Química Orgánica Avanzada José Luis Ravelo Socas
Tema 5
5.1
Adiciones electrofílicas a enlaces múltiples.
MECANISMO Y ESTEREOQUÍMICA.
Veremos a continuación reacciones en que reactivos electrofílicos se enlazan a átomos ricos en electrones de distintos sustratos. Los electrones π de sustratos con dobles enlaces y triples enlaces carbono-carbono proporcionan zonas ricas en electrones.
E
+
+
E C
C C
Nu:
+
C
E C
C
Nu
Estas reacciones implican la conversión de un enlace π en dos nuevos enlaces σ. Hay que tener en cuenta que la AdE ocasiona un cambio estructural sobre enlaces múltiples opuesto al de la eliminación. •
Mecanismo.
Al reaccionar un electrófilo y un doble enlace se forma normalmente un carbocatión intermedio, el cual puede reaccionar posteriormente de dos formas : 1) la adición de un nucleófilo completaría la AdE a un enlace múltiple y la 2) la pérdida de un átomo o grupo, regeneraría el doble enlace, verificándose una sustitución (SEAr).
Nu: E+ +
E C
C C L
+
E C
C
Nu AdE
L +
L
C
-L
C C
SEAr
E Los electrófilos que intervienen en las AdE pueden estar cargados positivamente o ser neutros, o
+
B
C
+
C
NO2+
:X + : :
H
:
también pueden generarse en el proceso de reacción.
SO3
Protón, Borano, Carbocatión, Carbeno, Ión Nitronio, Ión Halogenonio, Trióxido de Azufre
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•
Adición electrofílica (AdE).
Reacción de segundo orden, el paso que controla la velocidad es la formación del enlace σ entre el electrófilo y el átomo de carbono del doble enlace, obteniéndose un carbocatión, el cual reacciona rápidamente en una segunda etapa con el nucleófilo para dar el producto final.
H3 C C CH2 + H-Cl
Cl H3C + H C 3 C CH3 + Cl rápida C CH3 H 3C H 3C
lenta
H3 C
Si la adición del electrófilo es el paso que controla la velocidad, debe esperarse que un aumento de la densidad electrónica sobre el enlace múltiple favorezca la reacción. Grupos dadores aumentan la reactividad, y los grupos atractores disminuyen la reactividad. Ejemplo:
H2C CH-R + Br2 AcOH t.a. R=H R = CH3 R = CO2Et
R
Br Br-H2C CH-R
H2C C
Krel.= 1,0 Krel.=11,4 Krel.=3x10-7
+ H 2O R´
H+
OH C R
H 3C
R´
R = CH3 y R = H R = R´ = CH3
Krel.= 1,0 Krel.= 103
Los alquinos son menos reactivos frente a la AdE que los alquenos similarmente sustituidos. El catión vinílico intermedio formado no es tan estable como el carbocatión saturado, y se forma más difícilmente.
E
+
+
C C sp2
E C
+
+
E +
C sp3
E C C sp
C
+
C sp2
Por otro lado, los carbonos acetilénicos tienen un mayor carácter “s” (hibridación sp). Los alquinos tienen mayor afinidad por los electrones que los dobles enlaces y menor tendencia a funcionar como nucleófilo, al tener los electrones más retenidos.
•
Estereoquímica.
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La mayor parte de dobles y triples enlaces no están simétricamente sustituidos por lo que la adición de un electrófilo a estos grupos, podría ocurrir en dos direcciones posibles. Aunque, normalmente ocurre en una sola dirección.
X C C CH C C C
C C C
+ HX
H C C CX
C C C H X
+ HX
C C C X H Proceso regioespecífico, el reactivo se adiciona al doble enlace en una sola dirección de las dos posibles. Proceso regioselectivo, si una de las direcciones se halla favorecida frente a la otra, pero no es única.
