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Comencemos con un repaso: Teoría de Arrhenius: según esta teoría desarrollada a fines del siglo XIX, un ácido es una sustancia que se ioniza en disolución acuosa dando iones H+, y una base es una sustancia que se ioniza en disolución acuosa generando aniones hidroxilos (OH-) La teoría tiene limitaciones: - Solo está formulada para las disoluciones acuosas - No permite explicar las características acidas y básicas de otros compuestos. Por ejemplos el amoniaco (NH3) que neutraliza acidos sin poseer grupos hidroxilos en su formular molecular: Teoría de bronsted-Lowry - El ácido cede protón a la base formándose posteriormente la base conjugada. - La base acepta el protón formando lo que se conoce como acido conjugado. Tomamos el ejemplo del HCl como acido frente al agua como base la ecuación nos va a dar al cloruro como base conjugada y el ácido conjugado. El agua actúa como base quiere decir que a través de un par electrónico no compartido está tomando un protón del HCl. Sin embargo en la 2da ecuación cuando nosotros enfrentamos al agua a una especie más básica que ella como puede ser un alcoxido, el agua va a actuar como un ácido. Se puede ver como el h rojo, va a ceder el hidrogeno a la base de tal manera que se va a formar el ácido conjugado, en este caso el alcohol, y la base conjugada, el hidroxilo. ACIDO BASE HCl ------------- H+ + Cl- H2SO4------------- 2H+ + SO42- HA ------------- H+ + A- H2O H2O H2O NaOH ------------- Na+ + OH- Ca(OH)2------------- Ca2+ + 2OH- BOH ------------- B+ + OH- HCL + NH3 --- NH4+ + Cl- Acido Base D r a . S a le r n o IG @CHEMIISTRYGRAM Podemos definir: - A la acidez como la medida de la tendencia de un compuesto a donar un protón. - A la basicidad como la medida de la afinidad de un compuesto para aceptar ese protón. Cuanta más capacidad tenga una sustancia en ceder su protón menor tendencia tendrá su base conjugada para aceptarlo nuevamente. Nuestro ejemplo: en el caso del HCl cuanto mayor es la fuerza del ácido más tendencia va a tener el ácido de estar disociado, quiere decir que la reacción va a estar desplazada hacia la derecha con la formación de la base conjugada (Cl-). Y esa base conjugada como base va a tener poca tendencia de aceptar el protón porque desplazaría la ecuación hacia la izquierda. Entonces entre un ácido y una base conjugada la relación que es existe es que CUANTO MAS FUERTE ES UN ACIDO MAS DEBIL ES SU BASE CONJUGADA COMO BASE. o Como determinamos la acidez relativa de un compuesto orgánico frente a otro? El grado en el que se disocia un ácido se indica mediante su constante de acidez. Tomamos la ecuación de un acido en forma general, la 1era que se observa en la diapositiva y su reacción con agua, vemos que hay un equilibrio nuevamente hacia la formación del acido conjugado y de la base conjugada. Si nosotros escribimos las constante de equilibrio de esta reacción va a ser el producto entre las concentraciones molares del ácido y de las bases conjugadas en el numerador; y en el denominador el producto de las concentraciones molares del ácido y de la base. Nos quedaría una constante de equilibrio donde la concentración molar del agua se toma como constante, por lo cual lo pasamos al otro término. Y ahí nos queda definida la constante de acidez. La constante de acidez está relacionada directamente a la concentraciones molares del acido y de la base conjugada sobre la concentración molar del ácido. Esto nos quiere decir que cuanto mayor es la constante de disociación del ácido más fuerte es el ácido y más es su tendencia a donar un protón. Normalmente por convención no se utiliza la constante de acidez que tiene valores muy grandes sino que se utiliza el pka, el cual es el logaritmo de la constante. Por ende los pka van a guardar una relación inversa con el grado de acidez, CUANDO MAYOR ES LA CONSTANTE DE ACIDEZ MENOR ES EL PKA. Si tomamos ahora el alcoxido con el ácido van a formarse el alcohol y la base conjugada, analizando los valores de pka nosotros podemos predecir hacia dónde va a estar desplazado el equilibrio. El valor de pka del agua es 15,7 y el valor de pka del alcohol es de 18. Entre los 2 ácidos el ácido más fuerte es el que siempre va a tener tendencia a estar más disociado. IMPORTANTE Esto quiere decir que el alcohol es menos ACIDO que el agua. En las reacciones acido-base el equilibrio se desplaza favoreciendo la formación del acido más débil. IG @CHEMIISTRYGRAM Presentamos esta tabla para ir viendo algunos valores de pka de diferentes compuestos que vamos a analizar posteriormente. El ácido sulfonico y HCl tiene valores negativos de pka ósea constantes acidas bastante altas. Muchos menos acidos son los acidos inorgánicos que varían entre 4-5 aproximadamente. Muchos menos acidos son los fenoles y mucho menos aun los alcoholes y los alquinos que tienen pka menores al valor del agua Existen 2 formas para predecir hacia qué lado esta desplazado el equilibrio: 1) Por un lado evaluando los valores de pka siempre va a estar desplazado hacia la formación del ácido más débil. Reacción de la diapo: si tomamos como ejemplo el benzoato de sodio con HCl para dar benzoico y cloruro de sodio. Tenemos que el valor de pka del HCl es de -7 y el del ácido benzoico es de 6, o sea que el benzoico es el ácido más débil y el equilibrio va a estar desplazado hacia su formación. 