44.           PROPIEDADES QUIMICAS

Los haluros de alquilo reaccionan principalmente por heterolisis del enlace polar

SUSTITUCION NUCLEOFILA

Cuanto menor basicidad de Brönsted tenga el X‑ mejor grupo saliente es y, por tanto, más reactivo será el RX. Ya que el orden de basicidades de los iones haluro el orden de reactividad de los RX es RI > RBr > RCl > RF.

El equilibrio de las sustituciones nucleófilas favorece la reacción en el sentido que libera la base de Brönsted más débil; la base de Brönsted más fuerte desplaza a la más débil. La velocidad de una reacción de sustitución sobre un determinado sustrato depende de la nucleofilia de la base que ataca. La diferencia entre basicidad y nucleofilia puede esquematizarse así:

Problema 7.7. Utilice las velocidades relativas de las sustituciones nucleófilas representadas a continuación para establecer las generalizaciones que sean posibles acerca de la relación entre basicidad y nucleofilia:

(a)   Las bases son mejores nucleófilos que sus ácidos conjugados.

(b)   Al recorrer el sistema periódico de izquierda a derecha, se observa una relación directa entre basicidad y nucleofilia: ambas decrecen.

(c)   Al descender en un grupo del sistema periódico, la relación es inversa: la nucleofilia aumenta y la basicidad disminuye.

(d)   Si el centro nucleófilo y básico corresponden al mismo átomo (un O en este caso), la nucleofilia se corresponde con la basicidad.

El orden observado en el Problema 7.7(c) se debe a que los electrones de valencia de un átomo mayor están más disponibles para formar enlace con el C, ya que están más alejados del núcleo y menos retenidos. De otro lado, la mayor facilidad de distorsión de la capa de valencia (polaridad inducida) hace más fácil la aproximación del átomo mayor al C atacado. Esta propiedad se llama polarizabilidad. Las especies de mayor tamaño, más polarizables (como I, Br, S y P) muestran una mayor nucleofilia; se llaman bases blandas. Las bases más pequeñas, menos polarizables (como N, O y F), tienen menor nucleofilia; se llaman bases duras.

Problema 7.8. Explique por qué el orden de reactividad del Problema 7.7(c) se cumple en disolventes no polares, apróticos débilmente polares y próticos polares, pero se invierte en disolventes polares apróticos.

En disolventes no polares y débilmente polares, las sales de los Nu se encuentran como pares iónicos (o «clusters» iónicos), en los cuales los cationes contiguos reducen la reactividad del anión. Para un catión dado, el emparejamiento iónico es más fuerte con los aniones más pequeños, F, y más débiles con los más grandes, I. Por ello, la reactividad de X disminuye al disminuir el tamaño del anión. En disolventes polares próticos, el enlace de hidrógeno, que también hace disminuir la reactividad de X, es más débil con el ion mayor, que es de nuevo el más reactivo. Los disolventes polares apróticos solvatan tan solo a los cationes, dejando más libres a los aniones. Las reactividades de todos los aniones aumentan en estas condiciones, pero el efecto es más acusado cuanto menor es el anión. Por ello, se invierte el orden del Problema 7.7(c).

Problema 7.9. Escriba las ecuaciones correspondientes a las reacciones de RCH2X con:

e indique la naturaleza del grupo funcional presente en cada producto.

Problema 7.10. Compare la eficacia de los aniones acetato (CH3COO), fenóxido (C6H5O) y benceno­sulfonato como grupo saliente, teniendo en cuenta que la fuerza de sus ácidos conjugados, expresada por los pKa, es, respectivamente, 4,5; 10,0 y 2,6.

El mejor grupo saliente es la base más débil, el peor es que es la base más fuerte.

Los sulfonatos son excelentes grupos salientes, mucho mejores que los haluros. Uno de los mejores grupos salientes (108 veces mejor que el Br) es el llamado triflato.

1. Mecanismos SN1 y SN2

La Tabla 7.1 esquematiza los dos mecanismos principales de sustitución nucleófila.

Problema 7.11. Formule las tres etapas del mecanismo de una hidrólisis SN1 del Me3CBr.

Problema 7.12. Indique un ejemplo de cada uno de los cuatro tipos de reacción SN2 según las cargas implicadas, tal como se indica en la primera línea de la Tabla 7.1.