En cuanto a la Orientación Markownikoff, la observo tempranamente (siglo XIX) proponiendo: “la adición de un ácido (HX) sobre un enlace múltiple carbono-carbono procede de tal forma que el protón se adiciona al átomo de carbono que ya soportaba el mayor número de átomos de hidrógeno. En términos más generales, hoy día se fórmula como: “El electrófilo se adiciona al enlace múltiple de manera que se forma el carbocatión más estable”.
CH3 + HI
I H3C C C H + HCl
CH3
Cl H3C C CH2
La densidad electrónica asociada a un enlace π de un alqueno es máxima por encima y por debajo del plano del doble enlace y la aproximación más favorable del electrófilo es por una de estas regiones ricas en electrones, perpendicular al plano del doble enlace.
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π
A
E
B
+
π
A
+E
Z
+ Nu
Y
+
E
+E
Y
Z Adición anti
A B
+ Nu
Z
Y Adición syn Z
A B
+
B
Nu
E
+ +
π +
Y
Nu
Muchas reacciones de adición son estereoselectivas, y algunas estereoespecíficas. Ejemplo: La estereoespecificidad anti observada para la adición de bromo a un doble enlace, se ha atribuido a la formación de un ión bromonio cíclico intermedio. La hidroxilación estereoespecífica syn con KMnO4 implica la formación de un estereociclo intermedio.
O Br
O
+
O Mn
-
O
Otras reacciones proceden con poca selectividad estereoquímica, como la hidratación.
CH3 + H2 O CH3
HNO3
H CH3 + OH CH3 cis, 45%
CH3 H + CH3 OH
H CH3 + CH3 OH
CH3 H OH CH3
trans, 45%
Como se observa, el curso estereoquímico de la adición es variable y depende del sustrato y del reactivo.
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5.2
HALUROS DE ALQUILO POR ADICIÓN.
Tanto los halógenos (como estos en presencia de agua), como haluros de hidrógeno se adicionan fácilmente a dobles enlaces y alquinos para dar haluros de alquilo.
HO2C
H C C
H
+ Br2
Br Br HO2C-HC CH-CO2H
H 2O
CO2H
(84%)
Ácido meso-2,3-dibromosuccínico
Ácido fumárico
I + I2 AcOH
(85%)
I trans
C6H5-HC
CH-C6H5 +
Estilbeno
-
N+ H
Br3
Br Br C6H5-HC CH-C6H5 1,2-Dibromo-1,2-difeniletano
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Adición de Bromo.
Estas reacciones son estereoespecíficas y proceden por adición anti.
(a)
H
+
Br
H
H
(b)
H + BrCH3
+ Br Br H 3C
H3 C
CH3
(a)
(a)
(b)
(Z)-2-buteno
(b)
Ión bromonio
H H3 C
Br H CH3
Br Br
H
H H3C
Br
CH3
(d,l)-2,3-dibromobutano
(a)
H H3 C
CH3 + Br Br H
+
Br
H
(a)
CH3 + BrH
H3 C (a)
(E)-2-buteno
(b)
Br Br (b)
(b)
Ión bromonio
H H 3C
H H3C
Br CH3 H CH3 H Br
(meso)-2,3-dibromobutano
Si el doble enlace esta conjugado, la adición del electrófilo dará lugar a un carbocatión abierto estable por resonancia, el ión bromonio parece no formarse. La estereoselectividad disminuye a medida que el carbocatión contribuya al intermedio. Ejemplo:
H 3C
H C C
C6H5
+ Br2 AcOH
Br Br C6H5-(H3C)C CH-CH3
CH3 2,3-dibromo-2-fenil-butano 63% AdE anti; 37% AdE syn
(Z)-2-fenil-2-buteno
El caso de la adición de cloro es similar a la de bromo, se ha propuesto la existencia de un ión cloronio intermedio para explicar la estereoquímica observada.
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Adición de bromo/agua.
