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• Kristhy Largo

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CAPÍTULO 10

430

CAPÍTULO 10

Reacciones de alcoholes, aminas, éteres, epóxidos y compuestos sulfurados • Compuestos organometálicos

10.1 Reacciones de sustitución nucleofílica de los alcoholes: formación de haluros de alquilo

Reacciones de alcoholes, aminas, éteres, epóxidos y compuestos sulfurados • Compuestos organometálicos

Un alcohol posee un grupo saliente fuertemente básico (HO:2) al que un nucleófilo no puede desplazar. En consecuencia, un alcohol no puede experimentar reacciones de sustitución nucleofílica. grupo saliente muy básico

CH3

+

OH

Br−

CH3

HO−

+

Br

base fuerte

Sin embargo, si el grupo OH del alcohol se convierte en un grupo que sea base más débil (y por consiguiente, en un mejor grupo saliente), puede suscitarse una reacción de sustitución nucleofílica. Una forma de convertir un grupo OH en una base más débil es protonarlo, lo que supone agregar ácido a la disolución. Con la protonación el grupo saliente cambia de HO:2 a H2O, que es una base suficientemente débil como para ser desplazada por un nucleófilo. La reacción de sustitución es lenta y requiere calor (excepto en el caso de los alcoholes terciarios) si ha de efectuarse en un tiempo razonable. grupo saliente poco básico

CH3

O H + HBr grupo saliente malo

+H

CH3

∆

OH

buen grupo saliente

Br

CH3

Br + H2O base débil

−

ANTECEDENTES SECCIONES 10.1 Y 10.7 Los alcoholes y los éteres presentan reacciones de sustitución nucleofílica (SN1 y SN2) como los haluros de alquilo (8.2 y 8.5); sin embargo, los alcoholes y los éteres deben activarse para que reaccionen porque tienen grupos salientes muy malos. Hay varias formas de activar un alcohol, pero sólo una para activar un éter.

SECCIÓN 10.4 La deshidratación de los alcoholes es la reacción inversa de la adición de agua a un alqueno catalizada por ácido (4.5). SECCIÓN 10.5 Hemos visto dos reacciones de oxidación (4.8 y 4.9); ahora veremos algunas más. SECCIÓN 10.8 Hemos visto que un alqueno se puede convertir en un epóxido (4.9). Ahora el lector aprenderá cómo se asignan los nombres a los epóxidos y cómo reaccionan. SECCIÓN 10.11 Las propiedades físicas de los tioles se comparan con las de los alcoholes (2.9).

SECCIÓN 10.4 Cuando se activan, los alcoholes también presentan reacciones de eliminación (E1 y E2) como los haluros de alquilo (9.1 y 9.3).

Ya se estudió que los haluros de alquilo presentan reacciones de sustitución y de eliminación por sus átomos de halógeno, atractor de electrones por efecto inductivo (capítulos 8 y 9). Los compuestos con otros grupos atractores de electrones por efecto inductivo también experimentan reacciones de sustitución y eliminación. La reactividad relativa de esos compuestos depende del grupo atractor de electrones. Los alcoholes y los éteres disponen de grupos atractores de electrones por efecto inductivo (HO:2, RO:2 respectivamente) que son bases más fuertes que los iones haluro (X:2); por tratarse de bases más fuertes, son grupos salientes más malos y en consecuencia son más difíciles de desplazar. Entonces, los alcoholes y los éteres son menos reactivos que los haluros de alquilo en reacciones de sustitución y eliminación. Se verá que debido a sus grupos salientes fuertemente básicos, los alcoholes y los éteres deben “activarse” para poder experimentar una reacción de sustitución o de eliminación. En contraste, los sulfonatos de alquilo y las sales de sulfonio son grupos salientes débilmente básicos, por lo que presentan reacciones de sustitución con facilidad. O R

X

R

O

H

R

O

R

R

O

S

R

+

S

alcohol

éter

sulfonato de alquilo

¿Por qué el NH3 y el CH3NH2 ya no son nucleófilos cuando se protonan?

CH3CH2CH2OH + HI

Mientras más débil sea la base se podrá desplazar con más facilidad.

Mientras más fuerte sea el ácido su base conjugada será más débil.

R

Br + HBr

ciclohexanol alcohol secundario

2-metil-2-butanol alcohol terciario

429

∆

+ H2O bromociclohexano

CH3

CH3

CH3

CH3CH2CH2I + H2O 1-yodopropano

OH

CH3CH2COH

sal de sulfonio

∆

1-propanol alcohol primario

O haluro de alquilo X = F, Cl, Br, I

PROBLEMA 1 ◆

Todos los alcoholes primarios, secundarios y terciarios presentan reacciones de sustitución nucleofílica con HI, HBr y HCl para formar haluros de alquilo.

R R

Como se debe protonar el grupo OH del alcohol antes de que un nucleófilo lo pueda desplazar, en la reacción de sustitución sólo se pueden usar nucleófilos débilmente básicos (I:2, Br:2, Cl:2). Los nucleófilos moderada y fuertemente básicos (NH3, RNH2, CH3O:2) no se pueden usar porque también se protonarían en la disolución ácida y una vez protonados dejarían de ser nucleófilos (+NH4, RNH3+) o serían malos nucleófilos (CH3OH).

+ HBr

CH3CH2CBr CH3 2-bromo-2-metilbutano

+ H2O

10.1

Reacciones de sustitución nucleofílica de los alcoholes: formación de haluros de alquilo Los alcoholes secundarios y terciarios presentan reacciones SN1 con haluros de hidrógeno.

El mecanismo de la reacción de sustitución depende de la estructura del alcohol. Los alcoholes secundarios y terciarios presentan reacciones SN1.

Mecanismo de la reacción SN1 de los alcoholes CH3 CH3C

OH

+ H

Br

CH3 H +OH

CH3

CH3

2-metil-2-propanol alcohol terciario

protonación del átomo más básico

Br

formación de un carbocatión

CAPÍTULO 10

Reacciones de alcoholes, aminas, éteres, epóxidos y compuestos sulfurados • Compuestos organometálicos

Los alcoholes primarios presentan reacciones SN2 con haluros de hidrógeno.

