UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS ESCUELA DE QUÍMICA QUIMICA ORGANICA III DERIVADOS FUNCIONALES DE ÁCIDOS ORGANICOS AUTORES: Andrés Rodríguez Carlos González SEMESTRE: marzo 2011-julio 2011 Resolver los siguientes ejercicios del capítulo “Derivados funcionales de los Ácidos Carboxílicos” del libro”Química Orgánica“de Morrison, la Quinta Edición. 7. Escriba ecuaciones balanceadas y nombre todos los productos orgánicos para la reacción (de haberla) del n-butirato de metilo con: (a) H2S04 acuoso, caliente Ácido n-butírico (b) KOH(ac),caliente n-butirato de potasio (c) alcohol isopropílico + H2SO4 n-butirato de isopropilo (d) alcohol bencílico + C6H5CH2ONa n-butirato de bencilo (e) amoniaco n-butiramida (f) bromuro de fenilmagnesio 1,1.difenil-1-butanol (g) bromuro de isobutilmagnesio 2,6-dimetil-4-n-propil-4-heptanol (h) LiAlH4, luego acido Alcohol n-butílico 8. Desarrolle la síntesis para cada uno de los siguientes compuestos marcados, empleando H218O como fuente de 18O. 9. Desarrolle la síntesis para cada uno de los siguientes compuestos marcados, usando 14CO2 O 14CH3OH Y H218O como fuente de átomos «rotulados». (a) CH2CH214COCH3 (b) CH3CH2CO14CH3 (c)CH314CH2COCH3 (d) 14CH3CH2COCH3 (e) C6H5CH214CH3 (f) C6H5CH214CH3 (g) CH3CH2C18OCH3 10. Prediga el producto de la reacción de -butirolactona con (a) amoniaco, (b) LiAlH4, (c) C2H5OH + H2S04. (a) Un éster reacciona con amoníaco para< dar una amida y un alcohol. -butirolactona (éster) alcohol amida (b) Un éster se reduce a dos alcoholes por el LiAlH4 1,4-butanodiol (c) Un éster sufre transesterificación. 11. Cuando se trató alcohol sec-butílico, de rotacion +13.8°, con cloruro de tosilo y se hizo reaccionar el tosilato resultante con benzoato de sodio, se obtuvo benzoato de sec-butilo. La hidrólisis alcalina de este éster dio alcohol sec-butílico de rotación -13.43°. ¿En qué paso debió producirse la inversión? ¿Cómo se explica? (+)-alcohol (+)-tosilato (-)-benzoato (-)-alcohol 12. Explique las observaciones siguientes Se da una competencia entre una reacción bimolecular y una monomolecular, con una alta concentración del nucleófilo (NaOH 5N) hay una sustitución nucleofílica bimolecular en el acilo, con la ruptura del enlace entre el oxígeno y el grupo acilo: No se rompe el enlace con el carbono quiral, y hay retención de la configuración en el producto. Con una concentración baja del nucleófilo (NaOH dil), la reacción bimolecular es desplazada por la reacción monomolecular, una reacción S N1 del éster neutro, la cual es posible gracias a la estabilidad del catión bencílico-alílico generado. La reación de los ésteres se da el mismo catión híbrido, de ahí que se produzca el mismo alcohol, aquel que tiene el doble enlace conjugado con el anillo. La configuración se pierde en el catión quiral, por lo que el alcohol resulta ópticamente inactivo. 