QOI-CT-17 Derivados Halogenados Parte 2

Vista previa del material en texto

QUÍMICA ORGÁNICA I
DERIVADOS HALOGENADOS II
REACCIONES DE ELIMINACIÓN E1 Y E2
COMPETENCIA ENTRE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA
vs ELIMINACIÓN
DRA. MERCEDES BLANCO 2020
REACCIONES DE ELIMINACIÓN
Además de participar en reacciones de sustitución nucleofílica, los halogenuros de alquilo también experimentan reacciones de eliminación. En general, en una reacción de eliminación hay átomos o grupos que se separan de un reactivo. Por ejemplo, cuando un halogenuro de alquilo participa en una reacción de eliminación (en presencia de una base), el halógeno (X-) se elimina de un carbono (Ca) y del carbono adyacente (Cb) se elimina hidrógeno (H+). En consecuencia, cuando los halogenuros de alquilo sufren reacciones de eliminación, el producto que se obtiene es un alqueno. Así como hay dos reacciones importantes de sustitución nucleofílica, la SN1 y la SN2, existen dos reacciones importantes de eliminación, la E1 y la E2.
Mediante un mecanismo concertado
Mediante un mecanismo paso a paso
1.- Mediante un proceso concertado: 
Velocidad = k [haluro de alquilo] [nucleófilo] 
- Cinética 
Cuando un halogenuro de alquilo se trata con una base fuerte, se encuentra que la velocidad de reacción depende generalmente de las concentraciones tanto del halogenuro de alquilo como de la base. Específicamente, duplicar la concentración del halogenuro de alquilo hace que la velocidad de reacción se duplique y, de manera similar, duplicar la concentración de la base también hace que la velocidad se duplique. Estas observaciones son consistentes con un proceso de segundo orden, E2.
k, constante de rapidez
 La base sustrae un H (como H+) del Cb (b-eliminación)
 El par de electrones de la unión C-H forma el enlace p
- El bromo sale con el par electrónico de su unión (X-)
- Efecto de la estructura del halogenuro de alquilo sobre la velocidad de las reacciones E2
Los halogenuros de alquilo terciarios experimenten reacciones E2 con bastante rapidez. ¿Por qué los sustratos terciarios sufren reacciones E2 pero no SN2? Una reacción de sustitución ocurre cuando el reactivo funciona como nucleófilo y ataca la posición α, mientras que una reacción de eliminación se produce cuando el reactivo funciona como base y sustrae un protón de una posición β. Con un halogenuro de alquilo terciario, el impedimento estérico evita que el reactivo funcione como un nucleófilo a una velocidad apreciable, sin embargo, el reactivo puede funcionar como base sin encontrar muchos obstáculos estéricos.
- Regioquímica y estereoquímica de las reacciones E2
En el 2-bromobutano, las posiciones β no son idénticas, por lo que el doble enlace puede formarse en dos regiones diferentes de la molécula. Se dice que la reacción es regioselectiva porque puede originar dos isómeros constitucionales diferentes y, generalmente, se observa que el alqueno más sustituido es el producto principal. Esta tendencia fue observada por primera vez en 1875 por el químico ruso Zaitsev, y por eso el alqueno más sustituido se llama el producto Zaitsev. Sin embargo, se han observado muchas excepciones. Cuando el RX y/o la base están impedidos estéricamente, el alqueno menos sustituido es a menudo el producto principal. El alqueno menos sustituido se llama producto de Hofmann. En la tabla se puede ver que la distribución del producto para la reacción anterior, depende en gran medida de la elección de la base. 
Regioquímica
Estereoselectividad
 Teniendo en cuenta el postulado de Hammond, podemos decir que el estado de transición para la formación del alqueno trans debe ser más estable que el estado de transición para la formación del alqueno cis. Se dice que esta reacción es estereoselectiva porque el reactivo de partida (RX) produce dos estereoisómeros en cantidades desiguales.
Estereoespecificidad
En el estado de transición, se está formando un enlace π. Por lo tanto, el estado de transición debe implicar la formación de orbitales p que estén posicionados de tal manera que puedan superponerse entre sí. Para lograr este tipo de superposición orbital, cuatro átomos deben encontrarse en el mismo plano: el H en la posición β, el grupo saliente, y los dos átomos de carbono que finalmente llevarán el enlace π, es decir, deben ser coplanares. 
¿Por qué sólo se obtiene el estereoisómero E?
(3S,4R)-3-bromo-4-fenil-2,2-dimetilpentano
Si imaginamos la rotación a través de enlace s C-C, vemos que hay dos formas de lograr una disposición coplanar: 
E
En este contexto, los términos anti y syn se refieren a las posiciones relativas del protón y el grupo saliente, que se pueden ver más claramente empleando las proyecciones de Newman.
La eliminación a través de la conformación syn-coplanar implicaría una estado de transición de mayor energía como resultado de la geometría eclipsada. Por lo tanto, la eliminación ocurre más rápidamente a través de la conformación anti-coplanar. 
‡
‡
(3S,4R)-3-bromo-4-fenil-2,2-dimetilpentano
Entonces el (3R,4S)-3-bromo-4-fenil-2,2-dimetilpentano origina el alqueno Z!!!!!!, intenta demostrarlo!!