CH3C

Br

CH3 producto de sustitución

HBr

CH3CH2CH2OH + HCl

CH3

CH3C CH2 +

H

+


El ácido protona al átomo más básico del reactivo.
El nucleófilo ataca por el lado de atrás del carbono y desplaza al grupo saliente. Sólo se obtiene un producto de sustitución; no se forma producto de eliminación porque el ion haluro, aunque es un buen nucleófilo, también es una base débil y una reacción E2 requiere una base fuerte para extraer un protón de un carbono b (sección 9.4). (Téngase presente que un carbono b es el carbono adyacente al carbono que está unido el grupo saliente). Cuando se usa HCl en vez de HBr o de HI, la reacción SN2 es más lenta porque el Cl:2 es un nucleófilo más deficiente que el Br:2 o el I:2 (sección 8.3); pese a ello, se puede aumentar la rapidez de la reacción usando ZnCl2 como catalizador.

CH3

−

CH3 + H2O

CH3

432

reacción del carbocatión con un nucleófilo

CH3C+

CH3C

431

ZnCl2

El ZnCl2 es un ácido de Lewis, que se acompleja fuertemente con un par de electrones no enlazado del oxígeno. Esta interacción debilita el enlace C — O y crea un grupo saliente mejor.

el alqueno obtenido sufre una reacción de adición

producto de eliminación


Un ácido reacciona siempre igual con una molécula orgánica: protona al átomo más básico de la molécula.
El agua, débilmente básica, es el grupo saliente que se expulsa y forma un carbocatión.
El carbocatión tiene dos destinos posibles: se puede combinar con un nucleófilo y formar un producto de sustitución, o puede perder un protón y formar un producto de eliminación. Aunque la reacción puede formar un producto de sustitución y un producto de eliminación, en realidad sólo se obtiene el producto de sustitución porque todo alqueno que se forme en una reacción de eliminación sufrirá después una reacción de adición con HBr y se formará más producto de sustitución. Los alcoholes terciarios experimentan reacciones de sustitución con haluros de hidrógeno más rápidas que los secundarios porque los carbocationes terciarios se forman con más facilidad que los carbocationes secundarios. (Recuérdese que los grupos alquilo estabilizan los carbocationes por hiperconjugación, sección 4.2). Entonces, la reacción de un alcohol terciario con un haluro de hidrógeno se efectúa con facilidad a temperatura ambiente, mientras que la de un alcohol secundario con un haluro de hidrógeno se debe calentar para que presente la misma rapidez. CH3

CH3

CH3CCH2CH3 + HBr

CH3CCH2CH3 + H2O

OH

Br

CH3CHCH2CH3 + HBr

∆

CH3CHCH2CH3 + H2O

CH3CH2CH2Cl + H2O

∆

ZnCl CH3CH2CH2OH + ZnCl

CH3CH2CH2

Cl

LA PRUEBA DE LUCAS

Un ácido protona al átomo más básico de una molécula.

Estabilidad de carbocationes: 3° Q 2° Q 1°

B I O G R A F Í A

PROBLEMA 2

OH

CH3CH2CH2Cl + HOZnCl

−

de alquilo que se producen no lo son, así que hacen que la disolución se vuelva turbia. Si el alcohol es terciario, la disolución se vuelve turbia de inmediato. Si el alcohol es secundario, se pondrá turbia en unos cinco minutos. Un alcohol primario sólo producirá una disolución turbia si se calienta. Como la prueba depende de la solubilidad completa del alcohol en el reactivo de Lucas, es útil sólo para alcoholes con menos de seis carbonos.

Con la prueba de Lucas se determina si un alcohol es primario, secundario o terciario, al aprovechar la rapidez relativa con la que reaccionan esas tres clases de alcoholes con HCl/ZnCl2. Se agrega el alcohol a una mezcla de HCl y ZnCl2, llamada reactivo de Lucas. Los alcoholes de baja masa molecular son solubles en el reactivo de Lucas, pero los haluros

Howard J. Lucas (1885-1963) nació en Ohio y obtuvo la licenciatura y la maestría en ciencias en la Universidad Estatal de Ohio. Publicó una descripción de la prueba de Lucas en 1930. Fue profesor de química en el Instituto Tecnológico de California.

Cl

+

RESUELTO

Use los valores de pKa de los ácidos conjugados de los grupos salientes (el pKa del HBr es 29; el del H2O es 15.7; el del H3O1 es 21.7) para explicar la diferencia de reactividad en las reacciones de sustitución entre: a. CH3Br y CH3OH b. CH3OH21 y CH3OH

Los alcoholes primarios no pueden llevar a cabo reacciones SN1 porque los carbocationes primarios son demasiado inestables para formarse (sección 8.5). Entonces, cuando un alcohol primario reacciona con un haluro de hidrógeno lo debe hacer a través de una reacción SN2.

Solución a 2a El ácido conjugado del grupo saliente del CH3Br es HBr; el ácido conjugado del grupo saliente del CH3OH es H2O. Como el HBr es un ácido mucho más fuerte (pKa = 29) que el H2O (pKa = 15.7), el Br:2 es una base mucho más débil que HO:2. (Recuérdese que mientras más fuerte sea el ácido la base conjugada es más débil.) Por consiguiente, el Br:2 es un grupo saliente mucho mejor que el HO:2 y determina que el CH3Br sea mucho más reactivo que el CH3OH.

