Química Orgánica: SÍNTESIS Y REACCIONES DE LOS PRINCIPALES DE COMPUESTOS ORGÁNICOS

Ejemplos:

1-Cloro.2.metilciclohexeno 1,1,2,Tricloro-2-metilciclohexano	1-Hexeno 1,2-Dibromohexeno
Ciclohexeno trans-1,2-Dibromociclohexano racémico	trans-2-Buteno meso-2,3-Dibromobutano

¿El ion halonio puede reaccionar con otros nucleófilos? En presencia de otros de otros nucleófilos, el ion haluro competirá con ellos para atrapar al ion halonio cíclico. Por ejemplo la bromación del ciclopenteno en presencia de un exceso de ion cloruro (añadido como sal) da una mezcla detrans-1,2-dibromociclopentano y trans-1-bromo-2-ciclopentano.

De este mismo modo se pueden explicar la formación de las halohidrinas y haloéteres vecinales.

Ejemplos:

Ciclopenteno trans-2-Bromociclopentanol

Ciclohexeno Trans-1-bromo-2-metoxiciclohexano

HIDRATACIÓN ELECTRÓFILA

Cuando un alqueno se trata con una disolución acuosa de un ácido que contenga un contraión que sea un mal nucleófilo, como el ácido sulfúrico, el agua juega el papel de nucleófilo e intercepta al carbocatión que se ha formado después de la protonación inicial. En la reacción global, los elementos del agua se han adicionado al doble enlace, o sea, ha tenido lugar una hidratación. Este proceso es el inverso de la deshidratación de alcoholes inducida en medio ácido. El mecanismo es el mismo pero a la inversa.

Mecanismo de hidratación.

Ejemplo:

Otro método de obtener alcoholes o éteres desde alquenos es la oximercuración-desmercuración, ya comentada en el capítulo 13. Estos métodos en general conducen al producto más sustituido, adición Markovnikov.

HIDROBORACIÓN-OXIDACIÓN

El resultado global de una hidroboración-oxidación, es la adición de agua a un doble enlace. Al contrario de las hidrataciones descritas anteriormente, esta es anti-Markovnikov.

El borano, BH3, se adiciona al doble enlace sin activación catalítica. Esta reacción se denomina hidroboración. La hidroboración, además de ser estereoespecífica (adición sin), es también regioselectiva. Al contrario de las adiciones electrófilas descritas con anterioridad, sólo controlan la regioselectividad los factores estéricos (y no los electrónicos): el boro se une al carbono de menos impedido (menos sustituido).

La posterior oxidación del producto de hidroboración con peróxido de hidrógeno en medio básico acuoso, da lugar a la oxidación del alquilborano, produciendo la formación del alcohol.

Mecanismo propuesto:

Hidroboración

Oxidación

Ejemplos:

HIDROBORACIÓN-HALOGENACIÓN: HIDROHALOGENACIÓN ANTI-MARKOVNIKOV

Los alquilboranos también pueden ser precursores de haloalcanos. El resultado global de esta hidroboración-halogenación es la hidrohalogenación de un alqueno de forma regioselectiva y estereoespecífica. El halógeno, al contrario de las adiciones Markovnikov, se coloca en el carbono menos sustituido.

Ejemplos.

EPOXIDACIÓN DE ALQUENOS

El grupo -OH de los ácidos peroxicarboxílicos, RCO3H, contienen un oxígeno electrófilo. Estos compuestos reaccionan con los alquenos, adicionando este oxígeno al doble enlace con formación de oxaciclopropanos. El otro producto de la reacción es el ácido carboxílico, que se elimina mediante extracciones con base acuosa. (véase el mecanismo en el capítulo 13, formación de epóxidos).

