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Los alquenos poseen en su estructura un doble enlace → los carbonos tienen hibridación sp2 formando una unión enlace sigma con otro carbono sp2; y a su vez → enfrentados dos orbitales p de cada uno de los carbono para formar el doble enlace (enlace π). LA UNIÓN C=C ES MÁS FUERTE QUE LA UNIÓN C-C. LA REACCIÓN MÁS IMPORTANTE QUE SE DA EN LOS ALQUENOS ES LA REACCIÓN LA ADICIÓN ELECTROFÍLICA. Etileno El etileno se encuentra en pequeñas cantidades como hormona vegetal; es un gas producido naturalmente por las frutas durante la maduración. Estimula los cambios en el color de la piel o cáscara y produce ablandamiento y mejorías del sabor. Usos industriales El etileno y el propileno son las sustancias orgánicas de mayor volumen industrial; pueden ser usados para sintetizar una amplia variedad de compuestos útiles. La reactividad del doble enlace hace que su uso en la industria sea vital → especialmente su polimerización. Propiedades físicas ESTADO NATURAL → a temperatura ambiente y a 1atm de presión → del C2 al C4 son gases. Del C5 al C18 son líquidos y del C19 en adelante son sólidos. Tienen fórmula molecular CnH2n. SOLUBILIDAD → son compuestos apolares o muy poco polares → son insolubles en agua. Sin embargo → son bastante solubles en líquidos no polares como benceno, éter, cloroformo, etc. PUNTOS DE EBULLICIÓN → crecen con el aumento en el número de carbonos. Las ramificaciones disminuyen el punto de ebullición. PUNTO DE FUSIÓN → aumentan también a medida que es mayor el número de átomos de carbonos. DENSIDAD → tienen densidades menores a 1 g/mL y a medida que crece el tamaño del alqueno aumenta la densidad. Alquenos 9° T E O R I C O Los dos ácidos de más abajo en la tabla → ambos son sólidos → el ácido fumárico es trans y tiene un punto de fusión que el ácido maleico que tiene disposición cis de sus grupos. EL MAYOR REORDENAMIENTO DEL ÁCIDO TRANS FUMÁRICO CON RESPECTO AL ÁCIDO CIS MALEICO LE OTORGA UN MAYOR PUNTO DE FUSIÓN. Isomería geométrica Para los alquenos, que son DISUSTUTUIDOS → puede usarse la nomenclatura cis y trans → refiriéndose a la posición de los sustituyentes del mismo lado del doble enlace o del lado contrario. Para un sistema sustituido por 4 GRUPOS DIFERENTES → ya no sería útil la nomenclatura de cis y trans → debería hablarse de nomenclatura Z/E. Se debe determinar cuáles son los grupos de mayor prioridad en cada uno de los carbonos que forman parte del doble enlace. Si los dos átomos con mayor prioridad quedan del MISMO LADO del doble enlace → Z; si quedan de LADOS OPUESTOS → E. Estabilidad de los alquenos Los calores de combustión servirán para comparar las estabilidades de alquenos isoméricos. Si se consideran los calores de combustión de los 4 alquenos isoméricos de fórmula molecular C4H8: TODOS EXPERIMENTAN COMBUSTIÓN → produciendo dióxido de carbono y agua en la misma cantidad. Cuando los calores de combustión de los isómeros se representan gráficamente se observa que → el isómero de mayor energía, el menos estable, es el 1-buteno; y el isómero de menor energía, el más estable es el 2-metilpropeno. Entre ellos → se tiene a 2 isómeros → al cis-2- buteno y al trans-2-buteno. El isómero trans, en la figura, resulta ser de menor energía que el cis. Si se miran los modelos espaciales → se observa que los restos metilos se aproximan mucho más entre sí en los isómeros cis que en los isómeros trans → que están libres de tensión. LOS ALQUENOS SERAN MÁS ESTABLES CUANDO LOS SUSTITUYENTES MÁS VOLUMINOSOS ESTÉN EN TRANS QUE CUANDO ESTÉN EN CIS. Los factores más importantes que rigen la estabilidad de los alquenos son los siguientes: GRADO DE SUSTITUCIÓN → el grado de sustitución hace referencia a que se clasifique a los dobles enlaces como monosustituidos, disustituidos, trisustituidos o tetrasustuidos DE ACUERDO CON EL NÚMERO DE ÁTOMOS DE CARBONOS UNIDOS EN FORMA DIRECTA A LA UNIDAD ESTUCTURAL C=C. Los carbonos sp2 de los enlaces dobles atraen electrones y los alquenos se van a ir estabilizando por sustituyentes que liberen electrones a esos carbonos (como es el caso de los restos alquilos). LOS ALQUENOS CON ENLACES DOBLES MÁS SUSTITUIDOS SON MÁS ESTABLES QUE LOS ISÓMEROS CON ENLACES DOBLES MENOS SUSTITUIDOS. TENSIÓN ESTÉRICA → los alquenos son más estables cuando los sustituyentes más voluminosos están en configuración trans. Síntesis de alquenos por deshidratación de alcoholes Un alcohol se puede deshidratar, PERDER UNA MOLÉCULA DE AGUA, a partir de ácido sulfúrico y crear entonces un doble enlace → SE TRASFORMA EN EL ALQUENO MÁS SUSTITUIDO. Cuando reacciona el grupo oxhidrilo sustrayendo un protón del ácido sulfúrico → se produce la formación de un OXONIO → éste oxonio le lleva un par de electrones a la unión C-O para eliminar una molécula neutra de agua. Así → se forma una especie cargada positiva → el CARBONO CARGADO POSITIVO. Para que ocurra la obtención