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IG @CHEMIISTRYGRAM 1 (Lectura: X= Halógeno, C= Carbono; Nu= Nucleófilo; sv=solvente; H= Hidrógeno) Derivados Halogenados → compuestos que tienen en su estructura por lo menos 1 Halógeno unido a 1 Carbono. Halogenuros o Haluros de Alquilo → Halógeno unido a Carbono sp3 → podemos distinguir halogenuros de alquilo primarios, secundarios y terciarios según el Carbono al cual se encuentran unidos. Halogenuros de Alilo → Carbono con doble enlace adyacente a C portador de Halógeno → también podemos clasificar en derivados halogenados alílicos primario, sec, terc. En relación al grupo fenilo → derivados halogenados bencílicos primarios, sec, terc. Derivados halogenados vinílicos → Halog unido a C sp2 de doble enlace. Derivados Halogenados arílicos → Halog unido directamente a anillo ar. Nomenclatura Halogenuros de Alquilo → cada carbono puede nombrarse según su proximidad al Halógeno (X) usando el alfabeto griego → Ej: Carbono alfa está directamente unido a X, carbonos beta unidos a C alfa. Según IUPAC → halogenuros de alquilo se nombran como los alcanos, considerando al halógeno sustituyente de la cadena principal → Reglas de nomenclatura: 1- Se encuentra en la cadena principal y la nombra (considerarse además que dobles/triples enlace deben estar en cadena principal) 2- Carbonos de cadena principal se numeran comenzando por el extremo más cercano al primer sustituyente, ya sea este un X o un alquilo y se asigna a cada sustituyente un número según su posición en la cadena. 3- Si hay diferentes X, se enumeran conforme a su posición en la cadena pero al escribir su nombre debe realizarse en orden alfabético. 4- Si la cadena puede enumerarse desde cualquiera de los extremos debe comenzarse por el extremo más cercano al sustituyente ya sea alquilo o halógeno que tenga prioridad alfabética. Teórico Nº17 – Dra. Blanco IG @CHEMIISTRYGRAM 2 Halogenuros de alquilo también pueden nombrarse de acuerdo al halogenuro y luego se incorpora el nombre del grupo alquilo; Ej → bromuro de iso-butilo. Podemos diferenciar los dihalogenuros vecinales y germinales → En los germinales ambos X están unidos al mismo C ; Vecinales → X unidos a carbonos adyacentes. Compuestos Organohalogenados Uso → Pesticidas ; compuestos muy estables, son muy persistentes y se acumulan en el medio ambiente → uso regulado o prohibido. Moléculas polihalogenadas, este caso policlorados. Ej Lindano uso para piojos. Bifenilos policlorados → uso como refrigerantes en transformadores → toxicidad en suelos, enfermedades y cánceres. Propiedades Halogenuro de alquilo → X enlazado a C sp3 → X es más electronegativo que C → enlace polarizado, C con carga parcial + y X con carga parcial - A mayor electronegatividad de X, más polarizado está el enlace. Las longitudes de enlace C-X aumentan de acuerdo al tamaño del X. Efectos de Electronegatividad y longitud de enlace son opuestos entre sí → Halógenos + grandes tienen enlaces + grandes pero electroneg + pequeñas. Momento dipolar → depende de estos dos aspectos: Momento dipolar molecular: suma vectorial de los momentos dipolares de los enlaces individuales. Se puede ver por ej q los 4 enlaces polares de los tetrahalogenuros de metilo están orientados simétricamente → momento dipolar molecular es 0. IG @CHEMIISTRYGRAM 3 Halógenos + pesados → mayores áreas superficiales → se observa en sus radios de van der Waals → distintos puntos de ebullición (de etilos) → F< Cl< Br < I . Sus densidades → tendencia similar → fluoruros de alquilo y cloruros de alquilo (1 Cl solo) son - densos que el agua ; Cloruros de alquilo con 2 o + Cl, bromuros y ioduros de alquilo son + densos que el agua. Derivados polihalogenados → usados como solventes como cloroformo → cierta toxicidad → sustituidos por sv - tóxicos Reacciones Compuestos orgánicos con un átomo electronegativo (grupo atractor de e-) unido a un C sp3 → participan de Reacciones de sustitución y o