Problema 7.13. (a) Realice una representación orbital de la reacción SN2 con (S)‑RCHDX con un nu­cleófilo :Nu, teniendo en cuenta que el estado de transición del C que sufre la sustitución emplea orbitales híbridos sp2. (b) Utilice esta representación para explicar (i) la inversión, y (ii) el orden de reactividad 3.° > 2.° > 1.°.

(a) Véase la Figura 7.1.

Tabla 7.1.

(b)  (i) La reacción es iniciada por el nucleófilo, que comienza a solapar con el lóbulo menor del híbrido SP 3 unido a X. Para que este lóbulo se haga el principal, la configuración debe cambiar, producién­dose la inversión. (ii) Si los H unidos al C son reemplazados por grupos R, el ET está más apiñado y tiene una mayor entalpía. Con un RX 3.°, OHM es más alto y la velocidad es menor.

Problema 7.14. (a) Represente un ET SN1 indicando el papel de las moléculas de disolvente prótico nucleófilo (HS:) en la solvatación del ion. (b) A la luz de esta representación, explique por qué (i) la reacción es de primer orden; (ii) R+ reacciona con el disolvente en lugar de con nucleófilos más fuertes que puedan estar presentes; (iii) el Ago puede actuar como catalizador; (iv) cuanto más estable es R+, menor es la inversión, con lo que se produce más racemización.

(b)   (i) Aunque el disolvente HS: aparece en el ET, los disolventes no intervienen en la expresión de velocidad. (ii) HS: está ya parcialmente unido, vía solvatación, al R+ incipiente. (iii) Ag+ tiene una mayor afinidad hacia X que una molécula de disolvente, por lo que se acelera la disociación de X. (iv) La molécula de HS: que solvata al inestable R+ tiene más tendencia para formar un enlace, provocando la inversión. Cuando R+ es estable, el ET conduce a un intermedio que reacciona con otra molécula de disolvente : SH, para dar un catión simétricamente solvatado.

Cuanto más estable es R+, más selectivo es y mejor reacciona con el anión nucleófilo Nu.

Problema 7.15. Señale las diferencias entre los estados de transición SN1 y SN2.

1.  En el ET SN1 existe una considerable carga positiva sobre el C; el enlace entre el grupo que ataca y el grupo saliente con el C es mucho más débil; en el ET SN2 apenas hay carga sobre el C.

2.  El ET SN1 se genera por separación del grupo saliente. El ET SN2 resulta del ataque por el :Nu­- o el :Nu.

3.  El del ET SN1 (y la velocidad de reacción) depende de la estabilidad del R+ incipiente. Si R+ es más estable, es menor y la velocidad es mayor. El del ET SN2 depende de los efectos estéricos. Cuando hay más grupos R en el C atacado o cuando el :Nu es más voluminoso, es mayor y la velocidad es menor.

Problema 7.16. ¿Cómo puede estimarse la estabilidad de un R+ intermedio en una reacción SN1 a partir de su diagrama entálpico de reacción?

El R+ intermedio se encuentra entre dos máximos de estado de transición. Los R+ más estables se sitúan en un mínimo más profundo y difieren menos en energía de los reactivos y los productos.

Problema 7.17. Formule los productos resultantes en la solvólisis de (CH3)3CCl con (a) CH3OH, (b) CH3COOH.

Problema 7.18. (a) Formule la reacción un proceso SN1. (b) Formule la reacción CH3OH + HI ‑> CH3I + H2O como un proceso SN2.

Problema 7.19. Un alcohol, ROH, no reacciona con NaBr, pero al adicionar H2SO4 se forma RBr. Explíquelo.

El Br es una base de Brönsted extremadamente débil y no puede desplazar a la base fuerte OH. En medio ácido, se forma ROH2 en primer lugar, por lo que el Br puede desplazar al H2O, que es una base débil y actúa como buen grupo saliente.

