de Hammond
“Si dos estados ocurren consecutivamente
durante una reacción y tienen casi el mismo
contenido de energía, su interconversión
necesita solo una pequeña reorganización
molecular”
Reacción
exotérmica
E
E
ET
Reacción
endotérmica
ET
ET
P
R
P
P
χ
R
R
χ
Introducción
Control cinético versus
Control termodinámico
CS, p. 209-210
Sykes (1985), p. 42-43
Sykes (1982), p. 33-37
La composición de los productos pueda determinarse por el equilibrio
termodinámico. En este caso, la composición está gobernada por el control
termodinámico. Alternativamente, la composición de los productos pueda
determinarse por la competencia de velocidades de la formación de los
productos. En este caso, esta composición se determina por el control cinético.
B
E
C
A
A
Producto inicial
B
C
χ
C – producto que se forma un poco más rápido
B – producto termodinámicamente mas estable
Si dos reacciones son irreversibles, C se forma más por que él se forma
más rápido (Control cinético).
Si esas reacciones son reversibles, B será casi siempre único producto
cuando se permite alcanzar el equilibrio (Control termodinámico).
Introducción
Orden y Molecularidad
!
La molecularidad de una reacción se define como
el número de especies (moléculas, iones, etc) que
sufren necesariamente el cambio de covalencia en
el paso determinante de la velocidad
* reacción monomolecular
* reacción bimolecular
* reacción trimolecular
!
El orden de una reacción es determinado
experimentalmente
A+B
P
V = k [A]α [B]β
(α + β) - orden
* reacción de primer orden
* reacción de segundo orden
Introducción
Ácidos y Bases
SM, p.338-351
Sykes (1985), p. 52-74
Teoría de Brønsted
Donador de H+
AH ácido
Aceptor de H+
Relación
de aceptor y donador
Aceptor de un par
electrónico
B base
Donador de un par
electrónico
Teoría de Lewis
Los ácidos de Lewis son reactivos electrófilos
Los bases de Lewis son reactivos nucleófilos
Introducción
Ácidos y Bases
SM, p.338-351
Sykes (1985), p. 52-74
Teoría de Brønsted: la fuerza de acidez es una tendencia para dar un
H+; la fuerza de basicidad es una tendencia para aceptar un H+; se valora
a través de pKa (o pKb).
Teoría de Lewis: la definición de la fuerza de acidez (basicidad) es
difícil, solo se cuenta con los valores relativos
Ácidez aumenta
HF–SbF5, FSO3H–SbF3–SO3, FSO3H–SbF5, FSO3H
pKa << -10
HClO4, HI, H2SO4, HBr, HCl ,ArSO3H
pka ~ -10÷ -1
CH(CN)3, HNO3, ……, HCN
pKa ~ -2÷+ 9
PhCH3, PhH, CH2=CH2, ……, CH4
pKa ~ 43- 50
La definición de la fuerza de las bases por medio de pKa es más frecuente,
así se tiene una única escala continua tanto para los ácidos como para
las bases (a través de ácidos conjugados, pKa BH+):
Introducción
Ácidos y Bases
Ácidos conjugados y su fuerza:
pKBH (en agua):
H3C +
10.73
NH2
H3C
10.66
H3C NH3+
H3C +
9.80
NH
CH
H3C
3
+
5.23
N H
Basicidad decrece: “cuando pKBH es grande,
base es fuerte (o ácido conjugado débil)
4.87
NH3+
NH3+
O2 N
1.02
-3.53
Et2O+H
H3C
C O+ H
H3C
5.29 H3CO
4.58 H
3.98
3.91
1.02
O2N
NH3+
NH3+
5.12 H3C
-7.50
Basicidad aumenta
NH3+
NH3+
Cl
NH3+
Br
NH3+
pKBH (en agua):
(Explicaciones..)