eliminación. Reacción de sustitución → grupo atractor de e- es reemplazado por otro átomo/ grupo de átomos ; Eliminación → átomo electronegativo es eliminado junto con un H de un carbono adyacente → Deshidrohalogenaciones. Grupo sustituido o eliminado es llamado grupo saliente → Sustitución nucleofílica → átomo o grupo que sustituye al grupo saliente es un Nucleófilo (rico en e-). Halogenuros de alquilo → grupos salientes “buenos” → iones haluros se desplazan con facilidad; haluros de A → fáciles de obtener. Zona roja de alta densidad electrónica corresponde al X y C con carga parcial + → C susceptible de ataques de reactivos nucleofílicos. Se hace reaccionar a distintos halogenuros de alquilo, todos con = grupo alquilo al ataque del mismo Nu (OH-) en mismas condiciones → Yoduro de alquilo es el + reactivo y fluoruro el - reactivo → única diferencia es naturaleza del grupo saliente → ioduro es el mejor grupo saliente y fluoruro el peor. IG @CHEMIISTRYGRAM 4 Regla → cuanto más débil sea la basicidad de un grupo, mejor será su capacidad como grupo saliente Bases débiles son más estables y con facilidad retienen e- que antes compartían con un protón o un carbono → base débil no comparte bien sus e- y no está unida con tanta fuerza al C o H como lo estaría una base fuerte y un enlace más débil se rompe con mayor facilidad. Yoduro de alquilo → Yodo y C tienen ~ misma electronegatividad → átomos grandes son + polarizables que átomos pequeños → polarizabilidad → medida de la facilidad con la que se puede distorsionar la nube electrónica de un átomo → alta polarizabilidad del Iodo lo hace reaccionar como si fuera polar a pesar de ser un enlace no polar. En la tabla vemos grupos salientes clasificados y todos los halogenuros se consideran buenos grupos salientes a excepción del Fluoruro que es un mal grupo saliente. (recordar que si un ácido es fuerte, su base conjugada será débil y si un ácido es débil su base conjugada será fuerte → HF es ácido débil y F es base fuerte) Reacciones de sustitución Se propusieron 2 mecanismos para reacciones de sustitución nucleofílica y cada mecanismo ocurre bajo un conjunto específico de condiciones, en ambos vemos pérdida de grupo saliente y ataque nucleofílico → Diferencia → en el 1er mecanismo ambos eventos ocurren simultáneamente → de una manera concertada → al mismo tiempo que nucleófilo ataca al derivado halogenado, comienza a romperse unión C-X. En 2do mecanismo esto pasa de forma gradual → primero se pierde grupo saliente formando un carbocatión intermediario y en un segundo paso un Nucleófilo ataca al carbocatión. Va a depender uno u otro mecanismo dependiendo de la estructura del derivado halogenado, la reactividad del nucleófilo, la concentración del derivado halogenado y las características del solvente (sv) de reacción. IG @CHEMIISTRYGRAM 5 Evidencias y características de un proceso concertado 1- Cinética Rapidez de reacción de sustitución nucleofílica. Ej → Yodometano con nucleófilo (OH) depende de la concentración de ambos reactivos → si la concentración de yodometano aumenta x2 entonces la rapidez de reacción aumenta x2, lo mismo sucede con la concentración de Nucleófilo. Si ambas concentraciones se aumentan al doble → rapidez de reacción aumenta x4. Una vez que se conoce relación entre concentración de reactivos y rapidez de reacción → puede escribirse una ley de rapidez o velocidad para la reacción → Constante de rapidez indica lo difícil que es parar los reactivos superar la barrera de energía de la reacción (Estado de transición) → a mayor cte de rapidez, barrera de Energía es menor → reactivos pueden alcanzar estado de transición másfácilmente. Rapidez definida con concentración de 2 reactivos → reacción de 2do orden. Rapidez indica cuáles moléculas participan en el estado de transición del paso determinante de la velocidad de la reacción. Este ejemplo → reacción SN2 → sustitución nucleofílica bimolecular → El estado de transición del paso determinante de la velocidad de la reacción participan 2 moléculas. 