2) Por otro lado podemos analizar la estabilidad del anión o sea de la base conjugada que se forma cuando un ácido se disocia. Cuanto mayor sea la estabilidad del anión más potencialidad del ácido para estar disociado tiene. A esa base conjugada la vamos a analizar en cuanto a su estructura básicamente porque es un anión y tenemos que ver cómo podemos estabilizarlo. Incluye tanto el átomo que soporta la carga negativa porque no es lo mismo tener una carga negativa en un átomo más o menos electronegativo, por ejemplo, otros factores de la estructura que puedan estabilizar la carga negativa como pueden ser los efectos de resonancia o los efectos inductivos y también es importante la hibridación del átomo sobre el cual se encuentra la carga negativa. También hay otros factores que pueden ayudar a la base conjugada como la solvatación. IG @CHEMIISTRYGRAM Analizamos el átomo que soporta la carga negativa: Vemos que si nos desplazamos en un periodo, el periodo carbono-nitrógeno-oxigeno-flúor por ejemplo. La acidez va a aumentando desde el átomo mas electronegativo hacia el menos. El HF es más acido que el agua, el amoniaco y que el metano, la estabilidad de la base es mayor para el átomo mas electronegativo que para el menos electronegativo. El floruro puede acomodar mejor la carga negativa que el carbono, en esta situación la acidez aumenta con la electronegatividad. La misma en la tabla periódica aumenta de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba. Ahora nos ubicaremos en el grupo de los halógenos, en ese caso la acidez aumenta con el tamaño del átomo, comparando estos átomos vemos que la acidez del HI es mayor que la del HBr, HCl y HF. Porque la estabilidad comparada acá tiene que ver con el tamaño del núcleo, el iodo es un núcleo mucho más grande donde la carga negativa puede estar dispersa en un volumen mayor por lo tanto la estabilidad del anión comparando el volumen de los átomos va a ser mayor para el átomo MAYOR (I-) que los demás aniones (Br-,cl-y F-). Cuando un ácido carboxílico se disocia se forma un anión carboxilato, cuanto más estable sea el anión carboxilato mas desplazado hacia la derecha estará el equilibrio. En principio los acidos carboxílicos tanto como sus bases conjugadas se encuentran estabilizadas por resonancia,podemos ver en la reacción las dos estructuras límites del ácido donde podemos tener una resonancia donde el grupo oxidrilo cede un par electrónico y un anión se forma sobre el oxígeno, o sea que el ácido de base está estabilizado y su base conjugada también está estabilizada por resonancia. Porque el efecto donde el oxígeno se encuentra negativo con un par electrónico extra y puede ceder el par electrónico al simple enlace y el doble enlace desplazarse sobre el otro oxígeno. Tanto el ácido sin disociar como el anión carboxilato son híbridos resonantes entre esas estructuras limites que tenemos indicadas. Sin embargo la acidez se debe a que la estabilización por resonancia es más efectiva en el anión carboxilato debido a que las dos estructuras que forman el hibrido son estructuras equivalentes. La acidez de los acidos carboxílicos varía con la naturaleza del resto R y sus sustituyentes: - R atractor de electrones, estabiliza la base conjugada y aumenta la acidez. - R dador de electrones desestabiliza la base conjugada y disminuye la acidez. IG @CHEMIISTRYGRAM EFECTO INDUCTIVO En el 1er grupo de estructuras nosotros tenemos un acido carboxilico determinado incorporamos un átomo electronegativo como el cloro a medida que incorporamos un carbono alfa, 1, 2 o 3 átomos que atraen electrones la acidez va aumentando. Porque el efecto inductivo que ejerce un átomo de cloro es menor que el que ejerce 2 y el que ejercen 3 átomos de cloro; a medida que aumentamos el numero de halogenos se estabiliza el anión correspondiente por efecto inductivo. Por otro lado podemos incorporar restos atractores de electrones con distinta electronegatividad, en la tabla de abajo tenemos un acido carboxilico que tiene 3 cloros en carbono alfa, tiene un pka de 0,64 y este pka aumenta cuando los átomos en lugar de cloro son fluor que presentan mayor electronegatividad. La magnitud del efecto inductivo tambien depende de la distancia a la que tenemos el grupo carboxilo recordemos que el efecto inductivo se desplaza por los enlaces sigma, por ende