Mecanismo de la reacción SN2 de los alcoholes

PROBLEMA 3

OH

CH3CH2OH etanol alcohol primario

Br

+ H

Br

protonación del oxígeno

CH3CH2

H +OH

CH3CH2Br + H2O

−

Br

ataque del nucleófilo por el lado de atrás

RESUELTO

Demuestre cómo se puede convertir 1-butanol en los compuestos siguientes: a. CH3CH2CH2CH2OCH3

c. CH3CH2CH2CH2NHCH2CH3

O b. CH3CH2CH2CH2OCCH2CH3

d. CH3CH2CH2CH2C ‚ N

10.1

Reacciones de sustitución nucleofílica de los alcoholes: formación de haluros de alquilo

Solución de 3a En vista de que el grupo OH del 1-butanol es demasiado básico para ser sustituido, primero se debe convertir el alcohol en un haluro de alquilo. El haluro de alquilo cuenta con un grupo saliente que puede sustituirse por CH3O:2, el nucleófilo necesario para obtener el producto que se desea.

CH3CH2CH2CH2OH

HBr ∆

CH3O− ∆

CH3CH2CH2CH2Br

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CAPÍTULO 10

Reacciones de alcoholes, aminas, éteres, epóxidos y compuestos sulfurados • Compuestos organometálicos

ALCOHOL DE GRANO Y DE MADERA

La clase de bebida que se obtiene (vino blanco o tinto, cerveza, whisky escocés o bourbon, o champaña) depende de la especie de la planta que sea la fuente de la celulosa, de si se deja escapar el CO2 formado en la fermentación, de si se agregan otras sustancias y de la forma de purificar la bebida (sedimentación en los vinos, destilación para los licores como el whisky o el bourbon). El impuesto que se cobra en los licores haría que el etanol fuera un reactivo de laboratorio costosísimo. Por el alcohol de laboratorio o industrial no se pagan impuestos porque se usa en una gran variedad de procesos comerciales e industriales. Aunque no paga impuestos, se reglamenta su uso con cuidado por parte de los gobiernos federales para asegurar que no se use en la preparación de bebidas alcohólicas. El alcohol desnaturalizado es etanol que se ha convertido en no ingerible, agregándole un desnaturalizante como benceno o metanol; no paga impuestos, pero las impurezas que se le agregan hacen que no se pueda emplear directamente en muchos usos de laboratorio. El metanol también se conoce como alcohol de madera porque hace tiempo se obtenía calentando madera en ausencia de oxígeno; es muy tóxico. Si se ingieren cantidades muy pequeñas puede causar ceguera, y cuando se ha ingerido una onza puede ser fatal. En la sección 24.2 se describirá el antídoto para el metanol.

Cuando uno ingiere etanol, éste actúa sobre el sistema nervioso central. Las cantidades moderadas afectan el juicio y aminoran las inhibiciones morales. Cantidades mayores interfieren con la coordinación motora y causan habla confusa y amnesia. Con cantidades todavía mayores, se produce náusea y pérdida de conciencia. Si se ingieren cantidades muy grandes de etanol, hay interferencia con la respiración espontánea y el desenlace puede ser fatal. El etanol en las bebidas alcohólicas se produce por la fermentación de la glucosa, que se obtiene principalmente de uvas, de granos como maíz, centeno y trigo (por lo que al etanol también se le llama alcohol de grano) y también se obtiene del jugo de la caña (por lo que también se le conoce como alcohol de caña). Los granos se cocinan en presencia de malta (que es cebada germinada) para convertir gran parte de su almidón en glucosa. Se agregan levaduras para convertir la glucosa en etanol y dióxido de carbono (sección 25.8).

CH3CH2CH2CH2OCH3

PROBLEMA 4✵ La reactividad relativa observada de los alcoholes primarios, secundarios y terciarios con un haluro de hidrógeno es 3° > 2° > 1°. Si los alcoholes secundarios tuvieran una reacción SN2 en vez de una SN1 con un haluro de hidrógeno ¿cuál sería la reactividad relativa de las tres clases de alcoholes?

Como la reacción de un alcohol secundario o terciario con un haluro de alquilo es SN1 se forma un carbocatión intermediario. Entonces, debe comprobarse la posibilidad de que haya un reordenamiento del carbocatión para determinar el producto de la reacción de sustitución. Recuérdese que habrá un reordenamiento del carbocatión si conduce a la formación de un carbocatión más estable (sección 4.6). Por ejemplo, el producto principal de la reacción del 3-metil-2-butanol con HBr es el 2-bromo-2-metilbutano porque un desplazamiento del hidruro 1,2 convierte al carbocatión secundario que se forma al principio en un carbocatión terciario, más estable.

C6H12O6 glucosa

enzimas de la levadura

2 CH3CH2OH + 2 CO2 etanol

10.2 Otros métodos para transformar alcoholes en haluros de alquilo

CH3

CH3

CH3CHCHCH3

+ HBr

CH3

CH3CHCHCH3 +

OH 3-metil-2-butanol

CH3CHCHCH3 +

OH H

desplazamiento de hidruro 1,2

+ H2O

carbocatión secundario

Los alcoholes son compuestos poco costosos y se consiguen con facilidad. Como se acaba de ver, no experimentan sustitución nucleofílica porque el grupo HO:2 es demasiado básico para ser desplazado por un nucleófilo. En consecuencia, se necesitan otros métodos para convertir los alcoholes, abundantes pero inertes, en haluros de alquilo reactivos que se puedan usar como materias primas en la preparación de muchos compuestos orgánicos (sección 8.4).

CH3 CH3CCH2CH3 +

carbocatión terciario

Br−

Br−

CH3

R

CH3

CH3CHCHCH3 Br

Br

Indique el producto principal que se forma en cada una de las reacciones siguientes:

OH

b.

CH3 OH + HCl

∆

CHCH3 + HBr

CH3 d.

OH CHCH3 + HCl

CH3CH2

OH

+ P

Br

∆

CH3CH2

Br tribromuro de fósforo

CH3 OH

−Nu

X

R

Nu

Br

CH3 c. CH3C

R

haluro de alquilo X = Cl, Br, I

Se acaba de ver que se puede convertir un alcohol en un haluro de alquilo tratándolo con un haluro de hidrógeno. Empero, se obtienen mejores rendimientos y se pueden evitar el reordenamientos del carbocatión si se usa un trihaluro de fósforo (PCl3, PBr3 o PI3)* o cloruro de tionilo (SOCl2). Todos estos reactivos actúan de la misma forma: convierten el alcohol en un compuesto intermediario que posee un grupo saliente que se desplaza con facilidad por un ion haluro. Por ejemplo, el tribromuro de fósforo convierte el grupo OH de un alcohol en un grupo bromosulfito, al cual puede desplazar con facilidad un ion bromuro.