2- Estereoespecificidad de reacciones SN2 Posición alfa → es un centro quiral → se observa cambio de configuración → inversión de la configuración → Requisito → Nu solo pueda atacar desde el lado opuesto a donde se encuentra el grupo saliente. ¿Por qué Nu ataca por retaguardia? → Varias explicaciones: El grupo saliente obstruye el acercamiento del Nu por el frente de la molécula. 2- TOM (teoría orbitales molec) → LUMO (orbital molec desocupado de menor Energía) debe reaccionar con el HOMO (orbital molec ocupado de mayor E) → Cuando Nu se acerca al halogenuro de alquilo → HOMO de Nu debe interactuar con el LUMO del enlace C-X → en un ataque por atrás se permite esta interacción. El resultado estereoquímico para un mecanismo S N 2 es la inversión de configuración y es consistente con un mecanismo concertado → Nu ataca con pérdida simultánea del grupo saliente → centro quiral se comporta como un paraguas invertido por el viento. IG @CHEMIISTRYGRAM 6 Esta reacción es estereoespecífica ya que la configuración del producto depende de la configuración del material de partida. Los dos reactivos colisionan y forman un estado de transición → unión parcialmente formada entre Nu y halogenuro de alquilo y hay una unión parcialmente rota entre halogenuro de alquilo y Br → NO es un intermediario, es una especie que no se puede aislar → símbolo en amarillo indica que es una barrera energética para llegar a los productos de reacción. 3- Efecto de la estructura del halogenuro de alquilo sobre la velocidad de las reacciones SN2 La rapidez relativa de halogenuro de metilo es mayor a la de halogenuro de etilo y esta es mayor a la de halogenuro de iso-propilo. Lo mismo sucede con derivados halogenados con + sustituyentes en el carbono alfa y que además sean voluminosos. A mayor congestión de sustituyentes en la cara opuesta a unión C-X → se dificulta la llegada de Nu a C alfa. Ej → terc-butilo → Nu no puede atacar al estar cara opuesta congestionada con sustituyentes. Este orden en rapidez relativa → 1ro metilo, luego haluro primario, etc → evidencia de mecanismo de tipo concertado y ataque por retaguardia → si esto no fuera así no se observaría una disminución entre la velocidad de la reacción entre un derivado halogenado primario y un metilo o un terc-butilo En estado de transición nos encontramos con un C sp2 → sustituyentes del C se ubican en un plano y perpendicular a ese plano el enlace que se está formando con el nucleófilo y el enlace que se está rompiendo con el grupo saliente → puede haber Impedimento Estérico → Aglomeración de sustituyentes → cuanto + voluminosos son los sustituyentes + difícil va a ser que se forme este estado de transición. IG @CHEMIISTRYGRAM 7 4- Fuerza del nucleófilo sobre la velocidad de la reacción SN2 -Nucleofilicidad → velocidad en la que un Nu atacará a un electrófilo (E+) adecuado → Un buen nucleófilo dará una reacción rápida SN2 mientras que un reactivo poco nucleófilo dará una reacción SN2 lenta. -Basicidad → es una medida de qué tan bien un compuesto, una base comparte sus e-no enlazados. Mientras + fuerte sea la base, mejor comparte sus e- → basicidad definida por constante de eq para sustraer un protón. Nucleofilicidad → medida de la facilidad con la que un Nu ataca a un C deficiente de e- y se mide con la constante de rapidez → en SN2 la nucleofilicidad es una medida de facilidad con la que un nucleófilo ataca al carbono sp3 unido al grupo saliente. Al comparar moléculas atacadas por el mismo átomo → relación directa entre basicidad y nucleofilicidad: Bases + fuertes son los mejores nucleófilos → especie con una carga negativa es una base + fuerte y mejor Nu que una especie que tenga el mismo átomo atacante pero que sea neutro → OH- es mejor que el agua. Las bases pueden ser fuertes o débiles y los nucleófilos se describen como buenos o malos. (Esta de abajo es una reacción lenta) Entonces: 1- Una especie con una carga negativa es un nucleófilo más fuerte que una especie neutra similar. 