REACCIONES ORGANICAS COMPUESTOS AROMATICOS QUIMICA ORGANICA INGENIERIA BIOMEDICA
Dra. Ing. María Julia Barrionuevo
REACCIONES DE SUSTITUCION NUCLEOFILICA BIMOLECULAR
Sustitución nucleófila bimolecular (SN2) Es el ataque de un grupo con pares solitarios (nucleófilo) a un carbono polarizado positivamente con pérdida del grupo saliente. La velocidad de la reacción depende de la estructura del sustrato, naturaleza del nucleófilo, grupo saliente y disolvente.
MECANISMO DE LA SUSTITUCION Mecanismo de la SN2 Reacción en un sólo paso. Se produce simultáneamente el ataque del nucleófilo y la pérdida del grupo saliente. La aproximación del nucleófilo al carbono se produce por el lado opuesto al grupo saliente, llamado ataque dorsal.
+ Br:-
CH3
HO C
Nucleófilo electrófilo
H
Br
D
Estado de transición
Producto
Grupo saliente
MECANISMO DE LA SUSTITUCION
En el producto el nucleófilo asume la posición estereoquímica opuesta a la posición que ocupaba el grupo saliente (inversión de Walden)
REACCIONES DE SUSTITUCION
Estereoquímica En la reacción SN2 el nucleófilo ataca por el lado opuesto al grupo saliente lo que supone inversión del centro quiral.
Grupo saliente La reacción SN2 requiere buenos grupos salientes, aumentando su velocidad al aumentar la aptitud de éste (haluros, agua, alcoholes, aminas)
Influencia del sustrato
Los RX primarios y secundarios dan reacciones SN2. Los terciario no permiten el ataque del nucleófilo, por impedimentos estéricos. Velocidades relativas en las reacciones SN2:
CH3X > 1º > 2º > 3º
REACCIONES DE SUSTITUCION
Influencia del nucleófilo La velocidad de la SN2 aumenta por mayor nucleofilia del atacante. No transcurre con nucleófilos: agua, alcoholes, ácido acético.
El disolvente Los disolventes apróticos SN2 (alcohol, acetonitrilo, dimetil formamida, acetona)
REACCIONES DE SUSTITUCION
REACCIONES DE SUSTITUCION o
Sustitución nucleófila unimolecular (SN1) En SN1 el sustrato se ioniza, formando un carbocatión, luego es atacado por el nucleófilo. La reacción sólo tiene lugar con sustratos secundarios o terciarios y su velocidad no depende del nucleófilo.
REACCIONES DE SUSTITUCION UNIMOLECULAR
Mecanismo de la SN1 Dos etapas; la primera pérdida del grupo saliente con formación del carbocatión; en la segunda ataca el nucleófilo. Paso 1: formación de un carbocatión (limitante de la velocidad) lento
Paso 2: ataque nucleofilico en el carbocatión rápido
Paso final: cesión de un protón al disolvente rápido
REACCIONES DE SUSTITUCION
Estereoquímica En SN1 el nucleófilo ataca al carbocatión formado por ambas caras, lo que genera mezcla de enantiómeros. Grupo saliente SN1 requiere grupos salientes polarizables. Base débil, estable después de desprenderse,
Influencia del sustrato RX secundarios y terciarios dan reacciones SN1. Influencia del nucleófilo
La velocidad de la SN1 no es afectada por el tipo de nucleófilo. Paso determinante de velocidad es la pérdida del grupo saliente. Reactividad SN1: 3º > 2º > 1º > CH3X
El disolvente: Los disolventes polares estabilizan el carbocatión y favorecen la velocidad de la SN1: agua y alcoholes.
REACCIONES DE SUSTITUCION Transposición de metilo en una reacción SN1
COMPETENCIA ENTRE LAS REACCIONES SUSTITUCIONES Competencia SN1 - SN2. Mecanismo esperado según el tipo de sustrato
Sustrato
SN 1
S N2
CH3Br
No se observa (CH3+ inestable)
Rápida
Primario
No se observa (inestables)
Rápida
Secundario Terciario
Relativamente lenta, disolventes próticos: agua y alcoholes. No depende del nucleófilo. Rápida
Relativamente lenta, mejora con disolventes apróticos (acetona, DMF) No se produce
ELIMINACION BIMOLECULAR
Eliminación bimolecular (E2): Se requieren bases fuertes y disposición anti del hidrógeno con respecto al grupo saliente.