del alqueno más sustituido → SE DEBE REORDENAR ESE CARBOCATIÓN PARA LLEGAR A UN CARBOCATIÓN TERCIARIO. Luego, en el último paso → LA DESPROTONACIÓN POR MEDIO DEL AGUA → se forma el alqueno más sustituido. De esta reacción se forman dos carbocationes como intermediarios de reacción → el primero es un CARBOCATIÓN SECUNDARIO → EL CUAL SE REORDENA A OTRO MÁS ESTABLE QUE ES EL CARBOCATIÓN TERCIARIO. De allí → EL ÚLTIMO PASO DE LA REACCIÓN IMPLICA LA ELIMINACIÓN DEL HIDRÓGENO PARA FORMAR EL ALQUENO MÁS SUSTITUIDO. El alqueno mayoritario que se obtenga de la reacción será el producto de transposición más sustituido. Se va a producir también, luego del reordenamiento hacia el carbocatión terciario → el producto menos sustituido (33%) → y es lógico esperar un porcentaje pequeño o casi nulo que resulte de la eliminación del hidrógeno para formar un producto de la no transposición proveniente del carbocatión secundario formado. Estabilidad de los carbocationes UN CARBOCATIÓN ES UN CARBONO CON FALTA DE UN ELECTRÓN → la distribución geométrica de este carbono sp2 es trigonal plana → SE ENCUENTRA UN ORBITAL VACÍO P QUE LE FALTA EL ELECTRÓN QUE LO CONVIERTE EN CARBOCATIÓN. EL CARBOCATIÓN SE REORDENA A UN CARBOCATIÓN TERCIARIO. Los restos alquilos estabilizan a los carbocationes al ceder densidad electrónica al carbono con carga positiva dispersando por ello, la carga positiva → esta dispersión de carga positiva va de la mano con la deslocalización electrónica. Hay dos formas principales en que los restos alquilos van actuar como fuente de electrones para estabilizar a los carbocationes → son el EFECTO INDUCTIVO y el EFECTO DE HIPERCONJUGACIÓN (solapamiento de un orbital sigma con el orbital p, en esta caso vacío). CUANTOS MÁS GRUPOS ALQUILOS ESTÁN UNIDOS EN FORMA DIRECTA AL CARBONO CON CARGA POSITIVA → SERÁ MÁS ESTABLE EL CARBOCATIÓN; Y A MAYOR CANTIDAD DE RESTOS ALQUILOS SE AUMENTAN LAS OPORTUNIDADES PARA LA HIPERCONJUGACIÓN. Lo que ocurre con los carbocationes, a diferencia de los radicales libres → es que se PUEDEN REORDENAR PARA DAR CARBOCATIONES MÁS ESTABLES → esto es lo que ocurre en la reacción de deshidratación de alcohol para obtención de alqueno. UN CARBOCATIÓN TERCIARIO SERÁ MÁS ESTABLE QUE UN CARBOCATIÓN SECUNDARIO, QUE UN PRIMARIO Y QUE UN CARBOCATIÓN METILO. Ejemplo DESHIDRATACIÓN DE UN ALCOHOL. La acción de ácido sulfúrico en presencia del alcohol se produce la protonación → hay una pérdida de molécula de agua → se forma el CARBOCATIÓN SECUNDARIO → este tiene la posibilidad de trasponerse para formar un carbocatión terciario. Lo que se traspuso para formar un carbocatión terciario fue un metiluro. Síntesis de alquenos por deshidrohalogenación (eliminación) Esta síntesis se realiza en PRESENCIA DE UNA BASE ALCOHÓLICA; al ser una deshidrohalogenación se pierde un hidrógeno y un bromopara formar el doble enlace → pérdida de un hidrógeno en posición beta con respecto a la posición del bromo. En este caso, TIENE DOS POSIBILIDADES DE PERDER EL HIDRÓGENO → tanto de un carbono beta como de otro carbono beta. SIN EMBARGO → si se realiza la reacción con hidróxido de potasio en etanol o en una base → el producto mayoritario es el alqueno más sustituido → sería un alqueno trisustituido con respecto a un alqueno disustituido. ESTO QUIERE DECIR QUE LA REACCIÓN ES REGIOSELECTIVA → ELIGE CUAL ES EL LUGAR, LA REGIÓN, POR DONDE VA A ACTUAR. → se obtiene el alqueno más sustituido. REGLA DE ZAITSEV Dos hidrógenos beta que podrán ser eliminados con el halógeno bromo. Ambos productos son disustituidos → hay que basarse en la estabilidad del alqueno que se forma → el producto mayoritario es el alqueno trans con respecto al minoritario que es el alqueno cis. Derivado halogenado y base voluminosa La reacción de un derivado halogenado con hidróxido de potasio en alcohol → da el PRODUCTO ZAITSEV → o sea, el ALQUENO MÁS SUSTITUIDO. Pero, sin embargo → hay muchas excepciones en las cuales este producto es minoritario. Por ejemplo → cuando tanto el sustrato y la base que actúa tienen impedimento estérico → EL ALQUENO MENOS SUSTITUIDO SERÁ EL PRODUCTO PRINCIPAL. A menudo → el ALQUENO MENOS SUSTITUIDO se llama → PRODUCTO HOFMANN → la relación entre el producto zaitsev y el producto hofmann dependen de varios factores y suele ser difícil de predecir. La propirción de producto de la reacción dependera en gran medida de la base que se elija para realizar la deshidrohalogenación. A MEDIDA QUE AUMENTA EL IMPEDIMENTO ESTÉRICO → DISMINUYE EL PRODUCTO ZAITSEV PERO AUMENTA EL PRODUCTO HOFMANN. Síntesis de alquenos por hidrogenación catalítica SE PARTE DE UN ALQUINO → POR HIDROGENACIÓN CATALÍTICA SE PUEDE LLEGAR A OBTENER EL ALCANO. Alquino con hidrógeno y catalizador platino → SE OBTIENE UN 100% DEL ALCANO. Es difícil de aislar el alqueno cis en este caso → ya que el catalizador sigue reaccionando para llegar al alcano correspondiente. Catalizadores posibles → platino, paladio o niquel. Con un catalizador desactivado parcialmente (CATALIZADOR ENVENENADO) → es posible convertir un alquino en un alqueno cis → sin la posterior reducción. Existen muchos catalizadores envenenados → un ejemplo es el CATALIZADOR DE LINDLAR. Hay otras condiciones que permiten la reducción del alquino a un alqueno trans → esta reacción es completamente diferente y se denomina → REDUCCIÓN POR METALES EN DISOLUCIÓN. Los reactivos empleados son el sodio metálico y el amoniaco líquido. El amoniaco tiene un punto de ebullición muy bajo → por lo tanto, el uso de estos reactivos requiere temperaturas bajas. Cuando los átomos de sodio se disuelven en el amoniaco líquido → sirven como fuente de electrones. SE PUEDE PARAR LA REDUCCIÓN DEL ALQUINO EN UN ALQUENO CIS O EN UN ALQUENO TRANS EMPLEANDO DIFERENTES MÉTODOS. Si se hace la hidrogenación catalítica con el catalizador de lindlar (catalizador envenenado) → SE PUEDE OBTENER EL PRODUCTO CIS DE UN ALQUENO. Si se hace la reacción de un alquino con sodio en amoniaco líquido → SE PUEDE OBTENER UN ALQUENO TRANS. Si se aplica la reacción de hidrogenación catalítica a un alquino → no se puede parar la reacción en el alqueno correspondiente → SINO QUE NECESARIAMENTE LA REACCIÓN CONTINUARÁ HASTA ALCANZAR LA OBTENCIÓN DE UN ALCANO. Reacciones de los alquenos EN LO VISTO ANTERIORMENTE → se explicó cómo preparar alquenos mediante reacciones de eliminación. RECORDAR → un doble enlace C=C tiene una nube electrónica π desde la que se pueden ceder electrones a un atacante electrófilo. El atacante electrófilo se lleva el par de electrones de esa nube electrónica π para adicionarse → y a su vez, esto genera un carbocatión → éste carbocatión que posee al carbono con hibridación sp2 contiene un orbital p vacío. Este carbocatión, que puede sufrir transposición para generar un carbocatión más estable → puede ser atacado por un nucleófilo (una especie con carga negativa) → y provocar así también la adición de ese nucleófilo. Cuando se ve el total de la reacción se observa que se produjo una adición → una adición del reactivo. Lo que promueve la primera parte de la reacción es que ceda sus electrones a un atacante electrófilo → a una sustancia con carga positiva. Por lo tanto → EL TIPO DE REACCIÓN QUE VAN A SUFRIR LOS ALQUENOS ES DE ADICIÓN ELECTROFÍLICA. Tabla → algunas de las reacciones de adiciones de los alquenos llevan nombres específicos y que indican la identidad de los dos grupos agregados en la adición. Por ejemplo → si se adiciona un hidrógeno y un halógeno se llama HIDROHALOGENACIÓN. Si de adiciona un hidrógeno y un oxhidrilo → se llama HIDRATACIÓN. Si se adiciona hidrógeno e hidrógeno → HIDROGENACIÓN. Si se adicionan dos halógenos → HALOGENACIÓN. SIN EMBARGO → TODAS ESTAS REACCIONES SON DE ADICIÓN ELECTROFÍLICA; EL NOMBRE SIMPLEMENTE ES PARA SABER QUE SE ESTÁ ADICIONANDO AL ALQUENO. La hidrogenación catalítica es la adición de hidrógeno molecular a un doble enlace en presencia de un catalizador metálico → PARA PRODUCIR EL ALCANO CORRESPONDIENTE. Esta reacción se realiza a través del tratamiento del alqueno con hidrógeno, el catalizador metálico, y a menudo con condiciones de alta presión. Pueden usarse varios catalizadores metálicos como → el paladio, el platino o niquel. EL PROCESO COMIENZA CUANDO EL HIDRÓGENO MOLECULAR INTERACTUA CON LA SUPERFICIE DEL CATALIZADOR METÁLICO → LO QUE HACE QUE SE ROMPAN LOS ENLACES H-H Y SE FORMEN ÁTOMOS DE HIDRÓGENO INDIVIDUALES ABSORBIDOS EN LA SUPERFICIE DEL METAL. El alqueno se coordina con la superficie metálica y la química de superficies permite la reacción entre el enlace π y dos átomos de hidrógeno → lo cual adiciona con eficacia el H-H al alqueno. Adición de hidrógeno → hidrogenación catalítica EN ESTE PROCESO → AMBOS ÁTOMOS DE HIDRÓGENO SE UNEN A LA MISMA CARA DEL ALQUENO → lo que explica la estereoespecificidad observada → se la llama ADICIÓN SYN → ya que esa adicion se produce por una misma cara del alqueno. Puede pasar que se tenga un alqueno que por hidrogenación pueda generar dos centros quirales → LA ADICIÓN SERÁ SYN Y SE VAN A FORMAR UN PAR DE ENANTIÓMEROS → ESA ADICIÓN SYN DETERMINARÁ QUE PAR DE ENANTIÓMEROS SERÁ EL QUE SE OBTENGA. LAS CUÑAS LLENAS Y RALLADAS INDICAN QUE LA ADICIÓN FUE POR LA CARA INFERIOR DEL ALQUENO O POR LA CARA SUPERIOR DEL ALQUENO. La halogenación es la adición de un halógeno, que puede ser bromo o cloro, a un alqueno. Por ejemplo → la cloración del etileno. CLORACIÓN DEL ETILENO PARA PRODUCIR DICLOROETANO LA HALOGENACIÓN DE LOS ALQUENOS ES PRÁCTICA SOLAMENTE PARA LA ADICIÓN DE CLORO O BROMO → la reacción con flúor es demasiado violenta y la reacción con iodo suele producir rendimientos muy bajos. La estereoespecificidad de las reacciones de halogenación pueden explorarse en un caso en que se formen dos nuevos centros quirales. Por ejemplo → si se consideran los productos que se generan cuando se trata al