cuanto mas lejos este el sustituyente atractor de electrones menos va a influir en la estabilidad de la base. Los sustituyentes atractores de electrones en carbono alfa como en el 1er caso un cloro en el carbono alfa de un acido carboxilico. El cual tiene un valor de pka de 2,9; este valor va aumentando a medida que el cloro pasa del carbono alfa al beta o al gamma. O sea que el acido va disminuyendo su acidez a medida que el cloro se aleja del carboxilato. Aca tenemos un ejemplo: - Acido 2 cloro butanoico: con un pka de 2.8, cuando el cloro se encuentra en C3 tiene un pka de 4 y después pasa a un pka de 4,5 eso quiere decir que el efecto inductivo va disminuyendo con la distancia del grupo atractor a la base conjugada, carboxilato. IG @CHEMIISTRYGRAM Si comparamos el ácido benzoico con su versión saturada (ácido ciclohexanocarboxilico) vemos que el ácido benzoico es más acido, por lo tanto esto indica que el grupo fenilo ejerce una accion aceptora de electrones en comparación con los átomos de carbonos saturados. Al ser aceptora estaría estabilizando la base. Que pasa con los acidos benzoicos sustituidos sobre el anillo aromático? La influencia del sustituyente en el núcleo aromático depende de los efectos inductivos y mesomericos del mismo y de su ubicación. En general tenemos que considerar que si nosotros tenemos el carboxilato, grupo atractores de electrones que me van a poder dispersar la carga sobre todo por efecto inductivo, me van a aumentar la acidez por estabilización del anión. Mientras que grupos dadores de electrones, si bien influyen menos, me van a disminuir la acidez. GRUPOS ATRACTORES AUMENTAN ACIDEZ GRUPOS DADORES DISMUYEN LA ACIDEZ Como observamos en la tabla el primer elemento que tenemos con pka de 4,20 es el ácido benzoico, la inclusión en el anillo aromático de grupos atractores por efecto inductivo, en general disminuye el valor de pka. Por ende aumenta la acidez del ácido carboxílico mucho más en el caso que el cloro este en posición orto o sea cerca al carboxilato que baja a 2,9 que en posición META/PARA está actuando básicamente por efecto inductivo. Lo mismo sucede con grupos atractores como el grupo nitro tanto en posición orto como en posición para. Los grupos dadores de electrones en general influyen menos sobre el pka del ácido benzoico. 1era reacción - Podemos ver la ecuación en la imagen, el oxidrilo cede electrones al núcleo por efecto mesomerico de tal manera que va a haber una concentración de carga negativa cerca del carbono que lleva el anión carboxilato, esto hace que la estabilización de carboxilato no se buena dando una acidez menor. 2da reacción – tenemos el otro acido benzoico con un pka de 2,98 aumenta la acidez con respecto a los otros acidos. Esto se debe a que en la estructura hay una estabilización adicional, la cual se basa en una unión entre el H del grupo OH y el oxígeno cargado negativamente del anión carboxilato. IG @CHEMIISTRYGRAM Los acidos sulfónicos son bastante más acidos que los acidos carboxílicos tienen un pka de -9 mostrando una acidez semejante a la de los acidos minerales que poseen un pka de -7. La mayor acidez de los acidos sulfónicos se debe a la fuerte estabilización por resonancia que tiene la base conjugada. Podemos ver en la ecuación que el sulfonato puede estabilizar la carga negativa sobre 3 uniones oxigeno dando 3 estructuras resonantes equivalentes que permiten dispersar la carga mucho más que en los acidos carboxílicos. El fenol tiene un pka de 10, si lo comparamos con su análogo saturado el ciclo hexanol, es sustancialmente más acido. Los alcoholes están en un pka aproximadamente de 18. El fenol cuando reacciona con una base fuerte como el NaOH se forma el fenoxido de sodio y el agua. Si comparamos los valores de pka vemos que los acidos involucrados en este caso el fenol tiene un pka de 10 mientras que el agua tiene un pka de 15 por lo tanto esto va a estar desplazado fundamentalmente hacia la formación del ácido más débil. Si bien el fenol ya en sí mismo es un hibrido resonante entre varias estructuras, un par electrónico del oxígeno se cede al anillo y una carga negativa queda sobre las posiciones 2 y 4 del anillo bencénico mientras que la carga positiva queda sobre el oxígeno, es una estabilización donde hay separación de cargas. Cuando el fenol reacciona con una base se forma el fenoxido (base) la estabilización por resonancia se da a través de la dispersión de esa carga negativa y en esta caso la estabilización implica que el par electrónico puede estar sobre el átomo de oxigeno o también sobre 3 átomos de carbono del anillo bencénico. Se da una dispersión de esta carga negativa lo cual hace que estas formas resonantes permitan fácilmente estabilizar el anión formado. (Alto matete se hizo la profe acá, sorry) IG @CHEMIISTRYGRAM Efecto de los sustituyentes sobre la acidez del fenol: Los