El requisito de coplanaridad no es del todo absoluto. Si el ángulo diedro entre el H y el grupo saliente no es exactamente 180°, la reacción puede continuar mientras el ángulo diedro esté cerca de 180°. El término periplanar (en lugar de coplanar) se utiliza para describir una situación en la que el H y el grupo saliente están casi coplanares. En tal conformación, la superposición orbital es lo suficientemente significativa como para que ocurra una reacción E2. El requisito de una disposición anti-periplanar determinará la estereoisomería del producto. En otras palabras, el producto estereoisomérico de un proceso E2 depende de la configuración del halogenuro de alquilo de partida → reacción estereoespecífica.
En una reacción E2 estereoselectiva: 
El RX puede o no, presentar estereoisomería, sin embargo, puede producir dos productos estereoisoméricos, y se observa que uno de los productos se forma con mayor rendimiento.
En una reacción E2 estereoespecífica: El RX presenta estereoisomería y el resultado estereoquímico depende de qué estereoisómero se use para llevar a cabo la reacción.
2.- Mediante un proceso paso a paso: 
Cuando un halogenuro de alquilo terciario se disuelve en un solvente polar (etanol, agua, etc.), que es tanto una base débil como un nucleófilo débil, esperamos que un proceso SN2 sea desfavorable, porque el RX es terciario y porque el nucleófilo es débil. Tampoco esperamos un proceso E2 porque la base es débil. Sin embargo, con el tiempo, se forman los productos de sustitución (SN1) y eliminación (E1) como se ve en el siguiente ejemplo:
- Cinética 
velocidad = k[halogenuro de alquilo]
k, constante de rapidez
I
(solvente)
EtOH
OEt
Diagrama de energía general para una reacción que ocurre a través de un mecanismo con formación de carbocatión
Avance de la reacción
Energía
El primer paso tiene el estado de transición de energía más alto, por lo que el primer paso, es el paso determinante de la velocidad para ambos procesos. Ese paso determina la velocidad a la que aparecen los dos productos. Sin embargo, la distribución de productos (qué producto se favorece sobre el otro) depende de la energía relativa de los estados de transición en el segundo paso. En este diagrama de energía, la ruta de sustitución se muestra como la ruta de energía más baja, favoreciendo el producto SN1 sobre el producto E1. De hecho, este es a menudo el caso, aunque la eliminación es generalmente favorecida sobre la sustitución cuando el alqueno resultante está tri- o tetrasustituido.
Un carbocatión puede…
- Reaccionar con su propio grupo saliente para dar el reactivo
- Reaccionar con un nucleófilo para formar un producto de sustitución (SN1)
- Perder un protón para formar un producto de eliminación (E1)
- Reordenarse para dar un carbocatión más estable y reaccionar posteriormente
- Reordenamiento de carbocatión en las reacciones E1
- Regioquímica y estereoselectividad de las reacciones E1Avance de la reacción
Regioquímica
- Efecto de la estructura del halogenuro de alquilo sobre la velocidad de las reacciones E1
Los halogenuros de alquilo tienen el mismo orden de reactividad en las reacciones SN1 que en las reacciones E1 porque ambas presentan el mismo paso determinante en la rapidez de reacción: la disociación del halogenuro de alquilo para formar un carbocatión. Por eso todos los halogenuros de alquilo que reaccionan bajo condiciones SN1/E1 forman productos tanto de sustitución como de eliminación. 
Productos de eliminación
Producto de 
sustitución
calor
En una reacción E1 pueden efectuarse eliminaciones syn y anti, por lo tanto se formarán los productos E y Z independientemente de si el carbono b, de donde se elimina el protón, tiene uno o dos hidrógenos. El producto principal es el que tenga los grupos más voluminosos en lados opuestos del doble enlace porque representa al alqueno más estable. En contraste, acabamos de ver que una reacción E2 forma los productos E y Z sólo si el carbono b del que se elimina el protón dispone de dos hidrógenos. 
Estereoselectividad
En general:
Comparación E1 vs E2
Competencia entre sustitución y eliminación
Para pronosticar cuáles serán los productos de la reacción con un haluro de alquilo, lo primero que debe decidirse es si las condiciones de reacción favorecen a las reacciones SN2/E2 o SN1/E1. 
Las condiciones que favorecen a las reacciones SN2/E2: una alta concentración de un buen nucleófilo y una base fuerte. Una especie con carga negativa puede actuar como nucleófilo y atacar por detrás al carbono a para formar el producto de sustitución, o puede actuar como base y extraer un hidrógeno b para formar el producto de eliminación. Así, las dos reacciones compiten entre sí. De hecho, ambas suceden por la misma razón: el halógeno atractor de densidad electrónica induce una carga parcial positiva al carbono con el que está unido (Ca).
Condiciones SN2/E2
Condiciones SN1/E1
E2
Estereoquímica de las reacciones de sustitución y eliminación
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA
Química Orgánica, D. Klein, Editorial Panamericana.
Química Orgánica, L. G. Wade Jr., Ed. Pearson, Prentice Hall.
Química Orgánica, P. Yurkanis Bruice, Ed. Pearson, Prentice Hall.
NOTA: las figuras utilizadas para la elaboración de esta presentación fueron tomadas de la bibliografía recomendada.