ciclopenteno con bromo molecular → la adición se produce de forma tal, que los dos átomos de halógeno quedan ubicados en lados opuestos del enlace π → este modo de adición se llama → ADICIÓN ANTI. Adición de halógeno; X2/CL4C PARA LOS ALQUENOS → LA HALOGENACIÓN PARECE OCURRIR PRINCIPALMENTE A TRAVÉS DE UNA ADICIÓN ANTI. Halogenación con bromo → el bromo es un compuesto no polar ya que en enlace Br-Br es covalente. Sin embargo → es una molécula que se polariza y la proximidad de un nucleófilo puede causar un momento dipolar temporal inducido → en donde le deja una densidad de carga positiva en uno de los bromos y una densidad de carga negativa del otro bromo → lo cual se observa en elmapa de potenciales electroestáticos. AL POLARIZARSE LA MOLÉCULA → este alqueno ve la presencia de un electrófilo y puede atacarlo → pero cuando ataca generaría un carbocatión → el cual no estaría dando específicamente la producción de la estereoespecificidad anti observada para la halogenación. Si se produjese un carbocatión en este proceso → se esperaría que ocurriera tanto la adición syn como la adición anti → y sin embargo se observa que los productos formados son de adición anti. ENTONCES → se propone que la polarización y la aproximación del alqueno produzca la formación de un intermediario con un puente llamado → ION BROMONIO → en la estructura tiene un puente → el ataque del bromuro por la cara contraria del ion bromonio va a sugerir que se forme el derivado dihalogenado vecinal pero con una estereoquímica observada de una adición anti. El dihaluro vecinal es el que se produce del ataque de las flechas en rojo en el esquema. Del ataque del bromuro al otro carbono (en flechas negras) genera el otro dihaluro vecinal. EN ESTE CASO NO SE GENERA NINGÚN CENTRO QUIRAL. EL RESULTADO ESTEREOQUÍMICO DE LAS REACCIONES DE HALOGENACIÓN DEPENDEN DE LA CONFIGURACIÓN DEL ALQUENO QUE SE PARTA. Por ejemplo → si se hace reaccionar al cis-2-buteno con bromo → generará productos diferentes de los del trans-2-buteno. La adición anti en el cis-2-buteno → produce un par de ENANTIÓMEROS La adición anti en el trans-2-buteno → produce un compuesto MESO. LA CONFIGURACIÓN DEL ALQUENO INICIAL DETERMINA LA CONFIGURACIÓN DEL PRODUCTO DE LAS REACCIONES DE HALOGENACIÓN. Cuando la bromación se produce en un solvente no nucleofílico como el tetracloruro de carbono → el RESULTADO ES LA ADICIÓN DE BROMO AL DOBLE ENLACE. Sin embargo → CUANDO LA REACCIÓN SE PRODUCE EN PRESENCIA DE AGUA → el ion bromonio formado inicialmente, puede ser capturado por una molécula de agua en lugar de una de bromuro. EL ION BROMONIO INTERMEDIARIO TIENE MUY ALTA ENERGÍA → POR LO TANTO, REACCIONARA CON CUALQUIER NUCLEÓFILO QUE SE ENCUENTRE. CUANDO EL SOLVENTE ES AGUA → lo más probable es que el ion bromonio sea capturado por una molécula de agua. El ion oxonio formado se desprotonara luego para generar el producto con su enantiómero (en este caso). EL RESULTADO NETO ES LA ADICIÓN DE UN GRUPO BROMO Y UN GRUPO OXHIDRILO AL ALQUENO. El producto se llama, en este caso → BROMHIDRINA. Cuando se usa cloro en presencia de agua → el producto se llama clorhidrina. ESTAS REACCIONES SE LLAMAN FORMACIÓN DE HALOHIDRINAS. En la mayoría de los casos → la formación de halohidrinas es un proceso regioselectivo → específicamente, el GRUPO OXHIDRILO SUELE UBICARSE EN LA POSICIÓN MÁS SUSTITUIDA. En el segundo paso del mecanismo del ion bromonio → es capturado por una molécula de agua. AL TRATAR UN ALQUENO CON UN HIDRÁCIDO → se produce una reacción de adición en donde se adiciona un hidrógeno y un halógeno en un enlace π. Cuando el ALQUENO ES SIMÉTRICO, no importa la ubicación del hidrógeno o del bromo en cuestión; sin embargo → cuando el ALQUENO NO ES SIMÉTRICO → debe tenerse en cuenta el destino final de donde se ubicará el hidrógeno y el halógeno. Formación de halohidrinas Reacción de X2/H2O Adición de hidrácidos. Hidrohalogenación En este ejemplo → hay dos posiciones vinílicas posibles donde podría ubicarse el halógeno correspondiente. Esta cuestión de REGIOQUÍMICA fue estudiada por Markovnikov → investigó la adición de bromuro de hidrógeno a diferentes alquenos → notó que el hidrógeno, generalmente, se ubicaba en la POSICIÓN VINÍLICA que ya contenía el mayor número de átomos de hidrógeno. Por ejemplo → el hidrógeno se ubica en el carbono en donde ya había una posición con un hidrógeno. Markovnikov describió esta preferencia regioquímica en términos de donde se ubica ese hidrógeno en última instancia → sin embargo, las observaciones pueden describir también, que desde el punto de vista de donde se ubica finalmente el halógeno específicamente → SUELE UBICARSE EN LA POSICIÓN MÁS SUSTITUIDA. LA POSICIÓN VINÍLICA QUE TIENE MÁS GRUPOS ALQUILOS ES LA MÁS SUSTITUIDA; y donde se ubica finalmente el bromo. ESTA PREFERENCIA REGIOQUÍMICA SE LLAMA ADICION DE MARKOVNIKOV y también se observa en las reacciones de adición que