Introducción
Principio de R. Pearson -HSAB
SM, p. 339-341
1963: Teoría cualitativa basada en la transferencia de los e-s
para predecir la reactividad química
(J. Am. Chem. Soc., 1963, 85, 3533)
Ácidos duros
Ácidos blandos
Bases blandas
Bases duras
Los ácidos duros prefieren asociarse con las bases duras y
Los ácidos blandos prefieren asociarse con las bases blandas
(Palabras “duros” o” blandos” no significan fuerte o débil !!)
“Dureza” o “blandura” depende de
la naturaleza del átomo, sus parámetros:
ØTamaño
Ø Electronegatividad
Ø Polarizabilidad
Ø Carga electrónica
Introducción
HSAB
Detalles..
Ácidos duros
Ácidos blandos
H+, Na+, Ca2+, Mn3+, Al3+,
Cr3+, SO3 ..
Cu+, Ag+, Hg+, Pd2+, Pt2+,
InCl3, BH3, carbenos ..
Aceptores: son de átomo pequeño,
tienen la carga positiva alta. Son de
baja polarizabilidad y alta electronegatividad
Bases blandas
I-, CN-, SCN-, S2O32-, H-, R-,
PPh3, CO, R2S, RSH ..
Donadores: son de átomo grande,
de alta polarizabilidad y baja electroNegatividad. Son fáciles de oxidarse
Aceptores: son de átomo grande,
tienen la carga positiva baja. Son de
alta polarizabilidad y baja electronegatividad
Bases duras
H2O, HO-, RO-,F-, AcO-, SO42-, CO32-,
NO3-, PO43-, NH3, RNH2, ROH, ..
Donadores: son de baja polarizabilidad
y alta electronegatividad. Son difíciles
de oxidarse
Casos de frontera:
En ácidos - Fe2+, Co2+, Ni2+, Sn2+, Ru3+, R3C+
En bases - Br-, NO2-, SO32-, PhNH2
üPolarizabilidad es la facilidad con que la distribución electrónica alrededor
de un átomo se distorsiona por un campo dentro próximo.
Introducción
Reactivos
Nucleofilos :Nu (del griego, phelein = amar
Nucleofilia y Basicidad
Basicidad es la capacidad del reactivo no solamente
de prestar su par de electrones al carbono deficiente,
sino que también, arrancar del Sustrato el protón móvil
y formar con él, compuestos menos disociados que el
Sustrato.
La fuerza nucleofílica (nucleofilia) consiste en la
capacidad del reactivo (anión o molécula neutra) de
formar un enlace covalente por medio del par de
electrones. Los reactivos nucleofílicos suelen tener
átomos con un par electrónico y “pueden prestar”.
v No siempre el más nucleófilo resulta ser la más fuerte base !!
)
Introducción
Las fuerzas de nucleofilia y basicidad dependen de la naturaleza electrónica
del átomo que contienen los reactivos :
C
N
O
F
CH4
NH3
H2O
HF
-CH
-NH
-OH
-F
3
2
Sus aniones
Moléculas neutras
Átomos en el periodo de la Tabla Química
-NH
> NH3;
(KNH2, NaNH2)
2
Aumenta la electronegatividad
(recordar a la escala de Pauling)
Disminuye la fuerza nucleofílica
y la basicidad! (y acidez aumenta)
Introducción
Átomos (aniones) dentro del grupo de la Tabla Química
Fuerza nucleofílica (Nucleofilia)
O-
F-
1.72
S-
Cl-
6.57
Br-
9.57
I-
14.55
Nucleofilia
Masa atómica,
- SR > -OR
polarizabilidad
Basicidad
Masa atómica
Nucleofilia
Polarizabilidad
(cm3.1025)
FCl-
HI >> HF
Br-
OS-
IBasicidad
Tamaño
del ión
I-<< F-
Tamaño
Basicidad del ión
RO- > RS-
Introducción
Influencia de los ¨vecinos¨
Grupos
GDE Grupo Donador de Electrones
GAE Grupo Aceptor de Electrones
B GDE > B > B GAE
Nu GDE > Nu > Nu GAE
Factores electrónicos
Factores estéricos