Da lugar a halohidrinas, la adición de X(δ+)- OH(δ-) es regioespecífica, y sigue el mecanismo esperado para una AdE de X+.
Cl HO
2 + Cl2 NaOH
(73%)
OH H3C-HC CH2 + Br2
OH H3C-HC CH2Br
H2 O NaOH
(mayoritario)
En el caso de alquinos, la AdE ocurre con halógenos, y su estereoselectividad anti se explica mediante un intermedio tipo ión bromonio.
+
Br
+ BrCH2-CH3
H3C-H2C C C CH2-CH3 + Br2 H3C-H2C
H3C-H2C Br
Br CH2-CH3
trans (80%)
Adición de halogenuros de hidrógeno. Orientación Markownikoff.
H3 C C
lento CH2 + HCl
H3 C
H3 C
+
C H3 C
ClCH3 rápido
H3C Cl C CH3 H3 C (100%)
Debido a su regioespecificidad constituye una ruta hacia halogenuros de alquilo secundarios a partir de alcoholes primarios.
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CH3-CH2-CH2-CH2-OH
H2SO4 ∆
CH3-CH2-CH=CH2
PCl3 (SN)
HCl (AdE)
Cl CH3-CH2-CH-CH3
CH3-CH2-CH2-CH2-Cl
En el caso de HBr se obtienen los dos posibles R-Br, esto es debido al “efecto peróxido”.
25º, 240 hr sin aire
Br CH3-CH-CH2Br (95%)
CH2=CH-CH2Br + HBr 25º, 100 atm).
H3C(H2C)12
H2/Pd/BaSO4 Quinoleina/C6H12
H
(CH2)7CH3 H
(84%)
(Z)-9-tricoseno
H3C(H2C)12-C C-(CH2)7CH3 9-tricosino H2(exceso)/PtO2 C6H12
CH3-(CH2)21CH3 tricosano (otra feromona)
(Z)-9-tricoseno = feromona sexual de la mosca doméstica
5.6
ADICIONES Y ELIMINACIONES EN SÍNTESIS.
Las reacciones de adición se usan comúnmente en síntesis para convertir dobles enlaces en otras funciones orgánicas. Las eliminaciones son mecanísticamente las reacciones inversas y sirven para obtener alquenos.
Creación de dobles enlaces Bases fuertes
condiciones E2
trans-eliminación
Ácidos fuertes
condiciones E1
Pirólisis cis-eliminación
Grupo que se pierde -HX ó -HOTs desde haluros y alcoholes vía tosilatos -HR3 desde aminas vía sales de amonio cuaternarias -H2O desde alcoholes en zonas donde se pueden formar carbocationes estables
-HOAc desde alcoholes vía enolatos -COS ó -CH3SH desde alcoholes vía xantatos -R2NOH desde aminas vía óxidos de amina 3º
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Dos procedimientos altamente selectivos de crear dobles enlaces: •
Eliminación vecinal de sustituyentes (-X, -OTs,…) con yodo ó (-X, -OH, -OR, OZ,..) con zinc.
•
Reacción de Wittig, donde el doble enlace es creado por adición de una unidad carbonada a una unidad de cetona o aldehido.
Reacciones de dobles enlaces.
Los reactivos más usados en la AdE (sin ruptura del esqueleto carbonado como en la ozonólisis). X2
trans
dihaluros
trans
monohaluros
H2O/H+
trans
monoalcoholes
BH3
cis
NBS
trans
RCO3H
cis
époxidos, trans-dioles
OsO4
cis
cis-dioles
R2C: H2
cis
ciclopropanos
cis
alcanos
HX
monoalcoholes, haluros ó aminas (desde el borano) halohidrinas y sus éteres ó ésteres
Los enlaces C-C se forman raramente por AdE a dobles enlaces, salvo el caso de la adición de carbenos. Epóxidos puede ser atacados por carbaniones y lograr la formación de enlaces C-C.
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