13. Se cree que un compuesto desconocido es alguno de los siguientes, que hierven con pocos grados de diferencia entre si. Describa como procedería para determinar cual de las posibilidades realmente corresponde a la sustancia desconocida. Use ensayos químicos sencillos donde sea posible; en caso necesario, emplee métodos químicos mas elaborados, como hidrogenación cuantitativa, escisión, equivalente de neutralización o de saponificación, etc. Utilice cualquier tabla de constantes físicas necesaria. Acetato de bencilo Benzoato de isopropilo o-toluato de metilo p-toluato de metilo Benzoato de etilo Fenilacetato de metilo m-toluato de metilo Los toluatos y el fenil acetato se pueden distinguir por hidrólisis y la determinación del punto de fusión de los ácidos resultantes. Los dos benzoatos se pueden distinguir por su equivalente de saponificación, o por el punto de fusión del éster 3,5-dinitrobenzoato del alcohol obtenido por hidrólisis. El acetato de bencilo es el único que da un líquido, unn ácido soluble en agua después de hidrolizarlo. 14, Describa ensayos químicos que sirvan para diferenciar; (a) ácido propiónico y acetato de metilo NaHCO3(ac) da CO2 con ácido (b) cloruro de n-butirilo y cloruro de n-butilo El CH3CH2OH da un éster de aroma agradable a partir de RCOCl, el RCOCl también da CO2 a partir de NaHCO3(ac) (c) p-nitrobenzamida y p-nitrobenzoato de etilo NaOH, calor, con una prueba de NH3 con tornasol. (d) triestearato de glicerilo y trioleato de glicerilo Br2/CCl4 ó KMnO4 (e) benzonitrilo y nitrobenceno NaOH, calor con una prueba de NH3 con tornasol, también se puede observar una lenbta disolución del nitrilo. (f) anhídrido acético y alcohol n-butílico NaHCO3(ac) y caliente. (g) monopalmitato de gicerilo y tripalmitato de glicerilo CrO3/H2SO4 (h) benzoato de amonio y benzamida La sal de NH4+ da inmediatamente NH3 por acción del NaOH(ac) en frío. (i) acido p-bromobenzoico y bromuro de benzoílo AgNO3 alcohólico. 15. Describa como separaría las siguientes mezclas por medios químicos, recuperando cada componente en forma razonablemente pura: (a) benzoato de etilo y acido benzoico (b) n-valcronitrilo y ácido n-valeriánico (c) benzoato de amonio y benzamida. 16. A menudo se ocultan grupos carboxilo por reacción con dihidropirano (Sec. 19.9), que genera esteres estables frente a bases, pero que se hidrolizan rápidamente con ácidos acuosos diluidos. Explique con detalle la formación de estos esteres y su hidrolisis fácil. El éster THP se forma por la adición de RCOOH al doble enlace, lo cual se lleva a cabo fácilmente por la estabilidad del catión intermediario A, que es en realidad un ión oxonio: H H RCOOH + + H O O + R C O + R C + O O + H O O Dihidropirano (DHP) OH A ester tetrahidropiranilo La hidrólisis del éster THP en medio ácido implica la formación del mismo catión I. Un hemiacetal cíclico se forma y regenera el aldehído y el alcohol que forman parte de la misma molecula, al igual que otros hemiacetales. H H H H2O -RCOOH R C O O + + H R C O + O O OH O + + HO HO + H O Un hemiacetal C HO aldehído-alcohol 17. Al tratar 2,4-pentanodiona con KCN y ácido acético, seguido de hidrolisis, se obtienen dos productos, A y B, ambos ácidos dicarboxílicos de fórmula C7H12O6. El producto A, se funde a 98C. Al ser calentado, B da primero un acido lactónico (C7H10O5, p.f. 90C) y, finalmente, una dilactona (C7H8O4, p.f. 105C). (a) ¿Qué