sustituyentes dadores de electrones como los 2 primeros (O- CHE3 / CH3) van a afectar poco a la acidez del fenol son grupos que podrían disminuir la acidez pero levemente. Los que afectan la acidez del fenol son los sustituyentes atractores de electrones, como por ejemplo el cloro por efecto inductivo, o atractores por efecto mesomerico. Comparemos en la 1er tabla, el fenol con los sustituyentes dadores en meta y para observamos que el cambio en el pka no es sustancial. En la 2da tabla tenemos el fenol en ORTO, META Y PARA cloro fenol se ejerce el efecto inductivo que es más eficiente en posición orto que en las otras 2. Cuando incluimos grupos atractores de electrones por efecto mesomerico esos grupos van a poder dispersar mucho más la carga negativa por resonancia. En el nitrofenol el pka disminuye un poco mássobre todo cuando el grupo atractor por efecto mesomerico se encuentra en posición orto y para. Si incluimos más grupos atractores por ej el 2,4 dintrofenol / 2,4,6 trinitrofenol vemos que el efecto es mucho más importante. Podemos observar al fenoxido con su par electrónico el cual tiene un Z atractor de electrones el cual va a poder dispersar la carga negativa lo cual estabiliza la base. En el esquema de la derecha observamos el fenoxido con un Z dador de electrones el cual va a concentrar la carga negativa cerca del carbono que lleva el grupo O- , por lo cual va a estar menos estabilizada la base. Observamos la formas resonantes que justifican esto, en el caso del fenoxido con un grupo nitro en posición PARA la resonancia del mismo implica el desplazamiento de los electrones que están sobre el oxígeno de la unión C-O del anillo hay un desplazamiento del par electrónico del C2, la 2da forma resonante tiene la carga negativa sobre el C4 y ac a es donde ejerce su función el grupo atractor de electrones porque esta carga negativa va a poder ser atraída por el grupo nitro y dispersar entonces esa carga sobre el oxígeno, estamos incluyendo una forma resonante más a la estabilización del fenoxido. IG @CHEMIISTRYGRAM En el caso que tengamos sustituyentes dadores de electrones y nuevamente analizamos las estructuras resonantes del fenoxido observamos que la 3era estructura es una estructura que está particularmente desestabilizada. La carga negativa se encuentra sobre la posición de C4 del anillo (C PARA) en el cual tenemos el sustituyente que cede electrones por efecto mesomerico por ende va a haber una densidad de carga mayor, esto va a estar menos estabilizado que en el caso de encontrar un sustituyente atractor de electrones. los alcoholes son menos acidos qie los fenoles. Los alcoholes tienen un carácter anfótero pueden comportarse tanto como acidos como bases débiles porque el oxidrilo tiene pares de electrones sin compartir por lo tanto puede fijar un protón comportándose como una base o puede reaccionar con una base fuerte para comportarse como un ácido y ceder su protón. El carácter acido de los alcoholes se evidencia por reacción con bases muy fuertes generalmente se utiliza metales directamente formando alcoxidos. En la 1er reacción que observamos se tiene un alcohol con Na metálico para formar entonces la base conjugada (alcoxido) y liberar hidrogeno. El metanol es levemente más acido que el agua entonces todos los alcoholes son menos acidos que el agua por ende si lo enfrentamos con agua vamos a ver que se va a formar el alcoxido y el agua protonoda. La reacción va a estar desplazada hacia la formación del alcohol. Observamos una tabla donde comparamos la acidez de los compuestos respecto al agua el cual tiene un pka de 15,7 y el metanol es un poco más acido con un pka de 15,5 pero todos los demás son menos acidos que el agua. Si nos fijamos en los valores de pka vamos a ver que el orden de acidez para los alcoholes es primario (etanol) como los mas acidos luego le siguen los secundarios y por último los terciarios, Como se estabiliza el ion alcoxido? Su estabilidad está dada fundamentalmente por solvatación los cuales no depende de la base pero aun asi puede el estabilizar al alcoxido. Y también por efectos inductivos ya que en la estructura hay restos o grupos atractores de electrones. IG @CHEMIISTRYGRAM EFECTO DE SOLVATACION Tenemos un alcoxido en agua vemos que el agua puede acercarse a la carga negativa a través del hidrogeno (por sus densidades positivas del hidrogeno) y entonces dispersar esa carga negativa. Esta estabilización va a ser efectiva cuanto más pequeño sea el resto R porque es lo que va a permitir que se acerque mejor las moléculas de agua. Observamos 2 diagramas que demuestran la estabilización por solvatación del terbutoxido vemos que hay 3 moléculas de agua que pueden aproximarse, en este caso la aproximación del solvente va a estar limitada por la estructura, restos alquílicos que son voluminosos como son el terbutoxido. En el caso