1 Haluros de alquilo

BLOQUE TEMÁTICO 5

Haluros de alquilo Problemas

Problema 5.1. Un nucleófilo es una especie química que contiene, al menos, un par electrónico no compartido y que participa en una re acción cediendo un par de electrones a otra especie química denominada electrófilo. Un e lectrófilo es una especie química que participa en una reacción química aceptando un par de electrones de un nucleófilo. De acuerdo con las definiciones anteriores indique cuáles de las siguientes especies químicas son electrofílicas y cuáles son nucleofíli cas .

Respuesta:

El metano no es ni nucleofílico ni electrofílico.

Problema 5.2. Indique qué sustratos de los que se indican a conti nuación reaccionarán mediante un mecanismo S N2 cuando se traten con NaSH en DMF.

Respuesta: El mecanismo SN2 es muy sensible al impedimento estérico en el sustrato. Los compuestos que reaccionarán mediante el mecanismo SN2 son A, C y D. Los sustratos terciarios, como el compuesto B, presentan mucho impedimento estérico al ataque del nucleófilo y no reaccionan mediante el mecanismo SN2. El compuesto F tampoco reacciona porque es un sustrato de tipo neopentílico y los grupos metilo que flanquean al carbono unido al bromo impiden el acercamiento del nucleóófilo. El sustrato E no reacciona porque el bromo está situado sobre un carbono con hibridación sp2 y el mecanismo SN2 solo es operativo sobre carbonos con hibridación sp3.

Problema 5.3. Explique qué reactivo, para cada una de las parejas de compuestos que se dan a continuación, será más nucleofílico en una re acción S N2.

Respuesta: a) Cuando se comparan dos especies nucleofílicas cuyo átomo nucleofílico es el mismo nucleofília y basicidad correlacionan, siendo la especie más básica la más nucleofílica. En el apartado a el anión hidróxido es más básico y, por tanto, más nucleofílico que el agua. b) En el Sistema Periódico la nucleofilia aumenta de derecha a izquierda lo que explica que las aminas sean más nucleofílicas que los alcoholes. c) y d) En el Sistema Periódico la nucleofilia aumenta al bajar en una columna. Por tanto, las trifenilfosfina es más nucleofílica que las trimetilamina y el yoduro más nucleofílico que el cloruro.

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Problema 5.4. Escriba la estructura, con indicación de su estereoquímica, del producto resultante en cada una de las siguientes reacciones :

Respuesta: Las condiciones para que opere el mecanismo SN2 son las siguientes: 1) Sustrato sin impedimento estérico. 2) Nucleófilo fuerte. 3) Buen grupo saliente (base débil). 4) Además, el mecanismo SN2 se favorece si se emplean disolventes polares apróticos cuando el nucleófilo se introduce en forma de anión salino (cianuro sódico, azida sódica, metanotiolato sódico etc).

Formación de A. El sustrato de la reacción es un bromuro secundario sobre el que puede operar el mecanismo SN2. En la formación de A se emplea el anión cianuro (nucleófilo fuerte) y N,N-dimetilformamida (DMF) que es un disolvente polar aprótico favorecedor del mecanismo SN2. Por tanto, las condiciones de reacción que conducen al compuesto A son favorecedoras del mecanismo SN2. Si este mecanismo es el que opera en la reacción el nucleófilo atacará al centro estereogénico del (R)-2-bromohexano provocando inversión de la configuración. Por tanto, la estructura de A y la reacción que lo forma es la siguiente:

Formación de B. En la reacción que forma B se emplea el anión acetato, que no es un nucleófilo fuerte. Sin embargo, la potencia nucleofílica del anión acetato aumenta cuando se emplea en el seno de DMF, por lo que es lógico deducir que el compuesto B se formará mediante una reacción de tipo SN2. La reacción que forma B es la siguiente:

Formación de C. El mismo razonamiento que se ha aplicado para deducir el mecanismo en el caso del compuesto A es de aplicación en la formación del compuesto C. Por tanto, la reacción que forma C seguirá el mecanismo SN2 y, consiguientemente, la estructura de C es la que se indica a continuación:

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Problema 5.5. Deduzca el mecanismo de sustitución q ue operará en cada una de las siguientes reacciones. Dibuje la estructura del pro ducto de reacción ¿Será el producto de sustitución ópticamente activo?