estructura debe tener B para formar con facilidad una mono y una dilactona? CH3 H CH3 C O CN- C H C O CH3 H2O HO H + H + H HO C COOH C H C COOH CH3 meso A CH3 CH3 HO H HOOC C COOH C H C OH HOOC H HO CH3 C OH C H C COOH CH3 racémico B B es la modificación racémica que proporciona la monolactona; pero como el OH y el – COOH restantes son cis, esta monolactona puede reaccionar posteriormente para formar la dilactona. HOOC HO C H3C CH 2 C C O CH3 O H3C OH COOH O COOH HO O H3C CH3 O CH3 O B monolactona dilactona (b) ¿Cual es la estructura de A? A es el compuesto meso, y da la monolactona; aquí, el –OH y el –COOH restantes son trans, y no es posible una posterior reacción. HO C H3C COOH HO CH3 O H3C COOH CH3 O A monolactona 18. Durante muchos años se sintetizaron ésteres mediante la reacción de carboxilatos de sodio con halogenuros de alquilo, aunque el método no era particularmente bueno. Recientemente, sin embargo, se descubrió que una modificación sencilla del procedimiento experimental aumenta enormemente los rendimientos. ¿Puede sugerir cuál pudo haber sido este cambio? Los catalizadores de transferencia de fase empleados incrementan el poder nucleofílico de los aniones carboxilato, permiten la reacción heterogénea donde los reactivos se encuentran en fases separadas e incrementan la velocidad de reacción. 19. Escriba las estructuras de los compuestos C hasta O (incluyendo configuraciones donde sea pertinente). (a) urea (H2NCONH2) + NaOH diluido, caliente C + NH3 H2N C NH2 O NaOH NH3 H2O + Na2CO 3 C diamida (b) fosgeno (COCl2) + 1 mol C2H5OH, luego NH3 D (C3H7O2N) EtOH OEt OEt C NH C Cl NH Cl C Cl 2 3 O O O éster-amida D (c) bromobenceno + Mg, éter E (C6H5MgBr) E + óxido de etileno, seguido por H+ F (C8H10O) F + PBr3 G (C8H9Br) G + NaCN H (C9H9N) H + H2SO4, H2O, calor I (C9H10O2) I + SOCI2 J (C9H9OCl) J + HF anhidro K (C9H8O) K + H2, catalizador L (C9H10O) L+H2SO4, calor M (C9H8) H2C Mg Ph Br CH 2 H+ O Ph MgBr Ph CH 2CH 2OH E CN H2O Ph CH 2CH 2 N C CH 2 SOCl2 J I NH4 CH 2 CH 2 O C K Cl CH 2 H2 (cat) + + HF CH 2 C COOH Ph CH 2CH 2 I CH 2 COOH CH 2 G H+ H CH 2 Ph CH 2CH 2Br F - Ph CH 2CH 2Br PBr3 O CH 2 H+, calor CH 2 CH 2 -H2O C C O OH H L K M (d) trans-2-metilciclohexanol + cloruro de acetilo N N + NaOH acuoso + calor O + acetato de sodio CH3COCl H2O CH3 H CH3 H H OH H O trans N OHC O CH3 CH3 H H OH O (trans) 20. La progesterona es una hormona, secretada por el cuerpo lúteo, que está implicada en el control del embarazo. En parte, su estructura fue establecida por la siguiente síntesis que comienza con el esteroide estigmaterol, obtenido del aceite de soja. (a) Dé estructuras para la progesterona y los intermediarios P-Z. C2H5 29 28 H 24 22 H 12 H 11 H H H 17 13 H 25 23 20 1 16 1 9 14 2 10 8 3 5 7 4 HO Ac2O 15 10 3 Br 8 5 OAc estigmasterol H 9 2 7 4 6 6 P C2H5 28 24 22 12 11 13 9 14 25 23 20 H H 29 H H H 17 H 2 10 3 5 Ag2O 2 Q 11 17 13 9 2 10 3 14 5 EtOH Ph Br H H+ 22 20 12 20 11 13 9 14 OH 12 PhMgBr 17 H S 11 13 9 14 H 15 8 T H H+ 17 16 15 8 Ph 22 H 16 7 6 R Br H 15 8 4 7 Zn 15 8 6 H 16 1 14 17 COOH 12 H 22 20 H 9 5 4 OAc COOH Br Br 13 10 3 H 6 OAc 1 7 4 OAc 