del etoxido son mas las moléculas de agua que pueden acercarse al oxigeno negativo y entonces el efecto de solvatación va a ser eficiente. CUANTO MAS VOLUMINOSO ES EL RESTO ALQUILO, ESTA MAS IMPEDIDO ESTERICAMENTE PARA INTERACTUAR CON EL SOLVENTE. La estabilización del alcoxido es menor y por lo tanto la acidez correspondiente EFECTO INDUCTIVO Los efectos inductivos que atraen electrones van a poder dispersar la carga y por lo tanto estabilizar al ion alcoxido. Observamos en la tabla según el pka, el metanol tiene un pka de 15, si lo comparamos con el alcohol isopropilico secundario o butílico vemos que a medida que aumentamos el impedimento estérico la acidez disminuye. Sin embargo, si colocamos en la estructura restos atractores de electrones como el cloro, y comparamos el etanol con el 2-cloro etanol vemos que el pka disminuye y la acidez aumenta, básicamente por inducción del cloro. Si agregamos 3 átomos electronegativos como el flúor, es mucho más acido justamente por la mayor estabilización por efectos inductivos del alcoxido. IG @CHEMIISTRYGRAM En los alquinos hablaremos del último efecto que mencionamos al comienzo de todo, la hibridación. Si nosotros comparamos los valores de pka de 3 compuestos con uniones C-H, el etano, eteno y etino, vemos que el pka va disminuyendo en ese sentido. Los alcanos no tienen carácter acido al igual que los alquenos pero los alquinos, SI. (pka de 25). Para poder exaltar el carácter acido de los alquinos necesitamos bases fuertes la reacción de un alquino “verdadero” como amiduro de sodio forma la base conjugada del alquino, el acetiluro de sodio y el amoniaco como acido débil. Cuando el alquino cuando se encuentra con un reactivo de grignard sabemos que en esta reacción se da la descomposición del reactivo libre de grignard liberando metano y el acetiluro correspondiente. Como explicamos la estabilidad del anión acetiluro? Se relación con la hibridación del carbono, sp para alquinos. A medida que aumenta el carácter s en la hibridación, lo que aumenta es la electronegatividad de ese carbono. Los orbitales se van haciendo cada vez menos voluminosos o sea el lugar por donde puede moverse el par electrónico es cada vez menor, estando cada vez los electrones mas cerca del núcleo. Están más estabilizados con el núcleo y por lo tanto tienen menor tendencia a protonarse. Entonces la estabilización del anión se explica por la hibridación del carbono, el par de electrones en un orbital sp está más cerca del núcleo o sea menos tendencia a ser compartido que con un sp2 o sp3, por ende se encuentran más estabilizados. Entonces los alquinos si son acidos frente a bases fuertes originan los acetiluros como aniones y la estabilidad del acetiluro se explica a través del mayor carácter s del carbono sp. IG @CHEMIISTRYGRAM Son hidrogenos que se encuentran en el carbono alfa de un compuesto carbonilico. Los hidrogenos unidos son carbonos adyacentes a un compuesto carbonilico llamado carbono alfa son suficientemente acidos como para ser removidos por una base fuerte. Vemos las 1eras estrucuturas en presencia de un compuesto carbonilo el carbono que se encuentra unido es el carbono hay que recordar que cuando se utiliza la nomenclatura alfa, beta, gamma el carbono que lleva al grupo funcional es el carbono alfa. Cuando este tipo de compuestos se enfrenta con una base el hidrogeno se puede transferir a la base y formar un anión. Si comparamos el pka de los hidrogenos alfa en el esquema de abajo en el caso de un aldehido o acetona esta alrededores de valore sde 16 a 20 cuando vemos carbonilos de esteres o de amidas tenemos valores de pka de 25 . en general estos hidrogenos son masacidos que otros unidos a carbono sp3 como en el caso de los hidrogenos del metano que tienen un pka de 60. Sin embargo los grupos carbonilos no son los unicos que pueden ejercer este efecto sobre los hidrogenos en carbono alfa, otrs grupos fuertemente atractores de electrones por efecto mesomerico como puede ser un grupo nitro o un grupo ciano pueden ejercer el mismo efecto. Podemos ver en la tabla donde tenemos los valores de pka de hidrógenos unidos a carbonos carbonilos o unidos a restos altamente atractores de electrones. Tenemos a la amida, la acidez no es tanta es un poco más en el caso de éster. Cuando pasamos a la acetona bajamos a un pka de 20, también existe la posibilidad de que un hidrogeno sea alfa de 2 grupos carbonilos o 2 grupos cianos como se observa en la tabla donde la acidez es mayor. Mayor cuando los 2 grupos son de cetonas que cuando los 2 grupos son, o uno de ellos es de cetona o unida a un nitrilo. Esto se debe fundamentalmente por la estabilización por resonancia del anión que se forma. IG @CHEMIISTRYGRAM Ya vimos en la tabla que la acidez de los hidrógenos alfa es distinta dependiendo del resto que tenga unidos si es un carbonilo, de cetona o aldehído, de