2-bromo-2-metilbutano producto principal

PROBLEMA 5 ◆

a. CH3CH2CHCH3 + HBr

HX ∆

CH3CCH2CH3

2-bromo-3-metilbutano producto secundario

∆

OH

alcohol

+

OPBr2

CH3CH2

H Br

−

OPBr2 grupo bromofosfito

CH3CH2Br +

−

OPBr2

N N+ H

* Por su inestabilidad, el PI3 se genera in situ (en la mezcla de reacción) haciendo reaccionar fósforo con yodo.

10.3 Conversión de alcoholes en sulfonatos de alquilo

435

436

CAPÍTULO 10

Reacciones de alcoholes, aminas, éteres, epóxidos y compuestos sulfurados • Compuestos organometálicos

El cloruro de tionilo convierte un grupo OH en un grupo clorosulfito, que puede ser desplazado por el Cl:2. O CH3

OH + Cl

O

S

Cl

CH3

+

cloruro de tionilo

O

O Cl

S

S

Cl

CH3

H Cl

O

−

+

+

ROH

RO

S

H

O

O

O S

Cl

O

O R′

RO

R′

S

R′ +

Cl−

O

CH3Cl + SO2

grupo clorosulfito

+ Cl−

N+ H

N

N N+ H

Un ácido sulfónico es un ácido muy fuerte (pKa = 26.5) porque su base conjugada denota una estabilidad especial por la deslocalización de su carga negativa sobre tres átomos de oxígeno. (Recuérdese que, en la sección 7.6, se describió que la deslocalización electrónica estabiliza a las especies con carga). Como el ácido sulfónico es un ácido muy fuerte, su base conjugada es débil y el sulfonato de alquilo es un excelente grupo saliente. Obsérvese que el azufre dispone de una capa de valencia expandida; está rodeado por 12 electrones.

En general se usa piridina como disolvente en estas reacciones, porque evita la acumulación de HBr o HCl, y es un nucleófilo relativamente malo. + Cl−

+ HC1 N

+N

H

piridina

O

Halogenación de alcoholes 1

R

Las reacciones anteriores proceden bien con los alcoholes primarios y secundarios, pero los alcoholes terciarios dan malos rendimientos, porque el compuesto intermediario que se forma en ese caso está estéricamente impedido para el ataque del ion haluro. En la tabla 10.1 se resumen algunos de los métodos de uso común para convertir alcoholes en haluros de alquilo.

S

∆

ROH + HI

ZnCl2 ∆

ROH + HCl

piridina

RBr

piridina

RCl

ROH + SOCl2

piridina

RCl

R

S

O

R

S

O−

+ H+

O

O

O

S

CH3

Halogenación de alcoholes 2

O

Cl

S

O CH3

Cl

S

O

cloruro de para-toluensulfonilo

RCl

ROH + PBr3

O

O

RI

ROH + PCl3

S O

Se dispone de varios cloruros de sulfonilo para activar a los grupos OH; el más común es el cloruro de para-toluensulfonilo.

Cl

RBr

R

O−

O −

formas resonantes

Tabla 10.1 Métodos usados más frecuentes para transformar alcoholes en haluros de alquilo

ROH + HBr

OH

O

Halogenación de alcoholes 3

∆

O

CF3

O

cloruro de metanosulfonilo

cloruro de trifluorometanosulfonilo

Una vez activado el alcohol por haberlo convertido en un sulfonato de alquilo, se agrega el nucleófilo adecuado, en general bajo condiciones que favorezcan a las reacciones SN2. Las reacciones se llevan a cabo con facilidad a temperatura ambiente porque el grupo saliente es muy bueno. Por ejemplo, un ion para-toluensulfonato es unas 100 veces mejor que un ion cloruro como grupo saliente. Los sulfonatos de alquilo reaccionan con una gran variedad de nucleófilos y se pueden utilizar para sintetizar una gran variedad de compuestos.

10.3 Conversión de alcoholes en sulfonatos de alquilo Además de convertirse en haluros de alquilo, otra forma en que se pueden activar los alcoholes para que tengan reacciones con nucleófilos es convertirlos en sulfonatos de alquilo. Un sulfonato de alquilo se forma cuando un alcohol reacciona con un cloruro de sulfonilo.

Cl

S

−

+ CH3CH2CH2CH2

O

R′

piridina

O cloruro de sulfonilo

RO

S

O CH3

S

CH3CH2CH2CH2SCH3 +

O

O

O ROH +

O CH3S

−

O

−OTs

ROTs

R′ + Cl−

+

+ piridina –H

O sulfonato de alquilo

O −

C

N + CH3CH2CH2

O

O CH3

S O

La reacción es una sustitución nucleofílica. El alcohol desplaza al ion cloruro. Se usa piridina como disolvente y también para evitar que se acumule el HCl.

CH3

S O

CH3CH2CH2C

N +

−

O

CH3

S O

ROTs

−OTs

10.3 Conversión de alcoholes en sulfonatos de alquilo

El cloruro de para-toluensulfonilo se llama cloruro de tosilo y se abrevia TsCl; el producto de la reacción de cloruro de para-toluensulfonilo con un alcohol se llama tosilato de alquilo y se abrevia ROTs. Por consiguiente, el grupo saliente es 2:OTs. El producto de la reacción de cloruro de trifluorometanosulfonilo y un alcohol se llama triflato de alquilo y se abrevia ROTf.

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Reacciones de alcoholes, aminas, éteres, epóxidos y compuestos sulfurados • Compuestos organometálicos

Tutorial del alumno: Grupos salientes (Leaving groups)

PROBLEMA 7 Indique cómo se puede convertir 1-propanol en los compuestos siguientes a través de un sulfonato de alquilo. b. CH3CH2CH2OCH2CHCH3

a. CH3CH2CH2SCH2CH3

CH3 CH3CH2CH2OTs

+

−

+

CH3NH2

C

N

CH3CH2CH2C

N

−

+

OTs

tosilato de alquilo

CH3CH2CH2OTf

+

−

+

CH3CH2CH2NH2CH3

OTf

10.4 Reacciones de eliminación en los alcoholes:

triflato de alquilo

deshidratación Un alcohol puede experimentar una reacción de eliminación perdiendo un OH de un carbono y un H de un carbono adyacente. El producto de la reacción es un alqueno. En general, eso equivale a la eliminación de una molécula de agua. A la pérdida de agua de una molécula se le llama deshidratación. La deshidratación de un alcohol requiere un catalizador ácido y calor. Los catalizadores ácidos que más se usan son el ácido sulfúrico (H2SO4) y el ácido fosfórico (H3PO4). Recuérdese que un catalizador aumenta la rapidez de una reacción pero no se consume durante ella (sección 4.5). Así, la deshidratación de un alcohol es una reacción catalizada por ácido; el ácido no se consume. En contraste, la reacción de un alcohol con HBr para formar haluro de alquilo no es una reacción catalizada por ácido (sección 10.1) ya que el ácido se consume.

RESUELTO

PROBLEMA 6

Explique por qué el éter que se obtiene al tratar un alcohol ópticamente activo con PBr3 seguido por metóxido de sodio tiene la misma configuración que la del alcohol, mientras que el éter obtenido al tratar el alcohol con cloruro de tosilo, y después con metóxido de sodio, muestra configuración contraria a la del alcohol.

CH3 R

CH3 1. PBr3/piridina

C

OH

H

−

2. CH3O

C R

H2SO4

OCH3

H

∆

CH3CH2CHCH3

la misma configuración que la del alcohol

CH3CH

CHCH3 + H2O

OH

Las deshidrataciones de los alcoholes secundarios y terciarios son reacciones E1. CH3 1. TsCl/piridina

C R

CH3 OH

H

−

CH3O

2. CH3O

C

Tutorial del alumno: Síntesis de alquenos por deshidratación I (Alkene synthesis by dehydration I)

R H configuración opuesta a la del alcohol

Solución La conversión del alcohol en éter pasando por el haluro de alquilo requiere dos reacciones SN2 sucesivas: 1) ataque del Br:2 al bromofosfito y 2) ataque del CH3O:2 al haluro de alquilo. Cada reacción SN2 se efectúa con inversión de la configuración, de manera que el producto final tiene la misma configuración que la del material de partida. En contraste, la conversión del alcohol en éter por vía del tosilato de alquilo sólo requiere una reacción SN2: el ataque del CH3O:2 al tosilato de alquilo. Por consiguiente, el producto final y el material de partida presentan configuraciones opuestas.

CH3

CH3 C R

OH

piridina

C R

H

H

CH3

CH3

C R

PBr3

H

TsCl

OH

piridina

C R

H

CH3

Br−

Br

OPBr2

C

R

H

CH3

CH3O−

OTs

CH3O

C H

R

C R

formación de un carbocatión

CH3CHCH3 + H

OSO3H

CH3CHCH3

OH Tutorial del alumno: Síntesis de alquenos por deshidratación II (Alkene synthesis by dehydration II)

CH3

CH3O−

Mecanismo E1 para la deshidratación de un alcohol

OCH3

H Los alcoholes secundarios y terciarios presentan deshidratación a través de un mecanismo E1.

+

protonación del átomo más básico

OH H

H H2O HSO4−

carbocatión

CH2

CHCH3 +

CH2

CHCH3

H2O + H2SO4 una base extrae un protón de un carbono b


El ácido protona al átomo más básico en el reactivo. Como se explicó antes, la protonación convierte al grupo saliente, muy malo (HO:2), en un buen grupo saliente (H2O).
El agua sale y deja un carbocatión.
Una base en la mezcla de reacción (el agua es la base presente en mayor concentración) elimina a un protón de un carbono b (un carbono adyacente al carbono con carga positiva), forma un alqueno y regenera el catalizador ácido. Obsérvese que la deshidratación es una reacción E1 de un alcohol protonado. Cuando se puede formar más de un producto de eliminación, el producto principal es el alqueno más sustituido, el que se obtiene eliminando un protón del carbono b que tenga menos hidrógenos (sección 9.2). El alqueno más sustituido es el producto principal porque es el alqueno más estable, y tiene el estado de transición más estable para su formación (figura 10.1).

10.4 Reacciones de eliminación en los alcoholes: deshidratación

CH3

CH3

H3PO4

CH3CCH2CH3

∆

CH3C

CH3

CHCH3 + CH2

84%

OH

440

CAPÍTULO 10

Reacciones de alcoholes, aminas, éteres, epóxidos y compuestos sulfurados • Compuestos organometálicos

Como el paso determinante de la rapidez en la deshidratación de un alcohol secundario o terciario es la formación de un carbocatión intermediario, la rapidez de deshidratación refleja la facilidad con la que se forma el carbocatión: los alcoholes terciarios son los que se deshidratan con más facilidad porque los carbocationes terciarios son más estables y por consiguiente se forman con mayor facilidad que los carbocationes secundarios y primarios (sección 4.2). Para que haya deshidratación, los alcoholes terciarios deben calentarse a unos 50 °C en H2SO4 al 5%; los alcoholes secundarios deben calentarse a unos 100 °C en H2SO4 al 75%, y los alcoholes primarios sólo se pueden deshidratar bajo condiciones extremas (170 °C en H2SO4 al 75%) y con un mecanismo diferente porque los carbocationes primarios son demasiado inestables para formarse (sección 8.5).