Respuesta: Todos los sustratos son haluros secundarios sobre los que puede funcionar el mecanismo SN2. Todos los nucleófilos empleados en las reacciones del problema son fuertes y los disolventes (DMF y DMSO) son polares apróticos, favorecedores del mecanismo SN2. De acuerdo con este análisis es lógico deducir que el mecanismo que operará en todas las reacciones de este problema será el SN2, produciéndose inversión de configuración. Las estructuras de los productos A, B y C serán las que se indican a continuación:

El compuesto A es ópticamente activo pero B y C no lo son, ya que estos compuestos tienen plano de simetría (de hecho los compuestos de partida que generan B y C tampoco son ópticamente activos porque también tienen plano de simetría). La reacción del apartado d se lleva a cabo sobre una mezcla racémica y el ataque SN2 del anión metanotiolato provocará la inversión de la configuración sobre cada uno de los 2-yodohexanos enantioméricos. Por tanto, el producto de la reacción será también una mezcla racémica, tal y como se indica en el siguiente esquema:

Problema 5.6. Ordene los siguientes sustratos según su velocidad relativa en una reacción S N1.

Respuesta: El mecanismo SN1 consta de dos etapas. La primera es la de formación del carbocatión que es una etapa lenta que determina la velocidad global del proceso. La segunda es el ataque rápido

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del nucleófilo al carbocatión. Por tanto, aquella reacción que exhiba una menor barrera de activación en la formación del carbocatión será la reacción más rápida. La reacción que genera el carbocatión es endotérmica y, por tanto, aquellos efectos que estabilicen al carbocatión también estabilizarán al estado de transición que lo forma (postulado de Hammond). Por todo ello se puede deducir que las reacciones que formen los carbocationes más estables serán las más rápidas. Los carbocationes que se generan a partir de cada uno de los cloruros de alquilo se indican en el siguiente esquema.

A partir del cloruro de t-butilo (2-cloro-2-metilpropano, apartado a) se genera el carbocatión t-butilo, que es terciario. A partir del (2-cloro-2-fenilpropano, apartado b) se genera un carbocatión terciario bencílico, que deslocaliza la carga positiva por el anillo aromático. A partir del 2-clorobutano se genera un carbocatión secundario. Por tanto, el orden de estabilidad de los carbocationes es:

Y el orden de reactividad SN1 es:

Problema 5.7. Dada la siguiente reacción:

Explique cuál será mecanismo de sustitución nucleof ílica (S N2 ó SN1) que operará en la misma e indique el producto (o productos) de sustit ución que se formará(n). Respuesta: El sustrato de la reacción es un bromuro secundario bencílico sobre el que puede operar el mecanismo SN2 o el SN1. El nucleófilo de la reacción es el agua, que es un nucleófilo débil, y el disolvente es el agua, que es polar prótico favorecedor del mecanismo SN1. Por tanto, las

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condiciones de reacción son favorecedoras del mecanismo SN1. El mecanismo de la reacción se inicia con la formación del carbocatión, que es de tipo secundario bencílico (etapa 1 del mecanismo que se indica más abajo). El carbocatión es plano en el carbono catiónico y es atacado desde ambos lados por el agua (etapa 2). La desprotonación forma una mezcla de alcoholes diastereoisoméricos (etapa 3).

Problema 5.8. La reacción de hidrólisis del 2-bromo -3-metilbutano proporciona el 2-metilbutan-2-ol. Explique la formación de este comp uesto. Respuesta: El 2-metilbutan-2-ol se explica mediante un mecanismo SN1 en el cual el carbocatión secundario, generado en la heterólisis del enlace C-Br, experimenta una transposición, por migración 1,2-H, para dar lugar a un carbocatión terciario. Esta reacción va seguida del ataque nucleofílico del agua y de la formación del 2-metilbutan-2-ol por desprotonación, tal y como se indica en el siguiente esquema:

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Problema 5.9. Cuando se hace reaccionar el ( S)-1-bromo-1-fenilbutano con acetato sódico (NaOAc) en dimetilformamida se obtiene un co mpuesto A, ópticamente activo. Sin embargo, cuando el ( S)-1-bromo-1-fenilbutano se calienta a ebullición en ácido acético se obtiene el compuesto A, pero la disoluci ón que lo contiene es ópticamente inactiva.