éster o de amida. La acidez de los hidrógenos alfa básicamente se atribuye a la deslocalización o a la estabilización por resonancia de la carga negativa de la base conjugada. El factor que influye entonces de esos 4 que vimos inicialmente, en este caso es la resonancia. Vemos en el 1er esquema un compuesto que tiene un Ha un grupo carbonilo cuando este compuesto reacciona con una base se nos forma un carbanión, ese carbanión se puede estabilizar por resonancia de tal manera que el par electrónico sobre el carbono se desplace hacia la unión C-C y por otro lado el par electrónico de la doble unión C-O se desplace sobre el oxígeno. Esta 2 forma resonantes forman lo que llamamos un compuesto que presenta estructuras de carbanión enolato y son los responsables de muchas reacciones. Vemos en esta estabilización que esta se puede lograr solamente cuando el carbanión está en el carbono alfa porque si estuviera más lejos la estabilización por resonancia ya no podría existir. A qué se debe la distinta estabilización y distintos valores de pka que vimos en la tabla? Cuando el carbonilo es un carbonilo de un aldehído o de una cetona la única estabilización que se puede dar es la que vimos en el 1er caso, sin embargo cuando el carbonilo como el que vemos en el 2do esquema es un carbonilo que corresponde a una amida o a un éster existen 2 posibilidades de resonancia, por un lado lo que está marcado con flechas verdes indica que el oxígeno puede desplazar el par electrónico y formar un doble unión C-O y a su vez el doble enlace C-O puede desplazarse sobre el oxígeno. Se da lugar a una forma resonante que está a la izquierda que implica la deslocalización electrónica entre los dos átomos de oxígeno. En el caso que tenemos el carbanión en el carbono alfa también existe la deslocalización electrónica que está marcada en rojo donde el par electrónico sobre el carbono puede desplazarse formar una doble unión C-C y entonces la doble unión se desplaza sobre el oxígeno y es la forma resonante que tenemos hacia la derecha. En este caso los pares de electrones que están sobre el carbono o sobre el oxígeno compiten por la deslocalización electrónica, esto es lo que se llama una resonancia cruzada donde tantos los electrones que están sobre el oxígeno como los electrones que están sobre el carbono compiten para deslocalizar sobre el oxígeno del carbono-carbonilo. IG @CHEMIISTRYGRAM Cuando tenemos entonces un hidrogeno alfa que se encuentra flanqueado por 2 grupos carbonilos, la acidez de esos hidrógenos aumenta por que la estabilización de los electrones de la base se puede dar con los dos átomos de oxígenos. Tenemos 2 ejemplos la pentadiona 2,4 donde hay un metileno que tiene hidrógenos alfas ambos grupos carbonilos que presentan un pka de 8,9 y cuando el metileno se encuentra unido a dos grupos carbonilos pero uno de ellos es un carbonilo de un éster, el pka aumenta y la acidez disminuye por la estabilización por resonancia sobre el éster que no es tan efectiva. Cuando un hidrogeno de estas características reacciona con una base se forma anión que puede tener formas resonantes con ambos oxígenos. Vemos que la formula central del esquema el par de electrones deslocalizados sobre el átomo de carbono y luego las 2 otras formas resonantes el par electrónico estabilizado dispuesto sobre cada uno de los átomos de oxígeno. Acidez Respecto a la acidez de los carbonos alfas grupos carbonilos, no necesariamente tiene que ser carbonilo puede ser otros grupos atractores de electrones. En el caso del nitro si un carbanión se forma en alfa al grupo nitro la resonancia que vemos abajo el par electronico de la base puede localizarse sobre uno de los oxigenos. En el caso del grupo ciano hay una estabilizacion por resonancia que justifica la acidez de estos compuestos Reactividad Estos compuestos que tienen un hidrogeno alfa unión carbono-carbonilo frente a una base nos pueden dar un carbanión. El cual está estabilizado por resonancia básicamente puede actuar como reactivo nucleofilico da lugar a una cantidad de reacciones que se llaman vía de carbanión enolato. Estudiaremos la condensación aldólica donde sintetizan un carbonilo, un aldehído o una cetona en medio alcalino puede darnos justamente el carbanión estabilizado en su forma enolato pero el carbanión puede actuar IG @CHEMIISTRYGRAM reaccionando o atacando nucleofilicamente al carbono deficiente de otra molécula del mismo o distinto aldehído/cetona dando un intermediario de reacción y finalmente un compuesto adición, que es un compuesto b hidroxi aldehído/cetona. La reacción posterior de deshidratación del b hidroxi nos da un aldehído o cetona según alfa beta insaturado que es el producto de condensación aldólica. Cierre del tema de acidez: Vimos que los acidos sulfónicos básicamente tienen su alta acidez en la estabilización por resonancia del