también involucran cloruro de hidrógeno y ioduro de hidrógeno. Las reacciones que se producen con preferencias regioquímicas se llaman → REGIOSELECTIVAS. Cuando el átomo de bromo se une al carbono menos sustituido → se llama ADICIÓN ANTIMARKOVNIKOV. Cuando el átomo de bromo se une al carbono más sustituido → ADICIÓN MARKOVNIKOV. La característica crítica es la pureza de los reactivos: REACTIVOS PUROS → conduce a obtener reacciones markovnikov. REACTIVOS IMPUROS → conduce a obtener reacciones antimarkovnikov. PASOS DE LA REACCIÓN: En el primer paso → el enlace π del alqueno se protona y forma un carbocatión intermediario y el anión bromuro. Segundo paso → el anión bromuro ataca al carbocatión formado y por lo tanto → en el producto, el bromo se va a ubicar en el lugar más sustituido del alqueno reactivo. Entonces → LA REACCIÓN ES REGIOSELECTIVA → ya que tiene la preferencia de adicionar el protón a través de la formación del carbocatión más estable. Se observa que no hay posibilidad de formación de dos productos → solo hay de uno. En este caso → si la adición del protón ocurre en el carbono menos sustituido (MARKOVNIKOV) → resulta que se forma un carbocatión terciario en donde el bromuro puede ir a atacar fácilmente al carbocatión terciario. Si en cambio → la adición del protón ocurre en el carbono más sustituido (ANTIMARKOVNIKOV) → se genera un carbocatión secundario que luego podría ser atacado por el anión bromuro. Sin embargo → NO OCURRE ESTA REACCIÓN → ya que, LA REGISELECTIVIDAD SE FUNDAMENTA EN EL PRIMER PASO DE LA REACCIÓN, QUE ES LA FORMACIÓN DE UN CARBOCATIÓN MÁS ESTABLE QUE OTRO CARBOCATIÓN → en este caso particular → LA PRIMERA REACCIÓN FORMABA UN CARBOCATIÓN TERCIARIO QUE ES MÁS ESTABLE QUE EL SECUNDARIO FORMADO EN LA SEGUNDA REACCIÓN. Adición de hidrácidos. Estereoquímica EN MUCHOS CASOS → la hidrohalogenación involucra la formación de un centro de quiralidad. Por ejemplo → el 1-buteno reacciona con cloruro de hidrógeno para dar el 2- clorobutano. En esta reacción se forma un nuevo centro de quiralidad → con lo cual, se esperan 2 productos posibles → un par de enantiómeros → el de configuración S y el de configuración R. Estos dos enantiómeros se producen en cantidades iguales → lo que significa que se produce una MEZCLA RACÉMICA. El resultado estreoquímico de esta reacción también puede explicarse mediante la identificación del intermediario clave como el carbocatión; UN CARBOCATIÓN ES PLANAR TRIGONAL CON UN ORBITAL P VACÍO → y es ortogonal con respecto al plano. Este orbital p vacío está sujeto al ataque por parte del nucleófilo → en este caso sería el cloruro → y de cualquiera de los dos lados del carbocatión → por el lóbulo que está por encima del plano o por el lóbulo que está por debajo del plano (imagen). Entonces → AMBAS CARAS DEL PLANO TIENEN LAS MISMAS PROBABILIDADES DE SER ATACADAS → CON LO CUAL SE FORMAN AMBOS ENANTIÓMEROS EN IGUALES CANTIDADES. Adición de hidrácidos con reordenamiento de carbocationes También se debe considerar LA ADICIÓN DE LOS HIDRÁCIDOS QUE PUEDEN PROVOCAR REORDENAMIENTO DE LOS CARBOCATIONES. EL PRIMER PASO ES LA FORMACIÓN DEL CARBOCATIÓN. En este caso particular → cuando se efectúa la adición de cloruro de hidrógeno → se observa que se produjo un carbocatión secundario → ESTE PUEDE TRANSPONERSE PARA GENERAR UN CARBOCATIÓN TERCIARIO MUCHO MÁS ESTABLE. Luego → el carbocatión recibe el ataque del nucleófilo cloruro tanto por la cara superior como por lacara inferior. En esta transposición → LO QUE SE TRANSPUSO FUE UN HIDRURO → para producir un carbocatión terciario más estable. EN LOS CASOS EN DONDE ES POSIBLE UN REORDENAMIENTO → LAS ADICIONES DE HIRÁCIDOS PRODUCEN UNA MEZCLA DE PRODUCTOS QUE INCLUYE A AQUELLOS RESULTANTES DEL REORDENAMIENTO DEL CARBOCATIÓN ASÍ COMO A LOS FORMADOS SIN REORDENAMIENTO. Es decir → si el nucleófilo reacciona con el carbocatión antes de que el reordenamiento tenga oportunidad de producirse. CUANDO PUEDA PRODUCIRSE UN REORDENAMIENTO DE CARBOCATIONES SE PRODUCIRÁ → LA ADICIÓN DE UN HIDRÁCIDO ES UTIL PARA LA SINTESIS SOLO EN SITUACIONES EN LAS CUALES EL REORDENAMIENTO DE CARBOCATIONES NO ES POSIBLE. Adición anti-markovnikov Un alqueno reacciona con bromuro de hidrogeno mediante una adición iónica que instala un átomo de bromo en la posición más sustituida según la adición de markovnikov → LA PUREZA DE LOS REACTIVOS ES UNA CARACTERÍSTICA FUNDAMENTAL PARA ESTAS ADICIONES; CON REACTIVOS IMPUROS → la reacción procedería mediante una adición anti-markovnikov, donde el halógeno se adiciona en la posición menos sustituida en el producto. Una investigación sobre la impureza develó que eran trazas de peróxidos → y que la presencia de peróxidos podría causar la preferencia regioquímica para esta adición anti- markovnikov. ESTA ADICIÓN ANTI-MARKOVNIKOV DE BROMURO DE HIDRÓGENO EN PRESENCIA DE PERÓXIDO → puede explicarse mediante un mecanismo por radicales. Recordar que el mecanismo por radicales consta de 3 pasos → INICIACIÓN, PROPAGACIÓN Y TERMINACIÓN. Adición radicalaria de HBr a un alqueno Iniciación En el primer paso, la iniciación, se produce la ruptura homolítica del peróxido → lo cual produce dos ALCOXI-RADICALES. Luego, en un segundo paso se iniciación → se produce la sustracción del hidrógeno → formando un RADICAL BROMO. Propagación En el segundo paso, la propagación, se observa: 1. El radical bromo se adiciona al doble enlace generando un carbono radical más estable. En este caso particular → la adición del radical bromo produjo un radical terciario. RECORDAR QUE UN RADICAL TERCIARIO ES MÁS ESTABLE QUE UN RADICAL SECUNDARIO. 