Proponga una explicación para los anteriores hechos experimentales. Respuesta: El sustrato es un bromuro secundario bencílico que puede reaccionar mediante el mecanismo SN2 o el SN1. El anión acetato no es un nucleófilo fuerte. Sin embargo, la potencia nucleofílica del anión acetato aumenta cuando se emplea en el seno de DMF, por lo que es lógico deducir que el mecanismo será de tipo SN2, con lo consiguiente inversión de la configuración en el estereocentro atacado. La reacción que formará A, en su forma ópticamente activa, será la siguiente:

Cuando la reacción se lleva a cabo en ácido acético, el nucleófilo es el propio ácido acético, mucho menos nucleofílico que el anión acetato, y el disolvente es el ácido acético, que es polar prótico favorecedor del mecanismo SN1. Por tanto, las condiciones de reacción son favorecedoras del mecanismo SN1 y la reacción transcurrirá con formación de una mezcla

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racémica por ataque del ácido acético a ambos lados del carbocatión, tal y como se dibuja en el siguiente esquema:

1) Formación del carbocatión

+ Br

Carbocatión secundario bencílico

2) Ataque nucleofílico del ácido acético al carbocatión

H

OH

O H

a

b

H

OH

H

OH

3) Desprotonación

+

Ph

Br

Ph

H

O

O

O

O

H

OH

H

OH

+

O

O

- H

H (R)

O

H

(S)

O

+

O

O

Enantiómeros

a

b

Problema 5.10. Cuando el compuesto A se trata con m etanol se obtiene el compuesto B por sustitución del cloro en C-2. Explique mecaníst icamente la formación de B ¿por qué no se sustituye el átomo de cloro en C-3?

Respuesta: La reacción se lleva a cabo en metanol, que es nucleófilo débil y un disolvente polar prótico favorecedor del mecanismo SN1. Por tanto, la formación de B transcurrirá mediante el mecanismo SN1. En la primera etapa de este mecanismo se produce la ruptura heterolítica del enlace C2-Cl y la formación del correspondiente carbocatión, que resulta muy estabilizado por resonancia de la carga positiva sobre el átomo de oxígeno contiguo. De hecho la estructura resonante de catión oxonio contribuye más al hibrido de resonancia que la estructura resonante de carbocatión porque en aquélla todos los átomos de C y O tienen el octeto completo (véase el mecanismo más abajo). En la segunda etapa del mecanismo tiene lugar el ataque nucleofílico del metanol al catión oxonio. Por último, la etapa de desprotonación forma el compuesto B.

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El átomo de cloro en C-3 no resulta sustituido porque la ruptura heterolítica del enlace C3-Cl generaría un carbocatión secundario mucho menos estable que el carbocatión oxonio.

Problema 5.11. Un ( R)-2-bromooctano, que exhibe un poder rotatorio de - 20.8º, se somete a la reacción de hidrólisis bajo condiciones S N1. El producto de la reacción es un 2-octanol con una poder rotatorio de +3.96º. Si el ( R)-2-bromooctano ópticamente puro tiene una poder rotatorio de -34.6º y el 2-octanol ópticamente puro tiene una rotación óptica de -9.9º, calcule: a) la pureza óptica del 2 -bromoctano que se emplea en la reacción de hidrólisis y la pureza óptica del 2-oct anol que se forma en esta reacción. b) el porcentaje de racemización y el porcentaje de in versión de la reacción de hidrólisis. c) el porcentaje de ataques dorsales (inversión de la configuración) y el porcentaje de ataques frontales (retención de la configuración) q ue se producen en la reacción de hidrolisis. Respuesta. Apartado a. La pureza óptica de un compuesto se expresa como (Ri/Rp)x100 donde Ri es la rotación óptica del compuesto impuro y Rp es la rotación óptica del compuesto puro. El cálculo de la pureza óptica del (R)-2-bromooactano que se emplea en la reacción de hidrólisis y la del 2-octanol que se forma en la reacción es el siguiente:

Un 60% de pureza óptica en el (R)-2-bromooctano significa que este compuesto contiene un 80% de (R)-2-bromooctano y un 20% de (S)-2-bromooctano. El 20% de moléculas de (S)-2-bromooctano anulan la rotación óptica de un 20% de moléculas de (R)-2-bromooctano, con lo cual sólo un 60% del (R)-2-bromooctano contribuye a la rotación óptica de la mezcla de enantiómeros.