sulfonato, en el caso de los acidos carboxílicos tenemos la estabilización por resonancia de la base conjugada del carboxilato y a su vez la acidez está influenciada por la presencia de grupos atractores o dadores de electrones tanto en los acidos alifáticos como aromáticos. La acidez de los carbonos alfa a grupos carbonilos cuando estos carbonos alfas tienen la presencia de dos grupos carbonilos está implicada a través de la resonancia del anión de la base conjugada y de la estabilización por resonancia. Fenoles, la estabilización por resonancia del fenoxido en sí mismo y la presencia de grupos atractores o dadores de electrones que también influencia la acidez de estos compuestos. Los compuestos menos acidos que el agua se encontraban los alcoholes donde la acidez de estos compuestos será 1rios > 2rios > 3rios, la base conjugada se encuentra estabilizada fundamentalmente por solvatación. También vimos la acidez de los hidrógenos alfa cuando esta con un grupo carbonilo, tienen un pka aproximadamente de 19 y por último, los alquinos verdaderos cuya acidez se explica a través de la estabilización de la base conjugada del acetiluro por la hibridación del carbono sp mas electronegativo que sp3 y sp2. 52.51 IG @CHEMIISTRYGRAM Según la teoría de bronsted una base es una sustancia capaz de aceptar protones y por la tanto cualquier compuesto con un par de electrones no enlazantes puede actuar como una base. Tomamos como ejemplos a una amina, cuando reacciona con un ácido hay una transferencia protónica del ácido hacia el nitrógeno o sea hacia la base, formando un ácido conjugado. Si tomamos la reacción con agua nos daría el ácidoconjugado e hidroxilos. La constante de equilibrio de esta reacción estaría representada por el producto de las concentraciones molares de los productos sobre las concentraciones molares de los reactivos y de la misma manera que definimos al constante de acidez la concentración molar de agua la pasamos al término de la concentración de equilibrio y nos queda definida la concentración de la base. El kb lo vamos a expresar como pkb como menos el log de kb. La relación entre la constante de la base y el pkb son inversas. A medida que el kb aumenta y pkb disminuye. Esto quiere decir que la fuerza básica se puede medir por la constante de basicidad y que las sustancias que presentan kb pequeños se comportan como bases fuertes. CUANTO MENOS KB MAYOR CONSTANTE DE BASICIDAD. La basicidad de las aminas se puede analizar desde 2 puntos de vista. Por un lado desde la disponibilidad del par electrónico fundamental para que se fije el protón y por otro lado, desde la estabilidad del acido conjugado que se forma. - Disponibilidad par electrónico: debemos analizar todos aquellos factores que ante el par electrónico este más disponible para la unión al protón haría a la amina más básica. - Estabilidad del ácido conjugado : todos aquellos factores que se estabilicen este catión también van a hacer a la amina más básica. Si comparamos los distintos tipos de aminas, la diferencia entre ellas es la presencia de distinta cantidad de grupos alquilos. Sabemos que la presencia de grupos alquilos ya sea de uno, dos o tres, estaría expresando una mayor disponibilidad del par electrónico. En general la introducción de grupos alquilos aumenta la basicidad por efecto inductivo dados de electrones de los mismos. IG @CHEMIISTRYGRAM Por otro lado uno puede analizar lo que pasa con la estabilidad del catión que se forma. El ácido conjugado puede estabilizarse básicamente por solvatación, a través de puentes de hidrogeno con el agua. Una amina 1ria tiene 3 hidrogeno con posibilidad de formar puentes de hidrogeno para estabilizarse. Una amina 2ria tendría 2H con esta posibilidad y una amina 3ria tendría uno solo. Según este análisis los cationes que se podrían estabilizar mejor son los primarios > secundarias > terciarios. Esto quiere decir que hay una explicación contra puesta en lo que decíamos anteriormente respecto a la estabilización de las bases como con los grupos alquilos y respecto a la estabilización de los cationes. Si es cierto que las aminas 2rias son más básicas que las 1rias lo cual se explica por los efectos inductivos de los grupos alquilos. Las aminas secundarias tienen 2 grupos alquilos y las aminas 1rias uno por lo tanto las aminas 2rias en base ese análisis son más básicas. Respecto a las aminas 3rias la menor basicidad que presentan se expresa fundamentalmente por el tema de la solvatación del catión formado. En ese caso el catión se solvata menos, es menos estable y por lo tanto las vuelve menos básicas. Casos especiales: ALQUILAMINAS 2RIAS CICLICAS Observamos la piperidina es una amina alquílica 2ria heterocíclica tiene un par de electrones puesto que a diferencia de una amina 2ria no cíclica ese par de electrones se encuentra mucho más expuesto, más fijo y con menos