DIHIDROXILACIÓN ANTI VECINAL (FORMACIÓN DE DIOLES TRANS)

Al tratar un oxaciclopropano con agua, en presencia de cantidades catalíticas de un ácido o una base, tiene lugar la apertura del ciclo con formación del correspondiente diol vecinal. En esta reacción el agua ataca nucleofílicamente al anillo de tres miembros por la parte opuesta a donde se encuentra el oxígeno.

DIHIDROXILACIÓN SIN VECINAL (FORMACIÓN DE DIOLES CIS)

El permanganato potásico reacciona, en solución fría, con los alquenos para dar los correspondientes dioles vecinales sin. El otro producto de esta reacción es el dióxido de manganeso, que es un oxidante débil e insoluble en el medio de reacción. En estas condiciones neutras el MnO2 no reacciona ni con el alqueno ni con el diol.

¿Cuál es el mecanismo de esta transformación? La reacción del enlace ? con permanganato constituye una adición concertada con movimiento simultáneo de tres pares de electrones para dar un éster cíclico que contiene Mn(V). Por razones estéricas, la única manera de formarse el producto es cuando los dos átomos de oxígeno se introducen por el mismo lado del doble enlace: sin. Este intermedio es reactivo y en presencia de agua se hidroliza para dar el diol libre.

La dihidroxilación sin puede conseguirse con mejores rendimientos usando tetróxido de osmio OsO4, muy similar al permanganato en su modo de acción. Si se utilizan en cantidades estequiométricas se pueden aislar los ésteres cíclicos, pero normalmente estos se reducen con H2S o bisulfito, NaHSO3. Sin embargo, al ser el OsO4 caro y muy tóxico se utilizan cantidades catalíticas en presencia de cantidades estequiométricas de peróxido de hidrógeno.

Mecanismo de oxidación de los alquenos con permanganato:

Dihidroxilación vecinal sin con tetróxido de osmio.

REACCIÓN DE OZONOLISIS DE ALQUENOS

En todas las reacciones de adición de alquenos que se han considerado hasta aquí, el esqueleto carbonado del material de partida ha permanecido intacto. El doble enlace carbono-carbono se ha transformado en nuevos grupos funcionales, por adición de diferentes reactivos, pero no han roto o transpuesto enlaces del esqueleto de carbono. Sin embargo existen reactivos fuertemente oxidantes que rompen los enlaces carbono- carbono para producir dos fragmentos.

El ozono (O3) es el reactivo más útil para la ruptura de dobles enlaces. Este compuesto que se elabora convenientemente en el laboratorio haciendo pasar oxígeno a través de una descarga eléctrica de alto voltaje, se une rápidamente a los alquenos a bajas temperaturas para formar intermedios cíclicos llamados molozónidos. Una vez formados, los molozónidos se transponen con rapidez para formar ozónidos. Los ozónidos son explosivos, y por tanto nunca se aíslan, sino que suelen tratarse con un agente reductor, como zinc metálico en ácido acético, para transformarse en compuestos carbonilicos.

Reacción de ozonólisis.

Alqueno Ozónido Productos carbonílicos

Mecanismo de la ozonolisis:

ETAPA 1 Formación y ruptura del molozónido

Molozónido Oxido de carbonilo

ETAPA 2 Formación y reducción del ozónido

Ejemplos.

(Z)-3-Metil-2-penteno 2-Butanona Etanal	1-Metilciclohexeno 6-Oxoheptanal
	Isopropilidenciclohexano Ciclohexanona Acetona

OZONOLISIS A ALCOHOLES (OZONOLISIS REDUCTIVA).

Al tratar el ozónido con borohidruro sódico se obtienen alcoholes. De esta forma, un doble enlace puede romperse oxidativamente para producir alcoholes, estamos hablando de una ozonolisis reductiva.

4-Octeno 1-Butanol (95%)

Otros agentes oxidantes además del ozono también causan ruptura del doble enlace. Por ejemplo, el permanganato de potasio en solución neutra o ácida provoca la ruptura del alqueno, formando productos carbonílicos con rendimiento bajo o moderado. Si en el doble enlace están presentes hidrógenos, se producen ácidos carboxílicos, si hay dos hidrógenos en un mismo carbono, se forma CO2.