11 16 O3 15 8 22 20 H 12 16 1 COOH H U H H Ph O H H 20 Ph 12 22 H 12 11 13 9 14 H Br2 17 CrO3 16 H 15 8 17 H 1 2 9 10 OAc 8 5 4 14 7 6 15 Zn H H 11 9 1 H 2 10 8 3 5 7 4 14 Br2 CrO3 3 5 Y Z O 12 H H 8 14 Br 11 13 9 14 20 22 17 16 1 Zn 2 7 6 Br H H 5 4 O H+ 7 6 X 10 3 6 14 8 4 H H2O H 10 OAc 11 9 1 2 11 9 2 W Br H 1 Br H HO 13 22 16 3 V H 11 20 10 3 O 8 5 4 15 7 6 progesterona (b) La progesterona presenta absorción intensa en el ultravioleta cercano: max 240 nm, max 17 600. Con estos antecedentes, ¿cuál es la estructura de la progesterona? El espectro ultravioleta indica que la progesterona posee un enlace doble conjugado con el grupo ceto C-3. En el último paso de la síntesis, la doble unión se desplaza, generando el producto más estable. 21. Basándose en las siguientes pruebas, asigne estructuras a: (a) los compuestos AA a DD, isómeros de formula C3H8O2; (b) compuestos EE a MM, isómeros de formula C3H6O2. [Observación: Las -hidroxi cetonas. – CHOH-CO-, dan pruebas positivas con el reactivo de Tollens y con las soluciones de Fehling y Benedict (Sec 23.6), pero pruebas de Schiff negativas.] (a) AA NaHCO3 no ácido Ac2O dos -OH Tollens -CHO no Schiff -CHO no BB CC no ácido no ácido dos –OH un –OH -CHO no -CHO no -CHO no -CHO no DD no ácido un –OH acetal acetal HIO4 no es 1,2diol 1,2-diol no es 1,2diol no es 1,2diol CH2 CH2 H2C OH CH2 H3C HO HO AA CH2 H3C O CH2 CC HO CH2 CH2 OH O OCH3 CH3 DD BB (b) EE NaHCO3 no ácido Ac2O un –OH Tollens -CHO Schiff -CHO FF no ácido un –OH -CHO no GG HH no ácido ácido un –OH no –OH -hidroxi cetona -CHO -CHO no II éster Et no –OH -CHO -CHO no JJ no ácido no –OH -CHO no -CHO no KK LL no ácido no ácido dos -OH no –OH -CHO no acetal -CHO no acetal MM no ácido un –OH -CHO no -CHO no H3C CHO CH 2 CH 2 H3C HO O EE CH 3COOCH 3 JJ FF CH 2 HO OH CHOH H2C KK H2C CH 2 HIO4 -hidroxi aldehído -hidroxi cetona -OH no no es 1,2diol no es 1,2diol no es 1,2diol 1,2-diol 1,2-diol implicado en acetal 1,2-diol formado por acción del H2O -CHO -CHO no CHO CH 3CH 2COOH HH GG O CH 2 O CH 2 LL II CH H2C H2C CHOH HCOOC 2H5 O CH 2 HO MM 22. El ácido 2,5-dimetil-1,1-ciclopentanodicarboxílico se puede preparar como mezcla de dos sustancias ópticamente inactivas NN y OO, de propiedades físicas diferentes. Cuando se calienta cada una. y luego la mezcla de reacción se cristaliza fraccionadamente, NN da un solo producto PP. De formula C8H14O2, y OO da dos productos, QQ y RR, de fórmula C8H14O2. (a) Escriba formulas estereoquímicas para NN, OO, PP, QQ y RR NN y OO son ácidos malónicos sustituidos; pierden CO2 cuando se calientan (C9H14O4 – CO2 = C8H14O2). Son estereoisómeros, y difieren en la relación entre grupos –CH3, los cuales pueden ser cis o trans. CH3 H CH3 COOH H H COOH CH3 -CO2 CH3 COOH H H H H COOH CH3 H CH3 PP racémico NN trans un producto Racemico CH3 H COOH CH3 COOH CH3 H -CO2 COOH CH3 y CH3 H CH3 COOH H H OO cis H H H aquiral aquiral Aquiral meso (b) Describa otro método por el cual podrían asignarse configuraciones a NN y OO. Sólo se puede resolver el isómero trans; el isómero cis es aquiral y meso. 23. )-eritrosa, C4H8O4, da pruebas de Tollens y Benedict (Sec. 38.6), y se oxida con agua de bromo para dar un ácido ópticamente activo, C4H8O5. El tratamiento con anhídrido acético da C10H14O7. La eritrosa consume tres moles de HIO4 y da tres moles de acido fórmico y uno de formaldehido. La oxidación de la eritrosa con acido nítrico genera un compuesto ópticamente inactivo de formula C4H606. )-treosa, un isómero de la eritrosa, presenta un comportamiento químico similar, salvo que la oxidac )-treosa? (a) La eritrosa es un aldehído que contiene tres –OH. La ruptura con 3 HIO4 indica que presenta una estructura, que contiene dos carbonos quirales. La oxidación de (-) eritrosa produce un acido dicarboxílico, HOOCCHOHCHOHHCOOH. Puesto que este ácido es ópticamente inactivo, debe tener la configuración meso, lo que indica que la (-) eritrosa es el compuesto 2R, 3R, o bien su enantiómero. O O CH H OH H HNO3 H OH H2 C HC COOH OH H OH o HO H HO H meso-ácido 2R,3S HO H HO H COOH COOH OH COOH HNO3 COOH mismo meso-ácido 2S,3R La (-) treosa debe ser un enantiómero de la eritrosa, ya sea el isómero 2S, 3R, o bien el 2R, 3S. O CH O COOH HO H H HNO3 HO OH H2C CH H H H OH OH HNO3 H H2C acido activo 2S,3R OH HO COOH COOH H OH HO H COOH OH ácido activo 2R,3S (b) Cuando se trata R-gliceraldehído, CH2OHCHOHCHO, con cianuro, y se hidroliza el producto resultante, se generan dos ácidos monocarboxílicos. Estos ácidos son idénticos a los que se obtienen por oxidación con agua de bromo de la -treosa la -eritrosa sígnese una sola estructura a la -eritrosa a la )-treosa. O CH H CN - CN OH H2C H+ CN H OH H OH + HO H CH 2OH OH R-gliceraldehído H+ H2O H OH CH 2OH H+ H2O O O CH COOH H OH Br2 H OH HO H OH H2O H OH H H2C OH (-)-Eritrosa CH 2OH CH COOH H Br2 HO OH H2O H CH 2OH H OH H2C OH (-)-Treosa 24. A temperatura ambiente, la N,N-dimetilacetamida produce, en el espectro RMN protónica, tres singuletes agudos de igual área. Al elevar la temperatura, dos de los picos (pero no el tercero) se ensanchan y, finalmente, a 110C forman un singulete agudo, (a) ¿Cómo se explica esto? ¿Qué indica con respecto a la estructura de la amida? Las tres señales en el espectro RMN de áreas iguales, a temperatura ambiente, provienen de los tres grupos metilo en la amida. H3C CH3 C O N CH3 Los 2 grupos metilo enlazados al nitrógeno no son equivalentes, dato que indica la existencia del impedimento de rotación alrededor del enlace C-N. A temperatura ambiental, la rotación es muy lenta para que el espectrómetro RMN vea estos grupos por separado: uno cis y el otro trans con respecto al oxígeno. La rotación se incrementa conforme aumenta la temperatura, y a los 110C, los dos grupos se observan en un solo ambiente promedio. La rotación impedida sugiere que el enlace C-N posee carácter de doble enlace, el cual se atribuye a la resonancia que involucra a estas estructuras: H3C CH3 C O H3C N CH3 C CH3 HO + N CH3 (b) ¿Qué se espera observar en el espectro RMC a temperatura ambiente? ¿A 110C? Se esperaría que el espectro RMC muestre el mismo efecto de la temperatura que el espectro de RMN protónica: tres señales a temperatura ambiente, dos de las cuales se juntarían en una a 110C.