2. Se produce la sustracción de H, se obtiene el producto y se regenera el radical bromo → que vuelve a producir el primer paso de propagación. LA ADICIÓN ANTI-MARKOVNIKOV SOLO PUEDE LOGRARSE CON BROMURO DE HIDRÓGENO → entonces, para resolver esto, se deben utilizar las consideraciones termodinámicas. PARA LOS CASOS DE HCl y HBr → en el primer paso de la propagación se tienen ΔH negativos → lo cual quiere decir que son favorables. Mientras que para el HI → no puede ocurrir ya que su ΔH es positivo. En el SEGUNDO PASO → no puede ocurrir en el caso de usar HCl. POR LO TANTO, COMO CONCLUSIÓN → SOLO CON EL HBR → LOS DOS PASOS DE PROPAGACIÓN SON TERMODINÁMICAMENTE FAVORABLES. Terminación Completando el mecanismo radicalario → el tercer paso es la TERMINACIÓN → en el cual se destruyen los radicales. Para algunos alquenos → la ADICIÓN RADICALARIA DE BROMURO DE HIDRÓGENO → DA COMO RESULTADO LA FORMACIÓN DE UN NUEVO CENTRO DE QUIRALIDAD. En casos similares a este → no existe razón para esperar que un enantiómero prevalezca sobre el otro → ya que EL PRIMER PASO DE PROPAGACIÓN PUEDE OCURRIR EN CUALQUIERA DE LAS CARAS DEL ALQUENO → por lo tanto, LA REACCIÓN PRODUCIRÁ UNA MEZCLA RACÉMICA DE ENANTIÓMEROS. EXISTEN 3 MÉTODOS PARA ADICIONAR AGUA A UN DOBLE ENLACE → ESTE PROCESO RECIBE EL NOMBRE DE HIDRATACIÓN. Hidratación: H2O/catálisis acida Primer método → hidratación catalizada por ácido → ES LA ADICIÓN DE AGUA A UN DOBLE ENLACE EN PRESENCIA DE ÁCIDO → para los alquenos más simples, LA REACCIÓN TRANSCURRE A TRAVÉS DE UNA ADICIÓN DE MARKOVNIKOV → el resultado neto es la adición del hidrógeno y de un OH a un enlace π → EN EL QUE EL GRUPO OH SE UNE AL CARBONO MÁS SUSTITUIDO. El reactivo hidronio representa la presencia tanto de agua como de ácido (en este caso, el ácido sulfúrico) → en la reacción, el ácido sulfúrico se escribe entre corchetes, lo cual indica que la fuente de electrones no se consume en la reacción porque es un catalizador → POR LO QUE ESTA REACCIÓN SE CONOCE COMO HIDRATACIÓN CATALIZADA POR ÁCIDOS. El alqueno que se protona primero pasa a generar un carbocatión intermediario que luego es atacado por un nucleófilo → sin embargo, en este caso, EL NUCLEÓFILO QUE LO ATACA ES NEUTRO (una molécula de agua) → por ende, se genera un intermediario cargado llamado ION OXONIO ya que tiene un átomo de oxígeno con carga positiva. PARA QUITAR ESA CARGA Y FORMAR UN PRODUCTO ELÉCTRICAMENTE NEUTRO → el mecanismo debe concluir con la transferencia de ese protón. La base utilizada para desprotonar al ion oxonio es el agua → ya que en las condiciones ácidas en que transcurre la reacción → la concentración de iones hidróxidos es muy baja pero, en cambio, la de agua es muy alta. LA REACCIÓN SE PRODUCE MEDIANTE UNA ADICIÓN DE MARKOVNIKOV. Las velocidades de reacción para los alquenos sustituidos pueden justificarse comparando los carbocationes intermediarios en cada caso → por lo general, LAS REACCIONES QUE SE PRODUCEN A TRAVÉS DE CARBOCATIONES TERCIARIOS SERÍAN MÁS RÁPIDAS QUE LAS QUE LO HACEN A TRAVÉS DE LOS SECUNDARIOS. Estereoquímica de la hidratación catalizada por ácido El resultado estereoquímico de la hidratación catalizada por ácida es similar al de la hidrohalogenación. El carbocatión intermediario puede ser atacado por cualquiera de los dos lados con iguales probabilidades → por lo tanto, se espera una MEZCLA RACÉMICA DE ENANTIÓMEROS en los casos en los que se genera un nuevo centro de quiralidad. ENTONCES → PUEDE UTILIZARSE LA HIDRATACIÓN CATALIZADA POR ÁCIDO PARA OBTENER ALCOHOLES MEDIANTE UNA ADICIÓN DE MARKOVNIKOV DE AGUA EN UN ALQUENO. La utilidad de este proceso queda reducida en cierta forma → debido a que el reordenamiento del carbocatión puede producir una mezcla de productos. En los casos en que la protonación del alqueno produce un reordenamiento de carbocationes → la hidratación catalizada por ácido, es un método ineficiente para la adición de agua. La reacción procede vía Markovnikov OTROS MÉTODOS PUEDEN LOGRAR LA ADICIÓN DE MARKOVNIKOV DEL AGUA SIN REORDENAMIENTOS: Oximercuriación-desmercuriación Es otra manera de OBTENER UN ALCOHOL CON ORIENTACIÓN MARKOVNIKOV; sin embargo → este mecanismo lleva la ventaja de no tener presencia de carbocationes → con lo cual no habrá reordenamiento de carbocationes para dar mezclas de productos. 