Deshidratación de alcoholes

CCH2CH3 + H2O 16%

CH3

H3C OH

439

CH2

H2SO4 ∆

+

+

93%

H2O

7%

facilidad relativa de deshidratación

R más fácil de deshidratar

CH3 CH2 CCH2R + H3O+ CH3

CH3CCH2R +OH

H

CH3C

CHR + H3O+

Avance de la reacción

Ya se vio que un alqueno se hidrata (se le agrega una molécula de agua) en presencia de un catalizador ácido formando un alcohol (sección 4.5). La hidratación de un alqueno es la reacción inversa de la deshidratación de un alcohol catalizada por ácido. deshidratación hidratación

RCH

CH3C

∆

CH3 OH 3,3-dimetil-2-butanol

OH C

D

CH3CCH

CHCH3

+

CH3 carbocatión terciario

CH3 CH2

CH3C

CH3

CH3 +

CCH3 CH3

3,3-dimetil-1-buteno3%

CH3 CHOH

+

CCHCH3

H+

CH3

2,3-dimetil-2-buteno 64%

2,3-dimetil-1-buteno 33%

CH3 H2SO4

+CH

∆

reordenamiento con expansión del anillo

+

H

CH3

B

H

+

CH3

reordenamiento

+ H2O

carbocatión secundario

CH3 +

PROBLEMA 9 Explique por qué la deshidratación de un alcohol catalizada por ácido es una reacción reversible, mientras que la deshidrohalogenación de un haluro de alquilo con una base es una reacción irreversible.

CH2

La siguiente reacción es un ejemplo de un reordenamiento con expansión del anillo. El carbocatión que se forma al principio y el que se forma por el reordenamiento del primero son ambos carbocationes secundarios, pero el que se forma al principio es menos estable por la tensión de su anillo de cuatro miembros (sección 2.11). El reordenamiento con formación de un anillo mayor alivia esta tensión. El carbocatión secundario reordenado se puede volver a reordenar mediante un desplazamiento de hidruro 1,2 y formar un carbocatión terciario todavía más estable.

¿Cuál de los siguientes alcoholes se deshidrataría con más rapidez al calentarlo con ácido?

CH3 OH

+

CH3

+ H2O

CH3

PROBLEMA 8 ◆

B

más difícil de deshidratar

alcohol primario

CH3C

+

carbocatión secundario

CHR + H2O + H+

CH2OH

alcohol secundario

desplazamiento de metilo 1,2

CHCH3

CH3

Para evitar que el alqueno formado en la reacción de deshidratación se hidrate y vuelva a formar el alcohol, se puede eliminar el alqueno a medida que se forma porque su punto de ebullición es mucho menor que el del alcohol (sección 2.9). Al eliminar un producto la reacción se desplaza hacia la derecha. (Véase el Principio de Le Châtelier, sección 3.7).

A

CH3C

H+

CH3 OH

CH3

H3PO4

CHCH3

OH

CH3

RCH2OH

La deshidratación de los alcoholes secundarios y terciarios implica la formación de un carbocatión intermediario; se debe verificar la estructura del carbocatión para comprobar si hay posibilidad de reordenamientos. Recuérdese que un carbocatión se reordena si así se produce un carbocatión más estable (sección 4.6). Por ejemplo, el carbocatión secundario que se forma primero en la reacción siguiente se reordena y forma un carbocatión terciario más estable:

Figura 10.1

Diagrama de coordenada de reacción para la deshidratación de un alcohol protonado. El producto principal es el alqueno más sustituido porque el estado de transición que lleva a su formación es más estable y permite que el alqueno se forme con mayor rapidez.

CH3

RCH2CHR + H+

>

RCHOH

R alcohol terciario

CH3CCH 2R + + H2O ▲

Energía libre

CH3

CH3

R >

RCOH

carbocatión terciario

donde B: es cualquier base presente en la disolución.

HB+

10.4 Reacciones de eliminación en los alcoholes: deshidratación

441

442

CAPÍTULO 10

Reacciones de alcoholes, aminas, éteres, epóxidos y compuestos sulfurados • Compuestos organometálicos

carbocatión, del carbono b unido con menos hidrógenos (de acuerdo con la regla de Zaitsev), forma el 2-buteno, producto final de la reacción.

PROBLEMA 10 ◆ ¿Qué producto se formaría si el alcohol anterior, con anillo de cuatro miembros, se calentara con una cantidad equivalente de HBr y no con una cantidad catalítica de H2SO4?

H2SO4

CH3CH2CH2CH2OH

∆

H+

CH3CH2CH

1-butanol

PROBLEMA 11 ◆

CH3

CH3CH2CHCH3

CH3CH

+

CHCH3 + H+

2-buteno

+ H2O

Ordene los siguientes alcoholes por rapidez decreciente de deshidratación en presencia de ácido:

CH2OH

CH2

1-buteno

PROBLEMA 12

CH3

OH

Una buena forma de preparar un éter simétrico, como el éter dietílico, es calentar un alcohol con ácido sulfúrico.

OH

a. Explique por qué no es un buen método para preparar éteres asimétricos como el éter etilpropílico. b. ¿Cómo sintetizaría usted el éter etilpropílico?

Mientras que la deshidratación de un alcohol terciario o secundario es una reacción E1, la de un alcohol primario es una reacción E2 porque los carbocationes primarios son demasiado inestables para formarse. Cualquier base (B:) en la mezcla de reacción (ROH, ROR, H2O, HSO42) puede extraer el protón en la reacción de eliminación. También se obtiene un éter; es el producto de una reacción SN2 en competencia, ya que los alcoholes primarios son los que con más probabilidad forman productos de sustitución en las reacciones SN2/E2 (sección 9.8).

Los alcoholes primarios presentan deshidratación por un mecanismo E2.