Ejemplo:

3,7-Dimetil-1-octeno Ácido-2,6-dimetilheptanoico (45%).

ADICIÓN DE CARBENOS A ALQUENOS: SÍNTESIS DE CICLOPROPANOS.

La última reacción de adición a alquenos que se considerará en este capítulo es la adición de un carbeno a un alqueno para producir un ciclopropano.Un carbeno R2C: , es una molécula neutra que contiene un carbono divalente con sólo seis electrones en su capa de valencia. Por ello es altamente reactivo, y sólo puede generarse sólo como un intermediario de reacción, no como una sustancia aislable.

Uno de los mejores métodos para generar un carbeno sustituido es el tratamiento de cloroformo, CHCl3, con una base fuerte como hidróxido de potasio. La pérdida de un protón del CHCl3 genera el anión triclorometano, -:CCl3, el cual libera un ion cloruro para convertirse en diclorocarbeno,:CCl2. Si se genera diclorocarbeno en presencia de un doble enlace, ocurre la adición del carbeno, electrófilo, al doble enlace, y se forma un diclorociclopropano. La adición es estereoespecífica, lo cual significa que se forma un solo estereoisómero como producto.

Ejemplo:

Ciclohexeno (60%)

cis-2-penteno (65%)

El mejor método para producir ciclopropanos no halogenados es la reacción de -Smith4 .

Ejemplo:

Ciclohexeno Biciclo (4.1.0) heptano (92%)

Alquinos

RESUMEN DE LAS REACCIONES DE LOS ALQUINOS

1.- Formación de alquinos

(a) Deshidrohalogenación de dihalogenuros vecinales

Ejemplos:


2,3-dibromo-pentano 2-pentino	2-cloro-2-buteno 2-butino

(b) Alquilación del ion acetiluro

Acetileno Un alquino terminal

Un Alquino terminal Un alquino interno

Ejemplos:


Acetileno	1-butino

2.- Reacciones de los alquinos

(a) Adición de HX, donde X = Br o Cl

Ejemplos:


1-butino 2-bromo-2-buteno	1-butino 1-bromo-1-buteno

(b) Adición de X2, donde X = Br o Cl

Ejemplos:


1-butino 1,2-dibromo-1-buteno	1-butino 1,1,2,2,-tertrabromopentano

Una metil cetona

Ejemplos:


1-butino butanona	2-pentino 2-pentanona 3-pentanona

(d) Hidrobaración-oxidación

Ejemplos:


1-butino butanal	1-ciclopentiletino 2-ciclopentiletanal

(e) Reducción

1.- Por hidrogenación catalítica

Ejemplos:


1-ciclopentilpropino propilciclopentano	*1-ciclopentilpropino cis-1-ciclopentilpropeno*

2.- Por litio en amoniaco

Un alqueno trans

Ejemplo:


1-ciclopentilpropino trans-1-ciclopentilpropeno

(f) Acidez: conversión en aniones acetiluro

Ejemplos:

(g) Alquilación de aniones acetiluro

Acerileno Un alquino terminal

Un Alquino terminal Un alquino interno

Ejemplos: (véase alquilación del ion acetiluro)

h) Ruptura oxidativa

Ejemplos:


2-butino ácido acético	2-pentino ácido acético ácido propanoico

FORMACIÓN DE ALQUINOS: REACCIONES DE ELIMINACIÓN DE DIHALOGENUROS.

Los alquinos pueden obtenerse por eliminación de HX a partir de halogenuros de alquilo de manera muy parecida a como se obtenían los alquenos. Sin embargo, dado que un alquino está doblemente insaturado, es necesario eliminar dos moléculas de HX. El tratamiento de un 1,2-dihalogenuro (un dihalogenuro vecinal) con un exceso de base fuerte, como KOH o NaOH, da como resultado una doble eliminación, mediante un mecanismo E2.

Los dihalogenuros vecinales requeridos se obtienen fácilmente por adición de bromo o cloro a los alquenos. De este modo, la secuencia global de halogenació-deshidrohalogenación constituye un muy buen método par transformar un alqueno en un alquino. Si bien es posible utilizar distintas bases para la deshidrohalogenación, normalmente se prefiere el amiduro sódico, NaNH2, porque suele tener mayores rendimientos. La doble deshidrohalogenación ocurre en pasos bien diferenciados a través de un halogenuro vinílico intermedio, lo cual sugiere que los halogenuros vinílicos mismos se conviertan en alquinos cuando se tratan con bases fuertes.

Ejemplo:

REACCIONES DE ALQUINOS: ADICIÓN DE HX Y X2.

Como regla general, los reactivos electrófilos se unen a los alquinos del mismo modo que a los alquenos. Por ejemplo, con HX, los alquinos forman los productos de adición esperados. Aunque usualmente las reacciones pueden detenerse después de la adición de un equivalente de HX, un exceso de ácido forma un dihalogenuro. Por ejemplo, la reacción de 1-hexino con dos equivalentes de HBr produce el 2,2-dibromohexano. La regioquímica de la adición sigue la regla de Markovnikov. El halógeno se une al carbono más sustituido del triple enlace, y el hidrógeno lo hace al menos sustituido. La mayoría de las veces se encuentra en el producto la estereoquímica trans de H y X. Esto indica un mecanismo similar a los de los alquenos es decir víacarbocatión. En este caso el intermedio formado es un carbocatión vinílico.

Un alquino Un carbocatión vinílico Un bromuro vinílico

Ejemplo:

1-Pentino 2-Bromo-1-pentino 2,2-Dibromopentano

Bromo y cloro también se unen a los alquinos para formar productos de adición, y también en este caso resulta una estereoquímica trans. La adición es similar a la de los alquenos.

Ejemplo:

1-Butino (E)-1,2-Dibromo-1-buteno 1,1,2,2-Tetrabromobutano

HIDRATACIÓN DE ALQUINOS.

Los alquinos pueden adicionar agua en analogía con la hidratación de alquenos. La adición va en el sentido Markovnikov para dar enoles que tautomerizan a cetonas. La reacción esta catalizada por los iones mercurio. Los alquinos simétricos internos dan solamente un compuesto carbonílico; los no simétricos conducen a mezclas de productos.

Ejemplos:

3-Hexino Único producto (80%)	2-Pentino (50%) (50%)
(91%)	1-Pentino 2-Pentanona (78%)

Los tautómeros son tipos especiales de isómeros que se interconvierten con rapidez por medio de un equilibrio, llamado ceto-enolico.

Tautómero enol Tautómero ceto

(meno favorecido) (más favorecido).

Mecanismo de la hidratación de un alquino catalizada por ion mercúrico para formar una cetona. La reacción produce un enol intermediario que rápidamente se tautomeriza para convertirse en una cetona.

Una cetona Un enol

HIDROBORACIÓN DE ALQUINOS.

Los alquinos terminales pueden reaccionar con borano, aunque en la práctica es difícil detener la reacción en el paso del borano vinílico. En circunstancias normales, experimentan una segunda adición al borano vinílico intermedio. Para evitar esta doble adición puede usarse un borano voluminoso estéricamente impedido, como el bis-(1,2-dimetilpropil)borano (que se conoce comúnmente como disiamilborano) en lugar del borano normal (BH3). Cuando un alquino terminal reacciona con disiamilborano, ocurre la adición de B-H al triple enlace C-C con la regioquímica anti Markovnikov esperada. Sin embargo, una segunda adición es bastante lenta, puesto que el volumen estérico del reactivo dialqilborano dificulta el acercamiento al doble enlace. Por lo tanto, la oxidación del borano vinílico forma primero un enol y finalmente un aldehído.