Problema 7.20. El ópticamente puro tiene un valor de Una muestra parcialmente racemizada de este compuesto, con una rotación específica de se hace reaccionar con NaOH diluido, para formar cuya rota­ción específica es ‑10,3° cuando se encuentra ópticamente puro. (a) Escriba la ecuación de este proceso utilizando fórmulas de proyección. (b) Calcule la pureza óptica porcentual de reactivo y producto. (c) Calcule los porcentajes de racemización e inversión. (d) Calcule el porcentaje de ataque frontal y de ataque por la cara posterior. (e) Establezca una conclusión estereoquímica en lo que respecta a las reacciones de haluros de alquilo secundarios. (f) ¿Qué cambio en las condiciones aumentaría la inversión?

(b)   El porcentaje de enantiómero ópticamente activo (pureza óptica) se calcula dividiendo la rotación específica observada por la del enantiómero puro y multiplicando el cociente por 100. Las purezas ópticas son:

(c)   El porcentaje de inversión se calcula dividiendo el porcentaje de alcohol ópticamente activo de configuración opuesta por el del bromuro que reacciona. El porcentaje de racemización es la diferencia entre 100 y este valor

(d)   La inversión supone solamente ataque por la cara posterior, mientras que la racemización resulta de una proporción idéntica de ataque frontal y posterior. El porcentaje de ataque posterior es la suma de la inversión y la mitad de racemización; el porcentaje de ataque frontal es la otra mitad del porcentaje de racemización

(e)   El alto porcentaje de inversión denota una reacción predominantemente SN2, mientras que el menor valor del porcentaje de racemización indica una cierta proporción de proceso SN1. Esta dualidad mecanística es característica de los haluros de alquilo secundarios.

(f)    La velocidad de la reacción SN2 se incrementa al aumentar la concentración de nucleófilo, en este caso OH‑.

Problema 7.21. Justifique los siguientes resultados estereoquímicos:

El H2O es más nucleófilo y más polar que el CH3OH, por lo que reacciona mejor para formar (véase Prob. 7.14) y provoca una racemización.

Problema 7.22. El NH3 reacciona con RCH2X para formar la sal de amonio, Formule el estado de transición, indicando las cargas parciales.

El N adquiere +al comenzar a formarse el enlace.

Problema 7.23. Explique por qué el cloruro de neopentilo, (CH3)3CCH2Cl, que es un RCl  1°, no sufre reacciones SN2.

El voluminoso grupo (CH3)3C, impide estéricamente el ataque del nucleófilo por la cara posterior.

Problema 7.24. Explique por qué el solvoliza más rápidamente que el

La solvólisis se produce por un mecanismo SN1. Las velocidades relativas de diferentes sustratos en reacciones SN1 dependen de las estabilidades de los carbocationes intermedios. es más reactivo porque el catión:

es más estable que (CH3)2CH+. Véase el Problema 6.42 para la explicación de la estabilidad de un radical alilo.

Problema 7.25. Justifique la estabilidad decreciente de los carbocationes indicados en función de (a) el efecto inductivo, y (b) factores estéricos:

(a) Comparado con un H, R tiene un efecto inductivo dador de electrones. Al reemplazar átomos H por grupos CH3, se dispersa la carga positiva y el R+ se estabiliza.

(b)   La aceleración estérica contribuye también a este orden de estabilidad. La tensión estérica de los. tres grupos Me en el Me3C‑Br, separados por ángulos de 109° (sp3), se reduce al pasar a ángulos de 120° en el R+, en el que el C utiliza orbitales híbridos sp2.

Se han podido preparar carbocationes como especies de vida larga mediante la reacción líquido covalente, es un superácido porque es un ácido de Lewis más fuerte que un R+.

Problema 7.26. La conversión de alcoholes en los correspondientes haluros de alquilo, permite observar las siguientes velocidades relativas al efectuar las reacciones en un disolvente formado por 80 por 100 de agua y 20 por 100 de etanol a 25 °C. Justifique el valor minimo para el (CH3)2CHBr.

Compuesto

CH3Br

CH3CH2Br

(CH3)2CHBr

(CH3)3CBr

Velocidad relativa

2140

171

4.99

1010

Los primeros tres haluros reaccionan principalmente por un mecanismo SN2. La reactividad se reduce al reemplazar H por CH3 sobre el C atacado, debido al incremento de impedimento estérico. La alta reactividad del (CH3)3CBr se debe a un brusco cambio hacia el mecanismo SN1.