Mecanismo E2 de la deshidratación de un alcohol y de la sustitución (SN2) en competencia CH3CH2OH + H

OSO3H

protonación del átomo más básico

CH2

+

H

H OH

SN2

OSO3H

+

CH3CH2OCH2CH3 H

ataque del nucleófilo por el lado de atrás

CH3CH2CHCH3

H3C +

C

H

+ H2O

OH

H C

+

CH3

CH3 C

H

trans-2-buteno 74%

+ CH3CH2CH

C

+ H+

CH2

1-buteno 3%

H

cis-2-buteno 23%

Lo aprendido acerca de los mecanismos por los que los alcoholes llevan a cabo reacciones de sustitución y eliminación se puede resumir como sigue: reaccionan por las rutas SN1 y E1, a menos que no puedan. En otras palabras, los alcoholes 3° y 2° tienen reacciones SN1 y E1, y los alcoholes primarios, como no pueden formar carbocationes primarios, deben tener reacciones SN2 y E2. Las condiciones relativamente severas (ácido y calor) necesarias para deshidratar los alcoholes y los cambios estructurales que resultan por los reordenamientos de los carbocationes pueden dar como resultado bajos rendimientos del alqueno que se desea. Sin embargo, la deshidratación se puede llevar a cabo bajo condiciones más suaves usando oxicloruro de fósforo (POCl3) y piridina.

Los alcoholes y los éteres presentan reacciones SN1/E1, si no forman un carbocatión primario; en ese caso tienen reacciones SN2/E2.

−

+

+

∆

2-butanol

E2

eliminación de un protón de un carbono b

CH3CH2OH + CH3CH2

H3C

H2SO4

CH3CH2CHCH3

CH2 CH2 + H2O + HB+ OH H producto de eliminación

CH2

B

El resultado estereoquímico de la deshidratación E1 de un alcohol es idéntico al resultado estereoquímico de la deshidrohalogenación E1 de un haluro de alquilo. Esto es, se obtienen los dos isómeros, E y Z, como productos. En la reacción se obtiene más del estereoisómero en el que el grupo más voluminoso en cada uno de los carbonos con hibridación sp2 se halla en los lados opuestos del enlace doble; ese estereoisómero, por ser más estable, se forma con más rapidez, ya que el estado de transición que lleva a su formación es más estable (sección 9.5).

CH3CH2OCH2CH3 + HB+ producto de sustitución

B CH3CH2CHCH3

POCl3 piridina, 0 °C

CH3CH

CHCH3

OH

Aunque la deshidratación de un alcohol primario es una reacción E2 y en consecuencia no forma carbocatión intermediario, el producto que se obtiene en la mayor parte de los casos es idéntico al que se obtendría si se hubiera formado un carbocatión en una reacción E1 y después se hubiera reordenado. Por ejemplo, es de esperar que el 1-buteno sea el producto de la deshidratación E2 del 1-butanol; no obstante, se encuentra que en realidad el producto es 2-buteno, que hubiera sido el producto si hubiese sucedido una reacción E1 y el carbocatión intermediario que se formara al principio se hubiera reordenado y pasado a un carbocatión secundario más estable. El 2-buteno es el producto de la reacción no porque la reacción sea E1, sino porque después que se forma el producto E2 (1-buteno) se agrega un protón de la disolución ácida al enlace doble, adicionándose al carbono con hibridación sp2 que tenga más hidrógenos (de acuerdo con la regla que gobierna las reacciones de adición electrofílica, sección 4.4) para formar un carbocatión. La pérdida de un protón del

La reacción con POCl3 convierte al grupo OH del alcohol en OPOCl2, que es un buen grupo saliente. Las condiciones básicas de reacción favorecen a la reacción E2, de modo que no se forma un carbocatión y no hay reordenamientos de carbocatión. La piridina sirve como base para extraer al protón en la reacción de eliminación y para evitar la acumulación de HCl, que se adicionaría al alqueno. CH3 CH3CH

CH3

O OH

+ P Cl Cl Cl oxicloruro de fósforo

CH3CH

+

O

CH3

O P

CH2

H Cl Cl N

H

+ Cl−

CH

O O

P

CH2

2 N

CHCH3

Cl Cl N+ H

+

−

OPOCl2

10.4 Reacciones de eliminación en los alcoholes: deshidratación

443

DESHIDRATACIONES BIOLÓGICAS En muchos procesos biológicos importantes se efectúan reacciones de deshidratación. En lugar de ser catalizadas por ácidos fuertes, que no estarían disponibles en una célula, son catalizadas por enzimas. Por ejemplo, la fumarasa es la enzima que cataliza la deshidratación del malato en el ciclo del ácido cítrico (sección 25.10). El ciclo del ácido cítrico es una serie de reacciones donde se oxidan los compuestos derivados de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos.

O

CH2

H

C

C

CH

O

OH

O

fumarasa

−

C

−

C

O

O− + H2O

C

C

H

fumarato

malato

La enolasa, otra enzima, cataliza la deshidratación del a-fosfoglicerato en la glicólisis (sección 25.7). La glicólisis es una serie de reacciones que preparan a la glucosa para entrar al ciclo del ácido cítrico.

O

OH

OPO32−

materia prima, por lo que en él se efectúa la protonación. Por la pérdida de agua se forma un carbocatión terciario.

enolasa

O−

C

H3C

CH3 CH3

+

+

H3C O− +

+

H2O

En vista de que la materia prima contiene un anillo de siete miembros y el producto final cuenta con un anillo de seis miembros, debe haber un reordenamiento con contracción del anillo. Cuando sucede un reordenamiento con contracción del anillo (o uno de expansión del anillo), es útil identificar los carbonos equivalentes en el reactivo y el producto, como se ve abajo. De las dos rutas posibles de contracción del anillo, una lleva a un carbocatión terciario y la otra a un carbocatión primario. La ruta correcta debe ser la que conduce a un carbocatión terciario ya que ese carbocatión posee el mismo ordenamiento de átomos que el producto y porque un carbocatión primario sería demasiado inestable para formarse.

2

C CH2

carbocatión terciario

CH3

CH3 CH3 1 +

H3C

CH3 CH3

H3C

CH3

2 + 1

H2O

OPO32− fosfoenolpiruvato

a-fosfoglicerato

H3C

2

1

PROBLEMA 13 ◆

2

+

CH3 CH3 1

carbocatión primario

CH + 2

Ya se puede obtener el producto final eliminando un protón del carbocatión reordenado.

¿Qué alcohol trataría usted con oxicloruro de fósforo y piridina para obtener cada uno de los alquenos siguientes?

c. CH3CH

CH2

CH3

H

H2O

CH3 a. CH3CH2C

CH3 CH3

H3C

O

C CH

Reacciones de alcoholes, aminas, éteres, epóxidos y compuestos sulfurados • Compuestos organometálicos

OH H

O

CH2

CAPÍTULO 10

O

O −

444

CH2 +

H3C

CHCH2CH3

2

CH2

CH3 H3C

1

2

CH3

1

CH2

b.

d.

Ahora continúe con el problema 14.

PROBLEMA 14 Proponga un mecanismo para cada una de las reacciones siguientes:

ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS

a.

Proposición de un mecanismo

CH3 CH3 OH

CH2 H+

H2SO4

b.

CH3

CH2OH

CH3 H2SO4 ∆

H3C

∆

c. Se puede deducir hasta el mecanismo aparentemente más complicado si se avanza paso a paso y se tiene en cuenta la estructura del producto final. El oxígeno es el único átomo básico en la

CH3 OH

CH3

CH3

∆

OH

Proponer un mecanismo para la siguiente reacción:

H3C

CH3 CH3

+ HBr

CH3 CH3 Br CH3

+

+ H3O

10.5 Oxidación de los alcoholes

445

446

CAPÍTULO 10

Reacciones de alcoholes, aminas, éteres, epóxidos y compuestos sulfurados • Compuestos organometálicos

Con esos reactivos, los alcoholes primarios se oxidan inicialmente a aldehídos; sin embargo, la reacción no se detiene en el aldehído. En lugar de ello, el aldehído se sigue oxidando (aumenta la cantidad de enlaces C — O) y forma un ácido carboxílico.

PROBLEMA 15 ◆ Indique el producto principal que se forma cuando se calienta cada uno de los alcoholes siguientes en presencia de H2SO4:

CH3 a. CH3CH2C

CHCH3

[

O CH3CH2CH2CH

alcohol primario

OH CH3

CH2OH CH3

OH CHCH2CH3

b.

H2CrO4

CH3CH2CH2CH2OH

d.

e. CH3CH2CH

OH

c.

CH3 N+ H

f. CH3CH2CH2CH2CH2OH

aldehído

O más oxidación

CH3CH2CH2COH ácido carboxílico

La oxidación de un alcohol primario se detiene en el aldehído si se usa clorocromato de piridinio (PCC, de pyridinium chlorochromate) como agente oxidante en un disolvente como diclorometano (CH2Cl2). En la sección 19.2 se explicará por qué la reacción se detiene en el aldehído.

Los alcoholes primarios se oxidan a ácidos carboxílicos y a aldehídos.

CCH3

OH

]

O

CrO3Cl−

PCC CH2Cl2

CH3CH2CH2CH2OH alcohol primario

clorocromato de piridinio PCC

CH3CH2CH2CH aldehído

Obsérvese que en la oxidación de un alcohol primario o uno secundario se elimina un hidrógeno del carbono al que está unido el OH. El carbono que presenta el grupo OH en un alcohol terciario no está unido a un hidrógeno, por lo que su grupo OH no puede oxidarse y formar un grupo carbonilo.

PROBLEMA 16 Cuando se calienta el siguiente compuesto en presencia de H2SO4:

no se puede oxidar para formar un grupo carbonilo

CH3 CH3

C

OH

CH3 alcohol terciario

En la reacción general de oxidación intervienen reacciones SN2 y E2. a. ¿Cuál isómero constitucional se produce con mayor rendimiento? b. ¿Cuál estereoisómero de los obtenidos en la parte a se produce con mayor rendimiento?

Mecanismo de la oxidación de un alcohol con ácido crómico H

O HO

10.5 Oxidación de los alcoholes

alcoholes secundarios

HO

Cr

+H

O OH

RCH2

O RCH2OH Tutorial del alumno: Reacciones de oxidación de los alcoholes (Oxidation Reactions of Alcohols)

O +

O

Cr

H

O

B

reacción E2

O OH

RCH

O

H B

Cr

RCH

OH

O + H2CrO3

O cromato de alquilo

+

HB

+ H2O


En la disolución ácida se protona un oxígeno del ácido crómico.
La molécula de alcohol desplaza a una molécula de agua en una reacción SN2 sobre el cromo.
Una base presente en la mezcla de reacción (H2O, ROH) elimina un protón del intermediario fuertemente ácido.
Una base elimina un protón del cromato de alquilo en una reacción E2 y forma el compuesto carbonílico, regenerando el ácido que se usó en el primer paso.

O

OH

CH3CH2CCH3 O

PROBLEMA 17 ◆

Na2Cr2O7 H2SO4

Los alcoholes secundarios se oxidan a cetonas.

O

OH CHCH2CH3

Tutorial del alumno: Cambios en el estado de oxidación (Changes in oxidation state)

cetonas

OH CrO3 H2SO4

OH

reacción SN2

O

O

Un reactivo que se usa con frecuencia para oxidar los alcoholes es el ácido crómico (H2CrO4), que se forma cuando se disuelven trióxido de cromo (CrO3) o dicromato de sodio (Na2Cr2O7) en ácido acuoso. Los alcoholes secundarios se oxidan a cetonas. Estas reacciones de oxidación se reconocen con facilidad porque disminuye la cantidad de enlaces C — H y aumenta la cantidad de enlaces C — O (sección 4.9).

CH3CH2CHCH3

Cr

B+

H2CrO4

CCH2CH3

Indique el producto que se forma en la reacción de los compuestos siguientes con una disolución ácida de dicromato de sodio: a. 3-pentanol b. 1-pentanol

c. 2-metil-2-pentanol d. 2,4-hexanediol

e. ciclohexanol f. 1,4-butanediol