Apartado b. Para calcular el porcentaje de racemización y el porcentaje de inversión de la reacción de hidrólisis hay que calcular primero la relación de pureza óptica de producto con respecto al reactivo que es:

Si la reacción hubiera tenido lugar con inversión completa de la configuración la relación de pureza óptica sería de 1, o lo que es lo mismo, el porcentaje de pureza óptica del 2-octanol habría sido del 60%, lo que significaría que la mezcla de 2-bromooctano ópticamente impuro, que contiene un 80% de (R)-2-bromooctano y un 20% de (S)-2-bromooctano, habría

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reaccionado para dar un 80% de (S)-2-octanol y un 20% de (R)-2-octanol. Sin embargo, esto no es lo que ha ocurrido, ya que la pureza óptica del 2-octanol no es del 60% sino del 40%. Esto se explica porque en la reacción de hidrólisis parte de las moléculas de 2-bromooctano han reaccionado mediante inversión de la configuración y parte mediante retención de la configuración, lo que es propio de los mecanismos SN1. La relación de pureza óptica de 2/3 significa que ha habido 2/3 de inversión y el resto hasta 1, que es 1/3, ha sido de racemización.

Apartado c. Las moléculas de 2-bromooctano que experimentan el ataque frontal (retención de la configuración) cancelan la rotación óptica de las moléculas que experimentan el ataque dorsal (inversión de la configuración). En la reacción se ha producido 1/3 de racemización, lo que significa que se han producido 1/6 de ataques frontales que han anulado la rotación óptica de 1/6 de ataques dorsales (1/6 + 1/6=1/3 de racemización). Por tanto, los porcentajes de inversión (ataque dorsal) y de retención (ataque frontal) son:

Problema 5.12. a) El bromuro de bencilo reacciona e n una mezcla H 2O/HCOOH para dar lugar al alcohol bencílico. La velocidad de la reac ción es independiente de la concentración de agua. Bajo las mismas condiciones el bromuro de p-metilbencilo proporciona el alcohol p-metilbencílico pero con una velocidad 58 veces may or. b) Por otro lado, el bromuro de bencilo reacciona c on etóxido sódico en etanol para dar bencil etil éter. La velocidad de esta reacción es dependiente de la concentración del bromuro de bencilo y del etóxido sódico. Bajo las m ismas condiciones el bromuro de p-metilbencilo proporciona el p-metilbencil etil éter, con una velocidad 1.5 veces mayor. Proponga una explicación para estos resultados. Respuesta. Apartado a. La reacción del bromuro de bencilo en la mezcla de agua/ácido fórmico sigue el mecanismo SN1 ya que la velocidad de la reacción sólo depende de la concentración del bromuro de bencilo. El mecanismo de esta reacción SN1 es el siguiente:

a) Formación del carbocatión

b) Ataque nucleofílico del agua al carbocatión bencílico

Br +

CH2Br CH2

H

CH2

H

CH2

Hlento

CH2

+ H2O

O

H

H

rápido

O

H

H

c) Desprotonación

+ Brrápido

OH

+ HBr

Bromuro de bencilo

Alcohol bencílico

Carboc.1º Carboc.2º

Carboc.2º

Carboc.2º

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La heterólisis del enlace C-Br genera, en el paso lento del mecanismo, el carbocatión bencílico, que deslocaliza la carga positiva sobre el anillo aromático, tal y como se puede apreciar en el esquema anterior. La reacción del bromuro de p-metilbencilo en la mezcla de agua/ácido fórmico también sigue el mecanismo SN1. Sin embargo, la velocidad de la reacción es 58 veces mayor. El mecanismo de esta reacción SN1 es el siguiente:

En el caso del bromuro de p-metilbencilo se forma, en el paso lento de la reacción, el catión p-metilbencílico. Las estructuras resonantes de este carbocatión se pueden ver en el esquema anterior. Si se comparan las estructuras resonantes del carbocatión p-metilbencilo con las del carbocatión bencilo se podrá ver que aquél tiene una estructura resonante de tipo carbocatión 3º, que contribuye más al híbrido de resonancia que la correspondiente estructura de carbocatión secundario en el híbrido de resonancia del carbocatión bencilo. Por tanto, el carbocatión p-metilbencilo es más estable que el carbocatión bencilo y se forma más rápidamente, lo que explica que la reacción SN1 que lo forma sea más rápida.

Apartado b. La reacción del bromuro de bencilo y del bromuro de p-metilbencilo con etóxido sódico en etanol siguen el mecanismo SN2, ya que la velocidad de estas reacciones depende de la concentración del bromuro de bencilo y del etóxido sódico. En el mecanismo SN2 no se forman carbocationes, por lo que la estabilización adicional que ejerce el grupo metilo en el carbocatión p-metilbencilo, en el mecanismo SN2 no es apenas apreciable, por ello las velocidades de ambas reacciones son prácticamente iguales.

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Problema 5.13. a) Prediga si las reacciones que se dan a continuación elegirán un mecanismo de eliminación E1 o E2.

b) ¿Cuál será el producto mayoritario en cada una d e estas reacciones?

Respuesta: a) La clave para determinar si una reacción de eliminación seguirá el mecanismo E1 o E2 es la base empleada en el proceso. Si la base es fuerte (hidróxido, metóxido, etóxido) el mecanismo será E2 y si la base es débil (agua, metanol, etanol) el mecanismo será E1. De acuerdo con estas premisas las anteriores reacciones se clasificarán del siguiente modo: mecanismo E1 = apartados a y c. mecanismo E2 = apartados b y d.

b) La eliminación sobre el 2-cloro-2-metilpropano forma únicamente el 2-metilpropeno, independientemente del mecanismo que sigue la reacción.

a)

C

CH3

CH3

CH3 Cl

H2O

KOH

DMF

(E1)

H2C

CH3

CH3

(E2)b)

Formación del propeno a partir del 2-cloro-2-metilpropano

La eliminación sobre el 2-bromobutano forma, independientemente del mecanismo seguido, una mezcla de but-2-eno (isómeros E y Z) y but-1-eno. El producto mayoritario será el (E)-buteno por ser el alqueno más sustituido y además de configuración E.

Problema 5.14. La reacción de eliminación del 3-bro mo-2,3-dimetilbutano, mediante calentamiento con etóxido sódico en DMSO, proporcio na un único alqueno A (C 6H12). Sin embargo, la reacción de eliminación del mismo b romoalcano por calentamiento en etanol conduce a la obtención de un alqueno B, isóm ero de A. Prediga mecanísticamente las estructuras de A y de B.

Respuesta: Formación de A. La reacción de eliminación con etóxido sódico en DMSO debe seguir el mecanismo E2 ya que la base empleada es una base fuerte. La estructura de A, y el mecanismo E2 que forma este alqueno, se indican a continuación:

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Formación de B. La reacción de eliminación mediante calentamiento en etanol debe seguir el mecanismo E1 ya que la base empleada es una base débil. En el mecanismo E1 se generan carbocationes que pueden experimentar reacciones de transposición. Así, en la heterólisis del 3-bromo-2,2-dimetilbutano se forma un carbocatión secundario (paso 1 del esquema que se da más abajo). El carbocatión secundario experimenta una transposición 1,2-CH3 que lo convierte en carbocatión terciario (paso 2). Finalmente, la eliminación forma el 2,3-dimetilbut-2-eno (alqueno B), como producto muy mayoritario (alqueno tetrasustituido) en el proceso de eliminación.

C

CH3

CH3

CH3 CH

Br

CH3

1) Formación del carbocatión

+ Br

Carbocatión secundario

CH3

H

H3C

CH3

2) Transposición

1,2-CH3

Carbocatión terciario

CH3

CH3

H3C

CH3

H

H3C

CH3

H

H3C

CH3

H3C

3) Eliminación

CH3

CH3

H3C

CH3

H H +CH3

CH3

H3C

CH3

B (2,3-dimetilbut-2-eno)

Formación de B mediante mecanismo E1/transposición

Problema 5.15. ¿Qué haluro de alquilo, de los que s e indican a continuación, proporciona un único alqueno cuando se trata con Na OEt en etanol?

Respuesta: Los alquenos que se originan a partir de cada cloroalcano se indican a continuación. El cloroalcano que genera un único alqueno en la eliminación es el 3-cloro-3-etilpentano (reacción b), que forma únicamente el 3-etilpent-2-eno.

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Problema 5.16. Cuando el compuesto A se calienta a reflujo de metanol, en presencia de metóxido sódico, se obtiene el alqueno B (C 11H14). Por otro lado, cuando el compuesto C se calienta a reflujo de metanol, en presencia de m etóxido sódico, se obtiene el alqueno D (C11H14), isómero de B.

Deduzca mecanísticamente la estructura de los alque nos B y D. Respuesta: En la eliminación se emplea metóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. La conformación reactiva coloca al bromo (grupo saliente) y al átomo de hidrógeno en posición anticoplanar. La eliminación sobre el bromoalcano A y la estructura del producto de eliminación B se indican en el siguiente esquema:

La eliminación sobre el bromoalcano C proporciona la olefina isomérica D, de configuración Z, tal y como se indica a continuación:

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Problema 5.17. Prediga las estructuras de los alque nos A y B que se formarán en las siguientes reacciones:

Respuesta: a) En la eliminación se emplea etóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. En estos mecanismos, la conformación reactiva de los haluros de ciclohexilo coloca al grupo saliente y al hidrógeno en posición trans-diaxial. Las dos conformaciónes del trans-1-cloro-2-metilciclohexano se indican a continuación.

H3CCl

H

H

Cl

H

CH3

H

Conformaciones del trans-1-cloro-2-metilciclohexano

La reacción E2 sobre la conformación reactiva del trans-1-cloro-2-metilciclohexano proporciona un único alqueno, cuya estructura se indica a continuación:

b) Las dos conformaciones del cis-1-cloro-2-metilciclohexano se indican a continuación.

HCl

CH3

H

Cl

H

H

CH3

Conformaciones del cis1-cloro-2-metilciclohexano

La reacción E2 sobre la conformación reactiva del cis-1-cloro-2-metilciclohexano proporciona una mezcla de alquenos, cuyas estructuras se indica a continuación:

Problema 5.18. Cuando el (1 S,2S)-1-bromo-1,2-dimetilciclohexano (compuesto A) se calienta en metanol se obtienen los tres productos de eliminación que se indican a continuación:

a) Explique mecanísticamente la formación de estos tres compuestos.

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b) Cuando el compuesto A se calienta con NaOMe en M eOH sólo se forman dos de los productos de eliminación anteriores. ¿Cuáles son? E xplique mecanísticamente su formación. Respuesta: a) En la eliminación se emplea metanol, que es una base débil, por lo que el mecanismo será E1. El proceso se iniciará con la formación del carbocatión por heterólisis del enlace C-Br. La formación de los tres alquenos se explica por la presencia de tres carbonos contiguos al centro carbocatiónico, que contienen átomos de hidrógeno eliminables en el mecanismo E1. En el esquema que se indica a continuación se explica la formación de los tres alquenos.

b) En la eliminación del apartado b se emplea metóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. La conformación reactiva en este mecanismo sólo contiene dos hidrógenos eliminables, por lo que la reacción formará únicamente los alquenos B y C que se indican a continuación. El alqueno D, que es el producto mayoritario en el mecanismo de eliminación E1, no se forma cuando la reacción transcurre mediante el mecanismo de eliminación E2.

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Problema 5.19. Cuál de las dos reacciones que se in dican a continuación es más apropiada para la preparación del isopropil metil é ter. ¿Por qué?

Respuesta: En el proceso a el isopropil metil éter se forma por el ataque nucleofílico SN2 del anión metóxido sobre el 2-yodopropano. El anión metóxido es nucleofílico, pero también tiene carácter básico y su reacción con el 2-yodopropano también puede formar propeno, como consecuencia de una eliminación E2. Por tanto, el proceso a puede formar la mezcla que se indica a continuación:

El anión isopropóxido, al igual que el anión metóxido, también es nucleofílico y básico, pero cuando reacciona con el yoduro de metilo en el proceso b sólo puede formar el producto SN2, ya que la eliminación E2 no puede tener lugar.

Por tanto, el mejor método para preparar el isopropil metil éter es el b.

Problema 5.20. Explique por qué cuando el cloruro d e mentilo se calienta a reflujo de etanol, en presencia de etóxido sódico, se obtiene el compuesto A como único producto de reacción.

Respuesta: En la reacción de eliminación del cloruro de mentilo se emplea etóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. La conformación reactiva del cloruro de mentilo en el proceso E2 sólo contiene un hidrógeno eliminable, por lo que la reacción formará únicamente el alqueno A, tal y como se indica a continuación:

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Problema 5.21. Explique por qué cuando el cloruro d e neomentilo se calienta a reflujo de etanol, en presencia de etóxido sódico, se obtiene una mezcla formada por el compuesto A y el compuesto B.

Respuesta: En la reacción de eliminación del cloruro de neomentilo se emplea etóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. La conformación reactiva del cloruro de mentilo en el proceso E2 contiene dos hidrógenos eliminables, por lo que la reacción formará el alqueno A (minoritario por ser disustituido) y el alqueno B (mayoritario por ser trisustituido), tal y como se indica a continuación:

Ha

Eliminación E2

H3C

CH3

CH3

A

Cloruro de neomentilo

Hb

H3C

CH3

Cl

H

H

CH3

H

- Ha

- Hb

HbH3C

CH3

HH

CH3

H

Ha

H3C

CH3

HH

CH3

H

H3C

CH3

CH3

B

Problema 5.22. Tanto el cis-1-bromo-4-isopropilciclohexano como el trans-1-bromo-4-isopropilciclohexano reaccionan con etóxido de sodi o en etanol a reflujo para dar el 4-isopropilciclohexeno. Sin embargo, el isómero cis reacciona mucho más rápidamente que el isómero trans. Proponga una explicación para estos hechos experi mentales. ¿Se obtendrá el 4-isopropilciclohexano en forma ópt icamente activa? ¿Por qué? Respuesta: En la reacción de eliminación se emplea etóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. Las dos conformaciones del cis-1-bromo-4-isopropilciclohexano se dibujan a continuación. De las dos conformaciones, la más abundante en el equilibrio es la que coloca al grupo isopropilo en ecuatorial. Además, esta conformación más abundante también es la reactiva en E2, puesto que coloca al bromo en axial.

Las dos conformaciones del trans-1-bromo-4-isopropilciclohexano se dibujan más abajo. De las dos conformaciones, la más abundante en el equilibrio es la que coloca al grupo isopropilo en ecuatorial pero esta conformación no es reactiva en el proceso E2 porque el bromo está en ecuatorial:

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La reacción E2 sigue una cinética de segundo orden y su velocidad depende de la concentración de la base y de la concentración del sustrato reactivo. Por tanto, la eliminación E2 sobre el cis-1-bromo-4-isopropilciclohexano será mucho más rápida que sobre el isómero trans porque la concentración de la conformación reactiva en el cis es mucho mayor que en el trans. La eliminación E2 sobre el cis-1-bromo-4-isopropilciclohexano forma una mezcla racémica, tal y como se indica a continuación:

La misma mezcla, aunque a menor velocidad, forma la reacción de eliminación E2 sobre el trans-1-bromo-4-isopropilciclohexano.

Problema 5.23. Cuando el 2-bromobiciclo[2.2.0]octan o se calienta en t-butanol en presencia de t-butóxido de potasio se obtiene un producto de reac ción. ¿Cuál de los compuestos A, B o C dibujados a continuación se for mará en esta reacción?

Respuesta: La reacción formará el producto de eliminación B. El compuesto de eliminación A no se puede formar porque viola la regla de Bred. Esta regla indica que un doble enlace no puede estar ubicado en un carbono cabeza de puente en un sistema de anillos con puente, a menos que los ciclos sean suficientemente grandes como para acomodar el doble enlace sin excesiva tensión. Lo contrario equivaldría a tener un enlace doble trans en un anillo pequeño. El compuesto C, que sería el producto de sustitución SN2 tampoco se forma porque el anión t-butóxido no es nucleofílico debido a su gran impedimento estérico.

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Problema 5.24. Tres bromoalcanos isoméricos A, B y C, de formula molecular C 6H13Br, se convierten en los correspondientes reactivos de Gri gnard por reacción con Mg en THF. La hidrólisis de cada uno de los reactivos de Grign ard proporciona el 2-metilpentano. Cuando A se calienta con metóxido sódico en metanol se obtiene el 2-metilpent-1-eno, como único producto de eliminación. Por otro lado, el calentamiento de B ó C con metóxido sódico en metanol proporciona mayoritariam ente el 2-metilpent-2-eno. Con estos datos deduzca las estructuras de A, B y C, sa biendo que este último compuesto es ópticamente activo y tiene configuración S. Respuesta: El esqueleto hidrocarbonado de los bromoalcanos será el del 2-metipentano, puesto que este hidrocarburo es el que se obtiene en la reacción de hidrólisis de cada uno de los reactivos de Grignard. Por tanto, las posibles estructuras de los bromoalcanos serán las siguientes:

El bromoalcano I debe ser el compuesto A, puesto que en su reacción de eliminación E2 se formará únicamente 2-metilpent-1-eno. Por tanto A es el 1-bromo-2-metilpentano, y sus reacciones son las siguientes:

El bromoalcano II debe ser el compuesto B. En su reacción de eliminación E2 se formarán dos compuestos: el 2-metilpent-1-eno y el 2-metilpent-2-eno, pero este último será el mayoritario puesto que es el más sustituido (regla de Saytzev: en la reacción de eliminación de haloalcanos se forma mayoritariamente el producto termodinámicamente más estable, que es el más sustituido). Por tanto B es el 2-bromo2-metilpentano, y sus reacciones son las siguientes:

El bromoalcano III debe ser el compuesto C. En su reacción de eliminación E2 se formarán dos compuestos: el 2-metilpent-2-eno y el 4-metilpent-2-eno (como mezcla E/Z). El 2-metilpent-2-eno será el mayoritario puesto que es el más sustituido (regla de Saytzev). El bromoalcano C contiene un estereocentro y su configuración debe ser S, tal y como indica el enunciado del problema. Por tanto, la estructura de C y sus reacciones son las siguientes:

Haluros de alquilo

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Los bromoalcanos IV y V no pueden ser las estructuras de A, B o C puesto que no forman los productos de eliminación que indica el enunciado del problema.

Problema 5.25. Deduzca la estructura del bromociclo alcano A (C 8H15Br) que proporciona únicamente el ciclohexeno B en la reacción de elimi nación con etóxido sódico en etanol.

Respuesta: El doble enlace en el compuesto B marca la presencia del átomo de bromo en el compuesto A. En principio cualquiera de los dos carbonos sp2 puede ser un candidato para la colocación del átomo de bromo. Cada carbono sp2 de B es, en el compuesto A, un carbono sp3, por tanto la colocación de bromo en cada uno de los carbonos sp3 genera un estereocentro, con lo que se pueden proponer 4 estructuras para el compuesto A, las cuales se indican a continuación:

Las estructuras I y II no pueden ser el compuesto A porque la reacción de eliminación proporcionaría una mezcla formada por el compuesto B y el isómero B´ (véase el siguiente esquema):

La estructura III tampoco puede ser el compuesto A porque la reacción de eliminación

proporcionaría una mezcla formada por el compuesto B y el isómero B´´ (véase el siguiente esquema):

Haluros de alquilo 21

El compuesto que proporciona únicamente B en la reacción de eliminación es IV, como se explica en el siguiente esquema:

Por tanto, la estructura de A es la IV.

Problema 5.26. Cuando el 3-cloro-3-metilciclohex-1- eno A se calienta en metanol se obtiene una mezcla formada por los 5 compuestos que se indican a continuación:

Explique mecanísticamente la formación de los compu estos B-F.

Respuesta: a) En la eliminación se emplea metanol, que es una base débil, por lo que el mecanismo será E1/SN1. El proceso se iniciará con la formación del carbocatión por heterólisis del enlace C-Cl. La formación de los alquenos B-C se explica mediante el mecanismo E1, como se indica a continuación:

A

1) Formación del carbocatión

+ Cl

2) Eliminación de H en el carbocatión

CH2

Hb

H

Ha

- Ha

- Hb

CH2

CH3

Formación de B y C mediante el mecanismo E1

B

C

H3C Cl CH3

CH2

CH3

El compuesto D se forma mediante el ataque nucleofílico del metanol al carbocatión:

Haluros de alquilo

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El carbocatión que se forma en la eliminación heterolítica del cloro es alílico y se describe mediante las 2 estructuras resonantes que se indican a continuación:

Estructuras resonantes del carbocatión

CH3 CH3

HI II

El compuesto E es el producto de eliminación en la estructura resonante II:

El compuesto F es el producto de sustitución en la estructura resonante II: