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Sinopsis: Síntesis y reacciones de los principales compuestos orgánicos (página 6)

Enviado por Wilbert Rivera Muñoz



Partes: 1, 2, 3, 4, 5, 6


NO2+

HNO3 + H2SO4

Nitración

Cl+

Cl2 + FeCl3

Cloración

Br+

Br2 + Fe

Bromación

HOSO2+

H2SO4

Sulfonación

ClSO2+

ClSO2OH

Clorosulfonación

Muchos compuestos aromáticos se preparan por desplazamiento nucleofílico a partir de sales de diazonio. A su vez las sales de diazonio se pueden preparar de la siguiente manera:

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Z

REACTIVO

HO

H2O

RO

ROH

CN

CuCN

Cl

CuCl

Br

CuBr

I

KI

Ar

ArH

H

H3PO2 o EtOH/H+

F

HBF4/?

Para la preparación de otros derivados monosustituidos, distintos a los ya mencionados se procede a partir de alguno de ellos, empleando las reacciones químicas clásicas, como oxidación, reducción, etc. Las cuales se resumen a continuación en una especie de tabla.

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Y

X

REACTIVO

REDUCCIÓN:

-NO2

-NH2

H2, Pd/C (o)

Sn, HCl, conc.

-COR

-CH(OH)R

NaBH4

-COR

-CH2R

Zn/Hg, HCl, conc.

H2, Pd, Etanol

OXIDACIÓN:

-CH2Cl

-CHO

hexamina

-CH2R

-CO2H

KMnO4

-CH3

-COR

-OCOR

R"CO3H

SUSTITUCIÓN:

-CH3

-CH3

-CCl3

-CH2Br

Cl2, PCl5

NBS, CCl4

-CCl3

-CF3

SbF3

-CN

-CO2H

HO-, H2O

-Br

-NH2

NH2- Na+, NH3

Otras reacciones importante del anillo benceno son:

REDUCCIÓN DE BIRCH:

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HIDROGENACIÓN CATALÍTICA DE ANILLOS AROMÁTICOS:

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SUSTITUCIÓN AROMÁTICA A TRAVÉS DE INTERMEDIOS BENCINO:

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SÍNTESIS DE BENCENOS DISUSTITUIDOS:

Una de las formas más seguras de adquirir dominio de la química orgánica es resolver problemas de síntesis. La habilidad para planear una síntesis satisfactoria en varios pasos de una molécula compleja requiere un conocimiento práctico de los usos y las limitaciones de varios cientos de reacciones orgánicas. Es necesario saber no sólo que reacciones emplear, sino también cuándo utilizarlas. El orden en que se realizan las reacciones con frecuencia es crítico para el éxito del método total.

Ejemplo: Sintetizar el ácido p-bromobenzoico a partir de benceno.

Es necesario preguntarse "¿Cuál es un precursor inmediato del ácido p-bromobenzoico?"

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El análisis sintético hacia atrás (retrosintético) revela dos rutas válidas que van del benceno al ácido p-bromobenzoico.

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Un segundo ejemplo de interés es la síntesis del 4-cloro-1-nitro-2-propilbenceno a partir de benceno, en principio hay tres posibles precursores disustiutidos, pero sólo uno de ellos es el adecuado.

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La síntesis final es una ruta de cuatro pasos a partir del benceno:

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A continuación se realizara un pequeño estudio, para ver como se produce la entrada de un segundo grupo (E), dada que esta queda sujeta a presencia del grupo ya presente en anillo bencénico (G). Los sustituyentes en el anillo de benceno afectan tanto la reactividad del anillo hacia posteriores sustituciones como la orientación de estas últimas. Los grupos pueden clasificarse en tres categorías: activadores orientadores orto-para, desactivadores orientadores orto-para, y desactivadores orientadores meta.

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La entrada y dirección del electrófilo (E) en la sustitución electrofilica aromática en bencenos monosustituidos (G) queda gobernada por la naturaleza química del grupo G, los cuales a su vez se clasifican en activantes fuertes (orientadores orto-para), activantes moderados (orientadores orto-para), activantes débiles (orientadores orto-para), desactivantes débiles (orientadores orto-para), desactivantes fuertes (orientadores meta), a continuación se muestran algunos de ellos en orden decreciente, de acuerdo a su poder activante o desactivante.

DIRECCIÓN

GRUPO

ACTIVACIÓN

orto-para

-NH2 , -NHR , -NR2

-OH , OR

Activantes fuertes

orto-para

-NHCOR

-OCOR

Alquenos

Activantes moderados

orto-para

-R (alquilo)

-fenilo

Activantes débiles

orto-para

-F , -Cl , -Br , -I

Desactivante débiles

meta

-CX3 (X = F, Cl, etc.)

-COOH, -COOR, -COR , -COH

-SO3H; -NO2; -NR+3 , -CN

Desactivantes fuertes

La bromación electrófilica, del metilbenceno (tolueno) da sustitución orto y para.

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La bromación no es un caso particular; la nitración y la sulfonación dan los mismos resultados cualitativos, sustitución principalmente en las posiciones orto y para , en la molécula del benceno. Explicación mecanistica para el caso del bromo:

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Sólo el ataque en las posiciones orto y para da lugar a un catión hexadienilo en el que una estructura resonante tenga la carga positiva adyacente al sustituyente alquilo, dejando un carbocatión terciario, en cambio en meta ninguna de las formas resonantes deja un carbocatión terciario, por tal motivo predominan los productos orto y para dado que el intermedio es más estable, a su vez el mayoritario es el para por efectos estéricos.

Los sustituyentes desactivantes por efecto inductivo orientan en meta, como por ejemplo la nitración del trifluorometilbenceno, en donde el único producto es el meta.

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explicación mecanistica:

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Ahora el ataque en orto y para están más desfavorecidos, dado que hay intermedios inestables, el ataque se produce en meta, de esta manera se evita la formación de intermedios inestables.

Los halógenos retiran densidad electrónica por efecto inductivo mientras que son donadores por resonancia, globalmente el efecto inductivo prevalece y los haloarenos están desactivados, sin embargo la sustitución electrófila tiene lugar principalmente en las posiciones orto y para.

REGLAS PARA PREDECIR LA ORIENTACIÓN EN LOS BENCENOS DISUSTITUIDOS

1.- Si todos los sustituyentes se refuerzan entre si, la entrada del tercer grupo no genera ningún tipo de problemas.

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Ejemplos:

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2.-Si un orientador orto-para y uno meta no se están reforzando, el orientador orto-para controla la orientación del tercer grupo. (El grupo entrante se dirige principalmente orto hacia el orientador meta.)

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Ejemplos:

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3.- Un grupo fuertemente activador, que compite con un grupo débilmente activador,controla la orientación.

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Ejemplos:

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4.- Cuando compiten dos grupos débilmente activadores o desactivadores o dos grupos fuertemente activadores o desactivadores, se obtienen cantidades considerables de ambos isómeros, hay muy poca preferencia.

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Ejemplo:

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5.- En la posición de impedimento estérico, entre los sustituyentes meta hay muy poca sustitución.

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Otras reacciones de interés:

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¿CUIDADO CON LOS FENOLES? Son activantes fuertes, si se emplean directamente provocan la polisustitución, si se desea obtener un compuesto disustituido a partir de ellos se debe proteger el grupo alcohol como acetato, de esa manera conserva su poder orientador pero disminuye su poder activador.

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Para obtener el para-bromobenceno a partir de fenol se debe proceder de la siguiente manera:

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El mismo cuidado hay que tener con el Anilina, dado que el grupo amino es un activante fuerte, problema que puede evitarse protegiéndolo como amida.

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Química de los bencenos sustituidos

(fenoles y arilaminas)

Los fenoles son la contraparte aromática de los alcoholes, pero son mucho más ácidos, puesto que los aniones fenóxido pueden estabilizarse por deslocalización de la carga negativa en el anillo aromático. La sustitución de este anillo con grupos electroatrayentes eleva la acidez del fenol, mientras que la sustitución con grupos electrodonadores la reduce. En general los fenoles se elaboran por uno de los dos métodos: (1) fusión alcalina de sulfonatos aromáticos o (2) hidrólisis de una sal de arenodiazonio.

Otro de los bencenos sustituidos importantes son las arilaminas (Anilinas). Las arilaminas sustituidas casi siempre se producen por nitración del anillo aromático apropiado y posterior reducción. La reacción más importante de las arilaminas es su conversión, por medio de ácido nitroso, en sales de arenodiazonio, ArN2+X-. (Estudiadas en el capítulo anterior).

El presente capítulo es complementario al que le precede, y está enfocado principalmente a las reacciones en los sustituyentes de anillo benceno, muchas de estas reacciones ocurren por reacciones ya conocidas por el estudiante de química orgánica (Sustitución nucleofílica, Reacciones radicalarias, Oxidaciones, Reducciones, etc.). Por lo que las nuevas reacciones serán presentadas en forma de tabla, incluyendo un ejemplo, y dándole un enfoque más bien práctico. 

RESUMEN DE LAS NUEVAS REACCIONES

  • 1. Halogenación radicalaria

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EJEMPLOS:

Bromación del tolueno:

 

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Un exceso de halógeno puede conducir a sustituciones múltiples, tal como se ilustra para la cloración del tolueno:

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 2.         SOLVOLISIS

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 EJEMPLO: Etanólisis del 4-metilbencenosulfonato de fenilmetilo, preparado por la tosilación del fenol.

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                4-metilbencenosulfonato de fenilmetilo                                 Bencil, etil, éter

 3.         REACCIONES DE SN2 DE LOS HALOMETILBENCENOS

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 EJEMPLO:  Preparación del feniletanonitrilo a partir del bromometilbenceno

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 4.         OZONOLISIS DEL BENCENO

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 EJEMPLO:  Ozonolisis del orto-dimetilbenceno

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 5.         REDUCCIÓN DE BIRCH

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 Regioselectividad  observada para la reducción de Birch:

 EJEMPLOS:

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6.         OXIDACIÓN EN LA CADENA LATERAL

 OBTENCIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

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 OTROS   POSIBLES   OXIDANTES:

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OBTENCIÓN DE CETONAS

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EJEMPLOS:

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                                                                                                                                (80%)

 FENOLES

 A) REACCIONES DE OBTENCIÓN DE FENOLES

 7.         PREPARACIÓN POR SUSTITUCIÓN AROMÁTICA NUCLEOFILA

 Hidroxilación aromática nucleófila directa

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Sustitución nucleófila en halobencenos

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 8.         HIDRÓLISIS DE SALES DE ARENODIAZONIO

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9.         RUPTURA DE ÉTERES           

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EJEMPLOS:

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B) REACCIONES DE FENOLES Y ALCOXIBENCENOS

 10.       SÍNTESIS DE ÉTERES DE WILLIAMSON

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EJEMPLOS:

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11.       FORMACIÓN DE ÉSTERES (ESTERIFICACIÓN)

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12.         REACCIÓN DE KOLBE  (CARBOXILACIÓN DE KOLBE

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EJEMPLO:

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13.       TRANSPOSICIÓN DE CLAISEN

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EJEMPLO:

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14.       OXIDACIÓN A QUINONAS

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EJEMPLOS:

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ARILAMINAS (ANILINA)

 A) REACCIONES DE FORMACIÓN

 15.       REDUCCIÓN DE NITROBENCENOS

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 EJEMPLOS:

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B)  REACCIONES DE ARILAMINAS

 17.       FORMACIÓN DE SALES DE ARENODIAZONIO

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 18.       REACCIONES TIPO SANDMEYER

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19.       ACOPLAMIENTO DE SALES DE DIAZONIO

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 20.       OXIDACIÓN A QUINONAS

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EJEMPLOS:

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Síntesis y reacciones de las aminas

Las aminas son compuestos orgánicos derivados del amoniaco, de la misma forma que los alcoholes y éteres son compuestos orgánicos derivados del agua. Se clasifican como primarias (RNH2), secundarias (R2NH) o terciarias (R3N). De las sustancias orgánicas existentes las aminas muestran una basicidad apreciable y su química en muchos aspectos es similar a la de los alcoholes y éteres, es decir pueden formar puentes de hidrógenos y actuar como nucleófilos en las reacciones de sustitución. Sin embargo hay ciertas diferencias en la reactividad, porque el nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno.

 En este capítulo resaltaremos algunas de estas diferencias, como así mismo resumiremos sus métodos sintéticos y sus respectivas reacciones, resaltando los mecanismos más significativos, al final se culminará como es ya costumbre, con una lista de problemas propuestos.

 PROPIEDADES FÍSICAS

Las aminas son compuestos altamente polares. Las aminas primarias y secundarias pueden formar puentes de hidrógeno intramoleculares en el estado líquido y por tanto tienen puntos de ebullición mayores que los alcanos de peso molecular equivalente. Una característica de las aminas de bajo peso molecular es su olor a pescado, que en cierta medida es distintivo.

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 METILAMINA, FORMANDO PUENTES DE HIDRÓGENO EN EL ESTADO LÍQUIDO

BASICIDAD DE LAS AMINAS:

La basicidad y la nucleofilicidad de las aminas está dominada por el par de electrones no compartido del nitrógeno, debido a este par, las aminas son compuestos que se comportan como bases y nucleófilos, reaccionan con ácido para formar sales ácido/base, y reaccionan con electrófilos en muchas de las reacciones polares que se han estudiado anteriormente (Ej. Sustituciones Nucleófilicas).

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                            Amina                 Un ácido                             Una sal (ion amonio)

BASICIDAD DE ALGUNAS ALQUILAMINAS

 NOMBRE

ESTRUCTURA

pK DEL ION AMONIO

- AMONIACO

:NH3

10.64

AMINAS PRIMARIAS

- METILAMINA

- ETILAMINA

 

CH3-NH2

CH3CH2-NH2

 

16.64

10.75

AMINAS SECUNDARIAS

- DIMETILAMINA

- DIETILAMINA

 - PIRROLIDINA

 

(CH3)2NH

(CH3CH2)2NH

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10.73

10.94

11.27

AMINAS TERCIARIAS

- TRIMETILAMINAS

- TRIETILAMINA

 

(CH3)3N:

(CH3CH2)3N:

 

9.79

10.75

 Sales de aminas: (sales de amonio)

La basicidad de las aminas permite su protonación o alquilación, lo que da  lugar a las sales de amonio. Dependiendo del número de sustituyentes que tenga el nitrógeno, las sales pueden ser primarias, secundarias o cuaternarias.

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La diferencia en el comportamiento de las aminas y sus sales, en cuanto a solubilidad, puede utilizarse tanto para detectar aminas, como para separarlas de sustancias no básicas. Un compuesto orgánico insoluble en agua que se disuelve en ácido clorhídrico acuoso, diluido, debe ser apreciablemente básico, lo que significa que, de seguro, se trata de una amina. Esta puede separarse de compuestos no básicos por su solubilidad en ácidos; una vez separada, puede regenerarse alcalinizando la solución acuosa.

 Esteroquímica del Nitrógeno:

El nitrógeno utiliza orbitales sp3, que se dirigen hacia los vértices de un tetraedro. En consecuencia, las aminas son piramidales como el amoniaco y tienen casi los mismos ángulos de valencia (180º en la trimetilamina, por ejemplo).

La distribución tetraédrica alrededor del nitrógeno de una amina sugiere que debería ser quiral si los tres sustituyentes fueran diferentes, puesto que el par solitario actuaría como el cuarto. Un comportamiento así y su imagen especular, por analogía con los centros quirales basados en el carbono no son superponibles. Esto se puede ilustrar con la N-metiletilamina, que es una alcanoamina quiral.

 Imágenes especulares de la N-metiletilamina

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Sin embargo, dichos enantiómeros no han podido aislarse. Estudios espectroscópicos demostraron que la barrera energética entre los dos arreglos piramidales en torno al nitrógeno, por lo común es tan baja que ambos se interconvierten rápidamente. La molécula se puede visualizar como un equilibrio entre las dos formas.

PREPARACIÓN DE LAS AMINAS (SÍNTESIS):

Los diferentes métodos utilizados en el laboratorio para la preparación de aminas se ilustraran en la siguiente tabla, siguiendo los estilos anteriores (reacción - ejemplo).

SÍNTESIS DE AMINAS

EJEMPLO

 

1.- Alquilación SN2 con halogenuros de alquilo

 

(a) Amoniaco

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(b) Primaria

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(c) Secundaria

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(d) Terciaria

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  Por desgracia, estas reacciones no se obtienen limpiamente después de que ha ocurrido una sola alquilación. Puesto que las aminas primarias, secundarias y aun las terciarias tienen reactividad similar, los productos monoalquilados que se forman inicialmente experimentan una reacción posterior para formar una mezcla de productos, como se ilustra para el 1-bromooctano con un exceso al doble de amoniaco, se puede tener mayor rendimiento del primero empleando un gran exceso de amina inicial, por lo que este método no es del todo bueno sintéticamente hablando.

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2.- Aminas primarias a partir de nitrilos

 

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3.- Aminas primarias a partir de azidas

 

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4.- Aminas primarias a partir de nitrocompuestos

 

(a) Nitroalcanos:

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(b) Nitroarenos (Nitrobenceno)

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5.- Síntesis de Gabriel[1],  para aminas primarias

 

 

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6.- Aminas por reducción de amidas

 

(a) Primarias

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(b) Secundarias

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(c) Terciarias

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7-  Aminación reductiva de cetonas/aldehídos

 (a) Primarias

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(b) Secundarias

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(c) Terciarias

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(d) Vía oxima

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Oxima

 

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8.- Transposición de Hofmann[2]

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9.- Transposición de Curtius[3]

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10.- Transposición de Schmidt[4]

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A continuación se realizaran algunos comentarios relacionados con los mecanismos de las reacciones específicas de aminas como lo son la Síntesis de Gabriel y las Transposiciones de Hofmann, entre otras.

 SÍNTESIS DE GABRIEL:

En la síntesis de aminas de Gabriel, informada en 1887, se hace uso de la alquilación de imidas, lo que constituye un medio alternativo para producir aminas a partir de halogenuros de alquilo. En la síntesis de Gabriel se emplea el anión de la imida cíclica del ácido 1,2-bencenodicarboxílico (ftalimida) como nucleólfilo, analicemos el proceso completo para la síntesis de la bencilamina:

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AMINACIÓN REDUCTIVA DE CETONAS/ALDEHÍDOS:

La aminación reductiva ocurre vía la formación de una imina (Capítulo 17, página 303-304) como intermediario por una reacción de adición nucleófilica, y a continuación se reduce la imina.  En la reacción de aminación reductiva es posible usar amoniaco, una amina primaria o una amina secundaria, para producir aminas primarias, secundarias o terciarias, respectivamente.

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                        Cetona/aldehído                                 Imina                                     Amina

La reacción es posible a la selectividad de los reductores: hidrógeno activado catalíticamente o cianoborohidruro de sodio, NaBH3CN. Ambos reaccionan más rápidamente que el doble enlace de imina que con el del grupo carbonilo.  El procedimiento habitual consiste en dejar equilibrar el compuesto carbonílico y la amina con la imina y el agua en presencia del reductor.

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            Ciclopentanona                        Imina de ciclopentanona                  Ciclopentanoamina

                                                                                     (NO SE AÍSLA)

 TRANSPOSICIÓN DE HOFMANN, CURTIUS  Y  SCHMIDT:

Los ácidos carboxílicos y los derivados de los ácidos carboxílicos pueden convertirse en aminas primarias con la pérdida de un átomo de carbono, tanto en la Transposición de Hofmann y en la Curtius, participa un derivado de ácido, amida y cloruro de ácido respectivamente, en la de Schmidt, participa un ácido carboxílico, pero en general proceden por mecanismos similares: Analicemos el de Hofmann

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Mecanismo de la transposición de Curtius, vía una azida de acilo:

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            Cloruro de ácido           Azida de acilo                             Isocianato                   Amina

 

La transposición de Schmidt tiene lugar a través de la misma secuencia, pero se inicia con un ácido carboxílico y conduce directamente a la amina. La adición-eliminación inicial que produce la azida de alcanoilo está catalizada por ácido sulfúrico, que se neutraliza una vez terminada la reacción.

 Reacciones de las Aminas (Reactividad):

Las reacciones de aminas están controladas por el potencial nucleofílico del átomo de nitrógeno, la tendencia del nitrógeno a compartir el par de electrones libre, hace que estás sean buenos nucleófilos, buenas bases y una reactividad excepcional de los anillos aromáticos con grupos o amino sustituidos (véase Arilaminas, Capítulo 25).

REACCIONES DE LAS AMINAS

EJEMPLO

1.- Alquilación de halogenuros de alquilo

Véase la reacción Nº 1 de las Síntesis de aminas

 

2.- Eliminación de Hofmann

 

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Se favorece la producción del alqueno menos sustituido.

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                      Propeno (70%)

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3.- Sustitución nucleofílica en cloruro de ácidos (Obtención de amidas)

(a) Primarias

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(b) Secundarias

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(c) Terciarias

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4.- Sulfoamidas

(a) Formación de una Sulfoamida N-sustituida

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(b) Formación de una Sulfoamida N,N-disustituida

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5.- Reacción de Mannich

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6.- Síntesis de óxidos de aminas

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7.- Eliminación de Cope

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ELIMINACIÓN DE HOFMANN:

La eliminación de Hofmann consiste en la completa metilación de una amina con un exceso de yodometano para producir un yoduro de amonio cuaternario, el cual por calentamiento con óxido de plata sufre una reacción de eliminación para formar un alqueno.

 

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En esta reacción se favorece la formación del alqueno menos sustituido, las razones de esta selectividad no se comprenden del todo, pero es probable que sean de origen estérico. Debido al gran tamaño de la trialquilamina como grupo saliente, el ion hidróxido debe sustraer un hidrógeno de la posición menos impedida, o sea la posición estéricamente más accesible.

Ejemplo:

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Posibles intermedios de reacción:

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El intermedio que se forma para dar lugar al 1-penteno, es energéticamente más estable, tiene menor impedimento estérico, y a la base le es fácil sustraer el hidrógeno, dando mayoritariamente éste producto.

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En el caso de la formación del 2-penteno, el intermedio es energéticamente menos estable, con un mayor impedimento estérico, el hidrógeno a sustraer esta más bloqueado estéricamente por la presencia del grupo metilo.

La eliminación de Hofmann es útil para la apertura de aminas cíclicas, dando lugar a dienos,  como ejemplo veamos la apertura de la piperidina:

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REACCIÓN DE MANNICH:

La reacción de Mannich es una condensación del metanal (formaldehído) con amoniaco, aminas primarias o secundarias, para formar iones iminio, los cuales son suficientemente electrófilos para reaccionar con aldehídos y cetonas enolizables mediante un proceso similar al de la reacción aldólica, con la formación de compuestos  ?-N-alquilaminocarbonílicos.

 Ejemplo de la reacción de Mannich:

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Mecanismo:

 1) Formación del ion iminio

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2) Enolización

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3) Formación del enlace carbono-carbono

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ÓXIDOS DE AMINAS Y ELIMINACIÓN DE COPE]:

Las aminas son sensibles a los oxidantes; en presencia de estos, las aminas primarias y secundarias dan lugar a mezclas complejas. Las aminas terciarias, sin embargo, se oxidan mediante peróxido de hidrógeno acuoso o ácidos peroxicarboxílicos a los correspondientes óxidos de aminas, con muy buenos rendimientos. Si un óxido de amina, posee en el carbono ? hidrógenos, puede ocurrir una ?-eliminación por calentamiento sobre 100ºC, dando lugar a alquenos y N,N-dialquilhidroxilamina.

 Ejemplos de formación de óxidos de aminas:

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 Ejemplo de eliminación de Cope

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 Mecanismo:   

El mecanismo es similar a la pirólisis de los ésteres, pero tiene lugar a temperaturas inferiores y es más útil sintéticamente para la obtención de alquenos. Su mecanismo es una eliminación sin que transcurre a través de un estado de transición cíclico de cinco miembros.

Aminas de Origen  Natural (Alcaloides):

Las aminas de origen natural se conocen con el nombre de Alcaloides. El estudio de los alcaloides dio gran auge a la química orgánica en el siglo XIX, y todavía es un área de investigación fascinante. Entre los alcaloides de origen natural se encuentran la Morfina (analgésico), La Heroína (no natural, pero se sintetiza desde la Morfina), al igual que la Codeína. Siendo estos compuestos agentes farmacéuticos claves.

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Morfína

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Codeína

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Heroína

A nivel industrial tiene gran importancia la 1,6-hexanodiamina, la cual es necesaria en la manufacturación del nylon.

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Autor:

Wilbert Rivera Muñoz

Universidad Autónoma ·Tomás Frías"

Carrera de Química

2006

[1] [1] Charles Friedel (1832-1899); n. Estrasburgo; Francia. Estudío en la Universidad de Sorbona

[2] [2] James M. Crafts (1839-1917); n. Boston; USA, Estudío en Harvard (1898).


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