Mecanismo de la E2: RX al ser tratados con bases fuertes generan alquenos (E2).
i) ii)
En i) el carbono que contiene el grupo saliente (alfa), los contiguos a él los beta que poseen los hidrógenos que arranca la base. En ii) hay dos carbonos beta lo que genera mezcla de dos alquenos.
REACCION DE ELIMINACION oREGLA DE SAYTZEFF
ELIMINACION UNIMOLECULAR •
Eliminación unimolecular (E1): Se forma un carbocatión primero. Requieren bases débiles y pueden dar lugar a transposición de carbocationes.
Mecanismo de la E1: desprotonación del carbocatión para formar alquenos, E1. Primer paso, lento es la disociación del sustrato para formar el carbocatión, y en la segunda etapa pierde protón.
ELIMINACION UNIMOLECULAR
COMPETENCIA ENTRE LAS REACCIONES DE ELIMINACION
Competencia E1 - E2 E1
E2
Factores influyentes Base
Bases débiles
Disolvente
Disolventes ionizantes
Sustrato
3º > 2º
Características Cinética Orientación
Bases fuertes Amplia variedad de disolventes 1º > 2º
Primer orden, kr[RX] Segundo orden, kr[RX][B:-] Alquenos más Alquenos más sustituidos sustituidos
Estereoquímica
Sin geometría especial
Estado de transición coplanar
Reordenamiento
frecuentes
imposible
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Aromaticidad del benceno Es estable por deslocalización por resonancia de los electrones π que forman los dobles enlaces. Estructuras de Kekulé
Representación por resonancia
representación combinada
Longitud C-C 1,39Å (equivaldría a un orden de enlace =1 ½ ) C=C 1,34 Å C-C 1,48 Å
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Regla de Hückel: Aromaticidad del benceno El benceno es un sistema cíclico de 6 electrones deslocalizados en hibridación sp2 que deslocaliza los electrones p y confiere al benceno una gran estabilidad. La nube debe contener un total (4 n + 2) electrones Energía de estabilización aromaticidad, Regla 1.- Un sistema aromático debe ser cíclico y plano (sin carbonos sp3 en el ciclo) Regla 2.- Existe conjugación cíclica de los dobles enlaces. Regla 3.- El número de electrones del sistema aromático cumple la fórmula 4n + 2, con n = 0, 1, 2, 3, etc. (n es el número de ciclos)
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Reacciones inusuales del benceno
KMnO4, H2O No reacciona
Se oxida
Br2, CCl4
Adición rápida
No reacciona
HI
No reacciona
Adición rápida
H2/Ni
Hidrogenación
Hidrogenación
Lenta (100-200º, 100 at)
Rápida (25º, 1,3 at)
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Estabilidad inusual del benceno + H2
∆Hº= 28,6 kcal
catalizador + 2 H2
∆Hº= -55,4 kcal
presión alta
+ 3 H2
∆Hº teórico= -85,8 kcal ∆Hº medido= -49,8 kcal
Energía de resonancia= 36 Kcal
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Propiedades físicas El benceno es un líquido incoloro de PE 80ºC, combustible, insoluble en agua y soluble en solventes orgánicos
Reactividad del benceno SE del benceno tiene lugar por adición del electrófilo al anillo seguida de la pérdida de un protón que permite la recuperación de la aromaticidad.
Mecanismo: Sustitución electrofílica aromática Paso 1: el ataque del electrófilo da lugar al complejo sigma
H
+E
+
E
H
E
H
+
E
+ + complejo sigma (ión arenio)
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Paso 2: La pérdida de un protón da lugar al producto de sustitución Base:¨ H
E
E
+
Energia Potencial
+ Base-H
+E+ E
Coordenadas de Reacción
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Halogenación del Benceno Benceno reacciona con halógenos en presencia de ácidos de Lewis, sustituyendo uno de sus hidrógenos por el halógeno.
Nitración del benceno La nitración utiliza como reactivo una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico. El ácido sulfúrico protona el -OH del ácido nítrico y genera catión nitronio, NO2+
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Sulfonación del benceno La sulfonación utiliza como reactivo ácido sulfúrico fumante, (disolución al 8% de SO3 en ácido sulfúrico concentrado).
Alquilación de Friedel Crafts Añade cadenas carbonadas al anillo aromático. Reactivos: RX en presencia de un ácido de Lewis, que interacciona con el grupo saliente catalizando la reacción.
Problemas: polialquilaciones y transposiciones de carbocatión.
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Acilación de Friedel Crafts Añade grupos acilos al anillo aromático. Reactivos RCOX en presencia de un ácido de Lewis, que interacciona con el grupo saliente generando cationes acilo que son atacados por el benceno.
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Activantes y desactivantes: Activantes débiles (orto y para): -CH3, -C6H5 Activantes fuertes (orto y para): -OH, -OR, -NH2, -NR2 Desactivantes débiles (orto y para): -F, -Cl, -Br, -I Desactivantes fuertes (meta): -COR, -CO2H, -COOR, SO3H, -NO2, -CN, -+NR3
Ejemplos
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Sustitución en la cadena lateral. Halogenación por radicales libres Cl
ó luz (h*)
H3C
+ Cl2
H3C
AlCl3
H3C
H3C
Cl
+ Cl
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Oxidación de cadenas laterales El permanganato de potasio y el dicromato de potasio permiten oxidar grupos alquilo del benceno. La cadena rompe por la posición bencílica independientemente de su longitud, generando ácido benzoico.
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Heterociclos aromáticos
Compuestos cíclicos con átomos distintos de carbono formando parte del ciclo. Se denomina heteroátomo.
Los ciclos pueden ser de diferente tamaño; pueden contener uno o más heteroátomos diferentes oxigeno, nitrógeno ó azufre.
La química de heterociclos tiene una enorme importancia. Ejemplo, las bases nitrogenadas de ADN son heterociclos, ejemplos: N
N
PIRIDINA
N H PIRROL
N H IMIDAZOL
O FURANO
O PIRANO
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Regla de Hückel Un heterociclo es aromático si cumple la regla de Hückel: (sin carbonos sp3 que formen parte del ciclo) Debe contener 4n+2 electrones π conjugados cíclicamente. Clasificación heterociclos aromáticos: heterociclos con exceso electrónico o -excedentes y heterociclos con defecto electrónico o -deficientes.
HIDROCARBUROS AROMATICOS : BENCENO Hidrocarburos aromáticos polinucleares Formados por dos o más anillos bencénicos fusionados. Los anillos fusionados comparten dos átomos de carbono y el enlace entre ellos.
Naftaleno
Antraceno
Fenantreno
Hidrocarburos aromáticos polinucleares > Nº C (HAP) Los HAP se forman por combustión incompleta de los compuestos orgánicos, algunos cancerigenos. Ej en el humo del tabaco.
pireno
benzo[]pireno
dibenzopireno
HIDROCARBUROS AROMATICOS : BENCENO REACCION DE NAFTALENO HIDROGENACION Ni
+
H2 180ºC
OXIDACION O O
+ O2
H2O
+
2 CO2
OH
+
O
H2O
+
O O
OH
HIDROCARBUROS AROMATICOS : BENCENO Cl Cl2
+
O HNO3
H Cl
-
+
N
O
+
H2O
OH O
S
O
40 - 60ºC H2SO4
+ O
170ºC
S
H2O
OH O
+
H2O
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO El benzo[]pireno se encuentra en el hollín de las chimeneas, en la carne a la brasa y en el humo del tabaco. Los efectos cancerigenos se deben a su epoxidación a óxidos de areno, los cuales pueden ser atacados por las bases nucleofilicas del ADN.
oxidasa
O
hidratasa
benzo[]pireno oxaciclopropano O
oxidasa
HO HO
7,8-dihidrobenzo[]pireno trans 7,8 diol
HO HO
carcinógeno
HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO
Proceso carcinogénico O
O
N N
ADN HO
ADN
NH N
NH
HO
HO HO HO