Ejemplo:

Obsérvese que la secuencia de hidroboración-oxidación es complementaria de la reacción de hidratación directa de alquinos, ya que resultan productos diferentes. La hidratación directa de un alquino terminal con ácido acuoso y sulfato mercúrico produce una metil cetona, mientras que la hidroboración-oxidación del mismo alquino forma un aldehído:

REDUCCIÓN DE ALQUINOS.

Los alquinos pueden hidrogenarse en las mismas condiciones empleadas para hidrogenar alquenos. Por lo general, el platino o el paladio sobre carbón se colocan en suspensión en una solución que contiene al alquino, y la mezcla se pone en contacto con una atmósfera de hidrógeno. En estas condiciones se produce la completa saturación del triple enlace.

Ejemplos

5-Decino Decano (96%)

4-Metoxi-1-butino 1-Metoxibutano (100%)

La hidrogenación es un proceso por pasos, lo cual permite en ciertos casos detener la reacción a nivel del alqueno intermedio. Otra alternativa es evitar la hidrogenación del alqueno a base de emplear catalizadores modificados. Uno de tales sistemas es paladio precipitado sobre carbonato cálcico y tratado con acetato de plomo y quinoleína, y se conoce como catalizar Lindlar . La superficie del metal en el catalizador de Lindlar adopta una configuración menos activa que la del paladio sobre carbón, de forma que solamente el primer enlace?? del alquino, más reactivo, es hidrogenado. Al tratarse de una adición sin, constituye un método de síntesis estereoselectiva de alqueno cis.

Ejemplo:

1-Decino cis-5-Deceno (96%)

Un segundo método para la conversión de alquinos en alquenos es emplear sodio o litio metálico en amoniaco líquido como disolvente. Este método es complementario al de la reducción de Lindlar, puesto que con él se producen alquenos trans en vez de alquenos cis. El mecanismo en sí implica la donación de un electrón al triple enlace para producir un anión radical intermedio (tiene número impar de electrones) como un anión (tiene carga negativa). Este intermediario acepta un protón del amoniaco para formar un radical vinílico. La adición de un segundo electrón al radical vinílico produce un anión vinílico, el cual toma un segundo protón del amoniaco para formar el alqueno trans como producto.

Ejemplo:

5-Decino trans-5-Deceno (78%)

ACIDEZ DE LOS ALQUINOS: FORMACIÓN DE ANIONES ACETILURO.

La diferencia más notable entre la química de los alquenos y la de los alquinos es que los alquinos terminales son débilmente ácidos. Cuando un alquino terminal se trata con una base fuerte, como el amiduro sódico, NaNH2, el hidrógeno terminal es eliminado y se forma un anión acetiluro:

Anión Acetiluro

ALQUILACIÓN DE ANIONES ACETILURO.

La presencia de un par de electrones no compartidos hace que los aniones acetiluro sean fuertemente nucleófilos. Como resultado, cuando están disueltos en tetrahidrofurano estos aniones reaccionan con halogenuros de alquilo, para sustituir el halógeno y formar un nuevo alquino como producto.

La alquilación de alquinos no se limita al ion acetiluro. Cualquier alquino terminal puede convertirse en un anión acetiluro correspondiente y alquilarse por tratamiento con un halogenuro de alquilo para formar un alquino interno. Debido a su generalidad, la alquilación de acetiluros es el mejor método para formar alquinos sustituidos a partir de precursores más simples. La alquilación de iones acetiluro se limita al uso de bromuros y yoduros de alquilo primarios, RCH2X, por razones estéricas, dado que son sustituciones nucleófilicas del tipo SN2. Además de su reactividad como nucleófilos, los iones acetiluro son suficientemente fuertes para causar deshidrohalogenación en vez de sustitución cuando reaccionan con halogenuros de alquilo secundarios o terciarios.

Ejemplos: