TEMA 6

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TEMA 6

• DERIVADOS HALOGENADOS

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Los compuestos halogenados son de uso corriente
en la vida cotidiana disolventes, insecticidas,
intermedios de síntesis, etc.
No es muy común encontrar compuestos de origen
natural que sólo tengan halógenos pero sí con
otras funciones. Hay algunos importantes
(TIROSINA).

En este capítulo sólo estudiaremos los haluros de
alquilo, es decir, los compuestos donde el
halógeno está unido a un carbono sp3
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1.- NOMENCLATURA
En la nomenclatura de la IUPAC el halógeno se
considera como un sustituyente, con su número
localizador, de la cadena carbonada principal.
Sólo en casos especialmente sencillos los
compuestos pueden nombrarse como halogenuros de
alquilo
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2.- PROPIEDADES FÍSICAS
Electronegatividad
Tienen las propiedades físicas que podemos
esperar para compuestos de baja polaridad, cuyas
moléculas se mantienen juntas por fuerzas de Van
der Waals o por atracciones dipolares débiles
Tienen puntos de fusión y de ebullición
relativamente bajos, y son solubles en
disolventes no polares e insolubles en agua
Punto de ebullición de algunos halogenoalcanos
 Los haloalcanos tienen puntos de ebullición
mayores que los correspondientes alcanos
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los halogenuros de alquilo son insolubles en
agua, tal vez porque no son capaces de
establecer  puentes de hidrógeno. Son solubles
en los disolventes orgánicos típicos, de baja
polaridad, como benceno, éter, cloroformo o
ligroína
Los haluros de alquilo son más densos que el
agua 
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La fortaleza del enlace C-halógeno (C-X) decrece
según descendemos en el SP
El enlace C-X está muy polarizado y, por ello, el
carbono unido al halógeno en un haloalcano es un
punto importante de reactividad
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3.- REACTIVIDAD
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Resultado del ataque con NaOH al
(R)-2-Bromooctano puro
Interpretación del experimento
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• Estos resultados permiten hacer las siguientes
  deducciones lógicas
• El halógeno se ha sustituído por un grupo OH en
  su mayor parte.
• El halógeno se ha eliminado en una pequeña parte.
  Este proceso parece complejo porque se forma una
  mezcla de varios alquenos u olefinas.
• La configuración del alcohol es mayoritariamente
  S, la contraria del haluro de alquilo de partida.
  Por tanto, la reacción de sustitución se ha
  producido mayoritariamente con inversión de la
  configuración.
• Se ha obtenido una pequeña cantidad de alcohol R,
  lo que sugiere que ha ocurrido un pequeño
  porcentaje de racemización.
• La velocidad de reacción depende de los dos
  reactivos, haluro de alquilo y nucleófilo. Ambos
  deben intervenir en la etapa limitante de la
  velocidad.

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3.1.- SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA BIMOLECULAR SN2
Formación del producto mayoritario, (S)-2-octanol
El OH- (nucleófilo) ha atacado al carbono que
soporta el halógeno (grupo saliente) por el lado
opuesto al que se va este último. Esta es la
única manera de producir inversión en la
configuración
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(No Transcript)
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Cinética, mecanismo y estereoquímica de SN2
La cinética de la reacción de sustitución
nucleófila del (R)-2-bromooctano con hidróxido
sódico es de segundo orden. Velocidad k
C8H17Br OH-   molL-1s-1 Una reacción que
sigue tal cinética se dice que es bimolecular
porque sugiere que ambos, sustrato y reactivo
nucleófilo, intervienen en el ET de la reacción
que da lugar a los productos. El ataque del
nucleófilo y la expulsión del grupo saliente
tienen que estar sincronizados de algún modo.

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En el estado de transición de SN2 el carbono que
sufre el ataque está momentáneamente
pentacoordinado, en hibridación sp2
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Grupo saliente
La reacción SN2 será más fácil si se efectúa
sobre un sustrato que contiene un buen grupo
saliente
Un grupo buen saliente debe poseer una basicidad
muy moderada
Buenos

Malos
Muy malos
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Por qué un grupo es más o menos básico?.
Un grupo que sea capaz de acomodar su densidad
electrónica será poco básico y, por tanto, buen
grupo saliente
Los factores que aumentan la estabilidad
electrónica de una especie son
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La reacción SN2 será más fácil si se efectúa con
un buen nucleófilo atacante. Qué hace que un
nucleófilo sea bueno?.

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A primera vista, nucleofilia y basicidad parecen
estar directamente relacionadas, pero
La habilidad para ser buen grupo saliente sí se
puede relacionar con la basicidad porque los dos
son procesos termodinámicos. Sin embargo, la
nucleofilia es un proceso cinético.
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Efecto del disolvente en la SN2
Cuanto más concentrada esté la carga en el átomo
reactivo, mayor será en principio su nucleofilia,
pero mayor su interacción con el disolvente, y
éste actúa como pantalla disminuyendo la
nucleofilia
Por tanto, la naturaleza del disolvente es de
primordial importancia en una reacción de
sustitución nucleófila.
Hay dos tipos fundamentales de disolventes
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La reacción se produce mucho más rapidamente en
DMF, disolvente que no contiene hidrógenos que
pueden asociarse con el disolvente. Los
hidrógenos de la formamida, su N-metilderivado y
del metanol se asocian fuertemente por enlace de
hidrógeno al cloruro, retardando
considerablemente la reacción.
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(No Transcript)
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Efecto estéricos en la SN2
La reacción SN2 es muy sensible a impedimentos
estéricos ya que su ET es una bipirámide trigonal
y hay, por tanto, cinco grupos muy próximos entre
sí.

El aumento de los sutituyentes en el carbono
reaccionante ocasiona una disminución drástica de
la velocidad de reacción. El alargamiento lineal
de la cadena de uno de los sustituyentes del
carbono reaccionante disminuye sólo ligeramente
la velocidad. La ramificación de una de las
cadenas sustituyentes en posición contigua al
centro reactivo disminuye severamente la
velocidad de reacción.

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3.2.- SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA UNIMOLECULAR SN1
La sustitución nucleófila unimolecular (SN1)
explica la formación de una pequeña cantidad de
(R)-2-octanol.
Cómo se obtiene la pequeña cantidad de
(R)-2-octanol?
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Las reacciones SN1, como la solvolisis de cloruro
de terc-butilo, tienen una cinética de primer
orden. Velocidad k(CH3)3CCl molL-1s-1
Esto quiere decir que en la etapa limitante de
la velocidad sólo interviene el haluro y no el
nucleófilo, al contrario de lo que ocurría en el
mecanismo SN2
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El carbocatión es atacado por el nucleófilo

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Los perfiles de energía de ambos procesos SN1 y 
SN2 son

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(No Transcript)
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3.3.- COMPETENCIA ENTRE SN1 Y SN2
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Los carbocationes, al igual que los radicales,
tienen mayor estabilidad a medida que son más
sustituídos.

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La razón es la misma que para los radicales

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La proporción de moléculas que reaccionarán según
los mecanismos SN1 ó SN2, con las implicaciones
estereoquímicas que ello conlleva (racemización o
inversión), depende de su estructura

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3.4.- ELIMINACIÓN UNIMOLECULAR E1
Cómo se produjeron las olefinas en el
experimento que venimos comentando?
El carbocatión puede sufrir otro proceso
alternativo
El nucleófilo, actuando como base, puede extraer
un protón del carbono adyacente al carbocatión,
dando lugar a una olefina.
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Evoluciones posibles del carbocatión
La proporción entre sustitución y eliminación no
depende del grupo saliente porque el carbocatión
formado es el mismo, pero sí de la relación
basicidad-nucleofilia de la  base-nucleófilo
atacante.
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Cualquier hidrógeno contiguo al carbono que
soporta el grupo saliente puede participar en la
reacción E1. Por tanto, en el carbocatión
generado a partir del 2-bromooctano se pueden
obtener dos olefinas, el 1- y el 2-octeno
Mayor proporción
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3.5.- ELIMINACIÓN BIMOLECULAR E2
La eliminación bimolecular E2 transcurre sin
intermedios y consta de un único ET, en el que la
base abstrae el protón, el grupo saliente se va y
los dos carbonos implicados se rehibridan desde
la sp3 a la sp2.
La reacción E2 tiene lugar con una estereoquímica
definida el grupo saliente y el hidrógeno sobre
el carbono en posición contigua han de estar en
disposición antiperiplanar
La cinética depende del haluro y de la
base/nucleófilo y es, por tanto, de segundo
orden. La reacción E2 es bimolecular
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3.6.- COMPETENCIA SUSTITUCIÓN-ELIMINACIÓN
El camino más rápido y, por tanto, el que
prevalezca será el que conlleve el estado de
transición más bajo en energía.
La altura relativa de los ET depende de a) la
estructura del producto de partida b) la
nucleofilia-basicidad del nucleófilo-base c) la
polaridad del disolvente.
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Reglas generales sustitución-eliminación
En el caso de los nucleófilos HO-, CH3O-, EtO-,
H2N-,(CH3)3CO-, el disolvente suele ser el
correspondiente ácido conjugado. En los demás
casos se supone un disolvente polar aprótico como
la dimetilformamida, el dimetilsulfóxido o la
acetona.
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3.7.- EJEMPLOS
Reacción entre halogenoalcanos y el ión
hidróxido Nucleófilo fuerte-Base fuerte
Calentamiento a reflujo en mezcla 50 de etanol y
agua
Calentamiento a reflujo con una disolución
concentrada de NaOH o KOH en etanol. El propeno
pasa por el condensador (gas) y debe ser recogido
posteriormente

• La proporción de agua en el disolvente.
• Agua favorece la sustitución
• Etanol favorece la eliminación

Altas temperaturas favorecen la eliminación
Altas concentración de NaOH favorece la
eliminación
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Reacción entre halogenoalcanos y el ión
CN- Nucleófilo fuerte-Base media
Halogenoalcanos primarios SN2
Calentamiento a reflujo con una disolución de
cianuro de sodio o potasio en etanol (no usar
agua) El halógeno es reemplazado por el grupo CN
dando lugar a un nitrilo
Esta reacción permite alargar la cadena
carbonada, además resulta fácil cambiar el grupo
CN situado al final de la cadena dando lugar a
otras funciones orgánicas
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Halogenoalcanos secundarios SN1 y SN2
Halogenoalcanos terciarios SN1
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Reacción entre halogenoalcanos y agua Nucleófilo
Débil-Base Débil
Halogenoalcanos primarios SN2
Sustitución lenta del halógeno por OH dando lugar
a un alcohol
Lenta, el agua es un nucleófilo débil y una base
débil
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Halogenoalcanos terciarios SN1
Calentamiento a reflujo con agua. La reacción es
mucho más rápida que en los halogenoalcanos
primarios
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Reacción entre halogenoalcanos y amoniaco
El halogenoalcano es calentado con una solución
concentrada de amoniaco en etanol (recipiente
cerrado)
Halogenoalcanos primarios SN2
Formación del bromuro de etilamonio
Formación de la amina
Mecanismo 1era etapa SN2
2da etapa equilibrio
Problema la etilamina puede atacar al bromoetano
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Halogenoalcanos terciarios SN1
Halogenoalcanos secundarios SN1 y SN2
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3.7.- REACCIÓN CON METALES ACTIVOS
R3C-X     2Li   gt  R3C-Li     LiX    
Reactivo alquil litioR3C-X     Mg   gt 
R3C-MgX     Reactivo de Grignard
Carbono con gran carácter nucleofílico y básico
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Preparación de reactivos de Grignard (RMgX)
Se adiciona el halogenoalcano sobre pequeñas
cantidades de magnesio en un matraz que contiene
dietiléter. La mezcla se calienta a reflejo y
posteriormente se enfría sobre agua durante 20 o
30 minutos
Los metales son insolubles en disolventes
orgánicos, por ello estas reacciones son
heterogéneas. Las condiciones para que tengan
lugar son Primero, el metal debe estar limpio y
finamente dividido para proporcionar gran
superficie de reacción. Segundo, debe usarse un
disolvente adecuado. En la formación de laquil
litio debe usarse pentano, hexano o etiléter. En
la sístesis de reactivos de Grignard puede usarse
etiléter o THF . Tercero, como el compuesto
organometálico es muy reactivo deben evitarse
contaminates tales como el agua, alcoholes y
oxígeno.
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Usos de los reactivos de Grignard
Reacciona con CO2 para dar ácidos carboxílicos
con un carbono adicional
Reacciona con agua para dar alcanos
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Reacciona con compuestos carbonílicos para dar
alcoholes
Adición al doble enlace
Hidrólisis
El alcohol formado depende del compuesto
carbonílico utilizado
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• Cambiando el reactivo Grignard podemos cambiar el
  grupo CH3CH2 por otros grupos alquilo
• Cambiando la naturaleza del aldehido podemos
  cambiar el grupo CH3 por otro grupo alquilo que
  estuvieran en el aldehido original

• Cambiando el reactivo Grignard podemos cambiar el
  grupo CH3CH2 por otros grupos alquilo
• Cambiando la naturaleza de la cetona podemos
  cambiar los grupos CH3 por otros grupos alquilo
  que estuvieran en la cetona original

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4.- SINTESIS DE HALUROS DE ALQUILO
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4.1.- SUSTITUCIÓN DE ALCOHOLES
El grupo hidroxilo es un mal grupo saliente
Es necesario tratar el alcohol previamente con un
ácido para que se protone y el grupo saliente
sea, en realidad, una molécula de agua

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La fuerte polarización del enlace C-O que provoca
la protonación hace que se debilite, facilitando
la ruptura heterolítica espontánea. Por ello el
mecanismo más probable es el unimolecular. Como
es habitual, la eliminación siempre estará  en
competencia con la sustitución 
La muy probable producción del carbocatión
plantea problemas de transposición, es decir, la
obtención de productos inesperados.

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Transposición de carbocationes La reacción
siguiente tiene un resultado sorpresa
Se ha producido una transposición de hidrógeno a
través del mecanismo siguiente

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Recordemos que la estabilidad relativa de
carbocationes es Terciario gt Secundario gt
Primario
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También pueden producirse migraciones de grupos
alquilo

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La conversión haluro de alquilo/alcohol es
reversible y el desplazamiento del equilibrio
dependerá de qué reactivo se encuentra en exceso

• Reactivos útiles para la sustitución de alcoholes
  por halógeno
• Cloruro de tionilo (Cl2SO)
• Tribromuro de fósforo (PBr3)

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• Cloruro de tionilo (Cl2SO)

Tribromuro de fósforo (PBr3)

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4.2.- ADICIÓN A ALQUENOS
HALUROS DE HIDRÓGENO
Los haluros de hidrógeno sufren ruptura
heterolítica con facilidad. El protón resultante
es fuertemente electrófilo y es atacado por el
doble enlace, formándose un carbocatión (el
menos inestable posible!), con el que colapsa el
anión haluro

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Regla de Markovnikov El protón del haluro de
hidrógeno se une al carbono menos sustituído.

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Pero, qué ocurre si en el medio de reacción
agregamos un peróxido?.

El mecanismo de esta reacción no transcurre
mediante carbocationes sino a través de radicales
libres.
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HALÓGENOS
La nube p del doble enlace puede provocar la
ruptura heterolítica de la molécula de bromo,
formándose un intermedio reactivo con estructura
de catión heterociclopropano, que se abre por
ataque del contraión haluro, dando lugar a un
dihaloderivado vecinal de estereoquímica anti.
La reacción sólo tiene utilidad práctica con Cl2
y Br2.