1. EL PROCESO COMIENZA CUANDO EL ACETATO MERCÚRICO SE DISOCIA PARA FORMAR UN CATIÓN MERCÚRICO → éste catión mercúrico es un electrófilo fuerte y está sujeto al ataque por parte de un nucleófilo como el enlace π de un alqueno. Cuando el enlace π ataca al catión mercúrico → la naturaleza del intermediario formado es bastante diferente a la que se forma cuando el enlace π simplemente se protona → cuando se protona un enlace π, el intermediario formado es simplemente un carbocatión; por el contrario → cuando un enlace π ataca a un catión mercúrico, el intermediario formado no puede considerarse un carbocatión ya que el átomo de mercurio tiene electrones que pueden interactuar con la carga positiva cercana y formar un puente. Este intermediario, llamado ION MERCURINIO → tiene características de un carbocatión y es un anillo de 3 miembros. EL CARBONO MÁS SUSTITUIDO TENDRÁ UNA CARGA POSITIVA PARCIAL EN LUGAR DE UNA CARGA POSITIVA COMPLETA → con lo cual, este intermediario no sufrirá reordenamientos de carbocationes, aunque sigue estando sujeto al ataque de un nucleófilo. 2. CUANDO SE SUCEDE EL ATAQUE DEL NUCLEÓFILO A ESA DENSIDAD DE CARGA POSITIVA (en este caso, el nucleófilo es el agua) → en esta última instancia, lleva a un producto de adiciónMarkovnikov → después del ataque del nucleófilo, el mercurio puede removerse con un proceso llamado DESMERCURIACIÓN → el cual, por lo general se logra con BOROHIDRURO DE SODIO. Entonces → con la oximercuriación-desmercuriación → se obtiene un alcohol, un producto Markovnikov, en donde no hubo reordenamiento de carbocatión. Ejemplo Oximercuriación-desmercuriación del 2-metil-2-buteno Se produce el primer paso → la OXIMERCURIACIÓN; y luego en un segundo paso → la DESMERCURIACIÓN a través de borohidruro de sodio → PARA OBTENER ALCOHOL PRODUCTO DE LA ADICIÓN MARKOVNIKOV. SI LA REACCIÓN DE OXIMERCURIACIÓN SE LLEVA A CABO EN PRESENCIA DE ALCOHOLES → será el alcohol el que ataque al ión mercurinio formado en el primer paso. EL PRODUCTO FINAL DESPUÉS DE LA DESMERCURIACIÓN ES CUALQUIERA QUE TENGA UNA ORIENTACIÓN MARKOVNIKOV. Hidroboración-oxidación: BH3/THF luego H2O2, NaOH ES OTRO MÉTODO PARA LOGRAR LA ADICIÓN DE AGUA → PERO AHORA MEDIANTE UN PROCESO ANTIMARKOVNIKOV. Este proceso → coloca el grupo oxhidrilo en la posición vinílica menos sustituida; la reacción tiene una estreoquímica syn → donde el oxhidrilo y el hidrógeno se van a añadir del mismo lado (misma cara) del doble enlace. Cualquier mecanismo que se proponga para la hidroboración-oxidación → debe explicar tanto la REGIOSELECTIVIDAD (adición antiMarkovnikov) como la ESTEREOESPECIFICIDAD (adición syn). BORANO → es el reactivo de esta reacción → su estructura es similar a la de un carbocatión pero sin la carga. El átomo de boro carece del octeto de electrones completo y por lo tanto ES MUY REACTIVO. Es el electrófilo que inicia la reacción. 1. PRIMER PASO DE LA REACCIÓN DE HIDROBORACIÓN → el borano es atacado por un enlace π → ocurre la formación del enlace C-BH2 y la formación del enlace C-H en simultáneo. ESTE PRIMER PASO EXPLICA TANTO LA REGIOSELECTIVIDAD (ADICION ANTIMARKOVNIKOV) COMO LA ESTEREOESPECIFICIDAD (ADICIÓN SYN) DEL PROCESO. El borano se une al carbono menos sustituido y finalmente será reemplazado por un grupo oxhidrilo (oxidación). A medida que el enlace π ataca al orbital p vacío del boro → una de las posiciones vinílicas puede empezar a desarrollar una carga parcial positiva → esta densidad de carga positiva luego desencadenará el desplazamiento del hidruro. ESTE PRIMER PASO SE REPITE PARA CADA UNIÓN B-H → FORMANDO UN TRIALQUIL BORANO. 2. SEGUNDO PASO → el átomo de boro se puede eliminar oxidándolo con peróxido de hidrógeno (H2O2) en presencia de base acuosa. Un hidróxido desplazará al boro. LA REACCIÓN HIDROBORACIÓN-OXIDACIÓN DA UN PRODUCTO ANTI-MARKOVNIKOV dado que el alcohol que se forma resulta de la adición del OH en el CARBONO MENOS SUSTITUIDO del doble enlace. Estereoespecificidad de la hidroboración-oxidación La estereoespecificidad de la reacción de hidroboración-oxidación es consistente con el primer paso del mecanismo → en el cual, el H y el BH2 se unen en forma simultánea al enlace π del alqueno. Este paso requiere que ambos grupos se adicionen por la misma cara del alqueno (ADICIÓN SYN) → de esta manera, el mecanismo no explica únicamente la regioquímica sino también la estereoquímica. Cuando se dibujan los productos de hidroboración-oxidación → se debe considerar el número de centros quirales que se crean en el proceso. SI NO SE FORMAN CENTROS QUIRALES → la estereoespecificidad de la reacción no será relevante. SI SE FORMA UN CENTRO QUIRAL → se obtienen ambos enantiómeros → ya que la adición SYN puede producirse en cualquiera de las caras del alqueno con las mismas probabilidades. SI SE FORMAN DOS CENTROS QUIRALES → se obtiene también