2- La Nucleofilia disminuye de izq a derecha en la tabla periódica siguiendo el aumento de la electronegatividad. Los elementos más electronegativos tienen e- más estrechamente unidos y son menos reactivos para formar nuevos enlaces. 3- Nucleofilia aumenta de arriba hacia abajo en la tabla periódica, siguiendo el aumento del tamaño, la polarizabilidad y la disminución de la electronegatividad. IG @CHEMIISTRYGRAM 8 Al comparar moléculas cuyos átomos atacantes son de tamaño muy diferente hay otro factor que entra en juego que es la polarizabilidad del átomo → átomo + grande tiene e- más lejos y no se retienen con tanta fuerza → pueden moverse con + libertad a la carga positiva → e- pueden traslaparse por el orbital del carbono desde + lejos → mayor grado de enlace en estado de transición → + estable → Figura compara esto entre Yoduro y Fluoruro. Si comparamos moléculas atacadas por el mismo atacante → en este caso es O - → terc- butóxido tiene grupo alquilo muy voluminoso ; etóxido → grupo alquilo no voluminoso → Nu encuentra + dificultad al acercarse a un centro electrofílico con nucleófilos voluminosos que a uno con nucleófilos - voluminosos → Butóxido se comporta como base fuerte y nucleófilo + débil ; el etóxido no presenta impedimento estérico se comporta como base + débil pero como un nucleófilo + fuerte. 5- Efecto del solvente sobre la reacciones SN2 Cuando Nu con carga - se coloca en un solvente prótico, el ion se solvata → sv próticos son donores de uniones H+→ moléculas de sv se ordenan con sus H+ apuntando hacia la especie con carga - → interacción entre ion (Nu) y dipolo (H+) → interacción ion-dipolo. Sv rodea al Nu por lo que debe romperse al menos 1 de la interacciones del dipolo para que el Nu pueda participar en una reacción SN2. Bases débiles reaccionan poco con sv próticos y bases fuertes interaccionan con + fuerza porque comparten mejor sus e- → es + fácil romper las interacciones ion-dipolo entre yoduro (base débil) y el sv que entre un ion fluoruro (base fuerte) y el sv → en un sv prótico, el ion yoduro es mejor Nu que el ion fluoruro Ion fluoruro sería mejor Nu en un sv no polar que en un sv polar → no habría interacciones ion dipolo entre sv y Nu pero iones son insolubles en la mayoría de los sv no polares → pueden disolverse en sv polares apróticos → no son donores de H+ ya que no tienen H unidos a un Oxígeno o a un Nitrógeno → no hay H con carga parcial + que puedan formar interacciones ion- dipolo. IG @CHEMIISTRYGRAM 9 Moléculas de un sv polar aprótico tienen carga parcial - en su superficie → solvatan cationes → carga parcial en interior de molécula (+) es menos accesible para el Nu. Ej → Nu con carga - de una sal (NaCl) → se transforma en un reactivo + Nucleofílico porque el sv solvata al catión y deja libre al anion → este hace de Nu y ataca al centro electrofílico del halogenuro de alquilo. Energía de activación para estas reacciones SN2 (NO delta G, sino energía de activación) → es menor para un solvente polar aprótico → estabilización de los reactivos → en sv polar prótico el Nu está solvatado y dificulta ataque a C electrofílico ≠ en sv polar aprótico se solvata al Catión y el Nu está libre. Evidencias paraun proceso paso a paso y características Ej → Se espera que reacción entre 2-bromo-2-metilpropano con agua sea muy lenta → agua no es un buen Nu y hay impedimento estérico → sin embargo → reacción es muy rápida, más rápida que reacción de bromoetano (sin Impedimento est) → debe darse por un mecanismo distinto al SN2. Cinética Si se aumentan concentración de halogenuro de alquilo aumenta la velocidad de la reacción → si se aumenta concentración del agua velocidad de reacción NO aumenta → Rapidez de reacción SÓLO depende de concentración de 1 reactivo → reacción de primer orden → SN1→ Sustitución nucleofílica unimolecular → solo 1 molécula interviene en el estado de transición del paso determinante de la velocidad de la reacción. Evidencias experimentales de SN1 1- Cinética (arriba) 2- Grupos metilo de 2-bromo-2-metilpropano se sustituyen progresivamente por H → velocidad de SN1 disminuye progresivamente ≠ SN2 → halogenuros de alquilo menos impedidos daban reacción + rápida. 3- Reacción de sust de halogenuro de alquilo donde X está unido a centro asimétrico origina 2 estereoisómeros → 1 con configuración previa y otro invertida ≠ SN2 → Nu y grupo saliente accionan al mismo tiempo → En SN1 grupo saliente se aleja antes que el Nu se acerque: ● Primer paso corresponde a la salida del halogenuro de alquilo → se rompe enlace C-X y par de e- permanece con X → halogenuro con carga - y octeto completo → C forma carbocatión intermediario. ● Segundo paso → Nu reacciona con carbocatión y forma un alcohol protonado. ● Último paso → transferencia de protón al medio. IG @CHEMIISTRYGRAM 10 4-Efecto de la estructura del halogenuro de alquilo sobre la velocidad de las reacciones SN1 Sn1→ 1ra etapa se forma carbocatión y su estado de transición (previo) presenta la ruptura de enlace C-X → estado de transición debe ser parecido en estructura a carbocatión y todos los factores que estabilizan al carbocat deben estabilizar también al estado de transición → cuanto + estabilizado, menor Energía de activación requerirá y la reacción será + rápida. Estabilidad de carbocationes → terciario > secundario > primario > metilo → al agregarse grupos metilo la densidad de carga concentrada en C central comienza a desaparecer al estar repartida entre todos los átomos → ocurre por estabilización por efecto inductivo e hiperconjugación: C sp3 es menos electronegativo que sp2 → cede e- por efecto inductivo a los enlaces a través de enlaces pi y también por hiperconjugación → traslape de uniones sigmas con el orbital vacío p del carbocatión. Halogenuro de alilo → origina intermediario estabilizado por resonancia → carga repartida entre 2 C → da gran estabilidad a halogenuros de alilo primarios. 5- Diagrama de energía general para una reacción que ocurre a través de un mecanismo SN1 Halogenuro de alquilo → ruptura de C-X (1er estado de transición)→ se libera grupo saliente y se forma carbocatión → ataque nucleofílico que genera 2do estado de transición donde se está formando unión C- Nu → Luego formación del producto. En reloj → 1 er paso es el que limita la velocidad de la reacción. Comparación entre energía de activación requerida para reacción SN1 a partir de derivado halogenado secundario y un derivado halogenado terciario → es menor en deriv. hal. terciario → por energía del carbocatión (+ estable 3°) IG @CHEMIISTRYGRAM 11 6- Estereoquímica de las reacciones SN1 Inversión y retención de la configuración en productos → analizamos mecanismo: Una vez que se rompe C-X se forma carbocatión, es sp2 y es trigonal → todos los enlaces están ubicados en el mismo plano → se forma par iónico carbocatión y grupo saliente → carbocatión PLANO → Nu puede atacar por cualquiera de las 2 caras → teóricamente obtengo productos con 50% de inversión en la configuración y 50% de retención en la config Experimentalmente se observa que hay un exceso de inversión → justificación → al formarse par iónico, este está muy asociado y a medida que pasa el tiempo las moléculas de sv van entrando entre las 2 especies → anión (X-) y catión (C) comienzan a separarse → en un primer momento el lado opuesto al X está más asequible para Nu que el lado donde esta el X → ambos (X- y Nu) tienen cargas - → se forma producto de inversión. A medida que moléculas de sv van separando el par iónico (C+ y X-) → carbocatión se libera para que Nu ataque por cualquier lado con = probabilidad produciendo una mezcla racémica (teórica) → hay exceso de inversión (real). Ej de mecanismo → (S) -2- bromo - 2-etilpentano Reemplazo de Bromuro por un cloruro → 1ro se forma carbocatión → se supone que ambos lados pueden atacarse al ser el carbocatión plano → sin embargo → ataque de Cl (Nu) encuentra al lado “izquierdo” está + favorecido que lado “derecho” por la cercanía del Bromuro → luego sv empieza a separar carbocatión y bromuro y es posible ataque de ambos lados. El paso que determina la rapidez de la SN1 es el primero → disociación de halogenuro de alquilo para formar carbocatión → rapidez afectada por 2 factores: 1- Estabilidad del carbocatión que se forma . 2- Facilidad de disociación del grupo saliente → también vemos relación entre basicidad y la capacidad del grupo saliente → mientras más débil sea la base, menos fuerte está unida al C y con más facilidad se puede romper enlace C-X → ej → halogenuro de alquilo con Iodo (débil)→ es + reactivo que derivado halogenado con Fluor (fuerte) IG @CHEMIISTRYGRAM 12 7-Efectos del disolvente en reacciones SN1 Sn1 se llevan a cabo + fácilmente en sv polares próticos que estabilizan al ion → sv actúa como Nu → solvólisis. Sv próticos como agua o alcoholes son muy eficaces → aniones forman enlaces de H con el átomo de H del sv (OH-) y los carbocationes se estabilizan a través de interacciones con los e- no enlazados del átomo de O del - OH del sv. Diagrama de Energía → reacción con sv polar prótico requiere menor energía de activación comparado a sv polar aprótico → relación con enlaces de H que se forman para solvatar aniones y cationes. Medida de capacidad de sv para solvatar iones → constante dieléctrica → cuanto + elevada, + rápido se lleva a cabo reacción. 8- Reordenamientos en las reacciones SN1 Ej → 2-bromo-3-metilbutano en etanol con calor → 2 productos: 2-etoxi-3-metilbutano → producto no reordenado → etoxi está en el mismo C donde estaba el X (Br) ; se obtiene otro producto → reordenado → 2- etoxi-2-metilbutano → reordenamiento de carbocatión. Paso 1: Se produce ionización C-X que genera carbocatión 2° ; Paso 2: Desplazamiento de Hidruro forma carbocatión + estable 3° ; Paso 3: el Nu (sv) ataca carbocatión reordenado ; Paso 4: Desprotonación → muchas veces no aparece en diagrama de Energía → requiere poca Energía y no se lo considera. IG @CHEMIISTRYGRAM 13 Competencia SN1 y SN2 Algunas aclaraciones del cuadro: Se dan por medio de distintos mecanismos, requieren de distinto derivado halogenado como sustrato, diferente tipo de Nu, sv, y estereoquímica dif. Algunas presentan reordenamiento y otras no. El mecanismo de Sn2 requiere estado de transición mientras que la Sn1 forma carbocationes intermediarios; El derivado halogenado (RX) de Sn2 → derivado halog 3° no reacciona debido a impedimento estérico, es preferible un metilo (H) mientras que Sn1 no se da reacción con metilos y derivados 1° no dan productos debido a la inestabilidad de sus carbocationes. Reacciones Sn1 y Sn2 en derivados halogenados bencílicos, alílicos, vinílicos y arílicos Derivados halogenados bencílicos y alílicos primarios y secundarios → reacciones Sn2 ; derivados hal bencílicos y alílicos 3° → no realizan mecanismo Sn2 porimpedimento estérico. Cualquier derivado halog bencílico y alílico reaccionan bien con mecanismos Sn1 → forman carbocationes estabilizados por resonancia → si estructuras resonantes de carbocatión intermediario presentan grupos distintos unidos a C sp2, se forman 2 productos de sustitución → deslocalización de e- puede afectar productos formados. IG @CHEMIISTRYGRAM 14 Halogenuros vinílicos y arilícos → X unido al anillo aromático o a un doble enlace → no presentan reacciones de Sn1 y Sn2, particularmente de Sn2 ya que al acercarse el Nu por detrás del C sp2, éste es repelido por la nube de e- del anillo ar o del doble enlace. Tampoco dan Sn1 por 2 motivos: 1- Cationes vinílicos y arílicos son + inestables que carbocationes primarios → carga + se localiza en un carbono sp → + electronegativo que carbono sp2 → se resisten + a convertirse en una especie con carga+ 2- C sp2 forman enlaces + fuertes que C sp3 → es + difícil romper enlace C-X