Problema 7.27. La hidrólisis del 2‑bromo‑3‑metilbutano, que es un bromuro de alquilo secundario, conduce exclusivamente al alcohol terciario 2‑metil‑2‑butanol. ¿Cómo demuestra este hecho la existencia de un intermedio carbocatiónico en un mecanismo SN1?

La etapa inicial es la disociación al catión 2.° 1,2‑dimetilpropilo. Una transposición de hidruro conduce al carbocatión 3.°, más estable, que reacciona con H2O para generar el alcohol 3.°

Problema 7.28. Un RBr reacciona con AgNO3 para dar RNO2 y RONO. Explíquelo.

El ion nitrito,

tiene dos centros nucleófilos: el N y el O. La reacción con los pares no compartidos del N da el RNO2, mientras que la reacción con el O forma RONO. (Los aniones que presentan dos centros nucleófilos se denominan aniones ambientados).

2. Papel del disolvente

Los disolventes polares producen un efecto estabilizador y reducen las entalpías de los reacti­vos cargados y de los estados de transición cargados. Cuanto más difusa esté la carga de la especie, menos eficaz es la estabilización producida por el disolvente polar.

Problema 7.29. Justifique los siguientes efectos del disolvente, en función de la teoría del estado de transición: (a) La velocidad de solvólisis de un RX 3.° aumenta al aumentar la polaridad del disolvente prótico nucleófilo (: SH), por ejemplo:

 (b) La velocidad de la reacción disminuye al aumentar la polaridad del disolvente prótico. (c) La velocidad de la reacción aumenta al aumentar la polaridad del disolvente. (d) La velocidad de reacción en (b) aumenta fuertemente en un disolvente aprótico polar. (e) La velocidad de reacción en (b) es menor en disolventes no polares que en disolventes apróticos polares.

Véase la Tabla 7.2.

Tabla 7.2.

Estado fundamental (EF)

ET

Carga
relativa

Efecto del cambio
de disolvente

Velocidad

(a) RX + HS:

Ninguna en EF

Menor H de ET

Disminuye

Aumenta

Difusa en ET

(b) RX+Nu-

Completa en EF

Menor H de EF

Aumenta

Disminuye

Difusa en ET

Mayor H de ET

(c) RX+Nu

Ninguna en EF

Menor H de ET

Disminuye

Aumenta

Carga en ET

(d) El mismo que (b)

Gran aumento

de H de EF*

Disminuye

Aumenta

Aumento de H de ET

(e)  En disolventes no polares, el Nu es menos reactivo debido a que está emparejado con su contra­-catión M+.

Las reacciones SN2 con nucleófilos Nu son procesos típicos entre sales solubles en agua y sustratos orgánicos que son solubles solamente en disolventes no polares. Estos reactivos incompa­tibles pueden mezclarse añadiendo una pequeña cantidad de un catalizador de transferencia de fase, tal como una sal de amonio cuaternario, Q+ A. Q+ tiene un fragmento iónico soluble en agua junto con grupos R no polares que tienden a disolverse en el disolvente no polar. Ello permite que Q + se traslade a través de la interfase de los dos disolventes inmiscibles, transportando con ello el nucleófilo como Q+Nu y haciéndolo pasar al disolvente no polar, donde Nu reacciona rápidamente con el sustrato orgánico. Q+ vuelve al agua transportando el grupo saliente, X, como Q+X. Ya que la carga positiva del N del anión Q+ está rodeada por grupos R, el apareamiento iónico entre Nu y Q + no es muy íntimo y el Nu está bastante libre y es muy reactivo.

Problema 7.30. Explique el papel del cloruro de tetrabutilamonio, Bu4N+Cl, al facilitar la reacción entre el cloruro de 1‑heptilo y el ion cianuro, formulando las reacciones implicadas

El catalizador de transferencia de fase, Bu4N+Cl, reacciona con CN para formar una sal cuaternaria de cianuro, ligeramente soluble en la fase orgánica debido a los grupos butilo, voluminosos y no polares. La reacción con CN para formar el nitrilo es rápida, ya que no está solvatado ni forma par iónico en la fase orgánica; es un nucleófilo libre y fuerte. El catalizador de transferencia de fase, regenerado en la fase orgánica, vuelve a la fase acuosa y el proceso continúa en cadena.

REACCIONES DE ELIMINACION

En una -eliminación (deshidrohalogenación) se pierden un halógeno y un átomo de hidrógeno de dos átomos de carbono contiguos, para formar un doble enlace entre ambos átomos de C. El reactivo generalmente utilizado para eliminar HX es la fuerte base KOH en etanol (véase Sec. 6.2).

1. Mecanismos E1 y E2

Los mecanismos principales para las -eliminaciones que implican la pérdida de un H y un grupo funcional adyacente son los llamados mecanismos E2 y E1. Sus características se resumen y comparan en la Tabla 7.3. Ocasionalmente, se observa un tercer mecanismo, E1cb.

Problema 7.31. (a) ¿Por qué los haluros de alquilo no suelen sufrir reacciones E1? (b) ¿Cómo puede favorecerse el mecanismo E1?

(a)  Los RX reaccionan por mecanismos E1 sólo cuando la base es débil y está en baja concentración; con bases fuertes y concentradas, prevalece el mecanismo E2. Por otra parte, si la base es demasiado débil o está demasiado diluida, el R + reacciona con el disolvente nucleófilo para dar el producto SN1 o, en disolventes no polares, el RX no reacciona.

(b)      Utilizando catalizadores, como Ag+, que facilitan la salida del grupo X.

2. Efectos isotópicos H-D

El enlace C‑H se rompe más deprisa que el enlace C‑D, más fuerte. El cociente de constantes de velocidad, kH/kD, mide este efecto isotópico H‑D. La existencia de un efecto isotópico indica que la rotura de un enlace C‑H se produce en la etapa determinante de la velocidad.

Problema 7.32. ¿Por qué el CH3CH2I sufre la pérdida de HI por efecto de una base fuerte con mayor rapidez que la pérdida de DI en CD3CH2I?

Ambas reacciones son E2, en las cuales se rompen los enlaces C‑H o C‑D en la etapa determinante de la velocidad. Por tanto, el efecto isotópico H‑D justifica la reacción más rápida del CH3CH2I.

Problema 7.33. Explique por qué mientras que el 2‑bromopentano sufre deshidrohalogenación con C2H5OK+ para dar principalmente 2‑penteno (productos Saytzeft), con Me3COK+ da principalmente 1‑penteno (producto anti‑Saytzeff o Hofmann).

Ya que el Me3CO es una base voluminosa, su ataque al H 2.° está estéricamente más impedido que sobre el H 1.°. Así, con Me3CO,

Problema 7.34. Suponiendo que está favorecida la eliminación anti, justifique la estereoespecificidad de la deshidrohalogenación E2 y prediga los productos formados a partir de (a) el estereoisómero meso‑, y (b) cualquiera de los enantiómeros del 2,3‑dibromobutano. Utilice las proyecciones en cuña y de Newman.

Tabla 7.4.

Favorece E2

Favorece SN2

Estructura de R

3.° > 2.° > 1.°

1.° > 2.° > 3.°

Reactivo

Base de Brönsted

Nucleófilo fuerte

fuerte y voluminosa

(por ejemplo, Me3CO-)

Temperatura

Alta

Baja

Baja polaridad

No

del disolvente

Estructura de L

I > Br > Cl > F

I > Br > Cl > F

Favorece E2

Favorece SN1

Estructura de R

3.0 > 2.1 > 1.°

3.1 » 2.1 > 1.°

Base

Fuerza

Fuerte

Muy débil

Concentración

Alta

Baja

Estructura de L

I > Br > Cl » F I

1 > Br > Cl » F

Problema 7.35. La deshalogenación de dihaluros vecinales con metales activos (Mg o Zn) es también una eliminación anti. Prediga los productos que se forman a partir del (a) meso‑, y (b) cualquiera de los enantiómeros del 2,3‑dibromobutano.

Problema 7.36. Justifique los porcentajes de los productos(¡) formados en la reacción de con (a)

(a) es una base fuerte y predomina la reacción es débilmente básico, pero nucleófilo, por lo que favorece la reacción SN1.

(a) La etapa determinante de la velocidad es la misma para la reacción SN1 y para la E1:

por lo que las velocidades son iguales. (b) En un disolvente nucleófilo y en ausencia de una base fuerte, un RX 3.° sufre una solvólisis SN1. En presencia de una base fuerte (OH) un RX 3.° sufre principalmente una eliminación E2.