un par de enantiómeros → el requerimiento de la adición syn determinará que par de enantiómeros se obtiene → ya que los otros 2 estereoisómeros posibles no se pueden obtener. Las reacciones de dihidroxilación se caracterizan por la ADICIÓN DE DOS GRUPOS OXHIDRILOS A UN ALQUENO. Hidroxilación syn: reacción con OsO4; KMnO4/OH- Cuando un alqueno se trata con tetraóxido de osmio se forma un éster ósmico cíclico. L tetraóxido de osmio se adiciona en el alqueno en un proceso concertado → ambos átomos de oxígeno se unen al alqueno simultáneamente → esto adiciona con eficacia a los grupos en la misma cara del alqueno (ADICIÓN SYN). El éster ósmico cíclico formado puede aislarse y luego tratarse con solución acuosa de sulfito de sodio para producir un diol. ESTE MÉTODO PUEDE UTILIZARSE PAR CONVERTIR ALQUENOS EN DIOLES CON RENDIMIENTOS MUY ALTOS → SIN EMBARGO, TIENE VARIAS DESVENTAJAS → en especial, el tetraóxido de osmio es costoso y tóxico. La aplicación de OsO4 generará entre un 60% y un 90% la formación de un cis-glicol. SE UTILIZA UN COOXIDANTE PARA REGENERAR EL TETRAÓXIDO DE OSMIO A MEDIDA QUE SE CONSUME EN LA REACCIÓN. La aplicación del tetraóxido de osmio al ciclohexeno generará entre un 60% y un 90% la formación de un cis-glicol. UN MÉTODO DIFERENTE PARA LOGRAR LA DIHIDROXILACIÓN SYN → es el tratamiento de los alquenos con permanganato de potasio frío en condiciones de basicidad → SE ADICIONAN DOS ÁTOMOS DE OXÍGENO SIMULTÁNEAMENTE AL DOBLE ENLACE. El permanganato de potasio es un agente oxidante muy fuerte y a menudo produce la oxidación posterior del diol. Generalmente se tiene preferencia por el uso del tetraóxido de osmio junto con un cooxidante para lograr la adición syn. Dihidroxilación SI LA REACCIÓN CON PERMANGANATO DE POTASIO NO SE PUDIERA MANTENER EN FRÍO → la oxidación seguiría y se produciría la ruptura oxidativa dando compuestos más oxidados → llegando a tener, según la posición del doble enlace → cetonas, aldehídos y ácidos dicarboxílicos. Dihidroxilación anti: reacción con perácidos (RCOOOH) CUANDO SE ENFRENTA UN ALQUENO A UN PERÁCIDO: En la primera etapa del proceso, UN PEROXIÁCIDO REACCIONA CON EL ALQUENO PARA FORMAR UN ÉTER CÍCLICO DE 3 MIEMBROS LLAMADO EPÓXIDO. El peroxiácido se asemeja a un ácido carboxílico en su estructura pero posee un átomo de oxígeno adicional. DOS DE LOS PEROXIÁCIDOS MÁS CONOCIDOS SON → el ácido peroxiacético y el ácido m- cloroperbenzoico. Los peroxiácidos son agentes oxidantes fuertes → capaces de entregar un átomo de oxígeno a un alqueno en un solo paso → el producto es un epóxido. UNA VEZ FORMADO EL EPÓXIDO PUEDE ABRIRSE CON AGUA EN CONDICIONES DE CATÁLISIS ÁCIDA O BÁSICA. PRIMERO → el epóxido se protona para generar un intermediario. LUEGO → puede ser atacado por el agua desde la parte contraria a la formación de ese ciclo, o sea que el agua va a atacar desde la cara de atrás del epóxido y entonces → explicará la preferencia estereoquímica observada por la adición anti. EN EL PASO FINAL DEL MECANISMO → el ion oxonio formado es desprotonado para formar un diol trans → se usa agua como base para desprotonarlo, con el fin de mantener estas condiciones ácidas → y en estas condiciones ácidas no habrá iones hidróxidos presentes en cantidades suficientes como para participar de la reacción → por ende, no pueden utilizarse en este mecansimo. ENTONCES → se puede tener una dihidroxilación anti de un alqueno que será importante para determinar cuáles son los estereoisómeros formados según de que alqueno se parta. Hay muchos reactivos que se adicionan a un alqueno y rompen por completo el doble enlace C=C. EL DOBLE ENLACE C=C SE SEPARA POR COMPLETO PARA FORMAR DOS DOBLES ENLACES C=O → por lo tanto los aspectos regioquímicos y esteroquímicos en este caso son irrelevantes. El ozono reacciona con un alqueno para producir un ozónido primario inicial llamado MONOZÓNIDO → este sufre reordenamientos para producir un ozónido más estable. Cuando se trata con un AGENTE REDUCTOR SUAVE → el ozónido formado se convierte en los productos carbonílicos correspondientes. EN ESTE EJEMPLO → se utilizó ozono y un agente reductor suave,el sulfuro de metilo o el zinc en agua. Se rompe la unión C=C para generar dos grupos carbonilos → si el medio reductor no estuviese presente, si por ejemplo, en una de esas posibilidades se formó un aldehído → ese aldehído seguiría oxidándose hasta ser un ácido. ESTO SE LO CONOCE COMO RUPTURA (YA QUE SE ROMPE EL DOBLE ENLACE C=C) OXIDATIVA (YA QUE SE INTRODUJERON OXÍGENOS EN ESOS CARBONOS). PARA LA PREDICCIÓN DE PRODUCTOS DE UNA REACCIÓN DE ADICIÓN DEBO HACERME 3 PREGUNTAS: ¿Cuáles son las identidades de los grupos que de adicionan al doble enlace? ¿Cuál es la regioselectividad esperada (adición markovnikov o anti-markovnikov)? ¿Cuál es la estereoespecíficidad esperada (adición anti o syn)? Ruptura oxidativa: zononólisis
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