impedimento estérico. En el 2do esquema tenemos una amina con 2 grupos alquilos los cuales pueden girar en cuanto a la rotación de sus enlaces simples y eso apantalla mucho más al par electrónico para poder unirse a un protón que en el caso de las alquilaminas. Es por eso que ellas en general como las piperidina tienen un pkb 2,8 son básicas que las aminas alifáticas no cíclicas. IG @CHEMIISTRYGRAM Estas aminas son mucho más débiles que las aminas alifáticas y eso se debe a las deslocalización por resonancia de los electrones no enlazantes del N. Observamos en el esquema lo que se indica es la estabilización por resonancia de la anilina como hibrido. La anilina normalmente el nitrógeno cede un par de electrones al núcleo desestabilizándose una carga negativa entra las posiciones 2 y 4 del anillo bencénico. La presencia de sustituyentes en el anillo va a variar la basicidad de la anilina. Si tenemos un: - Grupo dador de electrones: ejemplo metoxilo en posición 4. Cuando se desarrolla la estabilización del par electrónico, la deslocalización del par electrónico por el anillo vamos a encontrar una forma resonante donde el par electrónico del N está básicamente en el C4 o sea el carbono que lleva al grupo metoxilo. A su vez, sabemos que ese grupo puede ceder electrones al anillo por defecto mesomerico por lo tanto esta forma donde se concentra la carga negativa a través del par electrónico que dono el amino y los pares electrónicos que puede ceder el grupo metoxilo implica una concentración de carga negativa que desestabiliza a la molécula. Por lo tanto los grupos dadores de electrones en general aumentan la basicidad porque esta definición por resonancia donde el amino cede electrones al anillo va a estar bloqueada justamente por la presencia de un grupo dador de electrones, por ende el par electrónico va a estar mucho más disponible sobre el nitrógeno de la amina. - Grupo atractor de electrones; el amino cede electrones al núcleo por efecto mesomerico la forma resonante donde el C4 tenga la carga negativa o sea el par electrónico que viene del¡ la amina. Va a estar estabilizada a través del grupo aceptor de electrones donde ese par electrónico va a poder, por ejemplo, deslocalizarse sobre uno de los átomos de oxígeno. Vamos a tener una forma, la última, donde los 2 oxígenos están cargados negativamente se van justamente a estabilizar ese hibrido de resonancia. Los grupos atractores de electrones disminuyen la basicidad porque los electrones ya no se van a encontrar disponibles sobre el nitrógeno sino que se van a encontrar más deslocalizados sobre anillo aromático y fundamentalmente sobre el grupo atractor de electrones por efecto mesomerico. IG @CHEMIISTRYGRAM Nitrógeno con otro tipo de hibridación: TIPO SP2 Y SP Observemos los valores de pkb que en general van aumentando desde el compuesto con hibridación sp3 hacia la hibridación sp2 hacia el sp. La basicidad va disminuyendo. A mayor carácter s del orbital hay menor basicidad. Se explica de la misma manera que explicábamos la estabilidad de un anión sobre un carbono sp. El orbital sp es mucho más pequeño y los electrones (disponible del nitrógeno) se encuentran más cerca del núcleo y por lo tanto más estabilizados y a su vez, menos disponibles para aceptar un protón. Podemos ver que la piridina donde el nitrógeno está sustituyendo un carbono en el benceno que son bases heterocíclicas tiene un valor de pkb de 8,75 bastante alto respecto del compuesto saturado como es la piperidina. La basicidad disminuye sustancialmente. Una cetona respecto a un éster, la cetona tiene 2 pares de electrones sin compartir tiene hibridación sp2 y en el éter el oxígeno tiene hibridación sp3. Si ponemos algunos de estos compuestos frente a una acido fuerte, el éter se va a protonar mucho más fácil que la cetona. IG @CHEMIISTRYGRAM Repaso Las alquilaminas 1rias y secundarias en general son más básicas que el amoniaco fundamentalmente por el efecto electrónico inductivo de los restos alquilos. Amina 3ria son menos básicas por la menos estabilización por solvatación del catión resultante. Aminas cíclicas donde el par electrónico que estaba más disponible que en una amina alifática por menor impedimento estérico de los restos alquilos. Familia aromáticas la basicidad disminuye ya estamos en un pkb de 9 justamente por el efecto resonante porque el par electrónico sobre el nitrógeno está comprometido con una estabilización por resonancia cediendo electronesal anillo aromático. Las aminas heterocíclicas son menos básicas todavía y los nitrilos menos básicos. En ese caso lo explicamos a través de la hibridación del átomo de nitrógeno, cuando el N tiene una hibridación que representa un mayor carácter s el par electrónico esta menos disponible porque está más unido al núcleo. IG @CHEMIISTRYGRAM
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