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Especialidad: Farmacia y Bioquímica [email protected]

1

UNIVERSIDAD PRIVADA ANTONIO

GUILLERMO URRELO DE CAJAMARCA

FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA

ESPECIALIDAD DE FARMACIA Y BIOQUÍMICA

IV



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APUNTES Y PROBLEMAS DE QUÍMICA ORGÁNICA

INDICE

Capítulo 1: TEORÍA ENLACE Y RESONANCIA Capítulo 2: ÁCIDOS Y BASES EN QUÍMICA ORGÁNICA Capítulo 3: HIDROCARBUROS (Nomenclatura) Capítulo 4: GRUPOS FUNCIONALES (Nomenclatura) Capítulo 5: ALCANOS Y CICLOALCANOS (Análisis Conformacional) Capítulo 6: ESTEREOQUÍMICA Capítulo 7: REACCIONES ORGÁNICAS Capítulo 8: REACCIONES DE LOS ALCANOS Capítulo 9: HALOGENUROS DE ALQUILO Capítulo 10: REACCIONES DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO (Sustituciones

Nucleofílicas) Capítulo 11: HALOGENUROS DE ALQUILO (Reacciones de Eliminación) Capítulo 12: ALCOHOLES Y TIOLES Capítulo 13: ÉTERES, EPÓXIDOS Y SULFUROS Capítulo 14: ALQUENOS Capítulo 15: ALQUINOS Capítulo 16: REACTIVOS ORGANOMETÁLICOS Capítulo 17: ALDEHÍDOS Y CETONAS REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA Capítulo 18: ALDEHÍDOS Y CETONAS (Reacciones de Sustitución Alfa al carbonilo) -

ALDEHÍDOS Y CETONAS a,b-INSATURADOS (Síntesis y Reacciones de sistemas a,b-insaturados)

Capítulo 19: ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Capítulo 20: DERIVADOS DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Capítulo 21: COMPUESTOS DIFUNCIONALES Capítulo 22: SISTEMAS CONJUGADOS Capítulo 23: SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA Capítulo 24: QUÍMICA DE LOS BENCENOS SUSTITUIDOS (Fenoles y Arilaminas) Capítulo 25: HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS Capítulo 26: SÍNTESIS Y REACCIONES DE LAS AMINAS Capítulo 27: HETEROCICLOS



3

TEORÍA ENLACE Y RESONANCIA

La unión entre dos átomos en una molécula es lo que denominamos

comúnmente enlace. En este capítulo abordaremos en forma sencilla el porqué existen

los enlaces.

Las primeras explicaciones de la naturaleza de los enlaces químicos fueron

dadas por W. Kössel y G.N. Lewis en 1916. Ellos propusieron que existían dos tipos

principales de enlaces químicos:

1.- El Enlace Iónico o Electrovalente (formado por la transferencia de uno o más

electrones de un átomo a otro).

2.- El Enlace Covalente (un enlace que se forma cuando los átomos comparten

electrones).

Los conceptos y explicaciones que se derivan de las proposiciones originales de

Lewis y Kössel son satisfactorios para explicar muchos de los problemas con que

nos enfrentamos en la química orgánica actual.

¿ Por qué existen los enlaces ?

Dos átomos forman un enlace sólo si su interacción es "favorable". Es decir si

desprenden o liberan energía [calor] , (Por el contrario, la ruptura de enlace requiere

energía [calor]).

¿Cuáles son las causas de dicho desprendimiento de energía?

Son dos y se basan en algunas leyes fundamentales de la Física:

(1) Las cargas opuestas se atraen

(2) Los electrones están distribuidos en el espacio

ENLACES IÓNICOS O ELECTROVALENTES

Un enlace iónico se forma cuando dos átomos de electronegatividad muy

distinta se unen entre sí. La pérdida de un electrón del átomo menos electronegativo da

lugar a la formación de un catión; y la ganancia de un electrón por el átomo más

electronegativo da lugar a la formación de un anión.¿Por qué se forman estos iones?

Según la teoría de Lewis-Kössel ambos iones adquieren la estructura electrónica

de un gas noble. Más aún, a partir de los iones individuales se forma una molécula



4

cristalina y, en su estado cristalino, los iones tienen energías mucho menores que los de

los átomos a partir de los cuales se forman. Así, se estabilizan al reaccionar, formando

una molécula cristalina.

Ejemplo:

Li = 1s22s1 F = 1s22s22px22py22pz1

Adquieren configuración tipo gas

noble Helio y Neón.

Las sustancias iónicas, por sus grandes fuerzas electroestáticas internas, tienden

a ser sólidas con un punto de fusión muy alto, a menudo superior a 1000 ºC. En

disolventes polares, como el agua, por lo general los iones solvatados conducen la

corriente eléctrica.

ENLACE COVALENTE

Cuando reaccionan dos o más átomos de electronegatividad igual o parecida no

se lleva a cabo una transferencia completa de electrones. En estos casos los átomos

adquieren la estructura del gas noble compartiendo electrones y se forman enlaces

covalentes. Las moléculas covalentes pueden representarse mediante fórmulas en que

los electrones son puntos, pero es más conveniente utilizar fórmulas con guiones en

donde cada guión representa un par de electrones que enlaza a los átomos.

Ejemplo:

Los iones mismos pueden contener enlaces covalentes:



5

Cuando dos átomos de diferente electronegatividad forman un enlace covalente

los electrones no se comparten equitativamente entre ellos. El átomo de mayor

electronegatividad atrae el par de electrones, acercándolo más a él, y se forma un

ENLACE COVALENTE POLAR. Un ejemplo de un enlace de este tipo es el que se

forma en el cloruro de hidrógeno. El átomo de cloro, que es más electronegativo, atrae

los electrones enlazantes hacia él. Esto hace que el átomo de hidrógeno tenga una

dificiencia de electrones y adquiera una carga positiva parcial ((+)). El átomo de cloro

se hace rico en electrones y aparece en él una carga negativa parcial ((-)).

En términos generales hablamos de enlace polarizado.

Menos Electronegativo : Más Electronegativo

= qd

Una molécula A:B de este tipo es un dipolo, caracterizado por una carga

positiva q en un extremo que se compensa con una negativa q en el otro, separadas por

una distancia d. El producto de dichas cantidades, la carga q por la distancia d, es el

MOMENTO DIPOLAR, .

EL MODELO DE ENLACE DE LEWIS [1]



6

ÁCIDOS Y BASES EN QUÍMICA ORGÁNICA

ÁCIDOS Y BASES FUERTES

De acuerdo con la teoría de Bronsted-Lowry, se define un ácido como una

sustancia que puede donar un protón y una base como una sustancia que puede aceptar

un protón.

ácido base base conjugada ácido conjugado del ácido de la base Los iones hidronio, H3O, y los iones hidróxido, -OH, son respectivamente, los

ácidos y bases más fuertes que existen en soluciones acuosas.

NaOH (s) + H2O Na (ac) + -OH (ac)

ACIDOS Y BASES DEBILES

En contraste con los ácidos fuertes, como el HCl y el H2SO4, el ácido acético es

un ácido mucho más débil. Cuando el ácido acético se disuelve en agua, la reacción que

se muestra a continuación no se lleva a cabo en forma completa.

Los experimentos muestran que en una solución 0.1 M a 25 ºC, sólo el 1 % de

las moléculas del ácido acético transfieren sus protones al agua. Como la reacción de

disolución acuosa del ácido acético es un equilibrio, puede describírsela mediante una

expresión para la constante de equilibrio



7

Para soluciones acuosas diluidas la concentración de agua es esencialmente

constante (55 moles/lt), de manera que la expresión de la constante de equilibrio puede

rescribirse en términos de una nueva constante, Ka, llamada constante de acidez.

A 25ºC, la constante de acidez del ácido acético es 1.8 10-5. Para cualquier ácido disuelto en agua, pueden escribirse expresiones similares.

Utilizando un ácido hipotético generalizado, HA, la reacción en agua es:

Por esta razón, un valor alto de Ka significa que el ácido es un ácido fuerte y un

valor pequeño de Ka significa que el ácido es débil. Si la constante de acidez es mayor

de 10, a efectos prácticos, el ácido estará totalmente disociado en agua.

La teoría de ácidos y bases fue ampliada enormemente por G.N. Lewis en 1923.

Destruyendo lo que él llamo "el culto del protón", Lewis propuso que los ácidos podían

definirse como receptores de pares de electrones y las bases como donantes de pares de

electrones. En la teoría de Lewis, el protón no es el único ácido, sino también muchas

otras partículas. Por ejemplo, el cloruro de aluminio y el triflururo de boro reaccionan

con aminas en la misma forma que lo hace un protón.



8

En los ejemplos anteriores, el cloruro de aluminio y el triflururo de boro aceptan

el par de electrones de la amina lo mismo que sucedería con un protón. Esto se debe a

que los átomos centrales de aluminio y boro sólo tienen un sexteto de electrones y por

lo tanto son deficientes de electrones.

Las bases son bastantes similares tanto en la teoría de Lewis como en la teoría

de Bronsted-Lowry.

ÁCIDOS Y BASES EN SOLUCIONES NO ACUOSAS

Muchas de las reacciones ácido-bases orgánicos que comentaremos en este

capítulo no se llevan a cabo en solución acuosa. Muchos de los ácidos que se

encontraran aquí, son mucho más débiles que el agua. Las bases conjugadas de estos

ácidos orgánicos se preparan en amoniaco líquido. La base más potente que puede

emplearse en el amoniaco líquido es el ion amida, -NH2 la base conjugada del amoniaco.

El ion amida, al ser la base conjugada de un ácido sumamente débil, es una base muy

potente.

Recuérdese que: pKa = - log Ka por lo tanto, a medida que el pKa disminuye aumenta

la acidez de los ácidos, y a medida que el pKa aumenta, disminuye la acidez de los

ácidos, aumentando su basicidad, obsérvese la tabla 2.1.

Tabla 2.1.-

Valores de pKa de sustancias orgánicas comunes

ÁCIDO pKa BASE

ciclohexano 45 C6H11-



9

NH3 36 NH2-

HCCH 25 HCC-

CH3OH 16 CH3O-

H2O 15,7 HO-

R-NH3+ 10 R-NH2

R-COOH 5 R-COO-

CH3OH2+ -2 CH3OH

PhOH2+ -6,7 PhOH

HPF6 -20 PF6-



10

OTROS CRITERIOS A CONSIDERAR:

ELECTRONEGATIVIDAD DEL ÁCIDO

Cuanto más electronegativo sea el elemento que porta el H más polarizado

estará el enlace y más ácido será la familia de compuestos relacionados. A(-)H(+), a

mayor E.N. de A, mayor será la acidez del compuesto, ejemplo:

pKa Ácido Base

43

35

10

18

-2

La basicidad va a disminuir en este orden C- N- O-, cuanto más E.N. es el

elemento, el ácido es más fuerte y la base conjugada del mismo más débil. El nitrógeno

es menos E.N. que el oxígeno y por lo tanto los compuestos nitrogenados son mejores

bases, siendo así el amoniaco una mejor base que el agua.



11

EFECTO DE RESONANCIA

El efecto de la resonancia estabiliza más a una base que a un ácido, ya que se

produce una deslocalización del par de electrones de la base y por lo tanto estos están

menos disponibles a captar un protón, con lo cual disminuye el pKa. Analicemos el

siguiente ejemplo:

a) CH3COOH pKa = 5 Esta claro que al ver sus valores de pKa, que el ácido acético es mucho más

b) CH3CH2OH pKa = 17 ácido que el etanol

¿Por qué?

Si la carga negativa del acetato se puede deslocalizar por resonancia, el par de

electrones estará menos disponible para actuar, por lo que la base estará estabilizada y

será débil, siendo por lo tanto fuerte el ácido del que deriva.. El etanol será un ácido más

débil porque su base no se encuentra estabilizada por resonancia, su b ase conjugada será

más fuerte ya que los electrones están más disponibles a captar un protón. Se puede

concluir que “cuanto más estable es su base conjugada más fuerte será el ácido” .

Diferencia de acidez entre tipos de compuestos:

Alcoholes y Ácidos Carboxílicos

R-COOH R-COO- pKa 5

R-CH2OH R-CH2O- pKa 17

Hay una fuerte estabilización por resonancia en los iones carboxilato

provenientes de los ácidos carboxílicos, haciendo que sus bases conjugadas sean más

débiles y sus ácidos más fuertes.



12

Alcoholes y Fenoles

Ph-OH Ph-O- pKa 10

R-CH2OH R-CH2O- pKa 17

El ion PhO- puede estabilizarse por resonancia con participación del anillo

aromático, haciendo que su base conjugada sea lo bastante débil, con respecto a la base

conjugada del alcohol alifático.

Aminas y Amidas

R-CO-NH2 R-CO-NH- pKa = 16

R-CH2-NH2 R-CH2-NH- pKa = 35

La forma básica del amiduro esta estabilizada por resonancia:

La forma ácida también tiene formas resonantes, pero implica separación de cargas y

por lo tanto es menos estable.

En la amina, la forma básica no puede estabilizarse por resonancia por lo tanto es una

especie bastante más básica que la amida, y por ende como ácidos son mucho más

débiles.

Cetonas e Hidrocarburos

R-CO-CH3 R-CO-CH2 pKa = 20

R-CH2CH3 R-CH2CH2 pKa = 43

Nuevamente vemos que la base conjugada de la cetona es una especie que

puede estabilizarse por resonancia disminuyendo su basicidad y aumentando su acidez,

en cambio, el carbanión generado en el hidrocarburo no puede estabilizarse por

resonancia siendo mucho más básico que su homólogo. Por lo tanto los hidrocarburos

son menós ácidos que las cetonas.

Basicidad de una Amina alifática y una Amina aromática

Amina alifática:

ácido base ácido conjugado base conjugada Amina aromática:



13

En el primer caso la metilamina es una base fuerte dado que no puede

estabilizarse por resonancia, lo que implica que su par de electrones estará siempre

disponible a captar un protón de un ácido, en el segundo caso, en la anilina (amina

aromática) el par de electrones se deslocaliza al interior del anillo, estabilizando a la

base por resonancia, y disminuyendo su basicidad.

Acidez de una amida

Una amida está estabilizada por resonancia, es decir su par de electrones está

deslocalizado y poco disponible a aceptar un protón de ácido, ahí que ellos como

compuestos son relativamente malas bases y buenos ácidos frente a compuestos

similares (aminas por ejemplo).



14

Analicemos el siguiente caso:

Tanto la forma ácida como la

forma básica se pueden

estabilizar por resonancia, pero

la forma básica implica

deslocalización de carga, por

lo que es más estable y a su

vez como compuesto es

menos básico. La forma ácida, implica

creación de carga por lo que es

menos estable como estructura

resonante, lo que comprueba

su carácter ácido como

compuesto. Si se tienen el mismo número

de estructuras resonante el

criterio a emplear es el que no

implique creación de carga.

Comparación de la acidez de una cetona, acetil-cetona, acetato de etilo, y malonato de

etilo

pKa = 9 pKa = 10.2 pKa = 14 pKa = 20

Teniendo en cuenta que a menor pKa, mayor acidez:

1. La acetil-acetona: es la más ácida debido a que su base conjugada está muy

estabilizada por resonancia, posee hidrógenos muy ácidos, en a dos grupos

carbonilos.

2. El aceto-acetato de etilo: es el siguiente en acidez debido a que aunque su base

conjugada está muy estabilizada por resonancia, el grupo éster estabiliza menos la

carga negativa que el grupo cetona, debido a que el éster tiene su propia resonancia

interna.



15

3. El malonato de dietilo: es el que les sigue debido a que las formas resonantes de la

base conjugada estabilizan menos la carga negativa, por la presencia de los dos

grupos éster.

4. La cetona: es la menos ácida debido a que su base conjugada tiene menos

estabilidad por resonancia, posee hidrógenos en a un solo grupo carbonilo, a

diferencia de los casos anteriores.

GRUPOS ATRACTORES DE ELECTRONES POR RESONANCIA

El grupo NITRO: Ayuda a estabilizar la carga negativa en la base conjugada, además el

grupo nitro por si solo ya es estable.

Por ejemplo: el nitrometano es relativamente ácido, tiene un pKa = 10



16

El Grupo CIANO: Contribuye un poco menos que el grupo nitro a la estabilidad de la

base conjugada.

El orden de acidez para estos grupos y otros suele ser:

-NO2 -CN -SO2- 3C-

Ejemplos:

Para la base conjugada del

trifenil metano hay 10 posibles

estructuras resonantes, por lo que

deberíamos esperar que fuese un

ácido bastante fuerte, sin

embargo su pKa = 30, lo que

implica que es un ácido bastante

débil lo cual se puede explicar

por efecto estérico de la base y la

perdida de la aromaticidad del

compuestos al deslocalizarse la

carga al interior del anillo.

En este caso a pesar del efecto

estérico, el movimiento de las

cargas sobre el grupo ciano esta

favorecida, debida a la diferencia

de electronegativiodad de los

átomos. Por lo que la forma

básica esta bastante estabilizada y

el ácido del cual proviene es

bastante fuerte, pKa 0

Efectos de resonancia de diversos grupos:

Electrón-dadores -F, -Cl, -Br, -I, -O-, -OR, -OH, -OCOR, -NR2, -SR, -SH, -CH3

Electrón-atrayentes -CN, -CO-, -SO2-, -NO2



17

HIBRIDACIÓN DE LOS ÁTOMOS

A medida que aumenta el % de carácter p en los orbitales aumenta el tamaño de

los enlaces y aumenta la basicidad, disminuyendo la acidez de la molécula. Esto se debe

a que los electrones están más disponibles para aceptar protones.

Ejemplos:

Molécula Hibridación del átomo pKa Carácter básico/ácido

hibridación sp3 del "N"

9.8

base fuerte

hibridación sp2 del "N"

5.2

base moderada

hibridación sp del "N" 0 base débil

hibridación sp3 del "C" 40 ácido débil

hibridación sp del "C" 24 ácido fuerte



18

EFECTOS INDUCTIVOS Y ELECTROESTÁTICOS

Los grupos donores de electrones por efecto inductivo contribuyen a disminuir

la acidez y aumentan la basicidad de la misma. En cambio los átomos electronegativos

contribuyen a que aumente la acidez y disminuya la basicidad. La polarización de un

enlace por influencia de un átomo o grupo adyacente polar se conoce como efecto

inductivo,

En cambio los halógenos son muy electronegativos y son grupos atractores de

electrones, con lo que polarizan más rápido el enlace a romper, aumentando

considerablemente la acidez de las moléculas, en la Tabla 2.2 se analizan algunos

ejemplos.

Efectos inductivos de diversos grupos:

Electrón-dadores -O-, -CH3, -CO2-

Electrón-atrayentes -F, -Cl, -Br, -I, -OR, -OH, -NR2, -SR, -SH, -CO2H,

-CO2R, -CO-, -CN, -NO2, -SO2-, -C=C-, -CC-, -NR3, -

SR2



19

Tabla 2.2.-

Ejemplos de Ácidos Carboxilicos, su pKa y el efecto del sustituyente

Molécula pKa Efecto

3.77

"H" ni da ni quita carga por efecto inductivo.

4.76 efecto inductivo del grupo metilo, aumenta la

basicidad.

2.66 "F" átomo más electronegativo (E.N = 4.0), van

aumentando la acidez con respecto a los otros

halógenos.

2.86 E.N. = 3.0, la acidez disminuye por que al ser

menos electronegativo habrá menos dispersión de

la carga.

2.90 E.N. = 2.8

3.16 E.N. = 2.5

1.29

La presencia de dos átomos de cloro, hace que

aumente la acidez con respecto al primero.

0.05

En este caso hay tres átomos de cloro, aumenta

bastante la acidez con respecto al anterior

4.76 Efecto inductivo más próximo al grupo ácido.

4.88 Efecto inductivo va disminuyendo al crecer la

cadena carbonada.

4.96

Mayor acumulación de carga negativa sobre un

mismo carbono, menor dispersión de carga,

implica mayor basicidad.

5.65

Ídem, al anterior

1.68

El grupo nitro dispersa mejor la carga, aumenta la

acidez.

1.86

La presencia de los metilo aumenta la basicidad,

con respecto al anterior.

2.47 Grupo ciano dispersa carga por efecto de

resonancia.



20

3.35 El éster dispersa carga por efecto de resonancia,

pero menos que el grupo ciano

3.58 El carbonilo de cetona, dispersa menos carga que

un éster.

3.53 Ahora tenemos un éter, el cual es mas bien un

grupo dador de electrones.

3.83 El hidróxido es dador de electrones, aumenta la

basicidad.

3.77 El hidrógeno, no influye prácticamente en nada.

1.23 El diácido es más fuerte, debido al efecto

inductivo que produce el otro ácido.

4.76 Metilo dador de carga por efecto inductivo,

aumenta la basicidad.

2.83 Este efecto se mantiene cuando hay un átomo de

carbono entre ellos, pero se debilita un poco al

aumentar la distancia entre los dos grupos ácidos.

EFECTO DE LOS PUENTES DE HIDRÓGENO

Los puentes de hidrógenos estabilizan a las bases conjugadas. Por existir una

mayor dispersión de la carga, haciendo que disminuya la basicidad y aumente la acidez

de los mismos. A continuación se ejemplifica este hecho con moléculas que se

diferencian principalmente en su geometría y/o estructura. En primer lugar veamos el

caso de un diácido cis con respecto a su isómero trans.

Se puede observar que la base conjugada esta estabilizada por la formación de

un puente de hidrógeno (pKa = 1.92) en el isómero cis.

En cambio en el isómero trans, este puente de hidrógeno no se puede formar

dado que la geometría de la molécula no se lo permite, lo que hace que aumente su

basicidad al no haber dispersión de carga, (pKa = 3.02).

En el segundo ejemplo analizamos el ácido orto y para hidroxibenzoico. Se

puede concluir que el ácido orto hidroxibenzoico es más ácido que el para, dado que la

base conjugada se puede estabilizar por la formación de un puente de hidrógeno por la

cercanía en el espacio del grupo hidróxido con el carbixilato, cosa que en la posición

para no puede ocurrir.



21

ácido más fuerte base conjugada estabilizada por puente de hidrógeno

ácido más débil La disposición espacial no permite la formación del puente de hidrógeno

EFECTOS ESTÉRICOS

Recuérdese que los efectos estéricos son los que producen las interacciones

espaciales entre los átomos y/o grupos. Este fenómeno puede influir en la acidez y

basicidad de algunas moléculas. Por ejemplo:

RELACIONES ENERGÉTICAS:

Cuando una reacción química alcanza el equilibrio, la posición del mismo refleja

las energías relativas de reactivos y productos. La constante de equilibrio K se relaciona

con la diferencia de energía libre estándar Gº entre los productos y los reactivos, a

través de la ecuación:



22

Gº = - RT ln K

en donde R = 1.99 10 -3 kcal/mol-K (8.31 10-3 kJ/mol-K)

T = temperatura

Si los reactivos son de menor energía que los productos (Gº 0; K 1), y la

reacción se dice endergónica. En una reacción exergónica, los productos son de menor

energía que los reactivos (Gº 0; K 1) .

Dos importantes parámetros termodinámicos contribuyen a la diferencia de

energía libre y ,por tanto, a la posición del equilibrio. La entalpia, Hº, o calor de

reacción, que está relacionada con las diferencias en las energías de enlaces entre los

productos y los reactivos. La entropía, Sº, es una medida de las diferencias de libertad

de movimiento entre las moléculas de los productos y los reactivos. Un valor más

positivo de la entropía indica un aumento del grado de libertad al transformarse los

reactivos en productos. La expresión que relaciona entré sí dichos parámetros es:

Gº = Hº - T Sº

El valor de la entalpía, en la mayoría de reacciones orgánicas, es en general

mucho mayor que el del término TSº y, por tanto, su contribución a la diferencia de

energía libre es más importante. En consecuencia, es frecuente hablar de reacciones

refiriéndose a Hº, es decir, como exotérmicas (Hº 0) o endotérmicas (Hº 0). Cuando

Hº TSº, situación que ocurre con frecuencia en sistemas biológicos, casi siempre se

utilizan los términos " exergónico" y "endergónico".

A continuación se muestran las Tablas 2.3 y 2.4, el la primera se muestra la

relación entre la concentración relativa y la energía libre, para equilibrios simples a 25

ºC, la cual resulta ser útil para saber cuanto esta desplazado un equilibrio. En la Tabla

2.4 se muestran los valores de pKa para las sustancias orgánicas más comunes.

Tabla 2.3.-

Relación entre la concentración relativa y la energía libre en el caso de equilibrios

simples, (A B) a 25 ºC.

Población en el equilibrio Gº

Reactivo A, % Reactivo B, % Kc kcal/mol (kj/mol)

99 1 0,01 2,72 11,37

90 10 0,11 1,30 5,53

75 25 0,65 0,65 2,72

50 50 1,00 0 0

25 75 3,00 -0,65 -2,72



23

10 90 9.00 -1,30 -5,43

1 99 99.00 -2,72 -11,37

0,1 99,9 999,00 -4,09 -17,10

0,01 99,99 9999,00 -5,46 -22,82

Kc = Constante de equilibrio, la cuál se puede determinar por la relación entre el pKa

del ácido (AH) y el pKa del ácido conjugada de la base (BH).

pKc = pKa(AH) - pKa(BH), por lo que Kc es igual al antilogaritmo de la diferencia

obtenida.

Escala de Acidez

Ácido conjugado pKa Base conjugada Ácido conjugado pKa base conjugada

Ciclohexano

45

C6H11-

CH3-CH3

42

CH3-CH2

-

CH4 40 CH3- Benceno 37 C6H5-

Etileno 36 CH2=CH- NH3 36 NH2

-

-CH3 35 -CH2- CH2=CH-CH3 35 CH2=CH-CH2

-

3-CH 32 -C- -NH2 27 -NH

-

HCCH 25 HCC- 2-NH 23 2-N

-

CH3COCH3 20 CH3COCH2- t-BuOH 19 t-BuO

-

18.5

C2H5OH (ROH)

17

C2H5O

-

RCONHR' 16 RCONR'- CH3OH 16 CH3O

-

H2O 15.7 HO-

15

15

(ROOC)2CH2

13.5

(ROOC)2CH

-

13.4

13.4

(NC)2CH2 11.2 (NC)2CH- CH3COCH2COOR 10.2 CH3COCH-COOR



24

RNH3 R2NH2 R3NH

10

RNH2 R2NH R3N

CH3NO2

10.2

-CH2NO2

HCO3- 10.2 CO3

= -OH 10 -O-

9.6

9.3

NH4 9.2 NH3 HCN 9.1 CN-

9.0

8.0

7.2

H2CO3

6.5

HCO3

-

O2NCH2COOCH3 5.8 O2NCH-COOCH3

5.2

-NH(CH3)2 5.1 -N(CH3)2 -NH3 4.6 -NH2

RCOOH 4.50.5 RCOO- 2,4-Dinitrofenol

4.0 (NO2)2-O-

HCOOH 3.7 HCOO- CH2(NO2)2

3.6 -CH(NO2)2

ClCH2COOH

3.8

ClCH2COO

-

2.5

2.4

Cl2CHCOOH

1.3

Cl2CHCOO

-

1.0

2-NH2

1.0

2-NH

Cl3CCOOH 0.9 Cl3CCOO- 2,4,6-Trinitrofenol

0.4

(NO2)3O-

CF3COOH 0 CF3COO- CH3CONH3 0.3

CH3CONH2



25

HNO3 -1.4 NO3- -CONH3 -2.0

-CONH2

CH3OH2

-2.0

CH3OH

-2.1

(CH3)2OH -3.8 (CH3)2O t-BuOH2

-4 t-BuOH

-4.0

-4.5

(CH3)2SH

-5.2

(CH3)2S

-5-5

-6.2

-OH2

-6.7

-OH (o -OR)

-6.8

-CH=OH -7.1 -CHO

-9.4

R-CNH

-10

R-CN

-11 H2SO4 ? HSO4-

HBF4 ? BF4- FSO3H ?

FSO3-

HClO4 -20 ClO4- HPF6 -20

PF6-

SbF5.FSO3H -20 SbF5

.FSO3

-



26

HIDROCARBUROS

(NOMENCLATURA)

Los hidrocarburos y sus compuestos derivados se pueden clasificar en general en

tres grandes categorías:

1. Hidrocarburos alifáticos, formados por cadenas de átomos de carbono en las que no

hay estructuras cíclicas. Se les denominan en general, hidrocarburos de cadena

abierta o acíclicos.

CH3-CH2-CH3

propano

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

pentano

CH3-CH=CH-CH3

2-buteno

2. Hidrocarburos alicíclicos, o simplemente cíclicos, compuestos por átomos de

carbono encadenados formando uno o varios anillos.

ciclobutano

ciclopentano

biciclo 4,4,0 decano

3. Hidrocarburos aromáticos, que constituyen un grupo especial de compuestos

cíclicos que contienen en general anillos de seis eslabones en los cuales alternan

enlaces sencillos y dobles. Se clasifican, independientemente de los hidrocarburos

alifáticos y alicíclicos, por sus propiedades físicas y químicas muy características.

benceno

naftaleno

fenantreno

FUENTES Y APLICACIONES

El petróleo y los gases naturales a él asociados constituyen en la actualidad la

principal fuente de hidrocarburos. A medida que las reservas de petróleo se van

agotando, sin embargo, cobra creciente interés la posibilidad de convertir parte de las

abundantes reservas mundiales de carbón en hidrocarburos utilizables.

El gas natural se halla compuesto principalmente por metano (CH4). El etano

(C2H6) y el propano (C3H8) representan entre un 5 y un 10 por 100 del total, junto con

trazas de hidrocarburos de C4 y C5 carbonos.

El petróleo líquido es una mezcla compleja, en la que predominan los

hidrocarburos saturados. La industria del petróleo emplea procedimientos de extracción

y de destilación a gran escala para separar el “crudo” en fracciones de utilidad práctica.

Las fracciones líquidas más volátiles son el éter de petróleo (p. eb. 30 - 60 ºC) y la



27

ligroína (p. eb. 60 - 90 ºC), compuestos principalmente por hidrocarburos de C 5 hasta C7

átomos de carbonos. La gasolina cubre un amplio rango de compuestos entre C5 y C10

(p. eb. 40 -200 ºC), las demás fracciones importantes del petróleo son el queroseno (p.eb.

175 -325 ºC, de C8 a C14), el gasóleo (p. eb. superior a 275 ºC, de C12 a C18), los aceites

y grasas lubricantes (por encima de C18), el asfalto o coque de petróleo.

NOMENCLATURA

El problema de la nomenclatura de las moléculas orgánicas ha acompañado a la

química orgánica desde sus mismos orígenes y ha empeorado con la multitud de nuevos

compuestos y clases de compuestos que se descubren cada año. Hay que sumar a ésto el

problema de las distintas lenguas (alemán, francés, ingles, danés, español, etc..).

Algunos compuestos han recibido el nombre de sus descubridores. Los nombres de

lugares también han sido utilizados. Bastante nombres de moléculas reflejan la forma de

la misma. Todos estos nombres de moléculas tienen primordialmente interés histórico

aunque muchos se usan todavía comúnmente (nombres comunes), especialmente

cuando el nombre sistemático que describe su estructura es complejo.

La nomenclatura sistemática se introdujo por vez primera en un congreso

químico en Ginebra (Suiza) en 1892 y ha sufrido revisiones continuas desde entonces,

especialmente por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). Las

reglas de nomenclatura se denominan “reglas de la IUPAC”.

NOMENCLATURA IUPAC PARA LOS HIDROCARBUROS:

Tal como comentamos al principio, los hidrocarburos se clasifican en tres

grandes grupos, en primer lugar veremos las reglas para los hidrocarburos alifáticos, si

el estudiante es capaz de comprenderlas para ellos, el resto es simplemente una

ampliación de las mismas.

Hidrocarburos Alifáticos:

Si bien es cierto que son cadenas lineales de átomos de carbonos, ellos pueden

subdividirse en tres grandes grupos: ALCANOS, ALQUENOS y ALQUINOS.

Alcanos:

Los nombres de los alcanos lineales se dan en la Tabla 3.1. Las raíces

son mayoritariamente latinas o griegas e indican el número de átomos de carbono en la

cadena. Por ejemplo, el nombre heptadecano está formado por la voz griega hepta, siete

y la palabra latina decano, diez. Los cuatro primeros alcanos tienen nombres especiales

que han sido aceptados en el sistema de la IUPAC pero mantienen la terminación “ano”.

TABLA 3.1.-

Todos los alcanos acíclicos obedecen a la fórmula general CnH2n+2.



28

Fórmula estructural Nombre Fórmula condensada

CH4 metano CH4

CH3-CH3 etano C2H6

CH3-CH2-CH3 propano C3H8

CH3-CH2-CH2-CH3 butano C4H10

CH3-(CH2)3-CH3 pentano C5H12

CH3-(CH2)4-CH3 hexano C6H14

CH3-(CH2)5-CH3 heptano C7H16

CH3-(CH2)6-CH3 octano C8H18

CH3-(CH2)7-CH3 nonano C9H20

CH3(CH2)8-CH3 decano C10H22

La Tabla 3.1., debe ser estudiada con atención ya que sirve de base para la

nomenclatura de un gran número de moléculas orgánicas. Los nombres de los términos

superiores de la serie son los siguientes:

10 decano 20 eicosano 30 triacontano

11 undecano 21 heneicosano 31 hentriacontano

12 dodecano 22 docosano 32 dotricontano

13 tridecano 23 tricosano 33 tritriacontano

14 tetradecano 24 tetracosano 34 tetratriacontano

15 pentadecano 25 pentacosano 35 pentatriacontano

16 hexadecano 26 hexacosano 36 hexatriacontano

17 heptadecano 27 heptacosano 37 heptatriacontano

18 octadecano 28 octacosano 38 actatriacontano

19 nonadecano 29 nonacosano 39 nonatriacontano

40 tatracontano 50 pentacontano 60 hexacontano

41 hentetetracontano 51 henpentacontano 61 henhexacontano

42 dodetetracontano 52 dopentacontano 62 dohexacontano

43 tritetracontano 53 tripentacontano 63 trihexacontano

44 tetratetracontano 54 tetrapentacontano 64 tetrahexacontano

etcétera etcétera etcétera

70 heptacontano 80 octacontano 90 nonacontano

100 hectano 200 dihectano 300 trihectano

Los sustituyentes de tipo alcano se nombran reemplazando la terminación -ano

por -ilo. Algunos homólogos inferiores de los alcanos ramificados tienen nombres

comunes muy usados que utilizan los prefijos -iso y -neo, como es isobutano,

isopentano, neohexano.

CH3- metilo CH3-CH2- etilo CH3-CH2-CH2- propilo



29

isopropilo

Es un isoalcano

(ej. n = 1, isopentano)

Es un neoalcano

(ej. n = 1, neohexano)

Los alcanos lineales suelen corresponder a la fórmula general CnH2n+2 , y

sólamente en el caso de ser absolutamente lineal (no ramificado) reciben el nombre de

la Tabla 3.1. Los alcanos ramificados derivan de los sistemas de cadena lineal por

eliminación de un átomo de hidrógeno de un grupo metileno y sustitución por un grupo

alquilo. Tienen la misma fórmula empírica que los alcanos lineales, CnH2n+2 . El

ejemplo más sencillo es el 2-metilpropano, C4H10, con la misma fórmula molecular que

el butano. Por lo tanto ambos compuestos son isómeros.

2-metilpropano

butano

Para homólogos superiores (n4) de los alcanos son posibles más de dos

isómeros, hay tres C5H12, hay cinco C6H14, nueve C7H16. En la Tabla 3.2, se observa el

número de posibles alcanos isómeros CnH2n+2 , el número de posibilidades para conectar

n átomos de carbono entre si y con los 2n+2 átomos de hidrógenos que los envuelven

aumenta dramáticamente con el valor de n.

TABLA 3.2

Número de posibles alcanos isómeros CnH2n+2.

n isómeros

1 1

2 1

3 1

4 2

5 3

6 5

7 9

8 18

9 35

10 75

15 4347

20 366319

Reglas para nombrar a los alcanos remificados:

Para nombrar un hidrocarburo ramificado tal como el siguiente:



30

se considera que hay un grupo o radical metilo (CH3-) unido una cadena de heptano. El

compuesto es así un metilheptano. (Se prescinde de la “o” final de metilo) Sin embargo,

hay que indicar dónde se encuentra el metilo, ya que los compuestos,

son también metilheptanos. Para determinar la posición del metilo se numera la cadena

más larga y se escribe y menciona dicho número, llamado localizador, delante del

nombre, Así, los tres compuestos anteriores se llaman:

2-metilheptano

3-metilheptano

4-metilheptano

Regla Nº 1:

La cadena más larga se numera de un extremo a otro, de tal forma que se asigne

los números más bajos a los carbonos con cadenas laterales, independientemente

de la naturaleza de los sustituyentes.

Veamos las siguientes moléculas:

Para la primera, la cadena más larga es

de siete carbonos, con dos sustituyentes

metilo en los carbonos C3 y C5, por lo

tanto su nombre correcto es:

3,5-dimetilheptano.

En el segundo ejemplo la cadena más

larga es de cinco carbonos, con tres

sustituyentes metilo en los carbonos C2 y

C4, por lo que su nombre correcto es:

2,2,4-trimetilpentano

Regla Nº 2:

Si en la cadena más larga un sustituyente se repite más de una vez, éstos se

nombran con los prefijos de cantidad di, tri, tetra, penta, hexa, (solamente son

validos para sustituyentes sencillos).

Como consecuencia del segundo ejemplo, nace la siguiente regla.

Regla Nº 3:

Si en un mismo carbono existe más de una vez el mismo sustituyente, el

numero localizador se repite tantas veces como sustituyentes soporte.

Analicemos los siguientes casos:



31

En este caso la cadena más larga es de

11 carbonos, por lo que el compuesto base

es el undecano, los sustituyentes son el

grupo etilo y el grupo propilo, la

numeración correcta ha de venir por el

lado del etilo dado que asigna valores más

bajos (C4 y C5), si se numerase desde el

lado del propilo tendríamos (C8 y C9), lo

que no esta de acuerdo con la regla Nº 1.

Por lo que el nombre correcto es:

4-etil-5-propilundecano

La cadena base sigue siendo el

undecano y los sustituyentes el grupo etilo

y el grupo propilo, la numeración viene

dado ahora por el grupo propilo dado que

asigna valores más bajos. La única

diferencia en el nombre va a radicar en la

posición de los sustituyentes.

Su nombre correcto sería:

5-etil-4-propilundecano

Regla Nº 4:

Los sustituyentes en un compuesto ramificado se nombran por orden

alfabético, independientemente de la numeración de los mismos, en el caso de

repetirse uno de ellos más de una vez los prefijos de cantidad no se han de

considerar para el orden alfabético.

Hay algunos compuestos que tienen un nombre común aceptado. Estos son

isobutano, isopentano, neopentano e isohexano. Dichos compuestos pueden nombrarse,

pues, de dos formas distintas:

metilpropano o isobutano

2-metilpentano o isohexano

2-metilbutano o isopentano

dimetilpropano o neopentano

Vamos a considerar ahora otros radicales más complejos, radicales que podemos

suponer que proceden de alcanos ramificados. El modo de nombrarlos es tal como se

indica en los siguientes ejemplos:

3-metilbutilo

2-metilbutilo



32

1-metilbutilo

2,4-dimetilpentilo

1-etil-1-metilbutilo

4,4-dimetil-2-propilhexilo

Hay unos cuantos radicales que tienen un “nombre propio” admitido por la

IUPAC, estos deben usarse cuando corresponda:

Isopropilo

Isopentilo

Isobutilo

terc-Pentilo

sec-Butilo

Neopentilo

terc-Butilo

Isohexilo

Ejemplo:

4-etil-5-isopropil-3-metil-7-propilundecano

(secuencia: etil, isopropil, metil, propil)

5-(1,2-dimetilpropil)-4-etil-3-metilnonano

(secuencia: dimetilpropil, etil, metil)

Regla Nº 5:



33

Si en un compuesto hay dos radicales simples y uno complejo, este último se

nombra primero, y a continuación los simples en orden alfabético. En el caso de

que existan dos radicales complejos éstos se nombran en orden alfabético entre sí,

y si éstos tuviesen las mismas palabras se citará en primer lugar aquel que tenga el

número localizador más bajo.

Procedamos a nombrar los siguientes compuestos:

8-(2-metil-1-propilpentil)-6-(1,2,2,3-tetrametilbutil)-tetradecano

6,6,9-trietilpentadecano

(con tres sustituyentes etilo)

6,6,9-tris-(1,1,2-trimetilbutil)-pentadecano

(con tres sustituyentes complejos (1,1,2-trimetilbutil))

Regla Nº 6:

Cuando hay dos o más radicales complejos iguales, para evitar confusiones

con los prefijos sencillos di, tri, tetra, etc., se usan para éstos entonces los prefijos

bis, tris, tetraquis, pentaquis, etc.

Finalmente la regla Nº 7 contempla el caso de que haya varias cadenas de igual

longitud. ¿Cómo se elige entonces la cadena principal? Se toma como principal:

Regla Nº 7:



34

a) La cadena que tenga el mayor número de cadenas laterales

b) La cadena cuyas cadenas laterales tengan los localizadores más bajos

c) La cadena que tenga el máximo número de átomos de carbonos en las

cadenas laterales más pequeñas.

d) La cadena que tenga cadenas laterales lo menos ramificadas posible.

Alquenos:

Los hidrocarburos que poseen un doble enlace, se nombran cambiando la

terminación -ano (del alcano de igual número de átomos de carbono) por la

terminación -eno.

CH2=CH2

eteno o etileno

CH3-CH=CH2

propeno

1-buteno

2-buteno

Los alquenos suelen responder a la fórmula general CnH2n, siempre y cuando no

sean cíclicos.

La posición del doble enlace o insaturación se indica mediante el

correspondiente localizador. se procura asignar al doble enlace un localizador tan bajo

como sea posible. Si hay ramificaciones se toma como cadena principal la cadena más

larga de las que contenga el doble enlace; es decir el doble enlace tiene primacía sobre

las cadenas laterales en el momento de numerar y elegir la cadena principal.

Ejemplos:

4,5-dimetil-1-hepteno

3-etil-6-metil-2-hepteno

5-etil-3-hepteno

5,6-dimetil-3-hepteno

ISOMERIA CIS - TRANS ó (Z - E) EN LOS ALQUENOS

Cuando dos átomos de carbonos se enlazan mediante un doble enlace, la

estructura resultante es rígida y se generan dos planos diferentes, en el espacio. Así

cuando uno escribe 2-buteno, hay que ser cauteloso dado que existen dos compuestos

distintos, aunque isómeros entre sí, estructuralmente son:



35

cis-2-buteno

trans-2-buteno

Los dos hidrógenos al mismo lado del

espacio.

Los dos hidrógenos a lados distintos en el

espacio

Analicemos los siguientes ejemplos:

A)

B)

C)

D)

A y B no cabe duda que son el cis y el trans-3,4-dimetil-3-hepteno

respectivamente, obsérvese que en el cis, los dos grupos metilos están a un mismo lado

y en el trans los dos grupos metilos a lados distintos.

C y D sin embargo presentan un problema ¿Cuál es el cis? y ¿Cuál es el trans?

no hay grupos iguales en torno al doble enlace. Los casos como éste han obligado a

introducir una nomenclatura más general ( Z - E ) , que sirva para todos los alquenos.

Este sistema de nomenclatura se basa en comparar la posición relativa de los “grupos

preferentes” a uno y otro lado del doble enlace. La preferencia se establece por el

número atómico: los átomos que están unidos a un carbono determinado del doble

enlace se comparan entre sí; si dichos átomos son iguales se comparan los siguientes

que están unidos y así respectivamente, hasta encontrar la diferencia.

E-1-bromo-1-cloro-propeno Z-1-bromo-1-cloro-propeno

Los átomos más pesados a lados

contrarios del doble enlace

Los átomos más pesados a un mismo

lado del doble enlace

Por lo tanto en los ejemplos anteriores los compuestos C y D se han de nombrar:

(C) Z-3-etil-2,4-dimetil-3-hepteno (D) E-3-etil-2,4-dimetil-3-hepteno



36

DIENOS Y POLIENOS:

Cuando un hidrocarburo contiene más de un doble enlace se emplea para

nombrarlo la terminación -adieno, -atrieno, -atetraeno, etc., en lugar de la terminación

-eno. Proceden al nombre los números localizadores de dichos doble enlaces. Los hay

de distintos tipos de polienos:

Clasificación Ejemplo 1 Ejemplo 2

Con dobles enlaces

acumulados

CH2=C=CH2

Aleno

CH2=C=CH-CH2CH3

1,2-pentadieno

Con dobles enlaces

conjugados

CH2=CH-CH=CH2

1,3-butadieno

CH2=CH-CH=CH-CH3

1,3-pentadieno

Con dobles enlaces no

conjugados

1,4-ciclohexadieno

CH2=CH-CH2-CH=CH2

1,4-pentadieno

Alquinos:

Son hidrocarburos con un enlace carbono-carbono triple, obedecen a la

fórmula general CnH2n-2, los triples enlaces son lineal en su disposición espacial. Esta

disposición lineal impide, que pueda obtenerse en la práctica un triple enlace sobre un

anillo pequeño.

H-CC-H etino o acetileno

CH3-CC-H propino

CH3-CH2-CC-H 1-butino

CH3-CC-CH3 2-butino

En el caso de que en un compuesto existan dos o más enlaces triples, estos se

nombran con la terminación -diino, -triino, etc.

3-propil-1,5-heptadiino

10-isopropil-9,9-dimetil-1,4,7,11-dodecatetraino



37

Con estos ejemplos queda claro que la numeración de la cadena principal la

mandan los triples enlaces, la que a su vez es aquella que contiene a la mayor cantidad

de triples enlaces.

HIDROCARBUROS CON DOBLES Y TRIPLES ENLACES

Para nombrarlos hay que enunciar tanto el número de dobles enlaces como el de

triples: si hay dos enlaces dobles y uno triple, será un dieno-ino; si hay tres enlaces

dobles y dos triples será un trieno-diino; etc.

Para numerar la cadena principal se procura que recaigan los números más bajos

en las insaturaciones (enlaces dobles y triples), prescindiendo de considerar si son

dobles o triples:

HCC-CH2-CH2-CH=CH-CC-H

3-octeno-1,7-diino

Si se empieza a numerar por la izquierda,

las insaturaciones están localizadas en

1,5,7; si por la derecha, en 1,3,7 (esta

última posición es la preferida).

CH3-CC-CH2-CH=CH-CH=CH-CH2-CH3

5,7-decadien-2-ino

Si se empieza a numerar por la izquierda,

las insaturaciones están en 2,5,7, si por la

derecha, en 3,5,8. La primera posición es la

que debe emplearse.

El problema se plantea cuando, tanto si se empieza a numerar por la izquierda

como por la derecha, los localizadores de las insaturaciones coinciden. En este caso se

da preferencia a los dobles enlaces sobre los triples, en el sentido de que se asigna a

los dobles enlaces los localizadores más bajos.

CH2=CH-CCH 1-buten-3-ino (no 3-buten-1-ino)

8-etil-1,3,8-nonatrien-6-ino

(no 2-etil-1,6,8-nonatrien-3-ino)

4,9,9-trimetil-3-deceno-5,7-diino

(no 2,27-trimetil-7-deceno-3,5-

diino)

RADICALES ALQUENILO Y ALQUINILO

Consideremos el siguiente compuesto:

Junto a dos sustituyentes o radicales alquilo, hay un grupo (-CH=CH-CH3) que

desempeña una función análoga pero que contiene una insaturación. Los grupos o



38

radicales univalentes de este tipo adoptan las terminaciones -enilo o -inilo (en o in por

el doble o triple enlace, ilo por tratarse de un radical).

Obsérvese el nombre de los siguientes radicales:

CH2=CH- vinilo (etenilo) CHC- etinilo

CH3CH=CH- 1-propenilo CH3-CC- 1-propinilo

CH2=CH-CH2- alilo (2-propenilo) CHC-CH2- 2-propinilo

HIDROCARBUROS ALICÍCLICOS O CÍCLICOS:

Los hidrocarburos cíclicos se nombran añadiendo el prefijo ciclo- al nombre del

alcano equivalente de cadena abierta.

ciclopropano C3H6

ciclobutano C4H8

ciclopentano C5H10

ciclohexano C6H12

Por ejemplo:

A B C

Resulta más sencillo nombrarlo como derivados de un cicloalcano que no como

derivados de un compuesto de cadena abierta:

A) 1-butil-1-terc-butil-4,4-dimetilciclohexano

B) 1,1,2-trimetilciclopentano

C) 1-etil-1,2,2-trimetilciclopropano



39

En cambio, los compuestos siguientes:

1,4-diciclohexil-2-metilbutano 3-ciclopentil-2-ciclopropil-6-metilheptano

Es mejor nombrarlos como derivados de un alcano de cadena abierta.

Los anillos son estructuras que generan planos, por lo tanto dan lugar a la

formación de isómeros espaciales (cis - tras), así por ejemplo, el 1,2-

dimetilciclopentano existen dos compuestos diferentes:

Hay que indicar la diferencia existente entre uno y otro. El de la izquierda tiene

los dos grupos metilos por encima del plano del anillo; el de la derecha, un metilo por

encima y otro por debajo (se acostumbra en señalar con trozo grueso los grupos que

están por encima del plano teórico del ciclo, y en líneas de puntos o rayas los que están

por debajo). Al primer isómero se le añade el prefijo cis, y al segundo el prefijo trans.

Así, los compuestos se llaman, respectivamente:

cis-1,2-dimetilciclopentano

trans-1,2-dimetilciclopentano

Algunos compuestos cíclicos particulares:

1,1’-biciclopropano (biciclopropano)

1,1’-biciclohexano (biciclohexano)

1,2’-dimetil-1,1’-biciclopropano

(1,2’-dimetilbiciclopropano)

HIDROCARBUROS CÍCLICOS CON CARBONOS PUENTES:

Los siguientes alcanos son ejemplos de hidrocarburos con carbonos puente:



40

El primero es un pentano (tiene 5 átomos de carbono), el segundo un heptano

(tiene 7 átomos de carbono) y el tercero un octano (tiene 8 átomos de carbono). Para

nombrar estos hidrocarburos se añade el prefijo biciclo antes del nombre del alcano, y

se indica entre corchetes el número de átomos de carbono de mayor a menor que hay

ente los cabeza de puente.

biciclo2,1,0pentano

biciclo2,2,1heptano

biciclo2,2,2octano

La forma de representarlos comúnmente es:

Así por ejemplo:

biciclo3,2,1octano biciclo4,3,0nonano biciclo3,3,1nonano

En los sistemas biciclos con sustituyentes o grupos funcionales hay que indicar

la posición de éstos. Para numerar el sistema se empieza por una cabeza de puente y se

continúa por la cadena más larga hacia el otro carbono cabeza de puente, se vuelve

luego por la cadena intermedia y se acaba numerando la más corta. Ejemplo:

cadena larga: 2,3,4

cadena intermedia: 6,7

cadena corta: 8

De acuerdo con lo anterior, los nombres sistemáticos de los compuestos son los

siguientes:



41

1,8,8-trimetilbiciclo3,2,1octano

5-etil-2,2-dimetilbiciclo2,2,2octano

2,2,6,6-tetrametilbiciclo3,1,1heptano

Obsérvese que, como siempre, se procura que los localizadores, dentro de las

limitaciones impuestas por la regla anterior, sean lo más pequeños posible.

ESPÍRANOS:

Existen unos compuestos bicíclicos en los que un único átomo de carbono forma

parte al mismo tiempo de los dos ciclos. Estos compuestos se conocen con el nombre de

hidrocarburos espiránicos. Para nombrarlos se indica el número de átomos de carbono a

uno y otro lado del carbono espiránico se indican entre corchetes, de menor a mayor.

Ejemplos:

espiro3,4octano espiro2,5octano

Los compuestos cíclicos simples pueden presentar dobles enlaces al interior de

la molécula, en tal caso se nombran con la terminación -eno, y la numeración en tal caso

la manda el doble enlace, en el caso de haber más de uno entonces se nombran con la

terminación -dieno (2 dobles enlaces); -trieno (3 dobles enlaces); etc. En todo caso

tratando de darle los valores más bajos a los localizadores. Analicemos los siguientes

ejemplos:

3-metilciclohexeno

(no es necesario indicar la posición 1 del doble enlace)

5-etil-2-metil-1,3-ciclohexadieno

5-etil-1,7-dimetil-1,3,6-cicloctatrieno

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS:



42

El benceno es un hidrocarburo peculiar ya que, a pesar de que parece un polieno,

su reactividad es menor que la de los alquenos. Se cree que la particular disposición de

los dobles enlaces alternados o conjugados unos con otros y en un ciclo, es la causa de

esta estabilidad inesperada del benceno y de sus derivados.

Benceno (C6H6)

Como muchos de los primitivos derivados del benceno aislados de las plantas

tenían fuerte aroma, se utilizaba la expresión “hidrocarburos aromáticos” para

distinguirlos. Cuando los químicos se dieron cuenta de lo que definía mejor a los

derivados y análogos del benceno era esa estabilidad de la que estamos hablando, se

siguió empleando el término aromaticidad, pero en un doble sentido. Hoy en día, sin

embargo, cuando en Química se dice “un compuesto es aromático”, uno se está

refiriendo a que ese compuesto es más estable de lo esperado, y la expresión no tiene

nada que ver con su buen o mal olor.

Nomenclatura:

Los sustituyentes que pueda haber sobre un anillo bencénico se mencionan

como radicales anteponiéndolos a la palabra benceno.

etilbenceno sec-butilbenceno vinilbenceno

Cuando hay dos sustituyentes, su posición relativa puede indicarse mediante los

números localizadores 1,2-; 1,3- o 1,4-, o mediante los prefijos o- (orto), m- (meta),

o p- (para):

1-etil-2-metilbenceno

o-etilmetilbenceno

1-etil-3-propilbenceno

m-etilpropilbenceno

1,4-dimetilbenceno

p-dimetilbenceno

Si hay tres o más sustituyentes, se procura que reciban los números más bajos

posibles, y en caso de que existan varias opciones la decisión se basará, como norma

general, en el orden de preferencia de los distintos radicales.



43

2-etil-1-metil-4-propilbenceno 5-alil-1-isopropil-2,3-dimetilbenceno

1-etil-3-(2-metil-3-butenil)benceno 1-terc-butil-4-(1-butinil)-2-etilbenceno

1-butil-5-ciclopentil-2-etil-4-(1-propenil)benceno



44

GRUPOS FUNCIONALES

(NOMENCLATURA)

RESUMEN DE LAS PRICIPALES FUNCIONES ORGÁNICAS

Función Grupo Ejemplo Terminación Sustituyente

Alcanos -C-C- CH3-CH3

propano

-ano ....il

Alquenos -C=C- CH2=CH2

propeno

-eno ....enil

Alquinos -CC- CHCH

propino

-ino ....inil

Hidrocarburos

aromáticos benceno

nombre no

sistemático

nombre no

sistemático

acabados en ...il

Derivados

halogenados

R-X CH3CH2CH2Cl

1-cloropropano (cloruro de propilo)

haluro de ...ilo fluoro-

cloro-

bromo-

iodo-

Alcoholes R-OH CH3CH2-OH

etanol

....ol hidroxi-

Fenoles -OH

fenol

nombre no

sistemático

acabados en -

ol

-

Éteres R-O-R CH3-O-CH3

dimetileter

éter ....iloxi- (alcoxi)

Aldehídos R-CHO CH3CH2CHO

propanal

-al formil (-CHO)

Cetonas R-CO-R CH3COCH3

propanona

-ona ....oxo

Ácidos R-COOH CH3CH2COOH -oico carboxi-



45

carboxílicos ácido propanoico

Ésteres R-COOR CH3COOCH3

etanoato de metilo

-ato de ....ilo ......iloxicarbonil (-

COOR)

....oiloxi (-OCOR)

Anhídridos R-CO-O-CO-

R

(CH3CO)2O

anhídrido etanoico

anh......oico -

Haluros de

ácido

R-COX CH3COCl cloruro de etanoilo

haluro

de ...oílo

haloformil

(-COX)

Aminas R-NR2 CH3CH2NH2

etanoamina

-amina amino-

Nitrilos o

cianuros

R-CN CH3CH2CN

propanonitrilo

ó

cianuro de etilo

-nitrilo ciano-

Amidas R-CO-NR2 CH3CONH2

etanoamida

-amida amido

DERIVADOS HALOGENADOS:

Se incluye en este apartado todos aquellos hidrocarburos que contienen en su

molécula un átomo de halógeno.

El método que se utiliza con mayor frecuencia para nombrarlos consiste en citar

el nombre del halógeno (fluoro, cloro, bromo, yodo) precediendo al de la molécula

carbonada, he indicando el número localizador. También es aceptable citar el

compuesto como un “haluro de alquilo” (Nomenclatura Función-Radical). Así:

CH3-CH2-CH2-Cl 1-cloropropano

cloruro de propilo

CH3-CHCl-CHCl-CH3 2,3-diclorobutano

-

(CH3)3C-Cl 2-cloro-2-metilpropano

cloruro de terc-butilo

o-diclorobenceno

CH2Br-CH2Br 1,2-dibromoetano

dibromuro de etileno

CH3-CH=CH-CHCl-CH3 4-cloro-2-penteno



46

ALCOHOLES, FENOLES y ÉTERES:

Son compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno en los que el oxígeno está

unido por enlaces sencillos a la cadena carbonada.

Un alcohol puede relacionarse con una molécula de agua en la que en lugar de

un H hay un radical alquilo, alquenilo o alquinilo (R); si en lugar de un H hay un

radical fenilo (en general, un radical arilo), se trata de un fenol; si en lugar de los dos H

hay dos radicales, tendremos un éter:

H-O-H Agua

R-O-H Alcohol

Ar-O-H Fenol

R-O-R’

R-O-Ar éter

Ar-O-Ar’

ALCOHOLES:

Para nombrar los alcoholes tenemos dos alternativas principales. En la primera,

llamada Nomenclatura sustitutiva, se considera que se ha sustituido un H de un

hidrocarburo por un OH. Al alcohol se le nombra entonces añadiendo la terminación -

ol al hidrocarburo de referencia.

CH3-CH2-CH3 propano ; CH3-CH2-CH2-OH propanol

El segundo sistema de nomenclatura, igualmente válido, consiste en citar

primero la función y luego el radical como si fuera un adjetivo.

CH3-CH2-CH2- radical propilo ; CH3-CH2-CH2-OH alcohol propílico

Ejemplos:

CH3OH metanol alcohol metílico

CH3-CH2OH etanol alcohol etílico

CH3CH2-CH3 1-propanol alcohol propílico

CH3CHOH-CH3 2-propanol alcohol isopropílico

CH3-CH2-CH2-CH2-OH 1-butanol alcohol butílico

CH3CH2CH(OH)CH3 2-butanol alcohol sec-butílico

Hay casos en que, por la complicación del compuesto, el primer sistema de

nomenclatura resulta más idóneo, por lo que es el único empleado. Veamos los

siguientes ejemplos:

CH3-CH2-CH=CH-CH2CH2-OH 3-hexen-1-ol

CH3-CH=CH-CH2-CH(OH)-CH3 4-hexen-2-ol



47

3-hexen-5-in-1-ol

4-metil-2,4-hexadien-1-ol

4-metilciclohexanol

3-ciclopenten-1-ol

1,3-propanodiol

1,2-propanodiol

Habrá observado que la función alcohol tiene “preferencia” frente a las

insaturaciones y radicales: al numerar la cadena se asigna al carbono unido al -OH el

número más bajo posible; por otro lado, el sufijo -ol, por corresponder al grupo

principal, es el último en citarse.

Cuando en un compuesto hay varios tipos de funciones, se plantea el problema

de elegir cuál es la principal. La IUPAC, lo ha solucionado estableciendo una lista de

las diversas funciones, ordenadas según un criterio convencional de preferencia (ver

TABLA 4.2 de las preferencias).

Comentemos algunos ejemplos:

CH3-CH2-CH2-CHOH-CH2-COOH ; ácido 3-hidroxihexanoico

CH3-CH2CHOH-CHO ; 2-hidroxibutanal

En resumen:

Cuando el grupo -OH actúa como función principal sufijo -ol

Cuando el grupo -OH interviene como sustituyente prefijo hidroxi

FENOLES:

Para nombrar los fenoles se utiliza generalmente, como en los alcoholes, la

terminación -ol. En la mayoría de los casos esta terminación se añade al nombre del

hidrocarburo aromático:



48

fenol

resorcinol

hidroquinona

p-cresol

2-naftol

ÉTERES:

Hay dos sistemas fundamentales para nombrar los éteres. Ambos se especifican

a continuación:

Nomenclatura Sustitutiva Nomenclatura Radicofuncional Ejemplo

metoxietano

etil metil éter

CH3-O-CH2CH3

etoxietileno

etil vinil éter

CH2=CH-O-CH2CH3

metoxibenceno

fenil metil éter

C6H5-O-CH3

Los éteres cíclicos se nombran como oxaciclo............, ejemplos:

oxaciclopropano oxaciclobutano oxaciclopentano oxaciclohexano

ALDEHÍDOS y CETONAS:

Aldehído y cetonas se caracterizan por tener un doble enlace carbono-oxígeno

(grupo carbonilo) en su estructura. La diferencia entre aldehído y cetonas reside en que

en los primeros ese grupo carbonilo se encuentra en el extremo de la cadena carbonada:

Fórmula general de los aldehídos R-CHO

Fórmula general de las cetonas R-CO-R’

ALDEHÍDOS:

Para nombrarlos se emplea la terminación -al. en los ejemplos siguientes se

indica, junto al nombre sistemático, el nombre trivial aceptado en algunos aldehídos.

metanal

formaldehído

etanal

acetaldehído



49

propanal propionaldehído

butanal butiraldehído

propenal acrilaldehído (acroleína)

3-fenilpropenal

cinamaldehído

2,3-dihidroxipropanal

gliceraldehído

4-pentanal

2-metil-3,5-hexadienal

3-octen-6-inal

Obsérvese que en todos los ejemplos anteriores se empieza a numerar por el

extremo en que se encuentra el carbonilo ya que el grupo -CHO tiene preferencia sobre

radicales dobles y triples enlaces, y grupos -OH. Sólo cuando en los dos extremos de la

cadena hay grupos aldehído se tienen en cuenta los otros grupos para decidir por dónde

se empieza a numerar.

Cuando en un compuesto hay otras funciones que tienen prioridad sobre la

función aldehído para ser citadas como grupo principal se utiliza el prefijo formil- para

designar al grupo -CHO, al que se le considera entonces como un sustituyente. Por

ejemplo:

ácido 3-formilpentanodioico

El prefijo formil- también se emplea cuando hay tres o más funciones aldehído

sobre el mismo compuesto. En esos casos se puede asimismo utilizar otro sistema de

nomenclatura que consiste en dar el nombre de carbaldehído a los grupos -CHO (los

carbonos de esos -CHO no se numeran; se consideran que no forman parte de la cadena

principal). Este último sistema es el idóneo para compuestos con -CHO unidos

directamente a ciclos. Veamos unos cuantos ejemplos:

3-formilpentanodial o

1,2,3-propanotricarbaldehído

3,6-diformiloctanodial



50

ciclopentanocarbaldehído

2,3-naftalenodicarbaldehído

benzaldehído (bencenocarbaldehído)

CETONAS:

Para nombrar las cetonas, o compuestos carbonílicos no terminales, puede

utilizarse la nomenclatura sustitutiva o la radicofuncional, tal como veremos en los

siguientes ejemplos:

Ejemplo Nom. sustitutiva Nom. radicofuncional

propanona

dimetil cetona (acetona)

butanona

etil metil cetona

2-pentanona

metil propil cetona

3-pentanona

dietil cetona

3-buten-2-ona

metil vinil cetona

5-heptin-3-ona

2-butinil etil cetona

ciclohexanona

2-ciclopentenona

ciclohexil ciclopentil

cetona



51

difenil cetona

2,4-pentanodiona

1,3-ciclohexanodiona

Se observa claramente en los ejemplos que la numeración la manda el grupo

carbonilo sobre radicales, dobles y triples enlaces, como así mismo sobre el grupo -OH,

en cambio frente a los aldehídos no tienen prioridad, se han de considerar como

sustituyentes, en tal caso se utiliza prefijo oxo-.

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Y DERIVADOS:

Los grupos funcionales que trataremos en este apartado son los ácidos

carboxílicos, los ésteres, los anhídridos de ácido y los haluros de ácido.

ácidos carboxílicos: RCOOH o RCO2H

ésteres: RCOOR’ o RCO2R’

anhídridos: RCO-O-COR o (RCO)2O

haluros de ácido: RCOX

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS:

Los ácidos carboxílicos se nombran con la terminación -oico que se une al

nombre del hidrocarburo de referencia. Así:

CH3-CH2-CH3 propano CH3-CH2-COOH ácido propanoico

También puede utilizarse otro sistema, aunque su aplicación se limita

preferentemente a poliácidos y ciclos, que consiste en suponer desglosada la molécula

en un grupo -COOH (grupo carboxilo) y un resto carbonado. Así:

CH3-CH3 etano CH3-CH2-COOH ácido etanocarboxílico

Otros ejemplos de ácidos carboxílicos:

Ejemplo Nombre sistemático Nombre trivial

H-COOH

ác. metanoico

ác. fórmico

CH3-COOH

ác. etanoico

ác. acético

CH3-CH2-COOH

ác. propanoico

ác. propiónico



52

CH2=CH-COOH

ác. propenoico

ác. acrílico

CHC-COOH

ác. propinoico

ác. propiólico

CH3-CH=CH-COOH

ác. 2-butenoico

ác. crotónico

CH3-CH=CH-CH2-CH2-COOH

ác. 4-hexenoico

CH3-CC-CH2-CH2-COOH

ác. 4-hexinoico

Veamos a continuación unos cuantos ejemplos de compuestos con dos grupos COOH:

Ejemplo nombre sistemático nombre trivial aceptado

HOOC-COOH

ác. etanodioico ác. oxálico

HOOC-CH2-COOH ác. propanodioico ác. malónico

HOOC-(CH2)2-COOH ác. butanodioico ác. succínico

HOOC-(CH2)3-COOH ác. pentanodioico ác. glutárico

ác.cis-2-butenodioico

o cis-etenodicarboxílico

ác. maleico

ác. trans-2-butenodioico

o trans-etenodicarboxílico

ác. fumárico

ác. o-bencenodicarboxílico

ác- ftálico

Veamos un ejemplo de una molécula que contiene tres o más grupos COOH, existen

dos formas de nombrarla:

ác. 3-carboxi-2-metilhexanodioico ác. 1,3,4-pentanotricarboxílico

SALES:

Los aniones de los ácidos carboxílicos se nombran reemplazando la

terminación -ico del ácido por la terminación -ato.

Ejemplos:

ácido anión sal

CH3-COOH (AcOH)

ác. acético

CH3-COO- (AcO

-)

ión acetato

CH3-COONa (AcONa)

acetato de sodio



53

(CH3)3CH-CH2-COOH

ác. 3-metilbutanoico

(CH3)3CH-CH2-COO-

ión 3-metilbutanoico

(CH3)3CH-CH2-COONa

3-metilbutanoato de potasio

ác. 1,3-ciclohexano-

dicarboxílico

ión 1,3-ciclohexano-

dicarboxilato

1,3-ciclohexano-

dicarboxilato de diamonilo

También se puede emplear, preferentemente en los casos complejos, el giro “sal

de sodio, o de calcio, etc...del ácido tal”.

ÉSTERES:

Los ésteres se nombran de forma análoga a las sales ya que hay cierta semejanza

entre ellos: en la sal, un átomo metálica reemplaza al H del ácido; en el éster, es una

cadena carbonada la que reemplaza al H. La diferencia entre una sal y un éster reside en

que el enlace -ONa es predominantemente iónico, y el enlace -O-CH3 es

predominantemente covalente.

ácido carboxílico

sal de ácido carboxílico

éster

Ejemplos de ésteres:

HCOOCH3 metanoato de metilo

o formiato de metilo

CH3-COO-CH2CH3 etanoato de etilo

o acetato de etilo

3-cloropentanoato de de fenilo

3-butenoato de isopropilo



54

propanoato de fenilo

Hay casos más complicados. Por ejemplo, aquellos compuestos en los que el

grupo éster no es el prioritario, o cuando hay más de dos grupos éster (si hay solo dos

grupos éster y están sobre la cadena principal no hay ningún problema: se nombra el

compuesto como si se tratara de una sal de un ácido dibásico). Para citar al grupo éster

en los casos complejos caben dos opciones, según que la función principal esté sobre la

porción R ó R’ de la molécula de R-COO-R’. Si “manda” R, el sustituyente -COO-R’ se

nombra como alcoxicarbonil- o ariloxicarbonil- . Si “manda” R’, el sustituyente R-

COO- se nombra como aciloxi- .

Ejemplos:

El grupo principal, de acuerdo con la Tabla de prioridades, es el -

COOH. Se trata, pues, de un ácido el 4-fenilbutanoico, que tiene un

sustituyente -COO-CH2CH3 sobre el fenilo. Dicho sustituyente se

nombra como etoxicarbonil (CO = carbonil; OCH2CH3 = etoxi).

Por lo que el nombre correcto será:

ácido 4-(2-etoxicarbonil)fenil)butanoico

Nos queda por ver un caso particular de esteres, las lactonas; las cuales son

ésteres internos. Se pueden obtener a partir de ciertos hidroxiácidos por pérdida de agua:

-metil--lactona

-lactona

ANHÍDRIDOS DE ÁCIDO:

Anhídrido de ácido equivale a decir “ácido sin agua”. Los anhídridos, en efecto,

provienen de los ácidos por pérdida de una molécula de agua entre 2 grupos carboxilo.

En general, se nombran igual que los ácidos de procedencia:



55

2 moléculas de anhídrido etanoico

ác. acético (anhídrido acético)

2 moléculas de anhídrido propanoico

ác. propanoico

anhídrido mixto anhídrido etanoico propanoico

HALUROS DE ÁCIDO:

En los haluros de ácido un halógeno está reemplazando al -OH de ácido

carboxilico. El nombre genérico de estos compuestos es haluro de acilo. Ejemplos:

Cloruro de etanoilo (cloruro de acilo)

Fluoruro de butanoilo

Bromuro de benzoilo

Yoduro de ciclohexanocarboxioilo

COMPUESTOS NITROGENADOS:

En este apartado sólo veremos detalles de algunos de los compuestos

nitrogenados más usuales, tales como aminas, nitrilos, nitroderivados y amidas.

AMINAS Y SALES DE AMONIO:

Las aminas y sus correspondientes sales derivan del amoniaco:

amoniaco

cloruro de amonio



56

metilamina

cloruro de metilamonio

dimetilamina

clroruro de dimetilamonio

trimetilamina

cloruro de trimetilamonio

Aminas primarias Aminas secundarias Aminas terciarias

fenilamina o anilina

difenilamina

trifenilamina

propilamina

(propanoamina)

N-metilpropilamina

(N-metilpropanoamina)

N-etil-N-metilpropilamina

(N-etil-N-metilpropanoamina)

1,3-propanodiamina

N,N’-dimetilpropanodiamina

N,N-dietil-N’,N’-dimetil-1,3-

propanodiamina

En los casos en que hay varios grupos amina, la forma de nombrar el compuesto

depende de si los átomos de nitrógeno forman parte o no de la cadena principal. Si el

nitrógeno no forma parte de la cadena principal se citan médiente prefijos tales como

amino-, metilamino-, aminometil-, etc.

1,3,5-pentanotriamina

3-aminometil-4-metilamino-1,7-heptanodiamina

Los mismos criterios de nomenclatura que acabamos de ver se utilizan cuando

en el compuesto hay otro grupo que tiene preferencia sobre el grupo amina. Por ejemplo:

ácido 2-aminopropanoico

ácido 2-amino-3-metilbutanoico



57

ácido o-aminobenzoico

NITRILOS O CIANUROS:

Son compuestos orgánicos análogos al H-CN (cianuro de hidrógeno o ácido

cianhídrico) se les da el nombre genérico de nitrilos o cianuros. Hay varios sistemas de

nomenclatura para esos compuestos, los más comunes son: A) Añadir el sufijo -nitrilo

al nombre del hidrocarburo de igual número de carbonos; B) Considerarlo como un

dericado del HCN (cianuro de ......). Por ejemplo:

etanonitrilo cianuro de metilo

propanonitrilo cianuro de etilo

4-metilpentanonitrilo

cianuro de isopentilo

benzonitrilo

cianuro de fenilo

Otro sistema de nomenclatura, idónea para casos como los que se indican a

continuación, consiste en emplear el sufijo -carbonitrilo para designar el grupo -CN.

ciclohexanocarbonitrilo

(cianuro de ciclohexilo)

1,1,2,4-butanotetracarbonitrilo

Cuando hay otras funciones que tienen prioridad sobre el grupo -CN se cita éste

mediante el prefijo ciano-.

NITRODERIVADOS:

Los compuestos que contienen u grupo -NO2 se designan mediante el prefijo

nitro- (nunca se considera a dicha función como grupo principal; en otras palabras,

siempre se le nombra como derivado).

Ejemplos de nitroderivados:

nitrometano



58

nitropropano

nitrobenceno

1,3-dinitrobenceno

AMIDAS:

Las amidas son una clase de compuestos que podemos considerar que proceden

de sustituir el -OH de un ácido por un -NH2 (o NR2, en general):

Se nombran añadiendo el sufijo -amida al nombre del hidrocarburo de igual número de

átomos de carbono. Por ejemplo:

etanoamida (acetoamida)

butanoamida

benzamida

N-metiletanoamida (N-metilacetoamida)

N,N-dimetiletanoamida

(N,N-dimetilacetoamida)

A veces debe utilizarse la expresión -carboxamida para indicar un grupo -

CONH2. Esto sucede en los compuestos cíclicos principalmente.

ciclopentanocarboamida

N,3-dimetilciclohexanocarboamida

Finalmente, si en un compuesto hay otro grupo funcional que tiene prioridad

sobre la función amida, el grupo -CONH2 se le designa mediante el prefijo carbamoil-;

mientras que un grupo como el -NHCOCH3 recibe el nombre de acetamido-.



59

COMPUESTOS ORGÁNICOS CON AZUFRE:

El azufre se encuentra en el mismo grupo de la Tabla Periódica que el oxígeno.

Por ello no es de extrañar que existan compuestos orgánicos con azufre análogos a los

alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, etc. Para nombrar tales compuestos

orgánicos se utiliza el vocablo tio (en griego, azufre), prefijo que también se utiliza en Q.

inorgánica, y cuyo significado práctico viene a ser: “hay un azufre en lugar de un

oxígeno”.

Ejemplo (como grupo principal)

Ejemplo

(como radical)

Tioles

R-SH

CH3-CH2-SH

etanotiol

HS-CH2CH2-COOH

ác. 3-mercaptopropanoico

Sulfuros R1-S-R2 CH3-S-CH3

sulfuro de dimetilo

CH3S-CH2CH2OH

2-(metiltio)etanol

Sales de sulfonio (R)3S+X

- (CH3)3S

+Cl-

cloruro de trimetilsulfonio

Tioaldehídos R-CHS CH3CH2CHS

propanotial

SHS-CH2-

COOCH2CH3

tioformilacetato de

etilo

Tiocetonas R-CS-R CH3-CS-CH2CH3

butanotiona

CH3-CS-CH2-

COOCH3

3-tioxobutanoato de

metilo

TABLA 4.2: ORDEN DE PREFERENCIA PARA LA ELECCION DEL GRUPO

PRINCIPAL

1. Cationes

2. Acidos, en el siguiente orden: R-COOH; R-COOOH, tioácidos.

3. Derivados de ácidos, en el siguiente orden: Anhídridos, Esteres, Haluro de

ácidos, Amidas.

4. Nitrilos, luego isocianuros.

5. Aldehídos, luego tioaldehídos.

6. Cetonas, luego tiocetonas.

7. Alcoholes, en el siguiente orden: fenoles, tioalcoholes, tiofenoles.

8. Hidroperóxidos.

9. Aminas.

10. Eteres, luego tioéters (sulfuros).

11. Peróxidos.

12. Alqueno

13. Alquinos



60

14. Alcanos

15. halógenos

16. nitrocompuestos



61

ALCANOS Y CICLOALCANOS

(ANÁLISIS CONFORMACIONAL)

FUENTE DE LOS ALCANOS: PETRÓLEO

Muchos alcanos existen de manera natural en plantas y animales. Por ejemplo, la

cubierta cerosa de las hojas de la col contiene nonacosanos (n-C29H60), y el aceite de

algunos pinos contiene heptano. La cera de abejas contiene, entre otras cosas,

eneitriacontano (n-C31H64).

Las principales fuentes de alcanos son, los depósitos mundiales de gas natural y

petróleo, derivados de la descomposición de materia orgánica marina sepultada hace

años. El gas natural consiste principalmente en metano, aunque también contiene etano,

propano, butano e isobutano. Estos hidrocarburos simples se usan en grandes cantidades

para calentar casas habitación, para cocinar alimentos y como combustible en las

industrias. El petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos, la cual es necesario

refinar para obtener diferentes fracciones antes de que pueda usarse.

Productos de la refinación del petróleo

PROPIEDADES DE LOS ALCANOS:



62

Los alcanos también se llaman a veces parafinas, un nombre derivado del latín

parumaffinis (que significa “de poca afinidad”). este término define muy bien su

comportamiento, ya que los alcanos tienen poca afinidad química hacia otras moléculas,

y son químicamente inertes frente a la mayoría de los reactivos de uso común en

química orgánica. Sin embargo, en condiciones apropiadas loa alcanos reaccionan con

oxígeno, cloro y algunas otras sustancias.

Los alcanos presentan un incremento regular en el punto de ebullición como en

el de fusión conforme aumenta el peso molecular, una regularidad que también se

refleja en otras propiedades. Los parámetros promedio del enlace carbono-carbono son

casi los mismos en todos los alcanos, con longitudes de enlace de 1.54 0.01 Aº y

energías de enlace de 85 3 Kcal/mol. En la Tabla 5.1 puede observarse las

propiedades físicas de algunos alcanos:

TABLA 5.1.-

Propiedades físicas de algunos alcanos

Número de

carbonos

Alcano Punto de fusión

(ºC)

Punto de ebullición

(ºC)

Densidad

(g/mL)

1 Metano -182.5 -164.0 0.5547

2 Etano -183.3 -88.6 0.509 3 Propano -189.7 -42.1 0.5005

4 Butano -138.3 -0.5 0.5788

5 Pentano -129.7 36.1 0.6262 6 Hexano -95.0 68.9 0.6603

7 Heptano -90.6 98.4 0.6837 8 Octano -56.8 125.7 0.7025

9 Nonano -51.0 150.8 0.7176

10 Decano -29.7 174.1 0.7300 20 Eicosano -36.8 343.0 0.7886

30 Triacontano -65.8 450.0 0.8097 4 Isobutano -159.4 -11.7 0.579

5 Isopentano -159.9 27.85 0.6201 5 Neopentano -16.5 9.5 0.6135

8 Isooctano -107.4 99.3 0.6919

La Tabla 5.1 revela asimismo que un incremento en la ramificación tiene el

efecto de reducir el punto de ebullición de un alcano. Así, el pentano hierve a 36.1 ºC, el

isopentano (2-metilbutano) tiene una ramificación y hierve a 27.85 ºC, y el neopentano

(2,2-dimetilpropano) tiene dos ramificaciones y hierve a 9.5 ºC. De modo similar, el

octano hierve a 125.7 ºC, mientras que el iso-octano (2,2,4-trimetilpentano) hierve a

99.3 ºC. Este efecto puede comprenderse si se observa lo que ocurre durante la

ebullición.

Las moléculas no polares, como las de los alcanos, se atraen débilmente entre sí

por efecto de fuerzas intermoleculares de van der Waals. Estas fuerzas, que actúan

sólo a distancias muy cortas, resultan de la polarización inducida de las nubes

electrónicas en las moléculas. Aunque la distribución electrónica en una molécula es

uniforme en promedio durante un periodo, la distribución en un instante dado cualquiera

no es uniforme. Un lado de la molécula puede por casualidad, tener un ligero exceso de



63

electrones en relación con el lado opuesto. Cuando esto ocurre, la molécula posee un

momento dipolar temporal y puede provocar que otra molécula cercana adopte

temporalmente un dipolo opuesto, lo cual como resultado induce una ligera atracción

entre las dos moléculas.

Como podría esperarse, las fuerzas de van der Waals aumentan con el tamaño de

la molécula. si bien participan otros factores, al menos parte del incremento en el punto

de ebullición observado al aumentar el número de carbonos en la serie de los alcanos se

debe al incremento en las fuerzas de van der Waals.

El efecto de la ramificación en los puntos de ebullición también puede explicarse

recurriendo a las fuerzas de van der Waals. Los alcanos ramificados tienen una forma

más esférica que los alcanos de cadena lineal; como resultado, tienen menor área

superficial, menos fuerzas de van der Waals, y consecuentemente puntos de ebullición

más bajos.

ISÓMEROS CONSTITUCIONALES DE LOS ALCANOS:

Hay dos maneras que puedan formarse moléculas con la fórmula C4H10: los

cuatro carbonos pueden combinarse en una sola fila (butano), o esa fila puede

ramificarse (isobutano), tal como se indica a continuación:

butano

isobutano

Compuestos como el butano, cuyos carbonos están dispuestos en una sola fila,

se denominan alcanos de cadena lineal, o alcanos normales, mientras que los

compuestos cuya cadena se ramifica, como el 2-metilpropano (isobutano), reciben el

nombre de alcanos de cadena ramificada. Compuestos como las dos moléculas de

C4H10, que tienen la misma fórmula pero difieren estructuralmente, se denominan

isómeros, del griego isos + meros (“hechos de las mismas partes”).

Los isómeros son compuestos que tienen la misma cantidad de átomos de la

misma especie pero que difieren en la forma en que están dispuestos esos átomos.

Compuestos como el butano y el isobutano, cuyos átomos están conectados de manera

distinta, se llaman isómeros constitucionales (o de constitución).



64

La isomería constitucional no se limita a los alcanos; se presenta en toda la

química orgánica. Los isómeros de constitución pueden variar en los esqueletos de

carbono (como isobutano y butano), en los grupos funcionales (como alcohol etílico y

éter dimétílico) o en la ubicación de un grupo funcional en la cadena (como

isopropilamina y propilamina). Sin importar la causa de la isomería, los isómeros

constitucionales siempre tienen la misma fórmula pero distinto orden de enlace de los

átomos:

Diferente esqueleto de carbono

C4H10

butano

isobutano

Diferente grupos funcionales

C2H6O

alcohol etílico

éter dimetílico

Diferente posición de los grupos funcionales

C3H9N

isopropilamina

propilamina

CICLANOS:

Si bien hasta aquí sólo se han considerado alcanos de cadena abierta, desde hace

más de 100 años se sabe que también existen compuestos con anillos de átomos de

carbono. Tales compuestos se denominan cicloalcanos o compuestos alicíclicos. Puesto

que los cicloalcanos consisten en anillos de unidades de -CH2-, tienen la fórmula

general (CH2)n o CnH2n, y se representan como polígonos es las estructuras de esqueleto:

ciclopropano ciclobutano ciclopentano ciclohexano cicloheptano

ISOMERÍA CIS - TRANS EN LOS CICLOALCANOS:

En contraste con la libre rotación posible alrededor de los enlaces sencillos en

los alcanos de cadena abierta, en los cicloalcanos existe mucho menor libertad, porque

están geométricamente restringidos. Por ejemplo, el ciclopropano está geométricamente

restringido a ser una molécula planar con estructura rígida, debido a que tres puntos

definen un plano. No es posible rotación alrededor de un enlace carbono-carbono en el

ciclo propano sin romper el anillo.



65

Los cicloalcanos superiores tienen cada vez mayor libertad, adquiriendo

movimiento y por ende generando diferentes confórmeros, además de isómeros.

La consecuencia más importante de su estructura cíclica es que los cicloalcanos

tienen dos caras o lados, “arriba” y “abajo”, lo cual abre la posibilidad de la isomería

en los cicloalcanos sustituidos. Por ejemplo, existen dos isómeros 1,2-

dimetilciclopropano distintos, uno con los dos metilos del mismo lado del anillo y otro

con un metilo de cada lado. Ambos isómeros son compuestos estables, y no es posible

interconvertirlos sin romper y volver a formar enlaces químicos. Los 1,2-

dimetilciclopropanos son una clase especial de estereoisómeros llamados isómeros cis -

trans. Para distinguirlos se usan los prefijos cis- y trans-; la isomería cis - trans es

común a todos los anillos sustituidos.

Ejemplos:

cis-1,2-dimetilciclopropano trans-1,2-dimetilciclopropano

cis-1,3-dimetilciclobutano trans-1,3-dimetilciclobutano

cis-1-bromo-3-metilciclopentano trans-1-bromo-3-metilcilopentano

ESTEREOQUÍMICA DE ALCANOS Y CICLOALCANOS

La estereoquímica es la rama de la química relacionada con los aspectos

tridimensionales de las moléculas. En este punto pondremos especial atención en el

aspecto espacial de las moléculas dado que estas no son planas sino que tienen y ocupan

un volumen en el espacio.

CONFORMACIONES DE LOS ALCANOS:



66

Las diferentes configuraciones de los átomos debidas a la rotación alrededor de

un enlace sencillo se denominan conformaciones, y una conformación específica recibe

el nombre de confórmero (isómero conformacional). Sin embargo, a diferencia de los

isómeros constitucionales, los distintos confórmeros no suelen poder aislarse debido a

que se interconvierten con rapidez.

Los químicos representan los isómeros conformacionales de dos maneras, como

se muestra en la figura para el etano. En las representaciones de caballete, el enlace

carbono-carbono se dispone en un ángulo oblicuo y la orientación espacial se indica

representando todos los enlaces C-H. En las proyecciones de Newman[1]

, el enlace

carbono-carbono se representa de frente y los dos átomos de carbono se indican con un

círculo, y los enlaces del carbono de atrás se indican con líneas que salen de la periferia

del círculo. Las ventajas de las proyecciones de Newman son que resultan fáciles de

trazar y permiten visualizar sin dificultad las relaciones entre sustituyentes en los

distintos átomos de carbono.

La rápida rotación alrededor del enlace carbono-carbono interconvierte

las distintas formas.



67

A pesar de lo dicho acerca de la simetría del enlace sigma (), en realidad no se

observa una rotación perfectamente libre en el etano. En experimentos se ha demostrado

que existe una ligera barrera (2.9 kcal/mol; 12 kJ/mol) a la rotación, y que algunas

conformaciones son más estables (tienen menos energía) que otras. La conformación

más estable (de más baja energía) es aquélla en la cual los seis enlaces carbono-

hidrógeno están lo más alejados posible entre sí (alternados). La conformación menos

estable (de más alta energía) es aquélla en la cual los seis enlaces carbono-hidrógeno

están lo más cercano posible (eclipsados). Entre estas dos conformaciones extremas

existe por supuesto un número infinito de posibilidades.

Gráfica de energía potencial contra rotación del enlace en el etano. Los conformeros

alternados tienen 2.9 kcal/mol menos en energía que los eclipsados.

CONFORMACIONES DEL PROPANO:

El propano es el siguiente en la serie de los alcanos, y en él nuevamente se

encuentra una barrera torsional que se traduce en un ligero impedimento a la rotación

alrededor de los enlaces carbono-carbono. La barrera es ligeramente mayor en el

propano que en etano; 3.4 kcal/mol frente a 2.9 kcal/mol. En el confórmero eclipsado

del propano existen dos interacciones hidrógeno-hidrógeno del tipo de las observadas en

el etano, y una nueva interacción entre un hidrógeno-metilo. Puesto que cada

interacción hidrógeno-hidrógeno en la conformación eclipsada tiene un costo en energía



68

aproximadamente de 1.0 kcal/mol, es posible asignar un valor de 3.4 - (2*1.0kcal/mol)

= 1.4 kcal/mol a la nueva interacción hidrógeno-metilo en el propano.

Proyecciones de Newman del propano en las conformaciones alternadas y eclipsadas.

El confórmero alternado es más bajo en energía por 3.4 kcal/mol .



69

CONFORMACIONES DEL BUTANO:

La situación conformacional resulta más compleja para los alcanos superiores.

Por ejemplo el caso de la rotación del enlace C 2-C3 del butano.

No todas las conformaciones alternadas del butano tienen la misma energía, y no

todas las conformaciones eclipsadas son iguales. El arreglo de más baja energía,

llamado confórmero anti, es aquel en el cual los dos grupos grandes (metilo) están lo

más separados posible; esto es, a 180º. A medida que ocurre la rotación alrededor del

enlace C2-C3, se llega a una conformación eclipsada en la que existen dos interacciones

metilo-hidrógeno y una interacción hidrógeno-hidrógeno. Si se asignan los valores de

energía de las interacciones eclipsadas que se dedujeron para el etano y propano, es

posible predecir que esta conformación eclipsada está sujeta a mayor tensión que la

conformación anti en 2*1.4 kcal/mol (dos interacciones Me-H) más 1.0 kcal/mol (una

interacción H-H), o sea un total de 3.8 kcal/mol. Esto es exactamente lo que se observa.

Cuando la rotación del enlace continúa se alcanza un mínimo de energía en la

conformación alternada en la cual los grupos metilo están separados 60º, esta última,

que se denomina conformación sesgada o gauche (francés, “torcida”), tiene 0.9

Kcal/mol más energía que la conformación anti, pese a que no presenta interacciones

eclipsadas. Esta diferencia de energía se debe al hecho de que los voluminosos grupos

metilo están más cercanos entre sí en la conformación sesgada, lo que da por resultado

una tensión estérica. La tensión estérica es la interacción repulsiva que ocurre cuando

dos grupos son forzados a acercarse más de lo que permiten sus radios atómicos.

Básicamente, es el resultado del intento de forzar dos átomos a ocupar el mismo espacio.

Cuando el ángulo diedro entre los grupos metilo se aproxima a 0º, se alcanza el

máximo de energía. Puesto que los grupos metilo son forzados a permanecer más cerca

entre sí que en la conformación sesgada, se produce una gran tensión, tanto torcional

como estérica. Se ha estimado una energía de tensión total de 4.5 kcal/mol para esta

conformación, lo que permite calcular un valor de 2.5 kcal/mol para lo interacción

eclipsada metilo-metilo.



70

Los mismos principios que se aplicaron para el butano son válidos para el

pentano, el hexano, y todos los alcanos superiores. La conformación más favorecida en

cualquier alcano es aquella en la cual todos los enlaces carbono-carbono tienen arreglo

alternados y en la cual todos los sustituyentes grandes guardan una relación anti entre sí.

Un último punto: “Es importante recordar que cuando se dice que un

confórmero particular es “más estable” que otro, ello no significa que esa molécula

adopte y conserve sólo la conformación más estable. Sin embargo, en un instante dado

un porcentaje mayor de moléculas se encuentran en una conformación más estable que

en una menos estable.

CONFORMACIONES Y ESTABILIDAD DE LOS CICLANOS: (Teoría de la

Tensión de Baeyer)

Los químicos de finales del siglo XIX habían aceptado la idea de la existencia de

moléculas cíclicas, pero los límites de las dimensiones factibles de los anillos eran

inciertos. Se conocían numerosos compuestos con anillos de cinco y seis carbonos, pero

no se habían producido anillos mayores o menores. Por ejemplo, no se conocían

ciclopropanos o ciclobutanos, a pesar de los innumerables esfuerzos p or producirlos.

En 1885, Adolf von Baeyer[2]

propuso una interpretación teórica para esta

observación. Baeyer sugirió que, si los carbonos “prefieren” una configuración

tetraédrica con ángulos de enlace de 109º, podría ser que los anillos con menos de cinco



71

o más de seis carbonos estuvieran sometidos a demasiada tensión para existir. Baeyer

basó su hipótesis en la noción geométrica simple de que un anillo de tres carbonos

(ciclopropano) debe ser un triángulo equilátero con ángulos de enlace de 60º, un anillo

de cuatro carbonos (ciclobutano) debe ser un cuadrado con ángulos de enlace de 90º, un

anillo de cinco miembros (ciclopentano) debe ser un pentágono regular con ángulos de

enlace de 108º. etc.

Si bien algo de razón en las afirmaciones de Baeyer acerca de la tensión angular

en los anillos pequeños, estaba equivocado al pensar que los anillos pequeños y grandes

estaban demasiado tensionados para existir. Ahora se sabe que es posible producir

anillos de todos los tamaños, desde 3 hasta 30 y más carbonos. No obstante, es muy útil

el concepto de tensión angular - la resistencia de un ángulo de enlace al aumento o

disminución del ángulo tetraédrico ideal - .

TABLA 5.2

Calores de combustión de los cicloalcanos

Cicloalcano

(CH2)n

Tamaño

del anillo

Calor de

combustión

(kcal/mol)

Calor de

combustión

por CH2

(kcal/mol)

Energía de

tensión total

(kcal/mol)

Ciclopropano 3 499.8 166.6 27.6

Ciclobutano 4 655.9 164.0 26.4

Ciclopentano 5 793.5 158.7 6.5

Ciclohexano 6 944.5 157.4 0

Cicloheptano 7 1108 158.3 6.3

Ciclooctano 8 1269 158.6 9.6

Ciclononano 9 1429 158.8 12.6

Ciclodecano 10 1586 158.6 12.0

Cicloundecano 11 1981 158.4 11.0

Ciclododecano 12 1981 157.6 2.4

Ciclotridecano 13 2051 157.8 5.2

Ciclotetradecano 14 2204 157.4 0

Alcano (referencia) - - 157.4 0

Los datos de la Tabla 5.2 muestran claramente que la teoría de Baeyer no es

del todo correcta. Ciclopropano y ciclobutano están bastante tensionados, como lo

predijo Baeyer, pero el ciclopentano lo está más de lo predicho, y el ciclohexano está

totalmente libre de tensión. Para anillos de mayor tamaño no existe un incremento



72

regular en la tensión, y los anillos con más de 14 carbonos están nuevamente libres de

tensión. ¿Qué está mal en la teoría de Baeyer ?

Baeyer estaba equivocado por una razón muy simple: Supuso que todos los

anillos eran planos. En realidad, la mayoría de los cicloalcanos no lo son, sino que

adoptan conformaciones tridimensionales plegadas las cuales permiten que los ángulos

de enlace sean tetraédricos. Aun así, el concepto de tensión angular es valioso porque

explica la reactividad de los anillos de tres y cuatro carbonos. En resumen, la teoría de

Baeyer es insuficiente para explicar las energías de tensión observadas y las

configuraciones de los cicloalcanos. Estos adoptan la conformación de energía mínima

por una combinación de tres factores:

1. Tensión angular, debida a aumento o disminución de los ángulos de enlace.

2. Tensión torsional, debida a la presencia de enlaces vecinos eclipsados.

3. Tensión estérica, debida a interacciones repulsivas entre átomos que se acercan

mucho entre sí.

CICLOPROPANO:

Puesto que tres puntos (los tres átomos de carbono) definen un plano, el

ciclopropano debe ser planar y, suponiendo que es una molécula simétrica, debe tener

ángulos de enlace C-C-C de 60º. ¿Cómo puede la teoría del orbital molecular explicar

esta gran distorsión de los enlaces respecto al ángulo tetraédrico normal de 109 º?

La respuesta es que el ciclopropano se describe mejor si se considera que

contiene enlaces curvos. En un alcano no tensionado, la máxima eficacia de enlace se

logra cuando los dos átomos están localizados de modo que sus orbitales superpuestos

apunten directamente uno hacia otro. Sin embargo, en el ciclopropano esto no puede

ocurrir; más bien, deben superponerse en un ángulo pequeño. El resultado de esta

superposición deficiente es que los enlaces del ciclopropano son más débiles y más

reactivos que los enlaces de los alcanos normales.

CICLOBUTANO:

El ciclobutano tiene aproximadamente la misma tensión total (26.4 kcal/mol)

que el ciclopropano (27.6 kcal/mol). Debido a su mayor cantidad de hidrógenos en el

anillo, el ciclobutano tiene mayor tensión torsional que el ciclopropano, si bien tiene

menor tensión angular. Mediciones espectroscópicas indican que el ciclobutano no es

del todo planar, sino que está ligeramente flexionado, de modo que uno de los átomos

de carbono se encuentra 25º arriba del plano formado por los otros tres. El efecto de esta

ligera flexión es un aumento en la tensión angular pero un descenso en la tensión

torsional, hasta que se alcanza un equilibrio de energía mínima entre los dos efectos

opuestos.



73

CICLOPENTANO:

Baeyer predijo que el ciclopentano debería estar casi libre de tensión, pero los

resultados de mediciones de calores de combustión indican que eso no es verdad.

Aunque el ciclopentano prácticamente no tiene tensión angular, los diez átomos de

hidrógeno introducen considerable tensión torsional en la conformación plana, por tanto,

el ciclopentano adopta una conformación plegada fuera del plano, la cual establece un

equilibrio entre aumento en la tensión angular y decremento en la tensión torsional.

Cuatro de los átomos de carbono del ciclopentano están aproximadamente en el mismo

plano, y el quinto está flexionado fuera del plano. La mayoría de los hidrógenos están

aproximadamente alternados con respecto a sus vecinos. (Conformación sobre)



74

CICLOHEXANO:

Los ciclohexanos sustituidos son los más importantes de todos los cicloalcanos,

debido a su amplia distribución en la naturaleza. Un gran número de compuestos,

incluyendo muchos agentes farmacéuticos importantes, contienen anillos de

ciclohexano. Datos experimentales de calores de combustión demuestran que los anillos

de ciclohexano están libres de tensión, tanto angular como torsional. ¿A qué se debe

esto?

La respuesta fue sugerida originalmente por H. Sachse en 1890 y ampliada

después por Ernest Mohr[3]

. Los anillos de ciclohexano no son planos como supusiera

Baeyer, sino que están plegados en una conformación tridimensional que alivia todas las

tensiones. Los ángulos C-C-C del ciclohexano pueden alcanzar el valor tetraédrico libre

de tensión si el anillo adopta la conformación de silla que se muestra a continuación.

Cómo trazar la conformación silla del ciclohexano:

1.- Se trazan dos líneas paralelas, descendentes

hacia la derecha y ligeramente adelantada la inferior

respecto a la superior. Esto significa que cuatro

átomos de carbono del ciclohexano se encuentran en

un mismo plano.

2.- Se localiza el átomo de carbono más alto, arriba

y a la derecha del plano de los otros cuatro, y se

conectan los enlaces.

3.- Se localiza el átomo de carbono más bajo, por

abajo y a la izquierda del plano de los cuatro

carbonos centrales, y se conectan los enlaces.

Obsérvese que los enlaces del átomo de carbono

más alto son paralelos a los enlaces del carbono más

bajo.

Llamada silla, por su semejanza con una silla de alberca. Más aún se observa a

lo largo de cualquiera de los enlaces carbono-carbono en una proyección de Newman,

se halla que en la conformación de silla el ciclohexano no presenta esfuerzo torsional;

todos los enlaces C-H vecinos están perfectamente alternados. La conformación de silla

del ciclohexano es de tanta importancia que todos los químicos orgánicos deben

aprender a dibujarla correctamente.

Enlaces Axiales y Ecuatoriales en el Ciclohexano:



75

La conformación de silla del ciclohexano tiene muchas consecuencias. Por

ejemplo, que el comportamiento químico de los ciclohexanos sustituidos es regido

directamente por su conformación. Otra consecuencia de la conformación de silla del

ciclohexano es que existen dos tipos de átomos de hidrógenos en el anillo: hidrógenos

axiales e hidrógenos ecuatoriales. El ciclohexano silla tiene seis hidrógenos axiales

que están perpendiculares al anillo (paralelo al eje del anillo) y seis hidrógenos

ecuatoriales que están más o menos en el plano principal del anillo (alrededor del

ecuador del anillo).

MOVILIDAD CONFORMACIONAL DEL CICLOHEXANO:

Puesto que el ciclohexano silla tiene dos clases de posiciones, axiales y

ecuatoriales, podría esperarse que un ciclohexano monosustituido presentara dos formas

isoméricas. Sin embargo, en la realidad esto no se cumple. A temperatura ambiente

existe sólo un metilciclohexano, un bromociclohexano, un ciclohexanol, etc., en virtud

de que el anillo de ciclohexano es conformacionalmente móvil. Las dos conformaciones

de silla pueden interconvertirse con facilidad, con el resultado de que se intercambian

las posiciones axiales y ecuatoriales. Las interconversiones de las conformaciones de

silla, usualmente denominadas interconversión del anillo, se ilustran a continuación.



76

Interconversión del anillo

La interconversión del anillo del ciclohexano silla

intercambia las posiciones axiales y ecuatoriales

La interconversión del anillo transforma el metilciclohexano axial en

metilciclohexano ecuatorial, tal como se observa a continuación.

El metilciclohexano axial se transforma en metilciclohexano ecuatorial

después de la interconversión del anillo. Mediante determinaciones espectroscópicas se

ha encontrado que la barrera de energía para la interconversión silla-silla es de unas

10.8 kcal/mol (45 kJ/mol), un valor suficientemente bajo para que el proceso ocurra con

gran rapidez a temperatura ambiente. Por ello, sólo se ve una estructura promedio en

rápida interconversión, en vez de isómeros distintos axial y ecuatorial.

CICLOHEXANO EN LA CONFORMACIÓN DE BOTE:

Además de la conformación de silla, el ciclohexano puede adoptar una

conformación de bote, igualmente libre de tensión angular. Sin embargo, no le hemos

puesto mucha atención hasta el momento, porque el ciclohexano en conformación de

bote (ciclohexano bote) es mucho menos estable que el ciclo hexano silla.



77

Existen dos tipos de átomos de carbono en el ciclohexano bote. Los carbonos 2,

3, 5 y 6 se encuentran en el mismo plano, mientras que los carbonos 1 y 4 están por

encima del plano. Los átomos de hidrógeno interiores en los carbonos 1 y 4 se acercan

entre sí lo suficiente para causar una considerable tensión estérica, y los cuatro pares de

hidrógenos en los carbonos 2, 3, 5 y 6 están eclipsados. Así, el ciclohexano bote tiene

tensión estérica y torsional. Por mediciones experimentales se ha determinado que el

ciclohexano bote es aproximadamente 7.0 kcal/mol menos estable que el ciclohexano

silla, si bien este valor se reduce a unas 5.5 kcal/mol por efecto de una ligera torsión,

que alivia algo de tensión torsional. Aun así, la conformación de bote torcido está

mucho más esforzada que la conformación de silla, y las moléculas adoptan esta

configuración geométrica sólo en circunstancias especiales.

Conformación de bote del ciclohexano. No existe tensión angular en esta

conformación, pero si hay tensiones estérica y torsional.

Conformación de bote y de bote torcido del ciclohexano. La conformación de bote

torcido es de más baja energía que la de bote por 1.5 kcal/mol.

El ciclohexano experimenta un proceso continuo de equilibrio que interconvierte

rápidamente estos átomos axiales y ecuatoriales, tal como se representa en el diagrama

de energía, para el ciclohexano.



78

CONFORMACIONES DE CICLOHEXANOS MONOSUSTITUIDOS:

Volvamos al caso del metilciclohexano, la diferencia de energía entre los

confórmeros axial y ecuatorial se debe a la tensión estérica causada por las llamadas

interacciones 1,3-diaxiales. Esto es, el grupo metilo axial en C1 está demasiado cerca

de los hidrógenos axiales que se encuentran a tres carbonos de distancia en C3 y C5, lo

que da por resultado una tensión estérica de 1.8 kcal/mol.

La tensión estérica 1,3-diaxial ya debe ser familiar para el estudiante;

anteriormente se le consideró como la tensión estérica entre grupos metilo en el butano

sesgado. Recuérdese que el butano sesgado (gauche) es menos estable que el butano

anti en 0.9 kcal/mol, debido a la interferencia estérica entre átomos de hidrógenos en los

dos grupos metilo. Si un fragmento de cuatro carbonos del metilciclohexano axial se ve

como un butano gauche, es evidente que la interacción estérica es la misma en ambos

casos. Sin embargo, dado que el metilciclohexano tiene dos de tales interacciones, la

tensión estérica es de 2 * 0.9 = 1.8 kcal/mol.

Interconversión del metilciclohexano axial y ecuatorial. La conformación ecuatorial

es más estable en 1.8 kcal/mol.

Lo que es válido para el metilciclohexano también lo es para todos los

ciclohexanos monosustituidos: Un sustituyente casi siempre es más estable en una

posición ecuatorial que un una axial. La cantidad exacta de tensión estérica 1,3-diaxial

en un compuesto específico depende, por supuesto, de la naturaleza y el tamaño del



79

grupo axial. Como es de esperar, la cantidad de tensión estérica se incrementa a través

de la serie CH3- CH3CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C- simultáneamente con el

volumen de los grupos alquilos cada vez más grandes. Obsérvese que los valores de

la Tabla 5.3 se refieren a interacciones 1,3-diaxiales de los grupos indicados, con un

solo átomo de hidrógeno. Por lo tanto, para obtener el valor de la tensión presente en un

ciclohexano monosustituido estos valores deben duplicarse.

Tensión estérica debida a interacciones 1,3-diaxiales.

Y (kcal/mol) (kJ/mol)

-F 0.12 0.5

-Cl 0.25 1.4

-Br 0.25 1.4

-OH 0.5 2.1

-CH3 0.9 3.8

-CH2CH3 0.95 4.0

-CH(CH3)2 1.1 4.6

-C(CH3)3 2.7 11.3

-C6H5 1.5 6.3

-COOH 0.7 2.9

-CN 0.1 0.4

-H 0 0

ANÁLISIS CONFORMACIONAL DE CICLOHEXANOS DISUSTITUIDOS:

Los ciclohexanos monosustituidos suelen tener el sustituyente en posición

ecuatorial. Sin embargo, en los ciclohexanos disustituidos la situación es más compleja

en virtud de que deben considerarse los efectos estéricos de ambos sustituyentes. Es

necesario analizar todas las interacciones estéricas en las posibles conformaciones antes

de decidir cuál conformación es favorecida.



80

Analicemos primero el 1,2-dimetilciclohexano ¿Cuál? Existen dos isómeros, cis

y trans, que deben considerarse por separado.

Isómero cis. Ambos grupos metilos están del mismo lado del anillo, y el compuesto

puede existir en cualquiera de las dos conformaciones de silla que se muestran a

continuación:

Conformaciones del cis-1,2-dimetilciclohexano. Las dos conformaciones tienen la

misma energía, puesto que cada una tiene un grupo metilo axial y un grupo metilo

ecuatorial.

Isómero trans. Los dos grupos metilos están en caras opuestas del anillo, y el

compuesto puede existir en cualquiera de las dos conformaciones de silla, pero la

situación en este caso es muy distinta de la del isómero cis. La conformación trans que

aparece a la izquierda de la figura, tiene ambos grupos metilos en posición ecuatorial, y

por tanto solo una interacción gauche entre los metilos (0.9 kcal/mol), y ninguna

interacción 1,3-diaxial. La conformación de la derecha, sin embargo, tiene ambos

grupos metilos axiales, cada uno de ellos presenta dos interacciones 1,3-diaxiales con

los átomos de hidrógenos, lo que hace un total de cuatro interacciones 1,3-diaxiales (0.9

* 4 = 3.6 kcal/mol). Puede predecirse por tanto que el trans-1,2-dimetilciclohexano

existirá casi exclusivamente en la conformación diecuatorial.

Conformaciones del trans-1,2-dimetilciclohexano. La conformación con dos grupos

metilos ecuatoriales es favorecida por 2.7 kcal/mol.

El mismo tipo de análisis conformacional recién realizado para el 1,2-

dimetilciclohexano puede aplicarse a cualquier ciclohexano disustituido o trisustituido.

Por ejemplo, consideremos el cis-1-terc-butil-4-clorociclohexano. Resulta que la gran



81

tensión estérica causada por un grupo terc-butilo mantiene eficazmente el anillo de

ciclohexano en una sola conformación.

CONFORMACIONES DE MOLÉCULAS POLICÍCLICAS:

El último punto por considerar acerca de la estereoquímica de los cicloalcanos es

lo que sucede cuando dos o más anillos de cicloalcanos se fusionan para constituir

moléculas policíclicas, como la decalina. La decalina consta de dos anillos de

ciclohexano que se unen para compartir dos átomos de carbono (los carbonos cabeza de

puente) y un enlace, la decalina puede existir en dos formas isoméricas, dependiendo de

si los anillos tienen fusión cis o trans.

Representaciones de la cis- y trans-decalina



82

ESTEREOQUIMICA

QUIRALIDAD Y ENANTIÓMEROS:

Los dos objetos representados en la figura 6.1 parecen idénticos a todos los

efectos. A cada arista, cara o ángulo en uno de ellos, le corresponde su arista, cara o

ángulo en el otro. Con todo, los dos objetos no son superponibles entre sí y, por tanto,

son objetos diferentes; se relacionan entre sí como un objeto cualquiera se relaciona con

su imagen en un espejo.

Figura 6.1

Otro par de objetos familiares que se relacionan de esta forma son la mano

izquierda y la mano derecha. En una primera aproximación, parecen idénticas bajo casi

todos los puntos de vista; no obstante, la mano derecha se ajusta perfectamente a

un guante para la mano derecha pero no a un guante para la mano izquierda, por ende

las manos no son idénticas. La propiedad general que define esa relación se denomina

Quiralidad. Cualquier objeto que no es superponible con su imagen especular es quiral.

Por otra parte, si un objeto y su imagen especular pueden hacerse coincidir en el espacio,

se dice que son aquirales.

CAUSA DEL CARÁCTER DERECHO O IZQUIERDO DE LAS MOLÉCULAS: QUIRALIDAD.

Se dice que las moléculas que no son idénticas a sus imágenes especulares, y por

tanto existen en dos formas enantioméricas, son quirales (griego Kheir, mano). No es

posible superponer una molécula quiral y su imagen especular (su enantiómero) de

modo que todos los átomos coincidan.

¿Cómo puede predecirse si cierta molécula es quiral o no? Una molécula no

puede ser quiral si tiene un plano de simetría. Un plano se simetría es un plano

imaginario que corta un objeto en dos mitades que son imágenes especulares exactas

una de la otra. Una molécula que tiene un plano de simetría en cualquiera de sus

posibles conformaciones debe ser superponible con su imagen especular, y por tanto

debe ser no quiral o aquiral.



83

La causa más común de quiralidad en moléculas orgánicas es la presencia de un

átomo de carbono unido a cuatro grupos distintos. Tales carbonos se denominan

centros quirales o centros estereogénicos o centros asimétricos. Las diferencias no

necesariamente se observan en el átomo inmediatamente contiguo al centro

estereogénico. Por ejemplo, el 5-bromodecano es una molécula quiral porque cuatro

grupos distintos están unidos a C5:

Sustituyentes en el carbono 5

-H

-Br

-CH2CH2CH2CH3 (butilo)

-CH2CH2CH2CH2CH3 (pentilo)

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ENANTIÓMEROS: ACTIVIDAD ÓPTICA.

La mayoría de las propiedades físicas de los 2-yodobutanos enantioméricos son

idénticas. Tienen idénticos punto de fusión, puntos de ebullición, solubilidades en

disolventes corrientes, densidades, índice de refracción y espectros. Sin embargo,

difieren en un importante aspecto: en la forma en que interaccionan con la luz

polarizada.

La luz puede ser tratada como un movimiento ondulatorio de campos eléctricos

y magnéticos oscilantes que forman ángulos rectos entre sí. Cuando un electrón

interacciona con la luz, oscila a la frecuencia de la luz en la dirección del campo

eléctrico y en fase con él. En la luz normal, los vectores de campo eléctrico de todas las

ondas luminosas se orientan en todos los planos posibles. La luz polarizada plana es

aquella en que los vectores de campo eléctrico de todas las ondas luminosas vibran en el

mismo plano, el plano de polarización.

La luz polarizada plana puede ser producida al pasar luz normal a través de un

polarizador, como una lente polaroid o un dispositivo conocido como prisma de Nicol.

Jean Baptiste Biot[1]

, realizó la notable observación de que cuando un haz de luz

polarizada atraviesa una solución de ciertas moléculas orgánicas, como azúcar o



84

alcanfor, el plano de polarización experimenta una rotación. No todas las moléculas

orgánicas tienen esta propiedad, pero se dice que aquellas que hacen girar el plano de la

luz polarizada son ópticamente activas.

Representación esquemática de un polarímetro. La luz polarizada en un plano pasa

por una solución de moléculas ópticamente activas, lo cual hace girar el plano de

polarización.

La magnitud de la rotación puede medirse con un instrumento conocido como

polarímetro, que se representa esquemáticamente en figura de arriba. Primero se coloca

una solución de moléculas orgánicas ópticamente activas en un tubo de muestra;

después se hace pasar por el tubo la luz polarizada en un plano, tras lo cual ocurre la

rotación del plano. la luz se hace pasar luego por un segundo polarizador denominado

analizador. Haciendo girar el analizador hasta que la luz lo atraviesa es posible

encontrar el nuevo plano de polarización, de este modo, la magnitud de la rotación. Este

valor se denota por la letra griega (alfa), y se expresa en grados.

Además de la magnitud de la rotación, también es posible encontrar su sentido.

Respecto a un observador que ve directamente por el extremo del instrumento en el lado

del analizador, algunas moléculas ópticamente activas hacen girar la luz polarizada

hacia la izquierda (en sentido contrario al de las manecillas del reloj) y se dice que son

levógiras o levorrotatorias, mientras que otras la hacen girar hacia la derecha (en el

sentido de las manecillas del reloj) y se dice que son dextrógiras o dextrorrotatorias.

Por convenio, a la rotación hacia la izquierda se le asigna un signo negativo (-), y a la

rotación hacia la derecha se le asigna un signo positivo (+).

Rotación específica:

Para expresar los datos de manera significativa a fin de que puedan hacerse

comparaciones, es necesario establecer condiciones estándar. Por convenio, la rotación

específica, D, de un compuesto se define como la rotación observada cuando se

utiliza luz con longitud de onda de 589 nanómetros (1 mm = 10-9 m) y un trayecto

óptico l de 1 decímetro (1 dm = 10 cm), con concentración de muestra C de 1 g/mL.

(La luz de 589 nm, llamada línea D del Sodio, es la luz emitida por las lámparas de

vapor de sodio.)

Cuando los datos de rotación óptica se expresan de esta manera estándar, la

rotación específica, D, es una constante física característica de cada compuesto con

actividad óptica.



85

REGLAS DE SECUENCIA PARA ESPECIFICAR LA CONFIGURACIÓN:

Aunque los dibujos constituyan una representación de la estereoquímica, es

difícil traducirlos en palabras. Así, también es necesario un método verbal para explicar

el arreglo tridimensional de los átomos (la configuración) en un centro estereogénico.

En el método acostumbrado se emplean las mismas reglas de secuencia (Z o E).

Revisemos brevemente las reglas de Cahn[2]

-Ingold[3]

-Prelog[4]

a fin de ver cómo

pueden servir para especificar la configuración de un centro estereogénico (carbono

asimétrico).

1. Se observan los cuatro átomos unidos directamente al centro estereogénico y se

asignan prioridades en orden decreciente de número atómico. El grupo con mayor

número atómico tiene la máxima prioridad; el grupo con el menor número atómico

tiene la mínima prioridad.

2. Si no es posible decidir la prioridad aplicando la regla 1, se comparan los números

atómicos de los átomos unidos en segundo lugar en cada sustituyente; si es

necesario se continúa hasta los terceros, cuartos o más átomos, hasta que se

encuentre una diferencia.

3. Los átomos con enlaces múltiples se consideran como un número equivalente de

átomos con enlaces simples. Por ejemplo:

Una vez asignadas las prioridades de los cuatro grupos unidos a un carbono

quiral, se describe la configuración estereoquímica alrededor del carbono quiral

orientando mentalmente la molécula de modo que el grupo de menor prioridad (cuatro)

apunte directamente hacia atrás, lo más alejado posible del observador. Después se

analizan los tres sustituyentes restantes, que se dirigen en forma radial hacia el

observador. Si una flecha curva dibujada desde el sustituyente con mayor prioridad

hacia el de segunda prioridad y de ahí hacia el de tercera (1 2 3) tiene el sentido del

reloj, se dice que el centro estereogénico tiene la configuración R (latín rectus,

“derecho”). Si por el contrario definen una curva en el sentido contrario de un reloj, se

dice que el centro esterogénico tiene la configuración S (latín sinister, “izquierdo”).

Consideremos el ácido láctico como un ejemplo de la forma en que se asigna la

configuración.

1. El primer paso es asignar prioridades.

2. Orientar la molécula, de tal manera que el grupo de menor prioridad esté dirigido

hacia atrás.

Ácido láctico.

Prioridades:

4 -H (baja)

3 -CH3

2 -COOH

1 -OH (alta)



86

DIASTERÓMEROS:

Moléculas como las del ácido láctico, alanina y gliceraldehído son relativamente

fáciles de estudiar, puesto que cada una tiene sólo un centro estereogénico y sólo puede

existir en dos configuraciones enantioméricas. Sin embargo, la situación se torna más

compleja en el caso de moléculas que tienen más de un centro estereogénico.

Consideremos por ejemplo el aminoácido esencial treonina (ácido 2-amino-3-

hidroxibutanoico). Dado que la treonina tiene dos centros estereogénicos C2 y C3,

existen cuatro estereoisómeros posibles, como analizaremos a continuación: (Se sugiere

al alumno que verifique por sí mismo que la configuración R,S es correcta.

2R , 3R 2S , 3S 2R , 3S 2S , 3R

Enantiómeros Enantiómeros

Relaciones entre las cuatro treoninas estereoisoméricas

Estereoisómero Es anantiómero de Es diastereómero de

2R , 3R 2S , 3S 2R , 3S y 2S , 3R

2S , 3S 2R , 3S 2R , 3S y 2S , 3R

2R , 3S 2S , 3R 2R , 3R y 2S , 3S

2S , 3R 2R , 3S 2R , 3R y 2S , 3S

¿ Cuál es la relación entre cualquiera dos configuraciones que no sean imágenes

especulares entre sí ? Por ejemplo, ¿cuál es la relación entre el compuesto 2R,3R y el

2R,3S ? Los dos compuestos son estereoisómeros, aunque no son superponibles ni son

enantiómeros. Por lo tanto se dice que son Diastereómeros, los cuales son

estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí.



87

De los cuatro estereoisómeros posibles de la treonina sólo uno, el 2S,3R,

con D = 29.3º , existe en forma natural en plantas y animales. La mayoría de las

moléculas orgánicas importantes son quirales, y usualmente sólo un estereoisómero se

encuentra en la naturaleza.

COMPUESTOS MESO:

Consideremos un ejemplo más de compuestos con dos centros estereogénicos: el

ácido tartárico. Tracemos su cuatro posibles estereoisómeros:

2R, 3R 2S, 3S 2R, 3S 2S, 3R

Las imágenes especulares 2R,3R y 2S,3S no son superponibles, y son por tanto

un par de enantiómeros. Sin embargo, una observación cuidadosa revela que las

estructuras 2R,3S y 3S,3R son idénticas, lo cual puede corroborarse haciendo girar 180º

una de ellas:

Son Idénticas

La identidad de las estructuras resulta del hecho de que la molécula tiene un

plano de simetría. Dicho plano pasa por el enlace C2-C3, haciendo que una mitad de la

molécula sea la imagen especular de la otra mitad.



88

MOLÉCULAS CON MÁS DE DOS CENTROS ESTEREOGÉNICOS:

Cuando hay más de un centro quiral en una molécula, dan por resultado un

máximo de 2n estereoisómeros. Por ejemplo, el colesterol contiene ocho centros

estereogénicos, lo que hace posible 28 = 256 estereoisómeros (128 pares de

enantiómeros), aunque muchos están demasiado tensionados para existir. En la

naturaleza existe predominantemente uno de ellos.

Colesterol

(ocho centros quirales)

Una mezcla de 50:50 de dos enantiómeros quirales se denomina mezcla

racémica o racemato, y se denota por el símbolo () o por el prefijo d,l, para indicar

una mezcla de formas dextrogira y levógira. Las mezclas racémicas deben presentar

rotación óptica cero (nula).

PROYECCIONES DE FISCHER:

En 1891, Emil Fischer[5]

sugirió un método basado en la proyección de un átomo

de carbono tatraédrico sobre una superficie plana. Estas proyecciones de Fischer fueron

adoptadas rápidamente, y ahora son un medio estándar para representar la

estereoquímica de centros estereogénicos. En una proyección de Fischer, un átomo de

carbono tetraédrico se representa por dos líneas cruzadas. Por convención, las líneas

horizontales representan enlaces que salen de la página hacia el lector, y las líneas

verticales representan enlaces que se proyectan hacia atrás de la página.



89

Por ejemplo, el ácido (R)-láctico puede representarse como sigue:

Puesto que una molécula dada puede representarse de muchas maneras, a

menudo es necesario comparar dos proyecciones distintas para ver si representan el

mismo o diferentes enantiómeros. Para comprobar la identidad, es posible hacer girar

sobre el papel las proyecciones de Fischer, pero teniendo cuidado de no cambiar

inadvertidamente el significado de la proyección, Sólo están permitidos dos tipos de

movimientos:

1. Una proyección de Fischer puede hacerse girar 180º sobre la página, pero no 90º ni

270º. La razón de esto es simplemente que una rotación de 180º cumple la

convención de Fischer de que los mismos dos sustituyentes en los enlaces

horizontales siempre salgan del plano hacia el lector y los mismos dos sustituyentes

en los enlaces verticales siempre se proyecten hacia atrás del plano. Y una rotación

de 90º contraría la conversión de Fischer, pues los sustituyentes que estaban en los

enlaces horizontales en una forma quedan verticales después de una rotación de 90º,

invirtiendo su estereoquímica y cambiando el significado de la proyección. Por

ejemplo:



90

pero:

2. En una proyección de Fischer, un grupo puede mantenerse fijo mientras los otros

tres giran en el sentido del reloj o en el sentido contrario. Por ejemplo:

Éstos son los únicos tipos de movimientos permitidos. Mover una proyección de

Fischer de cualquier otro modo invierte su significado. De este modo, si una proyección

del ácido (R)-láctico se hace girar 90º, resulta una proyección de Fischer del ácido (S)-

láctico.



91

La rotación de 90º de una proyección de Fischer invierte su significado

ASIGNACIÓN DE CONFIGURACIONES R,S A PROYECCIONES DE

FISCHER:

Es posible asignar las configuraciones estereoquímicas R,S a las proyecciones de

Fischer siguiendo los tres pasos que se indican a continuación:

1. Se asignan prioridades a los cuatro sustituyentes de modo usual.

2. Se realiza uno de los dos movimientos permitidos para colocar el grupo de menor

prioridad (cuarta) en la parte de arriba de la proyección de Fischer.

3. Se determina el sentido de la rotación al pasar de la prioridad 1 a la 2 y a la 3, y

se asigna la configuración R o S como determina la regla. (R en el sentido del

reloj y S en el sentido contrario del reloj).

COMPUESTOS TREO Y ERITRO:

Los prefijos “eritro” y “treo” se utilizan a menudo para designar las

configuraciones relativas en compuestos que poseen dos átomos de carbono quirales

adyacentes que soportan grupos diferentes, pero similares. Estos prefijos derivan de los

carbohidratos eritrosa y treosa.

Eritro corresponde al distereómero que cuando se observa a lo largo del enlace

que conecta los átomos de carbono quirales, posee un rotámero en el que todos los

grupos similares están eclipsados. El diastereómero Treo no posee un rotámero en el

que todos los grupos similares estén eclipsados. Cuando los grupos a átomos unidos a

ambos carbonos quirales son idénticos y se encuentran eclipsados entre si, recuérdese

que es un compuesto Meso.



92

Ejemplos:



93

ESTEREOQUÍMICA Y QUIRALIDAD EN CICLOALCANOS:

Este apartado sólo lo comentaremos mediante ejemplos:

1.- El cis-1,2-dibromociclobutano y trans-1,2-dibromociclobutano

No puede existir con su enantiómero o en otras palabras su imagen especular resulta

idéntica

MOLÉCULAS QUIRALES: Son aquellas que pueden existir como

enantiómeros, ejemplo el trans-1,2-dibromociclohexano.

MOLÉCULAS AQUIRALES: Son aquellas que no pueden existir como enantiómeros,

ejemplo el cis-1,2 -dibromociclohexano.

2.- El cis y el trans 1,2-dimetilciclohexano



94

Existen como estereoisómeros pero no como

enantiómeros por presentar plano de simetría

3.- El cis y el trans-1,3-dimetilciclohexano

Es el cis-1,3-dimetilciclohexano meso

Son el (+) y (-) trans-1,3-dimetilciclohexano



95

[1]

Jean Baptiste Biot (1774-1862), Científico francés, nació en París, Físico del College de france. [2]

R. S. Cahn, Profesor de University College, Londres. [3]

Sir Christopher Ingold, (1883-1979), n. Ilford, Profesor de University College, Londres. [4]

Vlademir Prelog, (1906- ); n. Sarajevo, Profesor de la Universidad de Zagreb, Premio nobel en 1975. [5]

Emil Fischer; (1852 - 1919); Profesor en la Universidad de Berlín; Premio Nobel en 1902.



96

REACCIONES ORGANICAS

TIPOS DE REACCIONES ORGÁNICAS

Atendiendo a la variación del esqueleto carbonado las reacciones orgánicas

suelen clasificarse en:

Adiciones.- Consisten en procesos en los que el esqueleto carbonado experimenta un

incremento en el número de átomos a través de la incorporación de los átomos del

reactivo y sin ninguna pérdida de los que poseía inicialmente. Ejemplos:

Eliminaciones.- Consisten en procesos en los que el esqueleto carbonado experimenta

una disminución en el número de átomos originales al perderse un fragmento pequeño

(habitualmente no carbonado) por la acción de un reactivo, en cierto sentido pueden ser

consideradas como las reacciones inversas de las adiciones. Ejemplo:

Sustituciones.- Consisten en procesos en los que un átomo o grupo de átomos del

compuesto de partida es reemplazado por un átomo o grupo de átomos procedente del

reactivo. Ejemplos:

Transposiciones.- Consisten en procesos en los que suele modificarse el número de

átomos de carbono presentes en la molécula de partida, variando única y

exclusivamente la disposición relativa de los átomos entre si, resulta frecuente que las

transposiciones puedan ir acompañadas de pérdida de una molécula pequeña no

carbonada, tales como agua, amoniaco, hidrácidos, etc. Ejemplo:



97

Condensaciones.- Consisten en procesos en los en los que el esqueleto carbonado

experimenta un incremento en el número de átomos a través de la unión de dos

moléculas relativamente pequeñas, con la consiguiente formación de enlaces C-C. No es

infrecuente que la condensación vaya acompañada de la pérdida de una molécula

pequeña tal como agua, amoniaco, etc. Ejemplo:

Degradaciones.- Consisten en procesos en los que el esqueleto carbonado experimenta

una disminución en el número de átomos de carbono, a través de la pérdida de un

fragmento carbonado habitualmente no muy voluminoso. En estas reacciones se rompen

enlaces C-C. Ejemplo:

Inserciones.- Consisten en procesos en los que un resto carbonado o un heteroátomo

portador de un par electrónico enlazante se inserta, es decir, se intercala entre dos

átomos unidos entre sí por un enlace o En estas reacciones se generan dos nuevos

enlaces a partir del par inicial o y el aportado por el reactivo. Ejemplos:

Extrusiones.- Consisten en procesos en los que se expulsa un átomo o grupo de átomos

de una molécula que se encontraba unido a otros dos por un enlace o dos enlaces ,

quedando unido estos dos átomos entre sí por un nuevo enlace o un enlace . Este tipo

de reacción se puede considerar como la inversa a la inserción. Ejemplos:

Oxidación - Reducción (Redox).- Estas reacciones implican transferencia de electrones

o cambio en el número de oxidación. Una disminución en el número de átomos de H

enlazados al carbono y un aumento en el número de enlaces a otros átomos como C,

O, N, Cl, Br, F y S indican que hay oxidación. Ejemplos:



98

Los nueve tipos de reacciones consideradas aquí son los tipos generales de

reacciones que se conocen en química orgánica, resulta apropiado investigar qué es lo

que se encuentra entre el sustrato y el producto en una reacción típica. Esto es, cuáles

son los intermedios de la reacción.

Intermedios:

Una descripción detallada, paso a paso, de lo que ocurre entre los materiales

iniciales y el producto proporciona la explicación de lo que se llama mecanismo de

reacción.

Un mecanismo implica uno o varios intermedios. A primera vista, la lista de

posibles intermedios es tan larga que descorazonaría a cualquiera. Sin embargo si se

examina mas de cerca los detalles de cualquier reacción orgánica, se llega a una de las

más fascinantes generalizaciones de la disciplina “casi todas las reacciones orgánicas

se desarrollan a través de cuatro tipos de intermedios”. Basándose en la abundancia o

deficiencia de electrones alrededor del átomo de carbono reactivo, los cuatro tipos de

intermedios son:

Los que tienen un átomo de carbono positivamente cargado,

Los que tienen un átomo de carbono negativamente cargado,

Un radical libre neutro con vacante para un electrón y

Un carbono neutro con vacantes para dos electrones.

1.- INTERMEDIOS CON UN ÁTOMO DE CARBONO POSITIVAMENTE

CARGADO.

El carbono puede tener una carga positiva formal debido a una deficiencia de

electrones. Puesto que el intermediario es un catión del carbono, se llama carbocatión.

Carbocatión

Una reacción SN1 típica, como la hidrólisis del cloruro de t-butilo que se muestra

a continuación, se desarrolla a través de un carbocatión intermedio.

Cloruro de t-butilo Carbocatión Alcohol t-butilico

Sin embargo, cuando la carga del carbono no está totalmente establecida, es un

complejo activado (en el estado de transición de una reacción), no se le asigna una carga

formal definida. Se utilizan en su lugar cargas parciales para describir el complejo,

como se indica a continuación:



99

Las reacciones SN2 se desarrollan típicamente en un sólo paso a través de un

estado de transición. En el ejemplo específico SN2 que sigue, el ion yoduro es

desplazado por el ion hidróxido.

No se trata de igualar aquí un complejo activado con un intermedio. Lo esencial

es que el carbono sigue siendo positivo, no importa cual sea el valor alcanzado por la

carga.

2.- INTERMEDIO CON UN ÁTOMO DE CARBONO CARGADO

NEGATIVAMENTE.

El carbono puede tener un octeto lleno y un exceso de electrones en relación con

el número total de protones en el núcleo. Por consiguiente, puede llevar una carga

formal negativa. Este anión del carbono se conoce apropiadamente como carbanión.

Carbanión

La condensación de Claisen, que se muestra a continuación, constituye una

reacción típica que se desarrolla mediante un carbanión intermedio. Una vez formado, el

carbanión intermedio reacciona con el acetato de etilo que no ha reaccionado todavía,

para desplazar el ion alcoholato (EtO-), con la formación concomitante del acetoacetato

de etilo.

Acetato de etil Carbanión Acetoacetato de etilo



100

3.- UN ÁTOMO DE CARBONO SIN CARGA, CON VACANTE PARA UN

ELECTRÓN (RADICAL LIBRE).

En este radical libre, no hay carga en el átomo de carbono, pero dicho

intermedio sigue siendo deficiente en electrones en relación con su capacidad de

electrones totales.

Radical libre

La ruptura homolítica de un enlace covalente puede producir un radical libre

como intermedio. por ejemplo, la bromación del 2-metilpropano, se inicia con la

disociación homolítica del bromo y continua con la formación de un radical libre que

contiene carbono. El producto (bromuro de isopropilo) se forma cuando el radical

isopropilo reacciona con el bromo molecular.

Etapa I

Etapa II

Radical libre isopropilo

Etapa III

4.- UN ÁTOMO DE CARBONO SIN CARGA CON VACANTE PARA DOS

ELECTRONES (CARBENO).

Tampoco aquí hay carga sobre el átomo de carbono, pero éste es deficiente en

electrones y divalente. El intermedio de este tipo se conoce como carbeno. En el

ejemplo que se muestra a continuación, se genera diclorocarbeno a partir de cloroformo

y de una base fuerte, luego se añade el ciclopenteno para formar el producto bicíclico

observado.

diclorocarbeno 6,6-diclorobiciclo (3.1.0) hexano



101

La selección de un intermedio es de suma importancia en la definición de un

mecanismo. Una vez que se ha hecho la selección, todas las etapas del mecanismo

propuesto deberán apoyarse en los conceptos fundamentales que les corresponda. Estos

conceptos, son entre otros, polarización, los efectos inductivos, los cálculos de carga

formal, los efectos de resonancia y los de la teoría ácido-base.

Conceptos fundamentales:

Polarización.-Los enlaces covalentes están polarizados con excepción de aquellos entre

átomos idénticos. La dirección de la polarización sigue la escala de electronegatividad

de Pauling. Los elementos más electronegativos que el carbono producirán una mayor

polarización en dichos enlaces. Así por ejemplo, un enlace C-Cl está polarizado con una

ligera carga positiva en el carbono y una ligera carga negativa en el cloro. La

polarización opuesta, esto es, una carga positiva en el cloro y una carga negativa en el

carbono no es consistente con la escala de la electronegatividad. La habilidad para

identificar la correcta polarización de los enlaces covalentes le permite a uno predecir

los sitios de reactividad, o determinar la estabilidad que tienen las moléculas orgánicas o

los intermediarios.

Efecto inductivo.-La polarización puede inducir un dipolo en un enlace próximo al

sustituyente o en uno más alejado. Esto se conoce como el efecto inductivo. Los efectos

inductivos son transmitidos directamente a través de una cadena de átomos dentro de

una molécula pero no a través del espacio vacío, ni por la acción de las moléculas del

disolvente.

Los efectos inductivos pueden ocasionar la liberación de electrones o la captura

de los mismos. Un efecto inductivo en que se liberan electrones se relaciona con la

tendencia de una sección de una molécula o de un sustituyente a despojarse de

electrones, aun cuando esto no implica la donación formal de una unidad completa de

carga. Los grupos alquilo son donadores de electrones (relativos al hidrógeno). Por

ejemplo, al efecto inductivo que interviene en la liberación de electrones del grupo

metilo, se le debe la estabilidad de los carbocationes en la secuencia terciario

secundario primario metilo.

Este hecho se puede explicar cualitativamente por el supuesto de que el grupo

metilo tiene más electrones disponibles para donar que el átomo de hidrógeno.

Un efecto inductivo consistente en la captura de electrones se relaciona con la

tendencia de una sección de una molécula a aceptar electrones. Los grupos o átomos

que presentan los efectos de captura de electrones son más numerosos que aquellos en

que el efecto inductivo se manifiesta en la donación de electrones. En un ejemplo típico,

el bromo en el ácido bromoacético atrae electrones, haciendo que el protón ácido se

pierda con más facilidad que el protón correspondiente al ácido acético.

pKa = 2.86 en Br-CH2CO2H

pKa = 4.76 en CH3-CO2H



102

El flujo de electrones se dirige al bromo (alejándose del protón ácido) de la

manera que se indica a continuación:

El anión en el bromoacetato es más estable que el anión en el acetato por una

razón semejante. La carga en el bromoacetato es estabilizada inductivamente por el

bromo receptor de electrones.

ion bromoacetato ion acetato

Los conceptos de carga formal, efectos de resonancia y teoría ácido-base han

sido detallados en otros capítulos (ver ácido-base y teoría de enlace y resonancia).

ALGUNAS PAUTAS PARA ESCRIBIR LOS MECANISMOS DE LAS

REACCIONES:

1. Un mecanismo debe explicar la formación del producto.

2. Típicamente, los compuestos orgánicos aislables (que no sean intermedios)

contienen cuatro enlaces. El carbono, en su estado básico tiene cuatro enlaces (y

sólo cuatro).

3. Las flechas curvas indican la dirección del flujo de electrones dentro de una

estructura.

4. La base más fuerte que puede existir en el agua es el ion hidróxido; el ácido más

fuerte que puede existir en el agua es el ion hidronio, H3O+.

5. En una solución ácida, el ion hidroxilo de un alcohol nunca se pierde, sólo se separa

para formar una molécula de agua.

6. El orden de estabilidad de un carbacatión es terciario secundario primario CH3+.

7. El orden de estabilidad de un radical libre es terciario secundario primario CH3

..

8. El orden de estabilidad de un carbanión es CH 3- primariosecundario terciario.

9. Los átomos de carbono del grupo carbonilo, C=O, son electropositivos; loa átomos

de oxígeno del grupo carbonilo son electronegativo.

10. En general, los efectos de resonancia son más importantes que los efectos inductivos

en la estabilidad de los intermedios.

11. Otros conceptos generales, los cuales comentaremos a continuación:

ENERGÍAS DE DISOCIACIÓN DE ENLACE.-

La energía de disociación del enlace (dada como H en kcal/mol o kJ/mol) es la

energía que se necesita para la homólisis endotérmica de un enlace covalente A:B

A + B ; H = (+). La formación de enlace, lo contrario de esta reacción, es

exotérmica y los valores de H son negativos. Ejemplo:

Rupturas endotérmicas Formación exotérmicas

La reacción en general es exotérmica con un H = (-) 24 kcal/mol



103

Velocidades de las reacciones.-

La velocidad de la reacción dA + eB fC + gD, está dada por: velocidad (v) =

kAxB

y donde k es la constante de velocidad a temperatura T. Los valores numéricos de

los exponentes x e y se determinan experimentalmente; no necesitan ser los mismos que

d y e, los coeficientes de la reacción química. La suma de los valores de los exponentes

se define como el orden de la reacción.

Dadas ciertas condiciones, los factores que determinan la velocidad de una

reacción son:

1. El número de colisiones por unidad de tiempo.

2. La entalpía de activación (Energía de activación, E. acti.)

TEORÍA DEL ESTADO DE TRANSICIÓN Y DIAGRAMAS DE ENTALPÍA.

Cuando los reactivos se han encontrado en colisión con suficiente entalpía (H)

de activación y debida orientación, pasan a través de un Estado de Transición (ET)

hipotético en el cual algunos enlaces se rompen y otros se pueden formar.

La relación entre el estado de transición (ET), los reaccionantes (R) y productos

(P) se muestra mediante el diagrama de la figura, para una reacción exotérmica

A + B C + D de un solo paso.

La formación de moléculas con baja entalpía se favorece en el estado de

equilibrio, o sea, C + D. Sin embargo esto se aplica únicamente cuando H de una

reacción predomina sobre TS en la determinación del estado de equilibrio.

TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES.-

La Termodinámica y la velocidad de una reacción determinan si esta reacción

puede ocurrir. La termodinámica de un sistema se describe en términos de varias

funciones importantes.

E, el cambio en la energía, es igual a qv, el calor transferido a/o desde un sistema

a volumen constante: E = qv.

H, el cambio en la entalpía, es igual a qp, el calor transferido a/o desde un sistema

a presión constante: H = qp. Puesto que la mayoría de las reacciones orgánicas se

efectúan a presión atmosférica en recipientes abiertos H se utiliza más a menudo



104

que E. El H de una reacción química es la diferencia en las entalpías de los

productos, H(P), y los reaccionantes, H(R): H = HP - HR.

S, es el cambio en la entropía. La entropía es la medida de la distribución al azar.

Mientras mayor sea este azar, más grande será S; mientras más grande sea el orden,

más pequeño será S. Para una reacción: S = SP - SR.

G, es el cambio en la energía libre. A presión constante, G = H - TS, (T =

temperatura absoluta).

REACTIVOS ELECTROFÍLICOS Y NUCLEOFÍLICOS.-

Las reacciones generalmente ocurren en los sitios reactivos de las moléculas y

los iones. Estos sitios se agrupan principalmente dentro de dos categorías. La primera

tiene una alta densidad electrónica porque el sitio es negativo. Tales sitios ricos en

electrones son llamados Nucleofílicos y las especies que poseen tales sitios se

denominan Nucleófilos o donantes de electrones; pueden ser de tres tipos los

nucleófilos:

a) Especies con un par de electrones no compartidos.

b) Especies con el extremo (-) de un enlace polar.

c) Especies con electrones .

La segunda categoría son especies capaces de adquirir electrones. Estos sitios

deficientes de electrones son Electrofílicos y las especies que los poseen se denominan

Electrofilos o receptores de electrones; pueden ser de dos tipos los electrofilos:

a) Especies neutras capaz de adquirir más electrones.

b) Especies con el extremo (+) de un enlace polar.

Pueden ocurrir muchas reacciones por la formación de un enlace entre un sitio

nucleofílico y uno electrofilico.

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE UN MECANISMO DE REACCIÓN:

a) Reacción en un solo paso, con formación de un estado de transición. La reacción del

ion hidróxido con el cloruro de metilo es un ejemplo de una reacción muy general,

conocida como SN2, que implica probablemente un perfil como este.

CH3Cl + OH- CH3OH + Cl

-



105

b) Reacción en dos pasos, con formación de un intermedio de reacción. La reacción del

cloruro de t-butilo con el ion hidróxido podría estar representada por este tipo de perfil

de reacción. La cual es una reacción SN1 típica.



106

[1]

Melvin S. Newman (1908) Nueva York; Ph. D. (1932) Yale Universite; Profesor en la Ohio State

University. [2]

Adolf von Baeyer (1835-1917); Berlín; Ph. D. Berlín (1858); Premio Nobel (1905). [3]

Ernst Mohr (1873-1926); Dresde; Ph.D Kiel (1897), Profesor de la Universidad de Heidelberg.



107

REACCIONES DE LOS ALCANOS

PREPARACIÓN:

Cada uno de los alcanos menores, desde el metano hasta el n-pentano y

el isopentano, puede obtenerse en forma pura por destilación fraccionada del petróleo y

del gas natural. Más allá de los pentanos, el número de isómeros de cada homólogo se

hace tan grande y las diferencias en sus puntos de ebullición tan pequeños, que resulta

imposible aislar compuestos individuales puros; estos alcanos deben ser sintetizados por

alguno de los métodos que expondremos a continuación.

PREPARACIÓN DE LOS ALCANOS

1.- Hidrogenación de alquenos.

Ejemplo:

2.- Reducción de halogenuros de alquilo.

(a) Hidrólisis de reactivos de Grignard.

Ejemplo:

(b) Reducción con metal y ácido.



108

Ejemplo:

3.- Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos.

Ejemplos:

La hidrogenación de alquenos es, por mucho, la más importante de las

reacciones de obtención de alcanos. La única limitación del procedimiento es la

asequibilidad del alqueno apropiado, la cual no es muy seria, pues los alquenos se

pueden preparar fácilmente de alcoholes, que a su vez pueden sintetizarse sin dificultad

en gran variedad de tamaños y formas.

La reducción de un halogenuro de alquilo, ya por medio de un reactivo de

Grignard, ya directamente con metal y ácido, implica sólo el reemplazo de un átomo de

halógeno por uno de hidrógeno; el esqueleto carbonado permanece intacto. Este método

tiene más o menos la misma amplitud que el anterior, puesto que los halogenuros de

alquilo, al igual que los alquenos, generalmente se preparan de alcoholes. El

acoplamiento de los halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos es el único

de estos métodos que forma enlaces carbono-carbono, generando un esqueleto

carbonado nuevo y de mayor tamaño.

REACCIONES:

A veces nos referimos a los alcanos empleando el nombre anticuado de

parafinas. Este nombre se les dio para describir lo que parecía una reactividad baja para

estos hidrocarburos.



109

REACCIONES DE LOS ALCANOS

1.- Halogenación.

Ejemplo:

2.- Combustión.

Ejemplo:

3.- Pirólisis.

HALOGENACIÓN DE LOS ALCANOS:

Cuando una mezcla de metano y cloro se calienta a 120 ºC aproximadamente o

se irradia con la luz de longitud de onda apropiada, tiene lugar una reacción exotérmica.

Esta reacción constituye un proceso industrial importante para la preparación de

cloruro de metilo. Su utilidad como preparación de laboratorio está limitada, ya que la



110

reacción no termina con la introducción de un solo átomo de cloro. A medida que la

concentración de cloruro de metilo aumenta, experimenta la reacción de cloración en

competencia con el metano.

El producto real de la cloración del metano con el cloro es una mezcla de cloruro

de metilo (p. eb. -24.2 ºC), cloruro de metileno (CH2Cl2, p. eb. 40.2 ºC), cloroformo

(CHCl3, p. eb. 61.2 ºC), y tetracloruro de carbono (Cl4C), p. eb. 76.8 ºC). La

composición de la mezcla depende de las cantidades relativas de los materiales de

partida utilizadas y de las condiciones de reacción. En este caso resulta fácil separar los

productos por destilación fraccionada debido a la diferencia entre los diferentes punto

de ebullición.

Para la cloración del metano, gran parte de las pruebas experimentales coinciden

con el mecanismo siguiente: la reacción comienza con la homólisis (ruptura homolítica)

de una molécula de cloro en dos átomos de cloro. Desde el momento en que los átomos

de cloro estén presentes en pequeñas cantidades, comienza una reacción en cadena. Un

átomo de cloro reacciona con una molécula de metano para dar lugar a un radical metilo

y una molécula de HCl. El radical metilo reacciona entonces con una molécula de cloro

para dar cloruro de metilo y un átomo de cloro. El átomo de cloro producido puede

reaccionar con otra molécula de metano para continuar la cadena.

Así, el primer paso de la reacción se denomina iniciación, y los dos siguientes

pasos se denominan propagación de la cadena. Cuando dos especies radicales chocan

entre sí, el proceso se denomina terminación.

I.- Iniciación:



111

II.- Propagación:

III.- Terminación:

En principio, solamente una molécula de cloro ha de experimentar la ruptura

homolítica para transformar muchos moles de metano y cloro en cloruro de metileno y

HCl. En la práctica, el proceso en cadena recorre una media de 10.000 ciclos antes de

finalizar. La terminación del proceso se produce cuando dos radicales chocan entre sí.

La variación total de entalpía Hº corresponde a la cloración, y puede ser

obtenida mediante la suma de las etapas de propagación solamente.

ANALICEMOS LOS DIAGRAMAS DE ENERGÍA PARA LAS ETAPAS DE

PROPAGACIÓN:

Los Hº de cada una de las etapas se calcula en función de las energías de

disociación de enlace, las cuales ya se encuentran calculadas y representadas en tablas.

La ruptura de enlace implica aplicar energía por lo tanto se toma como un valor positivo

(+) para indicar que es energía aplicada al sistema. La formación de enlace implica

liberación de energía, por lo tanto se toma como un valor negativo (-), para indicar que

es una energía liberada por el sistema. La suma total de los enlaces rotos mas los

enlaces formados nos indica el Hº total de la reacción.

Veamos la primera etapa de la propagación:



112

Es estado de transición estaría representado por:

Veamos la segunda etapa de la propagación:

El estado de transición estaría representado por:



113

La cloración de los alcanos superiores es similar a la cloración del metano

exceptuando que las mezclas de productos obtenidos son más complejas. El etano no

sólo produce cloruro de etilo, sino también 1,1-dicloroetano y 1,2-dicloroetano.

En el caso del propano, pueden formarse dos productos monoclorados, esto es,

el cloruro de n-propilo y el cloruro de isopropilo aunque no se producen cantidades

iguales.

Cloruro de n-propilo Cloruro de

isopropilo

A 25 ºC, los dos isómeros se producen en la proporción de 43:57

respectivamente. Un tiempo de reacción prolongado da lugar a la mezcla de los cuatro

dicloropropanos posibles.

Examinemos con mayor detalle la monocloración del propano. Recuérdese que

el calor de disociación del hidrógeno secundario es 3 kcal/mol inferior al calor de

disociación correspondiente al hidrógeno primario (ver Tabla 8.1). Se puede anticipar,

entonces, que el hidrógeno secundario sería eliminado más fácilmente por el átomo de

cloro que el hidrógeno primario. Sin embargo existe 6 hidrógenos primarios frente

solamente a dos hidrógenos secundarios que pueden ser reemplazados por el cloro. La

reactividad relativa por hidrógeno es entonces:

Una tendencia similar se observa en la monocloración del 2-metilpropano que

proporciona 36 por 100 de cloruro de t-butilo y 64 por 100 de cloruro de isobutilo.

La reactividad relativa de los hidrógenos terciarios y primarios, por hidrógeno,

resulta ser:



114

Por esta razón, las velocidades relativas de reacción de los diferentes tipos de

hidrógenos con el cloro radicalario son tal y como de deduce de los valores de los

calores de disociación de enlace para los distintos tipos de hidrógenos.

terciario secundario primario ( 5.1 : 4 : 1 )

TABLA 8.1.-

ENERGÍA DE DISOCIACIÓN DE ENLACES SIMPLES EN kcal/mol

A:B A· + B·

Compuesto D Compuesto D

H-H 104 (CH3)2CH-H 94.5

D-D 106 (CH3)2CH-F 105

F-F 38 (CH3)2CH-Cl 81

Cl-Cl 58 (CH3)2CH-Br 68

Br-Br 46 (CH3)2CH-I 53

I-I 36 (CH3)2CH-OH 80.5

H-F 136 (CH3)2CH-OCH3 80.5

H-Cl 103

H-Br 87.5 (CH3)3C-H 91

H-I 71 (CH3)3C-Cl 78.5

CH3-H 104 (CH3)3C-Br 63

CH3-F 108 (CH3)3C-I 49.5

CH3-Cl 83.5 (CH3)3C-OH 90.5

CH3-Br 70 (CH3)3C-OCH3 78

CH3-I 56 C6H5CH2-H 85

CH3-OH 91.5 CH2=CHCH2-H 85

CH3-OCH3 80 CH2=CH-H 103

CH3CH2-H 98 C6H5-H 103

CH3CH2-F 106 HCC-H 125

CH3CH2-Cl 81.5 CH3-CH3 88

CH3CH2-Br 69 CH3CH2-CH3 85

CH3CH2-I 53.5 CH3CH2CH2-CH3 85

CH3CH2-OH 91.5 CH3CH2-CH2CH3 82

CH3CH2-OCH3 80 (CH3)2CH-CH3 84

(CH3)3C-CH3 80

CH3CH2CH2-H 98 HO-H 119

CH3CH2CH2-F 106 HOO-H 90

CH3CH2CH2-Cl 81.5 HO-OH 51

CH3CH2CH2-Br 69 CH3CH2O-OCH3 44

CH3CH2CH2-I 53.5

CH3CH2CH2-OH 91.5 CH2=CH2 2CH2: 145

CH3CH2CH2-OCH3 80

Reproducida desde: S. W. Benson, “Bond Energies”, J. Chem. F.d., 42, 502 (1965)



115

Con alcanos más complejos, las mezclas de cloración son irremediablemente

más complejas. Por ello la cloración de alcanos no es una reacción general adecuada

para preparar cloruros de alquilo. Existe un tipo de compuestos para el que la cloración

tiene utilidad práctica en las preparaciones de laboratorio. Cuando todos los hidrógenos

son equivalentes, existe sólo un producto monoclorado posible. En tales casos, el

producto deseado puede ser separado del hidrocarburo y las especies cloradas mediante

la destilación fraccionada de la mezcla. Dos ejemplos son la cloración del ciclohexano y

la del 2,2-dimetilpropano.

El mecanismo de cloración puede ser aplicado también a los otros halógenos,

pero las reacciones muestran importantes diferencias. En la Tabla 8.2 se recogen las

entalpías totales de la halogenación del metano con diferentes halógenos.

TABLA 8.2

CH4 + X2 = CH3X + HX

X (halógeno) Hº = kcal/mol

F

Cl

Br

I

La reacción con el flúor es tan fuertemente exotérmica que resulta difícil llevar a

cabo una fluoración controlada. La yodación está en el extremo opuesto. La reacción del

metano con el yodo es endotérmica.

La bromación del metano es menos exotérmica que la cloración. De los dos

pasos de propagación de la cadena, solamente uno es relativamente exotérmico:

Por consiguiente, la bromación es mucho más lenta que la cloración. Desde el

punto de vista mecanístico el bromo es mucho más selectivo que el cloro en sus

reacciones con otros alcanos. Por ejemplo, la bromación del propano a 330 ºC en fase

de vapor arroja un 92 por 100 de bromuro de isopropilo y solamente un 8 por 100 del

bromuro de n-propilo.

Los pasos de abstracción de hidrógenos para la formación de los dos isómeros son:



116

La selectividad del bromo en comparación con la del cloro se hace más evidente

cuando el alcano tiene hidrógenos terciarios. Por ejemplo, cuando el 2,2,3-

trimetilbutano se somete a bromación, se obtiene más de un 96 por 100 del bromuro de

terciario, a pesar de que el alcano tiene solamente un hidrógeno terciario frente a quince

hidrógenos primarios.

(96 por

100)

Así pues, la bromación es un procedimiento un poco más útil que la cloración

para propósitos preparativos. Sin embargo, cuando existe solamente un hidrógeno

terciario y muchos secundarios en una molécula, se seguirán produciendo mezclas muy

complejas.



117

HALOGENUROS DE ALQUILO

Los halogenuros de alquilo son compuestos que contienen halógeno unido a un

átomo de carbono saturado con hibridación sp3. El enlace C-X es polar, y por tanto los

halogenuros de alquilo pueden comportarse como electrófilos.

Los halogenuros de alquilo pueden obtenerse mediante halogenación por

radicales de alcanos, pero este método es de poca utilidad general dado que siempre

resultan mezclas de productos. El orden de reactividad de los alcanos hacia la cloración

es idéntico al orden de estabilidad de los radicales: terciario secundario primario.

Conforme al postulado de Hammond[1]

, el radical intermedio más estable se forma más

rápido, debido a que el estado de transición que conduce a él es más estable.

Los halogenuros de alquilo también pueden formarse a partir de alquenos. Estos

últimos se unen a HX, y reaccionan con NBS para formar el producto de bromación

alílica. La bromación de alquenos con NBS es un proceso complejo por radicales que

ocurre a través de un radical alilo. Los radicales alilos son estabilizados por resonancia

y pueden representarse de dos maneras, ninguna de las cuales es correcta por sí misma.

La verdadera estructura del radical alilo se describe mejor como una mezcla o híbrido

de resonancia de las dos formas resonantes individuales.

Los alcoholes reaccionan con HX para formar halogenuros de alquilo, pero este

método sólo funciona bien para alcoholes terciarios, R3C-OH. Los halogenuros de

alquilo primarios y secundarios normalmente se obtienen a partir de alcoholes usando

SOCl2 o PBr3. Los halogenuros de alquilo reaccionan con magnesio en solución de éter

para formar halogenuros de alquil-magnesio, o reactivos de Grignard[2]

, RMgX.

Algunos reactivos de Grignard son tanto nucleófilos como básicos, y reaccionan con

ácidos de Bronsted para formar hidrocarburos. El resultado global de la formación del

reactivo de Grignard y su protonación es la transformación de un halogenuro de alquilo

en un alcano (R-X RMgX R-H).

Los halogenuros de alquilo también reaccionan con litio metálico para formar

compuestos de alquil-litio, RLi, que en presencia de CuI forman diorganocupratos o

reactivos de Gilman[3]

, R2CuLi. Estos reaccionan con halogenuros de alquilo para

formar hidrocarburos de acoplamiento como productos.

ESTRUCTURA DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO:

El enlace carbono-halógeno en los halogenuros de alquilo resulta de la

superposición de un orbital de carbono con hibridación sp3 y un orbital de halógeno. Así,

los átomos de carbono de los halogenuros de alquilo tienen configuración geométrica

aproximadamente tetraédrica, con ángulos de enlace H-C-X cercanos a 109º. Los

halógenos aumentan de tamaño al descender en la tabla periódica, incremento que se

refleja en las longitudes de enlaces en la serie de los halometanos.



118

Como los halógenos son más electronegativos que el carbono, el enlace

resultante entre ambos resulta polarizado, el átomo de carbono tiene una ligera carga

positiva (+), mientras que el átomo de halógeno tiene una ligera carga negativa (

-).

Dado que el átomo de carbono de los halogenuros de alquilo está polarizado

positivamente, estos compuestos son buenos electrófilos. Se verá que gran parte de la

química de los halogenuros de alquilo está determinada por su carácter electrófilo.

OBTENCIÓN DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO

1.- A partir de alquenos por bromación alílica.

Ejemplo:

2.- A partir de alquenos por adición de HBr y HCl.

Ejemplo:



119

3.- A partir de alcoholes.

(a) Reacción con HX, donde X = Cl, Br o I; Orden de reactividad: 3º 2º 1º.

Ejemplo:

(b) Reacción de alcoholes primarios y secundarios con SOCl2 en piridina.

Ejemplo:

(c) Reacción de alcoholes primarios y secundarios con PBr3, en éter.

Ejemplo:

1.- BROMACIÓN ALÍLICA DE ALQUENOS.

En 1942, Karl Ziegler[4]

informó que al repetir algunos trabajos previos de

Wohl[5]

, observó que los alquenos reaccionan con N-bromosuccinimida (que se abrevia

NBS) en presencia de luz, para formar productos que resultan de la sustitución de

hidrógeno por bromo en la posición adyacente al doble enlace (la posición alílica). Por

ejemplo, el ciclohexeno se convierte en 3-bromocioclohexeno, con un 85% de

rendimiento:

Cicloheheno 3-bromociclohexeno (85%)



120

Esta bromación alílica con NBS es muy parecida a la reacción de halogenación

de alcanos: En ambos casos se rompe un enlace C-H de un carbono saturado, y el átomo

de hidrógeno es reemplazado por un halógeno. La analogía es adecuada, pues se ha

demostrado que las bromaciones con NBS efectivamente ocurren a través de un

mecanismo por radicales. Si bien el mecanismo exacto de la reacción es complejo, el

paso crucial que determina el producto implica la sustracción de un átomo de hidrógeno

alílico y la formación del radical correspondiente. El radical reacciona luego con Br2

para formar el producto y un radical bromo, que regresa a la reacción para continuar la

cadena. El Br2 necesario para la reacción con el radical alilo es producido por una

reacción concurrente de HBr con NBS.

Mecanismo:

¿Por qué la bromación ocurre exclusivamente en la posición vecina al doble enlace y no

en cualquiera de las otras posiciones? Una vez más, la respuesta se encuentra

examinando las energías de disociación de enlace para ver las estabilidades de los

diversos tipos de radicales.

Además de influir en la estabilidad, la deslocalización de los electrones no

pareados en el radical alilo tiene consecuencias químicas. Dado que el electrón no

pareado está distribuido en ambos extremos de la del sistema de orbitales pi, la

bromación alílica de un alqueno asimétrico con frecuencia produce una mezcla de

productos. Por ejemplo, la bromación del 1-octeno produce una mezcla de 3-bromo-1-

octeno y 1-bromo-2-octeno. Debido a que el radical alilo intermediario es en este caso

asimétrico, la reacción no es igualmente probable en ambos extremos, y los dos

productos no se forman en cantidades iguales.



121

Explicación mecanistica:

Dado que en la bromación de alquenos asimétricos se forman mezclas de

productos, la bromación alílica transcurre mejor en alquenos simétricos, como el

ciclohexeno. Los productos de esas reacciones son particularmente útiles para su

conversión en dienos por deshidrohalogenación con base.

2.- OBTENCIÓN DE HALOGENUROS DE ALQUILO A PARTIR DE

ALCOHOLES.

El mejor método para producir halogenuros de alquilo es la síntesis a partir de

alcoholes. El método más sencillo (aunque generalmente el menos útil) para la

conversión de un alcohol en un halogenuro de alquilo consiste en el tratamiento del

alcohol con HCl, HBr o HI:

El método funciona bien cuando es aplicado a alcoholes terciarios, R3C-OH. Los

alcoholes secundarios y primarios también reaccionar pero a velocidades menores y a

temperaturas de reacción considerablemente altas. La reacción de HX con un alcohol

terciario es tan rápida que a menudo se efectúa simplemente burbujeando el HX gaseoso

puro en una solución fría de alcohol en éter. La reacción suele realizarse en unos

cuantos minutos.



122

La mejor forma de transformar los alcoholes primarios y secundarios en

halogenuros de alquilo es tratándolos con reactivos como el cloruro de tionilo (SOCl2) o

tribromuro de fósforo (PBr3). Estas reacciones normalmente ocurren en condiciones

suaves, menos ácidas, y es menos probable que ocasionen transposiciones catalizadas

por ácido que el método con HX.

Como indican los ejemplos anteriores, el rendimiento de las reacciones con PBr3,

y el SOCl2 generalmente es alto. No suelen interferir otros grupos funcionales como

éteres, carbonilos o anillos aromáticos. Los mecanismo los veremos con más detalles

en capitulas posteriores.

REACCIONES DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO

1.- Formación de reactivos de Grignard.

donde X = Br, Cl, o I

R = Alquilo 1º, 2º, 3º, arilo o vinilo

Ejemplo:

2.- Formación de diorganocupratos (reactivos de Gilman).

R = alquilo 1º, 2º , 3º, arilo o vinilo

Ejemplo:



123

Ejemplo:

3.- Acoplamiento de compuestos organometalicos.

Ejemplo:

4.- Conversión de halogenuros de alquilo en alcanos.

Ejemplo:

Por el momento solo dejaremos anunciadas estas reacciones para los

halogenuros de alquilo, hay otras pero se clasifican de una manera distinta. En capítulos

posteriores se verán muchos usos más de los reactivos de Grignard y otros

organometálicos.

[1]

Geroge S. Hammond; (1921- ); Director for Chemical Dynamics Allied Chemical

Corporation, Ney Yersey [2]

Francois Auguste Victor Grignard (1871-1935); Profesor de la Universidad de Nancy, Lyon, Francia,

Premio Nobel en 1912. [3]

Henry Gilman (1893-1986), Profesor de la Universidad de Iowa State University [4]

Karl Ziegler, (1898-1976), Instituto Max Planck, Alemania, Premio Nobel en 1963. [5]

Alfred Wohl, (1883-1933), n. Graudentz, Alemania, Profesor de la Universidad de Danzig.



124

REACCIONES DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO

(SUSTITUCIONES NUCLEOFÍLICAS)

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA

Las sustituciones nucleofílicas son de dos tipos: reacción SN2 y reacción SN1.

En la primera, el nucleófilo entrante ataca al halogenuro desde una posición a 180º

respecto al grupo saliente, lo que da por resultado una inversión de la configuración

cuando en carbono en cuestión es quiral (análoga a la inversión de un paraguas por el

viento) en el átomo de carbono. La reacción tiene cinética de segundo orden, y es

fuertemente inhibida conforme aumenta el volumen estérico de los reactivos. Por tanto,

las reacciones SN2 se ven favorecidas sólo para sustratos primarios y secundarios.

La reacción SN1 ocurre cuando el sustrato se disocia de manera espontánea para

formar un carbocatión en un paso limitante de la velocidad lento, seguido por un ataque

rápido del nucleófilo. En consecuencia, las reacciones SN1 tienen cinética de primer

orden, y ocurren con racemización de la configuración en el átomo de carbono cuando

éste es quiral. Estas reacciones se ven favorecidas para los sustratos terciarios.

REACCIONES SN2

1.- Estas reacciones ocurren con inversión completa de la estereoquímica del

carbono estereogénico.

2.- Estas reacciones presentan cinética de segundo orden y obedecen a la siguiente

ley de velocidad: Velocidad = k · RX · Nu.

3.- Su mecanismo es en un sólo paso, formándose un estado de transición.

Ejemplos.

El mecanismo es concertado, en un solo paso de reacción.



125

¿Qué mecanismo explica la estereoquímica observada y la cinética de segundo

orden para estas reacciones? En 1937, Hughes e Ingold propusieron la primera

explicación satisfactoria al formular el mecanismo de lo que ellos llamaron reacción

SN2, abreviatura de sustitución nucleofílica bimolecular. (Bimolecular porque, en el

paso cuya cinética se mide, participan dos moléculas: el nucleófilo y el halogenuro de

alquilo).

La característica esencial del mecanismo de reacción SN2 formulado por

Hughes e Ingold es que la reacción transcurre en un solo paso, sin intermedio. Cuando

el nucleófilo entrante ataca el sustrato desde una posición a 180º del grupo saliente, se

forma un estado de transición, en el cual comienza a formarse el enlace nucleófilo

carbono y simultáneamente comienza a romperse el enlace grupo saliente carbono,

invirtiéndose la configuración estereoquímica de la molécula. Este proceso se muestra

para la reacción de (S)-2-bromobutano con ion hidróxido, lo que da por resultado (R)-2-

butanol.

El nucleófilo

-OH utiliza los electrones de su

par no compartido para atacar el carbono del

halogenuro de alquilo en una dirección a 180º del

halógeno saliente. Esto da por resultado un estado

de transición en el cual el enlace C-OH está

parcialmente formado y el enlace C-Br está

parcialmente roto.

La estereoquímica del carbono se invierte a

medida que se forma el enlace C-OH y el ion

bromuro se desprende con el par de electrones del

enlace C-Br original.



126

CARACTERÍSTICAS DE LA REACCIÓN SN2:

El estudiante ya tendrá una buena idea de cómo ocurren las reacciones SN2, pero

también es necesario saber cómo pueden usarse estas sustituciones y qué variables las

afectan. Algunas reacciones SN2 son rápidas y otras son lentas; algunas tienen altos

rendimiento, y otras rendimientos bajos, etc. La velocidad de una reacción química es

determinada por la energía de activación (G), la diferencia de energía entre los

reactivos y el estado de transición. Otros factores son.

EFECTO ESTÉRICO EN LA REACCIÓN SN2.

La primera variable por observar de una reacción SN2 es el volumen estérico del

halogenuro de alquilo. Como la reacción implica la formación de un estado de

transición parece razonable esperar que un sustrato voluminoso, impedido, dificultará el

acercamiento del nucleófilo, y de este modo será más difícil alcanzar el estado de

transición. En otras palabras los sustratos estéricamente voluminosos, en los cuales el

átomo de carbono está protegido contra el ataque del nucleófilo, reaccionan con mayor

lentitud que los sustratos menos impedidos. Como se muestra para los siguientes casos,

la dificultad para el ataque nucleofílico se eleva a medida que aumenta el tamaño de los

tres sustituyentes unidos al átomo de carbono.

Impedimento estérico a la reacción SN2. Como se indican en estos modelos, el átomo

de carbono en (a), bromometano, es fácilmente accesible, lo que da por resultado una

reacción SN2 rápida. Los átomos de carbono en (b), bromoetano (primario), en (c), 2-

bromopropano (secundario) y en (d), 2-bromo-2-metilpropano (terciario), son

sucesivamente menos accesibles, lo que da por resultado reacciones SN2 cada vez más

lentas.

Las reactividades relativas de algunos sustratos son como sigue:



127

CH3-Br CH3-CH2-Br (CH3)2-CH-Br (CH3)3-C-Br

metilo primario secundario terc

iario

Ejemplo: Para la reacción R-Br + Nu- R-Nu + Br

- (SN2)

Grupo R Velocidad relativa

CH3- 30

CH3-CH2- 1

R’-CH2CH2- 0.4

(CH3)2-CH- 0.002

(CH3)3-C- 0.001

(CH3)3-C-CH2- 0.00001

NUCLEÓFILO ATACANTE.

La naturaleza del nucleófilo atacante es una segunda variable con notable efecto

en las reacciones SN2. Cualquier especie que sea neutra o cargada negativamente, puede

actuar como nucleófilo, siempre y cuando tenga un par de electrones no compartidos (es

decir, que sea una base de Lewis). Si el nucleófilo tiene carga negativa, el producto es

neutro, pero si el nucleófilo es neutro el producto queda con carga positiva.

Las especies nucleofílicas cargadas suelen ser mejores nucleófilos que las

especies neutras, entre especies de igual naturaleza el mejor criterio a emplear es el del

número atómico, del tal forma que aquellos que tengan el mayor número atómico serán

mejores especies nucleofílicas que las de menor número atómico.

La nucleofília exacta de una especie en una reacción dada depende de muchos

factores, como la naturaleza del sustrato, la identidad del solvente, e incluso la

concentración de los reactivos. Aunque no hay explicaciones precisas para las

nucleofílias observadas pueden detectarse algunas tendencias en los datos:

1. La nucleofília es aproximadamente paralela a la basicidad cuando se comparan

nucleófilos que tienen el mismo átomo atacante. El ion hidróxido por ejemplo, es

más básico y más nucleófilo que el agua. (Tabla 10.1).

2. La nucleofília suele aumentar al descender por una columna en la tabla periódica.

Así, por ejemplo el HS- es más nucleófilo que el OH

-.

3. La correlación de la nucleofília con la basicidad no es útil para comparar átomos de

una misma familia. Al aumentar el número atómico, aumenta la nucleofilia y

disminuye la basicidad. (Tabla 10.2).

Tabla 10.1.-

Nucleofília

decreciente

Nucleófilos con

átomos de

Nitrógeno

Nucleófilos con

átomos de

Oxígeno

Nucleófilos con

Nitrógeno

frente a

Oxígeno

Basicidad

Decreciente

H2N- C2H5O

- H2N

-



128

C2H5NH2 HO- HO

-

H3N C6H5O- H3N

C6H5NH2 CH3CO2- H2O

p-NO2C6H4NH2 H2O -

Tabla 10.2.-

Nucleofília

decreciente

Nucleófilos del

Grupo (V)

Nucleófilos del

Grupo (VI)

Nucleófilos del

Grupo (VII)

Basicidad

creciente

R3P RS- I

-

R3N RO- Br

-

- - Cl-

- - F-

GRUPO SALIENTE.

Otra variante que puede influir en gran medida en la reacción SN2 es la

naturaleza del grupo saliente. Dado que éste es expulsado con carga negativa en la

mayoría de las reacciones SN2, es de esperar que los mejores grupos salientes sean

aquellos que estabilicen mejor la carga negativa. Más aún puesto que la estabilidad de

un anión se relaciona con la basicidad, puede decirse que los mejores grupos salientes

serán las bases más débiles (a menor pKa del ácido conjugado que genere, (ver Tabla

10.3). Tan importante como saber cuales son buenos grupos salientes es saber cuales no

lo son, los datos anteriores indican con claridad que F-, OH

-, OR

- y NH2

- no son

desplazados por nucleófilos. En otras palabras fluoruros de alquilo, alcoholes, éteres y

aminas no experimentan reacciones SN2 en circunstancias normales.

Tabla 10.3.-

Relación entre la capacidad como grupo saliente y la acidez del ácido conjugado

Grupo Saliente pKa del ác. conjugado Habilidad como G. Saliente

p-CH3C6H4SO3- (OTs)

I-

Br-

H2O

(CH3)2S

Cl-

0

Muy Buenos Grupos

Salientes

CF3CO2- 0.2 “

H2PO4- 2 “

CH3CO2- 4.8 “

CN- 9.1

NH3 9.2

C6H5O- 10 Buenos Grupos Salientes

RNH2, R3N 10

C2H5S- 10.6

HO- 15.7 Malos Grupos Salientes

CH3O- 15.0 “



129

NH2- 36 Muy Malos G. Salientes

CH3- 49 “

DISOLVENTE.

Las velocidades de muchas reacciones SN2 se ven afectadas por el disolvente

que se use. Los disolventes próticos, que contienen grupos -OH, suelen ser los peores

para las reacciones SN2, mientras que los disolventes apróticos polares, que tienen

dipolos fuertes pero carecen de -OH o

-NH, son los mejores.

Los disolventes próticos, como metanol y etanol, retardan las reacciones SN2

porque afectan el nivel de energía del reactivo nucleófilo y no el nivel de energía del

estado de transición. Las moléculas de disolventes próticos son capaces de formar

enlaces de hidrógeno con los nucleófilos cargados negativamente, creando una “jaula”

alrededor del nucleófilo. Esta solvatación estabiliza fuertemente al nucleófilo,

reduciendo su reactividad hacia los electrófilos en la reacción S N2.

Un nucleófilo solvatado

su nucleofília reducida por el incremento en la estabilidad del estado fundamental

En contraste con lo que sucede en el caso de los disolventes próticos, los

disolventes polares apróticos favorecen las reacciones SN2. Son particularmente

valiosos el acetonitrilo, CH3CN, la dimetilformamida, (CH3)2NCHO (DMF), el

dimetilsulfóxido, (CH3)2SO (DMSO); y la hexametilfosforamida (CH3)2N3PO

(HMPA). Estos disolventes son capaces de disolver muchas sales debido a su alta

polaridad, y tienden a rodear a los cationes metálicos en vez de hacerlo con los aniones

nucleófilos, de este modo los nucleófilos no están solvatados y la nucleofilia es mucho

más efectiva.

La polaridad del disolvente es medida generalmente por su constante dieléctrica,

(D), que es una indicación sobre la facilidad del medio de reacción para acomodar

especies cargadas. (ver Tabla 10.4) Las reacciones que transcurren con un mecanismo

SN2, son más favorables en disolventes polares apróticos, y las que transcurren con un

mecanismo SN1 son más favorables en disolventes polares en general, ya que el paso

que controla la velocidad es la formación de un carbocatión.

Tabla 10.4.-

POLAR Disolventes Próticos Cte. Dieléctrica a 25ºC Disolventes apróticos.

H2O 81

HCO2H 59

45 (CH3)2SO (DMSO)

39 CH3CN



130

37 HCON(CH3)2 (DMF)

CH3OH 33

30 HMPA

CH3CH2OH 24

23 (CH3)2CO (Acetona)

(CH3)2CHOH 18

(CH3)3COH 11

7 THF

CH3CO2H 6

4 (C2H5)2O (éter)

2 n-C5H12; C6H6; Ccl4

NO POLAR (APOLAR)

Obsérvese que a mayor constante dieléctrica, mayor es la polaridad, es decir un

mayor poder de ionización del disolvente, según el poder ionizante del disolvente y el

tipo de reacción que se esté tratando los efectos del medio de reacción sobre las

velocidades de las reacciones de sustitución nucleófila son:

Mecanismo

Reacción

Efecto de incrementar el

poder ionizante del

disolvente (Polaridad)

SN1 R-L R+ + L- Gran aceleración

SN2 Nu- + R-L R-Nu + L- Pequeña deceleración

SN2 Nu + R-L R-Nu+ + L

- Gran aceleración

SN2 Nu- + R-L

+ R-Nu + L Gran deceleración

REACCIONES SN1

Es notable el hecho de que el panorama es del todo distinto cuando se utilizan

diferentes condiciones de reacción. Cuando se tratan en disolventes próticos con

nucleófilos no básicos en condiciones de neutralidad o acidez, los sustratos terciarios a

menudos reaccionan varios miles de veces más rápido que los primarios o secundarios.

Por ejemplo la reacción de los alcoholes con HX para obtener halogenuros de alquilo

tiene la rapidez máxima en el caso de alcoholes terciarios y la mínima en el caso del

metanol:

R-OH + HX R-X + H2O

R3COH R2CHOH RCH2OH CH3OH

3º 2º 1º Metanol

Más reactivo Menos reactivo

La misma tendencia se observa en muchas reacciones de sustitución en las

cuales los sustratos se calientan con nucleófilos no básicos en solventes próticos: Los

sustratos terciarios reaccionan mucho más rápido que los primarios o secundarios. Por

ejemplo, a continuación se presentan las velocidades relativas de reacción con agua de

algunos halogenuros de alquilo. Se observa que el 2-bromo-2-metilpropano es más de

un millón de veces más reactivo que el bromoetano.

R-Br + H2O R-OH + H-Br



131

(CH3)3CBr (CH3)2CHBr CH3CH2Br CH3Br

Reactividad relativa 1,200 0,012 0,001 0,0001

¿Qué sucede? Es claro que se trata de reacciones de sustitución nucleofilica,

aunque el orden de reactividad parece invertido. Estas reacciones no pueden estar

ocurriendo por el mecanismo que hemos venido considerando, y por tanto se concluye

que existe un mecanismo de sustitución alternativo. Este mecanismo alternativo se

llama reacción SN1 (que indica sustitución nucleofilica unimolecular).

CINÉTICA DE LA REACCIÓN SN1.

Se encuentra que la velocidad de la reacción depende sólo de la concentración

del halogenuro de alquilo y es independiente de la concentración del nucleófilo. En

otras palabras, esta reacción es un proceso de primer orden. Sólo una molécula participa

en el paso cuya cinética se determina. La expresión para la velocidad puede escribirse

como sigue:

Velocidad de reacción = Rapidez de desaparición del halogenuro de alquilo = k · RX

La rapidez de esta reacción SN1 es igual a un coeficiente de velocidad k por la

concentración del halogenuro de alquilo. La concentración del nucleófilo no aparece en

la expresión de velocidad. Muchas reacciones orgánicas son muy complejas y

transcurren en pasos sucesivos. Uno de estos pasos suele ser más lento que los otros, y

se le llama paso limitante de la velocidad. Ninguna reacción puede transcurrir más

rápido que su paso limitante de velocidad, el cual actúa como un cuello de botel la.

Diagrama de energía para una reacción SN1. El paso limitante de la velocidad es la

disociación del halogenuro de alquilo.



132

ESTEREOQUÍMICA DE LA REACCIÓN SN1.

Si es correcto el postulado de que las reacciones SN1 ocurren a través de

carbocationes intermediarios, las consecuencias estereoquímicas deben ser distintas de

las propias de las reacciones SN2. Los carbocationes son especies planares con

hibridación sp2, y por tanto son aquirales. De este modo, si se efectúa una reacción SN1

con un enantiómero de un reactivo quiral y se pasa por un intermediario simétrico

aquiral, el producto debe ser ópticamente inactivo. El carbocatión intermediario

simétrico puede ser atacado por un nucleófilo indistintamente por el lado derecho o por

el lado izquierdo, lo que produce una mezcla 50 : 50 de enantiómeros; es decir, una

mezcla racémica.

CARACTERÍSTICAS DE LA REACCIÓN SN1.

Así como la reacción SN2 es fuertemente influida por variables como disolvente,

grupo saliente, estructura del sustrato y naturaleza del nucleófilo atacante, también lo es

la reacción SN1. Los factores que reducen la energía de activación , ya sea estabilizando

el estado de transición que conduce a la formación del carbocatión intermediario o

elevando el nivel de energía de los reactivos, favorecen las reacciones SN1 haciéndolas

más rápidas. A la inversa, los factores que incrementan la energía de activación, ya sea

desestabilizando el estado de transición que conduce al carbocatión intermedio o

reduciendo el nivel de energía de los reactivos, retardando la reacción S N1.



133

SUSTRATO.

Según el postulado de Hammond, cualquier factor que estabilice un

intermediario de alta energía estabilizará también el estado de transición que conduce a

dicho intermediario. Dado que el paso limitante de la velocidad en la reacción SN1 es la

disociación unimolecular espontánea del sustrato, es de esperar que la reacción se vea

favorecida siempre que se formen carbocationes intermediarios estabilizados. Esto es

exactamente lo que se observa: cuanto más estable es el carbocatión intermediario, tanto

más rápida es la reacción SN1.

Como resultado de la estabilización por resonancia en los carbocationes alílicos

y bencílicos, los carbocationes tienen el siguiente orden de estabilidad. Nótese que un

carbocatión alílico o bencílico primario es casi tan estable como un carbocatión alquilo

secundario. De manera similar, un carbocatión alílico o bencílico secundario es tan

estable como un carbocatión alquilo terciario.

El orden de estabilidad de los carbocationes es exactamente igual al orden de

reactividad en las reacciones SN1 de los halogenuros de alquilo y los tosilatos. Haciendo

un paréntesis, debe mencionarse que los sustratos alílicos y bencílicos son

particularmente reactivos en las reacciones SN2 así como en las SN1. Los enlaces C-X

alílicos y bencílicos son aproximadamente 10 kcal/mol más débiles que los

correspondientes enlaces saturados, y por tanto se rompen con mayor facilidad.

GRUPO SALIENTE.

Durante el estudio de la reactividad SN2, se dedujo que los mejores grupos

salientes deberían ser los más estables -es decir, las bases conjugadas de ácidos fuertes-.

Para la reacción SN1 se encuentra un orden de reactividad idéntico, debido a que el

grupo saliente participa de manera decisiva en el paso limitante de la velocidad. Así, se

encuentra que el orden de reactividad SN1 es:

TosO- I

- Br

- Cl

- H2O

Más reactivo Menos reactivo

Nótese que en la reacción SN1, la cual a menudo se realiza en condiciones ácidas,

el agua (neutra) puede actuar como grupo saliente. Este es el caso, por ejemplo, cuando

se elabora un halogenuro de alquilo a partir de un alcohol terciario, por reacción con

HBr o HCl. El alcohol se protona primero y después pierde agua para generar un



134

carbocatión. La reacción posterior del carbocatión con el ion halogenuro produce el

halogenuro de alquilo.

Mecanismo de la reacción SN1 de un alcohol terciario con HBr para formar un

halogenuro de alquilo. El grupo saliente es agua (neutra).

NUCLEÓFILO.

La naturaleza del nucleófilo atacante es decisiva en la reacción SN2. En la

reacción SN1 no lo es. Por su propia naturaleza las reacciones SN1 proceden a través de

un paso determinante de la velocidad en el cual el nucleófilo agregado no interviene en

la cinética. El nucleófilo no participa en la reacción hasta que ha ocurrido la disociación

limitante de la velocidad. No importa su naturaleza nucleofilica.

DISOLVENTE.

El efecto del disolvente tiene una gran importancia en las reacciones SN1, pero

de manera muy distinta a las reacciones SN2. El postulado de Hammond establece que

cualquier factor que estabilice el carbocatión intermediario incrementará la velocidad de

reacción. La solvatación -estabilización del carbocatión por interacción con

moléculas del solvente- puede tener exactamente tal efecto. Si bien no es fácil definir la

naturaleza precisa de la estabilización del carbocatión por el solvente, podemos

representar las moléculas de este último orientadas alrededor del catión, de manera que

los extremos ricos en electrones de los dipolos del solvente queden frente a la carga

positiva.



135

Solvatación de un carbocatión en agua. Los átomos de oxígeno (ricos en electrones)

del solvente rodean al catión (con carga positiva) para estabilizarlo.

Las reacciones SN1 ocurren con mucho mayor rapidez en solventes altamente

polares que en solventes no polares. Por ejemplo, en la reacción del 2-cloro-2-metil-

propano se observa un factor de incremento de 100.000 al pasar al del etanol, un

solvente polar, al agua, aún más polar.

(CH3)3C-Cl + ROH (CH3)3C-OR + HCl

Agua Etanol acuoso al 80 % Etanol acuoso al 40 % Etanol puro

100 14 0.1 0.001

Más reactivo REACTIVIDAD Menos reactivo

Debe insistirse en el hecho de que tanto en la reacción SN1 como en la SN2 el

solvente ejerce un gran efecto, aunque por razones distintas. Las reacciones SN2 son

desfavorecidas por los solventes próticos debido a que el nivel de energía del estado

fundamental del nucleófilo atacante disminuye por solvatación. Las reacciones SN1, en

contraste, son favorecidas por los solventes próticos debido a que el nivel de energía del

estado de transición que conduce al carbocatión intermediario disminuye por la

solvatación.



136

RESUMEN

Características SN1 SN2

Mecanismo

En dos pasos, uno lento y

otro rápido

I)lento R-L R+ + L

-

II)Rápido R+ + Nu

- RNu

En un solo paso

R-L + Nu- R-Nu + L

-

Cinética

De primer orden

De segundo orden

Nucleofilia del reactivo

No afecta a la velocidad

Controla la velocidad,

conjuntamente con el

sustrato.

Estructura del átomo de

carbono saturado

(sustrato)

1) Estabilización por

resonancia

2) FAVORABLE 3º 2º 1º

1) Impedimento estérico

desvaforable

2) CH3 1º 2º 3º

Efectos del disolvente

Favorecida por disolventes

ionizantes (polares)

Favorecidas en disolventes

apróticos.

Estereoquímica

Racemización

Inversión

Condiciones de reacción

Generalmente ácidas

Generalmente básicas.

Reacciones de

competitivas

Eliminación (E1) y

Transposición

Eliminación (E2)



137

HALOGENUROS DE ALQUILO (REACCIONES DE ELIMINACIÓN)

REACCIONES DE ELIMINACIÓN:

Cuando un nucleófilo o una base de Lewis atacan a un halogenuro de alquilo,

son posibles dos tipos de reacciones. El reactivo puede atacar al átomo de carbono y

sustituir al halogenuro, o puede atacar a un hidrógeno y causar la eliminación de HX

para formar un alqueno.

Las reacciones de eliminación son más complejas que las de sustitución, por

varias razones. Existe el problema de la regioquímica: ¿Qué productos resultarán de la

deshidrohalogenación de halogenuros asimétricos? En efecto, las reacciones de

eliminación casi siempre producen mezclas de alqueno y usualmente lo más que puede

hacerse es predecir cuál será el producto principal.

Conforme a una regla formulada por el químico ruso Alexander Zaitsev[1]

, las

reacciones de eliminación inducidas por base generalmente tienen como producto el

alqueno más sustituido; es decir, el alqueno con más sustituyentes alquilo en los

carbonos del doble enlace, conocida como regla de Zaitsev. En los siguientes dos

ejemplos el alqueno predominante es el alqueno más sustituido cuando se usa como

base etóxido de sodio en etanol.



138

La eliminación de HX a partir de halogenuros de alquilo es una reacción

general que constituye un excelente método para elaborar alquenos. Sin embargo, este

asunto es complejo, y las reacciones de eliminación pueden proceder en una variedad de

rutas mecanísticas. En este apartado consideraremos dos de ellas en primera instancia,

las reacciones E1 y E2.

REACCIÓN E2:

La reacción E2 significa eliminación bimolecular y se realiza cuando un

halogenuro de alquilo se trata con una base fuerte como el ion hidróxido (-OH) o ion

alcóxido (-OR). Es la vía de eliminación más común. Al igual que la reacción SN2, la

reacción E2 es un proceso en un paso, sin intermedios pero con un estado de transición.

Cuando la base atacante empieza a sustraer un protón del carbono vecino al grupo

saliente, el enlace C-H comienza a romperse, empieza a formarse un nuevo doble enlace

C-C, y el grupo saliente empieza a separarse, llevándose consigo el par de electrones del

enlace C-X.

Una evidencia que apoya este mecanismo es la cinética de reacción. Dado que

tanto la base como el halogenuro de alquilo participan en el paso limitante de la

velocidad, las reacciones E2 presentan cinética de segundo orden:

Velocidad = k · RX · Base

Una segunda evidencia y más sólida la constituye la estereoquímica de las

eliminaciones E2. Como indican una gran cantidad de datos experimentales, las

reacciones E2 son estereoesfecíficas. La eliminación siempre procede a partir de una

configuración geométrica periplanar, lo cual significa que los cuatro átomos

reaccionantes -el hidrógeno, los dos carbonos y el grupo saliente- se encuentran en un

mismo plano. Existen dos de tales configuraciones: la periplanar sin, (eclipsada, mayor

energía), y la periplanar anti, (alternada de menor energía). De las dos, la

configuración anti es energéticamente la preferida de la molécula.



139

La base (B:) ataca un hidrógeno vecino

y comienza a sustraer el hidrógeno al

mismo tiempo que empieza a formarse el

doble enlace del alqueno y empieza a

separarse el grupo X.

El alqueno neutro se produce cuando

está totalmente roto el enlace C-H y el

grupo X se ha separado llevándose el par

de electrones del enlace C-X.

La configuración periplanar anti de las eliminaciones E2 tiene consecuencias

estereoquímicas bien definidas que constituyen una sólida evidencia en favor del

mecanismo propuesto. Considérese por ejemplo el meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletano,

que experimenta una eliminación E2 cuando se trata con base para formar sólo el

alqueno E (con los dos grupos fenilo en cis) puro no se forma nada del alqueno

isomérico Z, debido a que el estado de transición que conduce al alqueno Z tendría que

tener configuración periplanar sin.

REACCIONES DE ELIMINACIÓN Y CONFORMACIÓN DEL

CICLOHEXANO.

La configuración periplanar anti de las reacciones E2 es de particular

importancia en los anillos de ciclohexano, en los cuales la estructura rígida tipo silla

fuerza una relación específica entre los sustituyentes de átomos de carbono vecinos.

Derek Barton[2]

señaló en 1960 en un artículo decisivo que gran parte de la reactividad



140

química de los cicloalcanos sustituidos es controlada por efectos conformacionales. A

continuación se considera la deshidrohalogenación E2 de los clorociclohexanos para ver

el efecto de la conformación sobre la reactividad.

El requisito periplanar anti para las reacciones E2 puede satisfacerse en los

ciclohexanos sólamente si el hidrógeno y el halógeno son diaxiales trans. Si el

halógeno o el hidrógeno son ecuatoriales, la eliminación E2 no puede ocurrir.

Cloro axial : H y Cl son periplanar anti

Cloro ecuatorial : H y Cl no son periplanar anti

Requisitos geométricos para la reacción E2 en los ciclohexanos. Tanto el grupo

saliente como el hidrógeno deben ser axiales para que ocurra la eliminación

periplanar anti.

EFECTO ISOTÓPICO DEL DEUTERIO.

Una evidencia final en apoyo del mecanismo E2 la constituye el fenómeno

conocido como efecto isotópico de deuterio. Se sabe que un enlace carbono-hidrógeno

es más débil en una pequeña cantidad (alrededor de 1.2 kcal/mol) que un enlace

carbono-deuterio correspondiente. Así, un enlace C-H se rompe con mayor facilidad

que un enlace equivalente C-D, y por lo tanto la rapidez de ruptura del enlace C-H es

mayor.

La eliminación de HBr inducida por base del 1-bromo-2-feniletano procede 7.11

veces más rápido que la eliminación correspondiente de DBr a partir de 1-bromo-2,2-

deuterio-2-feniletano:



141

Este resultado indica que el enlace C-H (o C-D) se rompe en el paso limitante de

la velocidad, y en consecuencia es del todo consistente con el mecanismo propuesto, es

decir en un solo paso.

REACCIÓN E1:

Las eliminaciones E1 se inician con la disociación espontánea de un halogenuro,

parecida a una reacción SN1, pero en este caso a la disociación sigue la pérdida de un

protón del carbocatión intermedio. En efecto el mecanismo E1 normalmente ocurre en

competencia con la reacción SN1 cuando un halogenuro de alquilo se trata con un

nucleófilo no básico en un solvente prótico. Así, los mejores sustratos son aquellos que

también se someten a la reacción SN1, y casi siempre se obtienen mezclas de productos.

Por ejemplo, cuando el 2-cloro-2-metilpropano se calienta a 65ºC en etanol

acuoso al 80%, se obtiene una mezcla de 2-metil-2-propanol (SN1) y 2-metilpropeno

(E1):

Se han obtenido muchas evidencias en apoyo del mecanismo E1. Como es de

esperar, las reacciones E1 presentan cinética de primer orden consistente con un proceso

de disociación espontáneo:

Velocidad = k · R-X

Una segunda evidencia es la estereoquímica de las eliminaciones. A diferencia

de la reacción E2, en las que se requiere una configuración periplanar, en la reacción E1

no existe un requisito geométrico; el carbocatión intermedio puede perder cualquier

protón disponible de una posición vecina. Por tanto, es de esperar que se obtenga el

producto más estable (regla de Zaitsev) en una reacción E1, lo cual es justamente lo que

se observa. La cinética es de primer orden pero su mecanismo es en dos etapas:



142

DESHIDRATACIÓN DE ALCOHOLES A ALQUENOS:

Para que un sustrato experimente una reacción E1 es necesario que posea un

buen grupo saliente, cuya marcha origine un carbocatión estable. Los alcoholes no

sufren eliminación en condiciones neutras o alcalinas, debido a que el -OH no es un

buen grupo saliente. No obstante, en un medio ácido los alcoholes se protonan en el

oxígeno para dar iones oxonio, capaces de perder agua (H2O), un excelente grupo

saliente.

Así, la reacción de los alcoholes 2ario

y 3ario

con un exceso de un ácido fuerte

constituyen un método establecido para la síntesis de alquenos. Suelen emplearse los

“ácidos sulfúricos y fosfóricos”. La temperatura elevada acelera la reacción y favorece

la eliminación, además, permite que el alqueno destile a medida que se forma, lo que

evita las reacciones secundarias.

Ejemplos:

1.-

2.-

3.-



143

En los ejemplos 2 y 3, los resultados están de acuerdo con lo esperado, es decir

la obtención del alqueno más sustituido. Los productos predominantes en el ejemplo 3

se han formado a través de una transposición, lo que demuestra que en la reacción han

intervenido carbocationes como intermedios.

Transposiciones a través de carbocationes: Una propiedad común de los

carbocationes es experimentar transposiciones, siempre y cuando sean capaces de

generar un carbocatión mucho más estable que el precursor.

Transposición de Hidrógeno

Transposición de Metilo

COMPARACIÓN ENTRE LAS REACCIONES E1 y E2.

Características E1 E2

Mecanismo Dos pasos, Intermedio tipo

carbocatión

Un paso, eliminación

concertada, con estado de

transición

Cinética Primer orden Segundo orden



144

Transposiciones En ocasiones Nunca

Sustratos Haluros, Tosilatos, alcoholes

en medio ácido

Haluros, tosilatos, hidróxidos

de tetraalquilamonio

Características estructurales

favorables

Halogenuros 3º, y empleando

disolventes polares

Elevada concentración de

base.

Competencia Reacción SN1 Reacción SN2

Correlación entre estructura y reactividad para reacciones de sustitución y de

eliminación.

Tipo de

halogenuro

SN1 SN2 E1 E2

R-CH2-X

(primario)

No ocurre

Altamente

favorecida

No ocurre

Ocurre cuando se

emplean bases

fuertes

R2-CH-X

(secundario)

Puede ocurrir con

halogenuros

bencílicos y

alílicos

Ocurre en

competencia con

la reacción E2

Puede ocurrir con

halogenuros

bencílicos y

alílicos

Es favorecida

cuando se usan

bases fuertes

R3-C-X

(terciario)

Es favorecida en

solventes

hidroxílicos

No ocurre

Ocurre en

competencia con

la reacción SN1

Es favorecida

cuando se

emplean bases

OTRAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN:

En las reacciones de eliminación E1 y E2, el producto obtenido

mayoritariamente resulta ser el alqueno más sustituido, pero en muchas ocasiones por

interés sintético es necesario obtener un alqueno menos sustituido en forma mayoritaria.

En tal caso, los métodos anteriores no resultan útiles, y hay que recurrir a otros métodos

descritos en la literatura científica, de los cuales resumiremos algunos.

A.- ELIMINACIÓN DE HOFMANN

La pérdida de una trialquilamina y un átomo de hidrógeno en respecto del

nitrógeno a partir de una sal de amonio cuaternario conduce a un alqueno mediante la

reacción conocida generalmente como eliminación de Hofmann[3]

.

La reacción transcurre normalmente por mecanismo E2 y sigue la preferencia

estereoelectrónica para la eliminación anti. Cuando existen dos tipos diferentes de

hidrógenos en respecto al nitrógeno cuaternario, la eliminación conduce generalmente

al predominio del alqueno menos sustituido. De hecho, Hofmann propuso su regla

sobre la orientación de la eliminación en 1851 como consecuencia de sus estudios sobre

eliminaciones a partir de sales de amonio cuaternario.



145

La eliminación puede conseguirse tratando una sal de amonio cuaternario con

una base fuerte, si bien es más normal utilizar el hidróxido de amonio cuaternario como

reactivo, con lo que se requiere base externa. El rendimiento en alqueno es

generalmente alto. La reacción posee una utilidad limitada para la síntesis de alquenos,

ya que a menudo es más fácil emplear productos de partida más asequibles. (el

mecanismo será estudiado en el capítulo dedicado a las aminas).

B.- ELIMINACIÓN PIROLÍTICA

Ciertos precursores de alquenos no requieren un reactivo externo que promueva

la eliminación. Los ésteres y los óxidos de amina constituyen dos ejemplos de tales

sustratos. En esos casos, la calefacción aporta suficiente energía para que el grupo

saliente actúe como una base intramolecular. La ruptura térmica de una molécula se

conoce como pirólisis.

Cuando se calienta un éster (300 - 600º), generalmente un acetato que contiene

un átomo de hidrógeno en en su porción alcohólica, se forman un alqueno y un ácido

carboxílico. Se cree que la reacción transcurre de forma concertada a través de un

estado de transición cíclico de seis miembros. Tales reacciones de eliminación pirolítica

se designan a menudo como Ei-eliminación, interna. La reacción es estereoespecifica,

el mecanismo cíclico intramolecular requiere coplanaridad sin de los grupos que se

pierden.

Mecanismo: de la pirólisis de ésteres.

La pirólisis de óxidos de amina (La Reacción de Cope) es un método de

síntesis de alquenos muy relacionado con la pirólisis de ésteres. El átomo de oxígeno de

un óxido de amina posee una carga negativa formal y puede actuar como una base

interna.

Otros ejemplos:



146

Acetato de treo-2-deuterio E-Estilbeno (trans)

-1,2-difeniletilo

Acetato de Eritro-2-deuterio E-1-Deuterioestilbeno (trans)

-1,2-difeniletilo

El mecanismo de la reacción de Cope será estudiado en capítulo dedicado a las amina.

C.- DESHALOGENACIÓN

En las reacciones de 1,2-eliminación más comunes, el protón es uno de los dos

grupos que se pierde. Cuando en un sustrato están presentes dos átomos de halógeno, la

reacción con base puede conducir a una doble deshidrohalogenación. El ciclohexadieno

se prepara de esta manera a partir del 1,2-dibromociclohexano.

No obstante, si se trata el mismo 1,2-dihalogenuro con yoduro potásico, un

reactivo relativamente no básico, se obtiene ciclohexeno, una monoolefina. La

eliminación de dos átomos de halógeno produce una deshalogenación.

La deshalogenación mediante ion yoduro es un proceso estereoespecífico que

transcurre con un curso estereoquímico anti. El yoduro actúa de la misma manera que la

base en la deshidrohalogenación. En esta reacción E2, la pérdida de los dos átomos de

halógeno está sincronizada con la formación del doble enlace.

El ion yoduro y el cinc metálico son los reactivos más comúnmente utilizados

para la deshalogenación.

D.- DESHIDROGENACIÓN CATALÍTICA.

La eliminación de hidrógeno a partir de un hidrocarburo es un importante

proceso industrial. La deshidrogenación se lleva a cabo a temperaturas elevadas sobre

catalizadores compuestos normalmente de óxidos metálicos. La tecnología de este tipo

de procesos catalíticos continuos es muy sofisticada. Los factores críticos para controlar

los rendimientos y los productos secundarios son la temperatura, la composición del



147

catalizador y la velocidad de flujo a través del reactor. El vapor de agua y el nitrógeno

son dos gases portadores utilizados para arrastrar los productos de partida y los

productos de reacción (entre ellos hidrógeno) a través del catalizador. La naturaleza y

concentración de estos gases “inertes” son a menudo variables importantes de la

reacción.

[1]

Alexander M. Zaitsev (o Saytzeff) (1841-1910); n. Kazán, Rusia. [2]

Derek H. R. Barton (1918- ); n. Gravesend, Inglaterra; Premio Nobel (1960). [3]

August W. von Hofmann, (1818-1892), Profesor de la Universidad de Berlín, Alemania.



148

ALCOHOLES Y TIOLES

Los alcoholes son compuestos que tienen grupos hidroxilo unidos a átomos de

carbono saturado, con hibridación sp3. Esta definición excluye deliberadamente a los

fenoles (grupo hidroxilo unidos a anillos aromáticos) y a los enoles (grupo hidroxilo

unidos a un carbono vinílico), debido a que la química de estos tres tipos de compuestos

es muy diferente. Los alcoholes pueden considerarse los derivados orgánicos del agua,

donde uno de los hidrógenos es sustituido por un grupo orgánico: H-O-H pasa a ser R-

O-H.

Los alcoholes están ampliamente distribuidos en la naturaleza y tienen muchas

aplicaciones industriales y farmacéuticas. El etanol, por ejemplo, es una de las

sustancias orgánicas más simples y mejor conocidas, y se usa como aditivo de

combustibles, como disolvente industrial y en las bebidas; el mentol, un alcohol aislado

de la menta, se usa mucho como saborizante y en perfumería; y el colesterol, un alcohol

esteroide cuya fórmula tiene aspecto complicado, se considera un agente que causa

enfermedades del corazón.

PROPIEDADES DE LOS ALCOHOLES: PUENTE DE HIDRÓGENO

Como ya se comentó, los alcoholes se pueden considerar derivados del agua, en

el sentido de que uno de los hidrógenos ha sido reemplazado por un grupo orgánico. De

este modo los alcoholes tienen casi la misma configuración geométrica del agua. El

ángulo de enlace R-O-H tiene aproximadamente el valor tetraédrico (109º en el metanol,

por ejemplo), y el átomo de oxígeno presenta hibridación sp3.

Los alcoholes son muy distintos de los hidrocarburos y de los halogenuros de

alquilo. No sólo su química es mucho más rica, sino que sus propiedades físicas son

también diferentes. En la Tabla 12.1, se comparan los puntos de ebullición de algunos

alcoholes, alcanos y cloroalcanos simples, se ve que los alcoholes tienen puntos de

ebullición mucho mayores

TABLA 12.1.-

Puntos de ebullición de alcanos, cloroalcanos y alcoholes (ºC)

Grupo alquilo, R Alcano, R-H Cloroalcano, R-Cl Alcohol. R-OH

CH3-

-162

-24

64.5

CH3CH2- -88.5 12.5 78.3

CH3CH2CH2- -42 46.6 97



149

(CH3)2CH- -42 36.5 82.5

CH3CH2CH2CH2- -0.5 83.5 117

(CH3)3C- -12 51 83

La causa de sus puntos de ebullición altos es que los alcoholes, al igual que el

agua, están muy asociados en solución debido a la formación de los llamados puentes

de hidrógeno. El átomo de hidrógeno de un grupo -OH en una molécula está polarizado

positivamente, y forma un enlace débil (“puente de hidrógeno”) con el átomo de

oxígeno polarizado negativamente de otra molécula. Aunque los puentes de hidrógeno

tienen una energía de sólo 5 kcal/mol, en contraste con las 103 kcal/mol de un enlace O-

H típico, la presencia de muchos puentes de hidrógeno significa que se debe agregar

energía extra para romperlos durante la ebullición.

Puentes de hidrógeno en los Alcoholes.

PROPIEDAD DE LOS ALCOHOLES: ACIDEZ Y BASICIDAD

Como el agua los alcoholes son débilmente ácidos y débilmente básicos. Como

bases de Lewis débiles, los alcoholes son protonados reversiblemente por los ácidos

para formar iones oxonio, R-OH2+. Como podría esperarse, los alcoholes protonados

son mucho más reactivos que los alcoholes neutros hacia los nucleófilos, debido a que

portan carga positiva.

Como ácido débiles, los alcoholes actúan como donadores de protones. En

solución acuosa diluida, se disocian ligeramente donando un protón al agua.

Los efectos inductivos también son importantes para determinar la acidez de los

alcoholes. Por ejemplo, los sustituyentes halógeno, atrayentes de electrones, estabilizan

un anión alcóxido ayudando a dispersar la carga en una área grande, y haciendo así más

ácido al alcohol. Este efecto inductivo puede observarse comparando la acidez del

etanol (pKa = 16) con la del 2,2,2-trifluoroetanol (pKa = 12.43), o la del terc-butílico

(pKa = 18) con la del perfluoro-2-metil-2-propanol (pKa = 5.4). (véase Tabla 12.2)



150

TABLA 12.2.-

Constantes de acidez de algunos alcoholes

Alcohol pKa

(CH3)3COH

CH3CH2OH

HOH (agua)

CH3OH

CF3CH2OH

(CF3)3COH

HCl

18.00 Ácido débil

16.00

15.74

15.54

12.43

5.4

-7.00 Ácido fuerte

Los grupos atrayentes de electrones estabilizan el

alcóxido y reducen el pKa.

pKa = 5.4 pKa = 18

Puesto que los alcoholes son mucho más débiles que los ácidos carboxílicos o

los ácidos minerales, no reaccionan con bases débiles como aminas, ion bicarbonato o

hidróxido metálico. Sin embargo, reaccionan con metales alcalinos y con bases fuertes

como hidruro de sodio (NaH), aminas de sodio (NaNH2), reactivos de alquil-litio (RLi)

y reactivos de Grignard (RMgX). Las sales metálicas de los alcoholes son por sí mismas

bases fuertes, por lo que a menudo se usan como reactivos en química orgánica.

Ejemplos:

RESUMEN DE LAS REACCIONES DE LOS ALCOHOLES:

I.- SÍNTESIS DE ALCOHOLES

REACCIÓN EJEMPLO

a.- Reducción de compuestos carbonílicos

(1) Aldehídos



151

Un alcohol primario

(2) Cetonas

Un alcohol secundario

(3) Ésteres

Un alcohol primario

(4) Ácidos carboxílicos

Un alcohol primario

b.- Adición de reactivos de Grignard a compuestos

carbonílicos.

(1) Formaldehí do

Un alcohol primario

(2) Aldehídos

Un alcohol secundario

(3) Cetonas



152

Un alcohol terciario

(4) Ésteres

Un alcohol terciario

II.- REACCIONES DE LOS ALCOHOLES

a.- Acidez

ROH + NaH RO-Na

+ + H2

ROH + Na RO-Na

+ + H2

Alcóxidos

b.- Deshidratación

(1) Alcoholes terciarios

(2) Alcoholes secundarios y terciarios

c.- Oxidación

(1) Alcohol primario

Aldehído

Un ácido carboxílico

(2) Alcohol secundario



153

Una cetona

III.- SÍNTESIS DE LOS TIOLES

IV.- REACCIONES DE LOS TIOLES

a.- Oxidación de tioles a disulfuros

b.- Otras homologas a la de los alcoholes

OBTENCIÓN DE ALCOHOLES POR REDUCCIÓN DE GRUPOS CARBONILOS.

El método más generalizado para producir alcoholes es la reducción de

compuestos carbonilicos:

Donde H es una agente reductor generalizado

Una reducción orgánica es una reacción en la cual se incrementa el contenido

de hidrógeno o disminuye el de oxígeno, nitrógeno o halógeno de una molécula. A la

inversa, una oxidación orgánica es una reacción en la cual disminuye el contenido de

hidrógeno o se incrementa el de oxígeno, nitrógeno o halógeno de una molécula.

Se dispone de muchos reactivos para reducir cetonas y aldehídos a alcoholes,

pero usualmente se elige el borohidruro de sodio, NaBH4, debido a la seguridad y la

facilidad de su manejo. Este compuesto es un sólido cristalino blanco que se puede

manipular y pesar sin peligro en atmósfera abierta y usar en agua o en solución

alcohólica. Suelen obtenerse altos rendimientos de alcohol. El hidruro de aluminio y

litio, LiAlH4, es un polvo blanco soluble en éter y tetrahidrofurano, es otro agente

reductor que se usa algunas veces para reducción de cetonas y Aldehídos. Si bien es más

potente y reactivo que el NaBH4, el LiAlH4 es también peligroso, y debe ser manejado

por personas experimentadas. Reacciona violentamente con el agua, se descompone

cuando se calienta a más de 125ºC. No obstante estos inconvenientes, el LiAlH4 es un

reactivo en extremo valioso y usa adiario en cientos de laboratorios.



154

Los ésteres y los ácidos carboxílicos pueden reducirse para formar alcoholes

primarios. Estas reacciones son más difíciles que las reducciones correspondientes de

Aldehídos y cetonas. Por ejemplo, el borohidruro de sodio reduce lentamente los ésteres

y no reduce los ácidos. Así, las reducciones de los ésteres y los ácidos carboxílicos

usualmente se realizan con hidruro de litio y aluminio. Todos los grupos carbonilos,

incluyendo ésteres, ácidos, cetonas y aldehidos, se reducen por medio de LiAlH4 con

alto rendimiento, como lo indican los siguientes ejemplos:

Mecanismo de la reducción con NaBH4 :

Mecanismo de la reducción con LiAlH4:



155

OBTENCIÓN DE ALCOHOLES POR ADICIÓN DE REACTIVOS DE GRIGNARD

A GRUPOS CARBONILOS.

Los reactivos de Grignard, RMgX, reaccionan con los compuestos carbonílicos

para producir alcoholes de manera semejante a como lo hacen con los hidruros. El

resultado es un método muy útil y general de síntesis de alcoholes.

La reacción consiste en un ataque nucleofílico del

R al carbono electrofílico del grupo carbonilo.

El carácter nucleofílico del grupo alquilo en los reactivos organometálicos de

litio y magnesio puede utilizarse para la síntesis de alcoholes por adición a compuestos

carbonílicos y apertura nucleófila de anillos de oxaciclopropano.

Mecanismo:

Por reacciones de Grignard es posible obtener un gran número de alcoholes,

dependiendo de los reactivos usados, obsérvese los siguientes ejemplos:

Bromuro de ciclohexil Formaldehído Ciclohexilmetanol magnesio (65%)

3-Metilbutanal Bromuro de 3-Metil-1-fenil-1-

butanol fenilmagnesio (73%)

Ciclohexanona 1-Etilciclohexanol

(89%)

Pentanoato de etilo Bromuro de 2-Metil-2-hexanol

(85%) metilmagnesio

REACCIONES DE LOS ALCOHOLES.



156

Las reacciones de los alcoholes pueden dividirse en dos grupos. Las que ocurren

en el enlace C-O y las que ocurren en el enlace O-H.

En el resumen de las reacciones están representadas casi todas ellas, a

continuación realizaremos algún comentario de las más significativas.

DESHIDRATACIÓN DE ALCOHOLES PARA PRODUCIR ALQUENOS.

Una de las reacciones más importantes del enlace C-O de los alcoholes es la

deshidratación para formar alquenos. Se rompe el enlace carbono-oxígeno, se rompe el

enlace C-H vecino y se forma un enlace pi () de alqueno. (véase capítulo de

eliminación).

Debido a la importancia de la reacción, se ha desarrollado un gran número de

formas alternativas de realizar las deshidrataciones. Uno de los métodos más comunes y

que funciona particularmente bien para los alcoholes terciarios es el método catalizado

por ácido. Las deshidrataciones catalizadas por ácido normalmente siguen la regla de

Zaitsev . En la práctica normal de laboratorio, sólo los alcoholes terciarios se

deshidratan con ácido. Puede hacerse que los alcoholes secundarios reaccionen, pero las

condiciones son más severas (H2SO4 al 75%, 100ºC) y las moléculas sensibles no las

resisten. Los alcoholes primarios son menos reactivos aún que los secundarios, y se

requieren condiciones todavía más severas para la deshidratación (H2SO4 al 95%,

150ºC) .

Dos electrones del átomo de oxígeno se

unen al H+, produciendo un alcohol

protonado intermediario, el cual a su vez

es un buen grupo saliente.

Se rompe el enlace carbono-oxígeno y los

dos electrones del enlace quedan en el

oxígeno, dejando el carbocatión

intermediario.

Dos electrones de un enlace carbono-

hidrógeno vecino forman el enlace pi del

alqueno, y se elimina un H+

(un protón).



157

Una vez que se ha reconocido que la deshidratación catalizada por ácido es una

reacción E1, se esclarece la causa por la cual los alcoholes terciarios reaccionan más

rápido. Los sustratos terciarios siempre reaccionan con más rapidez en las reacciones E1

debido a que conducen a carbocationes intermedios muy estabilizados.

Para evitar la necesidad de ácidos fuertes y poder deshidratar alcoholes

secundarios de un modo más suave, se han desarrollado otros reactivos que son eficaces

en condiciones básicas suaves. Uno de tales reactivos, el oxicloruro de fósforo (POCl3),

a menudo es capaz de provocar la deshidratación de alcoholes secundarios y terciarios a

0ºC en piridina (una amina básica) como disolvente.

1-Metilciclohexanol 1-Metilciclohexeno (96%)

Ciclohexanol Ciclohexeno (97%)



158

Mecanismo:

El grupo hidroxilo del alcohol reacciona con POCl3 para formar un

diclorofosfato intermedio. La eliminación E2 procede por el mecanismo usual de un

paso, la piridina, una amina básica, sustrae un protón del carbono vecino al mismo

tiempo que el grupo diclorofoafato está saliendo.

CONVERSIÓN DE ALCOHOLES EN HALOGENUROS DE ALQUILO.

Una segunda reacción del enlace C-O de los alcoholes es su conversión en

halogenuros de alquilo. Los alcoholes terciarios se convierten con facilidad en

halogenuros de alquilo por tratamiento con HCl o HBr a 0ºC. Sin embargo, los

alcoholes primarios y secundarios son mucho más resistentes a los ácidos, y se

transforman mejor en halogenuros por tratamiento ya sea con SOCl 2 o con PBr3.

Obtención de cloruros de alquilo con SOCl2.

Mecanismo:

Obtención de bromuros de alquilo con PBr3:



159

Mecanismo:

A continuación, el HOPBr2 reaccionará con dos o más moléculas del alcohol por

mecanismos análogos al de la primera etapa.

CONVERSIÓN DE ALCOHOLES EN TOSILATOS CON CLORURO DE P-

TOLUENSULFONILO, (P-TOSCL):

Los alcoholes reaccionan con cloruro de p-toluensulfonilo en solución de

piridina para formar tosilatos de alquilo, R-OTs. En esta reacción sólo se rompe el

enlace O-H del alcohol; el enlace C-O queda intacto, y no ocurre cambio en la

configuración si el alcohol es quiral. El tosilato de alquilo resultante tiene

comportamiento químico muy similar al de los halogenuros de alquilo, y como estos

sufre reacciones de sustitución SN1 y SN2 con facilidad.

Ejemplo:

OXIDACIÓN DE ALCOHOLES:

La reacción más importante de los alcoholes es su oxidación para producir

compuestos carbonílicos. Los alcoholes primarios forman aldehídos o ácidos

carboxílicos; los alcoholes secundarios generan cetonas, y los alcoholes terciarios no

reaccionan con la mayoría de los agentes oxidantes, excepto en condiciones más

vigorosas.

La oxidación de los alcoholes primarios y secundarios puede efectuarse con un

gran número de reactivos, como KMnO4, CrO3 y Na2Cr2O7 ó K2Cr2O7. Los alcoholes

primarios se oxidan a aldehídos o ácidos carboxílicos, dependiendo de los reactivos

seleccionados y de las condiciones de reacción. Probablemente el mejor método para

elaborar aldehídos a partir de alcoholes primarios es por medio del clorocromato de

piridinio (PCC), en diclorometano como disolvente.



160

Todas estas oxidaciones ocurren por rutas estrechamente relacionadas con la

reacción E2. El primer paso implica la reacción entre el alcohol y un reactivo de Cromo

VI para formar un cromato intermedio. Una eliminación bimolecular posterior forma el

producto carbonilo.

Ejemplos:

1-Decanol Ácido decanoico

(93%)

(85%)

4-tercButilciclohexanol 4-tercButilciclohexanona (91%)

Citronelol Citronelal

(82%)

4-metilpentanol 4-metilpentanal



161

TIOLES

Los tioles, R-SH, son análogos azufrados de los alcoholes. Los tioles se

nombran por medio del sistema que se usa para los alcoholes, con el sufijo -tiol en lugar

de -ol. El grupo -SH mismo se conoce como grupo mercapto.

La característica física más notable de los tioles es su olor en extremo

desagradable. Por ejemplo, el olor del zorrillo o mofeta se debe principalmente a los

tioles simples 3-Metil-1-butanotiol y 2-Buteno-1-tiol. Al gas natural se le agregan

pequeñas cantidades de tioles con bajo peso molecular que sirven como advertencia

fácil de detectar en caso de fugas.

Los tioles suelen elaborarse a partir de los correspondientes halogenuros de

alquilo por desplazamiento SN2 con un nucleófilo de azufre, como el anión sulfhidrilo, -

SH.

1-Bromooctano 1-

Octanotiol

Los tioles pueden ser oxidados por reactivos suaves, como bromo o yodo, para

formar disulfuros, R-SS-R. La reacción es fácilmente reversible; los disulfuros se

pueden reducir a tioles por tratamiento con cinc y ácido.



162

ÉTERES, EPÓXIDOS Y SULFUROS

Un éter es una sustancia que tiene dos residuos orgánicos unidos al mismo átomo de

oxígeno, R-O-R’. Los residuos orgánicos pueden ser alquílicos, arílicos o vinílicos, y el

átomo de oxígeno puede formar parte ya sea de una cadena abierta o de un anillo. Tal

vez el éter mejor conocido es el éter dietílico, una sustancia familiar que se ha usado en

medicina como anestésico y se emplea mucho en la industria como disolvente.

En el laboratorio, los éteres normalmente se elaboran por Síntesis de

Williamson o por una secuencia de alcoximercuración-desmercuración. Los éteres

son inertes a la mayoría de los reactivos comunes, pero son atacados por ácidos fuertes

para formar los productos de ruptura. Los epóxidos son éteres cíclicos con anillos de

tres miembros que contienen oxígeno, difieren de los otros éteres cíclicos en su facilidad

de ruptura.

Los sulfuros, R-S-R’, son análogos azufrados de los éteres. Se producen por

una reacción SN2 de tipo Williamson entre un anión tiolato y un halogenuro de alquilo

primario o secundario.



163

ÉTERES.

Los éteres pueden considerarse derivados orgánicos del agua, en los cuales los

átomos de hidrógeno han sido reemplazados por fragmentos orgánicos; es decir, H-O-H

por R-O-R’. De este modo, los éteres tienen casi la misma configuración geométrica

que el agua. Los enlaces R-O-R` tienen ángulos de enlace aproximadamente tetraédrico

(112º en el éter dimetilíco), y el átomo de oxígeno tiene hibridación sp3.

Hibridación sp

3

La presencia del átomo de oxígeno, electronegativo, hace que los éteres tengan

un ligero momento dipolar y, por tanto, sus puntos de ebullición son un poco más altos

que los alcanos correspondientes. En la Tabla 13.1 se comparan los puntos de ebullición

de algunos éteres comunes con los de los hidrocarburos correspondientes en los que el

átomo de oxígeno se ha sustituido por un -CH2-.

TABLA 13.1

Comparación de los puntos de ebullición de éteres e hidrocarburos .

Éter Hidrocarburo Punto de ebullición (ºC)

Las reacciones de los éteres serán presentadas en forma de tabla, y al final de la

presentación se realizara un comentario de las más significativas.

RESUMEN DE LAS REACCIONES DE LOS ÉTERES.



164

1.- Formación de éteres.

(a) Síntesis de Williamson.

El halogenuro de alquilo debe ser primario

Recuérdese que los alcóxidos se preparan

desde los alcoholes por tratamiento básico

y/o métales alcalinos.

(b) Alcoximercuración-desmercuración.

Se observa orientación Markovnikov. (Adición Sin)

(c) Epoxidación de alquenos con peroxiácidos.

2.- Reacciones de los éteres.

(a) Ruptura con HX.

Donde HX = HBr o HI

(b) Apertura de anillos de epóxidos catalizada

por base.

La reacción ocurre en el sitio de menor impedimento

estérico (Adición Anti).



165

La reacción ocurre en el sitio de menor impedimento

estérico (Adición Anti).

(c) Hidrólisis de epóxidos catalizada por ácido.

La reacción ocurre en el sitio más impedido; se

producen 1,2-dioles trans a partir de epóxidos cíclicos.

(d) Apertura de anillos de epóxido inducida por

ácido.

La reacción ocurre en el sitio más impedido (Adición

Anti).

3.- Formación de sulfuros.

4.- Reacción de oxidación de sulfuros.

(a) Formación de sulfóxidos.

(b) Formación de sulfonas.

SÍNTESIS DE ÉTERES DE WILLIAMSON.



166

Los alcóxidos metálicos reaccionan con los halogenuros de alquilo primarios y

con los tosilatos a través de una ruta SN2 para producir éteres, un proceso conocido

como síntesis de éteres de Williamson[1]

. Aunque se descubrió en 1850, la síntesis de

Williamson es todavía el mejor método para elaborar éteres, tanto simétricos como

asimétricos.

Ciclopentóxido de potasio Yodometano Éter ciclopentil metil (74%)

Los iones alcóxido necesarios de la síntesis de Williamson normalmente se

obtienen de la reacción de un alcohol con una base fuerte como el hidruro de sodio,

NaH. Una reacción ácido-base entre el alcohol y el hidruro de sodio genera la sal de

sodio del alcohol: ROH + NaH RO

-Na

+ + H2

Alcóxido

Otra forma de obtenerlos es empleando metales alcalinos:

ROH + Metal Alcalino (Na, K) RO

-Na

+ + H2

Alcóxido

ALCOXIMERCURACIÓN - DESMERCURACIÓN DE ALQUENOS.

Una reacción de Alcoximercuración ocurre cuando se trata un alqueno con un

alcohol en presencia de acetato de mercurio. (El trifluoroacetato de mercurio,

Hg(OOCCH3)2, funciona aún mejor). La posterior desmercuración es inducida con

borohidruro de sodio, produciendo un éter. Como lo muestran los siguientes ejemplos,

el resultado neto es la adición Markovnikov del alcohol al alqueno:

Estireno 1-Metoxi-1-feniletano (97%).

Ciclohexeno Éter ciclohexil etílico (100%).

El mecanismo de la reacción de alcoximercuración-desmercuración se inicia con

una adición electrofílica del ion mercúrico al alqueno, seguida de la reacción del catión

intermedio con el alqueno. El desplazamiento de mercurio con el borohidruro de sodio

completa el proceso.

Mecanismo:



167

Estireno ion mercúrico intermedio

1-Metoxi-1-feniletano

Es posible emplear una amplia variedad de alcoholes y de alquenos en la

reacción de oximercuración.

REACCIONES DE LOS ÉTERES: RUPTURA ÁCIDA.

Los éteres son en su mayoría inertes a la totalidad de los reactivos utilizados en

química orgánica, una propiedad que explica su amplio uso como disolventes inertes.

Halógenos, ácidos suaves, bases y nucleófilos carecen de efecto sobre la mayoría de los

éteres. De hecho, los éteres experimentan sólo una reacción de uso general: se rompen

con ácidos fuertes. El HI acuoso es aún el reactivo preferido para la ruptura de éteres

simples, aunque también puede usarse HBr.

Ejemplos:

Ácido 2-etoxipropanoico

Éter etil isopropílico

Éter etil fenilíco

Éter terc-butil ciclohexílico

Las rupturas ácidas de éteres son reacciones de sustitución nucleofílica típicas

que transcurren por una ruta SN1 o por una ruta SN2, dependiendo de la estructura del

éter. Los éteres alquílicos primarios y secundarios reaccionan por una ruta SN2 en la

cual el ion yoduro o bromuro ataca al éter protonado en el sitio menos sustituido. Los

éteres terciarios, bencílicos y alílicos tienden a romperse a través de un mecanismo S N1.



168

ÉTERES CÍCLICOS: EPÓXIDOS.

En gran medida, los éteres cíclicos se comportan como los éteres acíclicos. La

química de un grupo funcional éter es la misma, tanto si dicho grupo está en una cadena

abierta como si se encuentra en un anillo. Por ejemplo, los éteres cíclicos comunes

como el tetrahidrofurano y el dioxano a menudo se usan como disolventes debido a que

son inertes, aunque pueden romperse con ácidos fuertes.

El único grupo de éteres cíclicos que se comportan de manera diferente de como

lo hacen los éteres de cadena abierta es el formado por los anillos de tres miembros que

contienen oxígeno, llamados epóxidos u oxiranos. La tensión en el anillo de éter de tres

miembros ocasiona que los epóxidos sean reactivos y les confiere una reactividad

química única.

En el laboratorio, los epóxidos normalmente se elaboran por tratamiento de un

alqueno con un peroxiácido, RCO3H:

Pueden emplearse muchos peroxiácidos para la epoxidación. A escala de

laboratorio, el ácido m-cloroperbenzoico (MCPBA) es el reactivo preferido. Los

peroxiácidos transfieren oxígeno a través de un mecanismo complejo en un solo paso,

sin intermedios. Sin embargo existen pruebas que demuestran que el oxígeno más

alejado del grupo carbonilo es el que se transfiere.

Mecanismo:

Ciclohepteno Peroxiácido 1,2-Epoxicicloheptano Ácido

En otro método para la síntesis de epóxidos se emplean halohidrinas, producidas

por adición electrofílica de HO-X a alquenos. Cuando las halohidrinas se tratan con

base, se elimina HX y se produce un epóxido. Este método en realidad es una síntesis de

éteres de Williamson intramolecular. El átomo de oxígeno (nucleófilo) y el átomo de

carbono (electrófilo) están en la misma molécula.



169

Mecanismo:

Bromohidrina Sustitución intramolecular Epóxido

REACCIONES DE APERTURA DEL ANILLO DE LOS EPÓXIDOS.

Los anillos de epóxidos pueden romperse por tratamiento con ácido, de modo

muy parecido a como ocurre con los éteres. La principal diferencia es que los epóxidos

reaccionan en condiciones mucho más suaves debido a la tensión en el anillo. Un ácido

mineral acuoso diluido a temperatura ambiente basta para provocar la hidrólisis de los

epóxidos y formar los 1,2-dioles, también llamados glicoles vecinales. La apertura del

anillo de epóxido catalizada por ácido procede por ataque SN2 de un nucleófilo sobre el

epóxido protonado.

Ejemplo:

1,2-Epoxiciclohexano trans-1,2-Ciclohexanodiol (86%)

Los epóxidos protonados también pueden ser abiertos por otros nucleófilos,

además del agua. Por ejemplo, si se emplea HX anhidro, los epóxidos pueden

convertirse en halohidrinas trans.

Los epóxidos, a diferencia de los éteres, también pueden romperse con bases, la

reactividad del anillo de tres miembros es suficiente para que los epóxidos reaccionen

con ion hidróxido a temperaturas elevadas.

Una ruptura nucleofílica de anillo similar se observa cuando los epóxidos se

tratan con reactivos de Grignard. El óxido de etileno se utiliza con frecuencia, y permite



170

convertir un reactivo de Grignard en un alcohol primario con dos carbonos más que el

halogenuro de alquilo de partida.

Bromuro de butilmagnesio 1-Hexanol (62%).

REGIOQUÍMICA DE LA APERTURA DEL ANILLO DE EPÓXIDO.

LA DIRECCIÓN EN LA CUAL SE ABREN LOS ANILLOS DE EPÓXIDOS

ASIMÉTRICOS DEPENDE DE LAS CONDICIONES DE REACCIÓN. SI SE EMPLEA UN

NUCLEÓFILO BÁSICO EN UNA REACCIÓN SN2 TÍPICA, EL ATAQUE OCURRE EN EL

CARBONO MENOS IMPEDIDO DEL EPÓXIDO. SIN EMBARGO SI SE EMPLEAN

CONDICIONES ÁCIDAS LA REACCIÓN SIGUE UN CURSO DISTINTO Y EL ATAQUE DEL

NUCLEÓFILO OCURRE PRINCIPALMENTE EN EL ÁTOMO DE CARBONO MÁS

SUSTITUIDO.



171

ÉTERES CORONA.

Los éteres corona, descubiertos a principios de la década de 1960 por Charles

Pedersen[2]

en la compañía Du Pont, constituyen una adición relativamente reciente a la

familia de los éteres.

Éter 18-corona-6

La importancia de los éteres corona deriva de su extraordinaria capacidad de

solvatar cationes metálicos, secuestrando el metal en el centro de la cavidad del poliéter.

Diferentes éteres corona solvatan diferentes cationes metálicos, dependiendo de la

compatibilidad entre el tamaño del ion y el tamaño de la cavidad. Por ejemplo, el 18-

corona-6 es capaz de formar complejos muy estables con el ion potasio.

KMnO4, solvatado por 18-corona-6,

(este solvato es soluble en benceno)

Los complejos entre éteres coronas y sales inorgánicas son solubles en

disolventes orgánicos no polares, lo que permite efectuar muchas reacciones en

condiciones apróticas que de otra manera tendrían que llevarse a cabo en soluciones

acuosas. Muchas sales inorgánicas, como KF, KCN, y NaN3, pueden hacerse solubles

en disolventes orgánicos empleando éteres coronas. El efecto de su uso para disolver

una sal en un disolvente aprótico polar, como DMSO, DMF o HMPA. En ambos casos,

el catión metálico es fuertemente solvatado, dejando al anión desnudo. Así, la

reactividad SN2 de un anión se incrementa en presencia de un éter corona.



172

SULFUROS.

Los sulfuros, R-S-R’, son análogos azufrados de los éteres. Se nombran

siguiendo las mismas reglas que para los éteres, usando el término sulfuro en vez de éter.

Sulfuro dimetílico Sulfuro metil fenílico 3-(Metiltio)ciclohexeno

Los sulfuros se elaboran por tratamiento de un halogenuro de alquilo primario o

secundario con un anión tiolato, RS-. La reacción transcurre por un mecanismo SN2, Los

aniones tiolatos son de los mejores nucleófilos que se conocen y los rendimientos que se

obtienen suelen ser altos en estas reacciones de sustitución.

Bencenotiolato de sodio Sulfuro metil fenílico (96%)

Puesto que los electrones de valencia del azufre están más lejos del núcleo y son

retenidos menos fuertemente que los del oxígeno existen algunas diferencias

importantes entre la química de los éteres y la de los sulfuros. Por ejemplo, el azufre es

más polarizable que el oxígeno, y por tanto los compuestos de azufre son más

nucleófilos que sus análogos de oxígeno. A diferencia de los éteres dialquílicos, los

sulfuros dialquílicos son nucleófilos tan eficaces que reaccionan rápidamente con

halogenuros de alquilo primarios a través de un mecanismo SN2. Los productos de tales

reacciones son las sales de trialquilsulfonio, R3S+.

Sulfuro dimetílico Yodometano Yoduro de trimetilsulfonio

Una segunda diferencia entre los sulfuros y los éteres es que los primeros se

oxidan fácilmente. El tratamiento de un sulfuro con peróxido de hidrógeno, H2O2, a

temperatura ambiente, produce el correspondiente sulfóxido (R2SO), y la oxidación

posterior del sulfóxido con un peroxiácido produce una sulfona (R2SO2).

Sulfuro metil fenilíco Metil fenil sulfóxido Metil fenil sulfona

[1]

Alexander W. Williamson (1824 - 1904); n. Wandsworth, Inglaterra; Ph. D. Giessen (1846). [2]

Charles John Pedersen (1904-1989); n. Pusan, Corea, Premio Nobel (1987).



173

ALQUENOS Los alquenos son hidrocarburos con un doble enlace carbono-carbono. El doble enlace

es un enlace más fuerte que el enlace sencillo, sin embargo, paradójicamente el doble

enlace carbono-carbono es mucho más reactivo. A diferencia de los alcanos, que

generalmente muestran reacciones más bien no específicas, el doble enlace es un grupo

funcional en el que tienen lugar muchas reacciones con marcado carácter específico.

Históricamente, los hidrocarburos con un doble enlace se conocían con el

nombre de olefinas. Este nombre, más bien raro, proviene del latín oleum, aceite, y

ficare, hacer, producir, y surgió porque los derivados de tales compuestos tenían, a

menudo, apariencia oleaginosa.

En el presente capítulo abordaremos un pequeño resumen de sus reacciones y

métodos sintéticos, resaltando los mecanismos más importantes en cada caso, se finaliza

con los problemas propuestos.



174

ALQUENOS:

La estructura geométrica del etileno, el alqueno más sencillo, es ampliamente

conocida gracias a los experimentos espectroscópicos y de difracción. La molécula es

plana y de acuerdo con la estructura de Lewis del etileno, el doble enlace de caracteriza

por ser una región con dos pares de electrones.

Según la descripción orbitálistica de las moléculas, se necesita un orbital por

cada par de electrones. Es decir, se necesitan dos orbitales entre ambos carbonos para

alojar el número total de electrones de un doble enlace. El modelo orbitálico del etileno

comprende dos híbridos sp2 de cada carbono que se usa para formar un sencillo Csp

2-

Csp2. Hasta ahora, se ha utilizado el orbital s y dos de los orbitales p de cada carbono,

pero cada carbono aún posee un orbital p. Estos orbitales p son perpendiculares al plano

de los seis átomos, son paralelos entre sí y tienen zonas de solapamiento por encima y

por debajo del plano molecular. Este tipo de unión en la que hay dos zonas de enlace,

por encima y por debajo del plano nodal, se llama enlace . Esta notación se usa para

distinguirla de la del tipo que corresponde al solapamiento de dos orbitales sp2. Dicho

enlace carece de nodos y se denomina enlace .

PROPIEDADES FÍSICAS.

Las propiedades físicas de los alquenos son similares a las de los alcanos

correspondientes. Los alquenos más pequeños son gases a temperatura ambiente.

Comenzando por los compuestos C5, los alquenos son líquidos volátiles. Los alquenos

isómeros tienen puntos de ebullición parecidos y las mezclas sólo pueden ser separadas

mediante una destilación fraccionada realizada con mucho cuidado y con columnas de

gran eficacia.

Los momentos dipolares son pequeños en el caso de los hidrocarburos, pero

permite una distinción entre los isómeros cis y trans. Por ejemplo, el cis-2-buteno tiene

un momento dipolar pequeño mientras que el trans-2-buteno tiene un momento dipolar

nulo debido a su simetría.



175

ESTABILIDAD DE LOS ALQUENOS.

Aunque la interconversión cis-trans de los isómeros de alquenos no ocurre de

manera espontánea, puede inducirse en condiciones experimentales apropiadas, como

tratamiento con un catalizador ácido fuerte. Si se interconvierte el cis-2-buteno con el

trans-2-buteno y se permite que alcancen el equilibrio, se halla que no tienen la misma

estabilidad. En el equilibrio, la relación de isómeros es de 76% trans y 24% cis. Los

alquenos cis son menos estables que sus isómeros trans debido a la tensión

estérica entre los dos sustituyentes voluminosos en el mismo lado en el doble enlace.

Trans (76%) Cis (24%)

No hay tensión Hay tensión

estérica estérica

Un incremento en el grado de sustitución eleva más la estabilidad. Como regla

general, los alquenos siguen el orden de estabilidad que se pre senta enseguida:

Tetrasustituido > Trisustituido > Disustituido > Monosustituido

Se han propuesto dos explicaciones para el orden de estabilidad observado. La mayoría

de los químicos consideran que el orden se debe principalmente a la hiperconjugación,

un efecto estabilizador que resulta de la superposición entre el orbital pi carbono-

carbono desocupado y un orbital sigma carbono-hidrógeno lleno en un sustituyente

vecino. A mayor número de sustituyentes, más oportunidades existen para la

hiperconjugación y más estable es el alqueno.

Además del efecto de hiperconjugación, también puede utilizarse un argumento

sencillo de energía de enlace para explicar el orden de estabilidad observado en los

alquenos. Un enlace entre carbono sp2 y un carbono sp

3 es algo más fuerte que un

enlace entre dos carbonos sp3. Así, al comparar 1-buteno y 2-buteno, el isómero

monosustiutido tiene dos enlaces sp3-sp

3 y otro sp

3-sp

2, mientras que el isómero

disustituido tiene dos enlaces sp3-sp

2. Los alquenos altamente sustituidos siempre tienen

mayor proporción de enlaces sp3-sp

2 sobre enlaces sp

3-sp

3 que los alquenos menos

sustituidos, y por tanto son más estables.

Además de los Hº de hidrogenación de alguna manera confirman los dos

hechos anteriores, dado que a medida que se va aumentando el grado de sustitución del

alqueno el Hº de hidrogenación va disminuyendo, lo que confirma de alguna manera el

grado de estabilidad, es decir la estabilidad de los alquenos aumenta con el grado de

sustitución.



176

RESUMEN DE REACCIONES:

REACCIONES EJEMPLOS

1.- Síntesis de alquenos. (véase el capítulo 11, reacciones de

eliminación)

2.- Reacciones de los alquenos.

(a) Hidrogenación ( Adición cis)

(b) Hidrohalogenación

Donde HX, puede ser HCl, HBr o HI, se observa

regioquímica Markovnikov: El H se une

al carbono menos sustituido y el X lo

hace al carbono más sustituido.

Se observa adición anti-Markovnikov, funciona

bien con HBr.

(c) Halogenación (Adición Anti)

Donde X2 = Cl2 o Br2, mecanismo vía ion halonio.

(d) Formación de Halohidrinas (Adición

Anti)

Se observa regioquímica Markovnikov y

estereoquímica anti.



177

(e) Formación de Haloéteres vecinales

(Adición Anti)



(f) Hidratación



(g) Oximercuración-Desmercuración

Se observa regioquímica Markovnikov; el grupo

OH se une al carbono más sustituido, Adición

sin.

(h) Hidroboración-Oxidación

Se observa adición anti-Markovnikov sin.

(i) Epoxidación

Adición concertada.



178

(j) Dihidroxilación sin vecinal (cis)

Se observa adición sin.

(k) Dihidroxilación anti vecinal (trans)

Se observa adición anti.

(l) Ozonolisis

Dependiendo del tipo de alqueno, los grupos

carbonilos pueden ser cetonas, aldehídos o

ambos.

(m) Ozonolisis reductiva

Dependiendo del tipo de alqueno, los alcoholes

pueden ser 1º o 2º.

(n) Formación de ciclopropanos

Adición vía carbeno.

Conocida como reacción de Simmons-Smith.



179

(o) Ruptura oxidativa de alquenos

Se diferencia de la dihidroxilación anti en que el

KMnO4 se usa concentrado y en caliente.

HIDROGENACIÓN DE ALQUENOS.

Los alquenos reaccionan con hidrógeno en presencia de un catalizador adecuado

para formar productos de adición. Los alcanos saturados correspondientes. Platino y

paladio son los dos catalizadores utilizados para la mayoría de las hidrogenaciones de

alquenos. El paladio suele emplearse finamente dividido y con un mineral inerte, como

carbón, a manera de soporte para maximizar el área superficial (Pd/C). El platino se

emplea generalmente como PtO2, reactivo llamado catalizador de Adams[1]

.

La reacción de hidrogenación ha resultado difícil de estudiar mecanísticamente.

Sin embargo, la experiencia ha demostrado que la hidrogenación suele ocurrir con

estereoquímica sin; ambos hidrógenos se unen al doble enlace desde la misma cara. El

primer paso de la reacción es la adsorción del hidrógeno en la superficie del catalizador.

Después se forma un complejo entre el catalizador y el alqueno mediante la

superposición de orbitales vacantes del metal con el orbital pi lleno del alqueno, a

continuación el producto saturado se separa del catizador.

HIDROHALOGENACIÓN.

El protón de ácido fuerte puede adicionarse a un doble enlace para dar una

carbocatión, mediante un ataque electrofílico y posterior captura por el nucleófilo (X-).

Para la reacción se requieren temperaturas bajas, para evitar transposiciones. Si los

carbonos del alqueno no están igualmente sustituidos, el protón del haluro ataca al

carbono menos sustituido, dejando de esa manera un carbocatión más estable y en

consecuencia el halógeno tiende hacia el carbono más sustituido. Este hecho se

denomina regla de markovnikov[2]

.

Mecanismo de adición electrofílico de HX a alquenos.



180

Ejemplos:

Adiciones radicalarias sobre los alquenos: formación del producto anti-Markovnikov.

El bromuro de hidrógeno puede adicionarse de forma anti-Markovnikov a los

alquenos: en un nuevo mecanismo, el mecanismo de esta reacción de adición no sigue

una secuencia iónica, sino una más rápida en cadena radicalaria. La condición es tratar

al alqueno en HBr y presencia de un peróxido.

Mecanismo de hidrobromación radicalario:

El cloruro de hidrógeno (HCl) y el yoduro de hidrógeno (HI) no dan productos

de adición anti-Markovnikov con los alquenos debido a una cinética desfavorable.

HALOGENACIÓN DE ALQUENOS.

Los reactivos que no contienen átomos de electrófilos pueden atacar

electrofílicamente a los dobles enlaces. Un ejemplo es la halogenación de los alquenos,

que tiene lugar con adición al doble enlace de dos átomos de halógeno para dar un

dihaluro vecinal. Esta reacción va bien con el cloro y el bromo. El flúor reacciona

demasiado violentamente y la formación de un diyoduro es neutra desde el punto de

vista termodinámico.

La estereoquímica de la adición es anti (trans). ¿Cuál es el mecanismo que

explica esta estereoquímica? ¿Cómo ataca el halógeno al doble enlace rico en electrones,

si parece que no contiene ningún centro electrófilo?. La nube electrónica del alqueno

es nucleófila y ataca a un extremo de la molécula de halógeno con desplazamiento

simultáneo del segundo halógeno como anión haluro. El intermedio que resulta es un



181

ion halonio cíclico. Un posterior ataque nucleófilo del X- vía una SN2 por la cara

contraria al ion halonio explica claramente una adición anti. Cuando los iones halonio

son simétricos, el ataque es igualmente probable en cualquiera de los dos átomos de

carbono, dando por lo tanto el producto racémico.

Mecanismo de halogenación.

ion halonio

Cuando el halógeno es bromo el intermedio es un ion bromonio cíclico. La

principal característica de esta especie es que el bromo se une a los átomos de carbono

del doble enlace inicial para formar un anillo de tres miembros. Una importante

característica de este ion bromonio cíclico es que explica la estereoquímica de la

bromación. La estructura de este ion es rígida y únicamente puede ser atacada por el

lado opuesto al bromo.

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 de trans-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:



182

Ciclopenteno trans-2-Bromociclopentanol

Ciclohexeno Trans-1-bromo-2-metoxiciclohexano



183

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.



184

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.



185

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



186

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 Aceton

a

OZONOLISIS A ALCOHOLES (OZONOLISS 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.



187

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 CO 2.

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

Simmons3 -Smith

4 .

Ejemplo:

Ciclohexeno Biciclo (4.1.0) heptano (92%)



188

[1]

Roger Adams, (1889-1971), Profesor de la Universidad de Illinois. [2]

Profesor Vladimir V. Markovnikov, (1838-1904); formuló su regla en el 1869 en la Universidad de

Moscú. 3 Howard E. Simmons, (1929- ), Químico de la Industria E.I. du Pont de Nemours y Cia.

4 Ronald D. Smith, (1930- ), Químico de la Industria E.I. du Pont de Nemours y Cia.



189

ALQUINOS Los alquinos son hidrocarburos que se caracterizan por poseer un grupo funcional del

tipo triple enlace carbono-carbono. La fórmula general de los alquinos es CnH2n-2. El

acetileno, H-CC-H, que es el alquino más simple, , fue ampliamente usado en la

industria como materia prima para la elaboración de acetaldehído, ácido acético, cloruro

de vinilo y otros productos químicos, pero ahora son más comunes otros procesos más

eficientes en los que se usa etileno como materia prima.

Los átomos de carbono de los alquinos tienen hibridación sp, y el triple enlace

está formado por un enlace sigma () sp-sp y dos pi p-p. Existen relativamente

pocos métodos generales para la síntesis de alquinos. En éste capítulo comentaremos

algo acerca de su estructura, preparación y reacciones de los mismos.



190

ALQUINOS.

Un triple enlace carbono-carbono resulta de la superposición de dos átomos de

carbono con hidridación sp. Recuérdese que los orbitales híbridos sp del carbono

adoptan un ángulo de 180º entre sí, a lo largo de un eje perpendicular a los ejes de los

dos orbitales no híbridos 2py y 2pz. Cuando dos carbonos con hibridación sp se

aproximan uno a otro para enlazarse, la configuración geométrica es adecuada para que

se forme un enlace sp-sp y dos enlaces p-p; es decir, un triple enlace. De este modo

el acetileno, C2H2, es una molécula lineal con ángulos de enlace H-C-C de 180º.

Formación de un triple enlace carbono-carbono por superposición de dos carbonos

con hibridación sp.

Los alquinos tienen puntos de ebullición muy similares a los de los

correspondientes alcanos y alquenos. El etino (acetileno) es singular por el hecho de no

tener punto de ebullición a presión atmosférica: sublima a -84 ºC. El propino (p.e. -23.2

ºC) y el 1-butino (p.e. 8.1 ºC) son gases, mientras que el 2-butino es prácticamente

líquido (p.e. 27 ºC) a temperatura ambiente. Los alquinos de tamaño medio son líquidos

destilables.

Por analogía con los alquenos, el relativo carácter s de los orbitales híbridos del

carbono de los alquinos sustituidos se traduce en la presencia de momentos dipolares,

excepto en el caso en que los sustituyentes se encuentren distribuidos de forma

totalmente simétrica.

= 0.74 D

= 0.80 D

= 0 D

Por las mismas razones, los alquinos terminales son más ácidos que los alcanos

o alquenos homólogos. El pKa del etino, por ejemplo, es de 25, marcadamente bajo

comparado con los del eteno (pKa = 44) y del etano (pKa = 50).

Hidridación: sp sp

2 sp

3

pKa: 25 44 50.

RESUMEN DE LAS REACCIONES DE LOS ALQUINOS

1.- Formación de alquinos



191

(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



192

(b) Adición de X2, donde X = Br o Cl

Ejemplos:

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

tertrabromopentano

(c) Hidratación catalizada por sulfato mercúrico

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

Un alqueno cis

Ejemplos:



193

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

Acetileno 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



194

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 vía

carbocatión. 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



195

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.



196

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:



197

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[1] . 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.



198

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:

1-Hexino 5-Decino (75%)

Propino 2-Butino (75%)



199

1-Pentinilciclohexano

(85%)

RUPTURA OXIDATIVA DE ALQUINOS.

Los alquinos, como los alquenos, pueden romperse por reacción con agentes

oxidantes fuertes, como el permanganato de potasio u ozono. Sin embargo, un triple

enlace suele ser menos reactivo que un doble enlace, y los rendimientos de los

productos de ruptura algunas veces son bajos. La reacción es demasiado compleja

mecanísticamente para ser tratada con detalles. Los productos que se obtienen son

ácidos carboxílicos. Si se oxida un alquino terminal se forma CO2 como uno de los

productos.

Ejemplos:

3-Hexino Ácido propanoico (2 moles)

Butino Ácido propanoico

[1] Dr. Herbert H.M. Lindlar, n. 1909; Hoffman La Roche and Co. A. G., Basilea.



200

REACTIVOS ORGANOMETÁLICOS

Los reactivos organometálicos son una fuente de carbono nucleofílico, y por lo tanto de

gran utilidad en la química orgánica sobre todo en síntesis. Recuérdese que hasta ahora

siempre hemos visto al carbono en sus compuestos estudiados como un centro

electrófilo.

En este capítulo veremos los métodos de preparación de reactivos

organometálicos, RM. Ellos pueden obtenerse tratando haloalcanos con metales,

particularmente litio y magnesio, en los que un átomo de carbono de un grupo orgánico

se encuentra unido a un metal. Estas especies son bases y nucleófilos fuertes y son

extremadamente útiles en síntesis orgánica.



201

REACTIVOS ORGANOMETÁLICOS.

Puesto que los metales son elementos electropositivos, los enlaces metal-

carbono pueden tener un alto grado de carácter iónico. Es decir, las estructuras

resonantes dipolares contribuyen a menudo de forma importante a las estructuras de

estos compuestos.

R-M R-M

+ =

R-M

+

El grado de covalencia de este género de enlaces metal-carbono depende

considerablemente del metal y se relaciona con la electronegatividad del mismo. Los

compuestos organometálicos de los metales alcalinos pueden ser considerados

simplemente como sales iónicas del catión metálico alcalino y el correspondiente anión

orgánico denominado carbanión.

Muchos de los compuestos organometálicos se descomponen con el agua; no

obstante, son solubles en varios disolventes orgánicos apróticos. Los disolventes típicos

son los éteres y los alcanos. Hay un elevado número de compuestos organometálicos

usados en síntesis orgánica, debido a su solubilidad en disolventes adecuados y a su

reactividad extrema, no se purifican normalmente y se hace uso de sus disoluciones sin

aislamiento previo.

REACTIVOS DE GRIGNARD.

Los halogenuros orgánicos de muy variadas estructuras, -de alquilo, de arilo y

vinílicos- reaccionan con magnesio metálico en éter o tetrahidrofurano (THF) como

disolvente para producir halogenuros de alquil-magnesio, RMgX. Estos productos,

llamados reactivos de Grignard en honor a su descubridor, Víctor Grignard[1]

, son

ejemplos de compuestos organometálicos, ya que contienen un enlace carbono-metal.

Donde R = alquilo 1º, 2º o 3º, arilo o alquenilo; X = Cl, Br o I.

Ejemplo.

Bromobenceno Bromuro de sec-butilmagnesio

2-Clorobutano Cloruro de sec-

butilmagnesio

Muchas clases de halogenuros orgánicos forman reactivos de Grignard. El

impedimento estérico en los halogenuros no parecen ser un factor determinante en la

formación de los reactivos de Grignard, dado que reaccionan fácilmente halogenuros de

todo tipo, sean primarios, secundarios o terciarios. Los halogenuros de arilo y de

alquenilo también reaccionan, aunque en estos casos es mejor usar tetrahidrofurano

como solvente. El halogenuro puede ser Cl, Br o I, aunque los cloruros son algo menos

reactivos que los bromuros y los yoduros. Los fluoruros orgánicos rara vez reaccionan

con magnesio.



202

Como podría esperarse en base en lo expuesto sobre a la electronegatividad y la

polaridad de los enlaces, el enlace carbono-magnesio está altamente polarizado, lo cual

hace al átomo de carbono nucleófilo y básico:

En sentido formal, puede considerarse que un reactivo de Grignard es un anión de

carbono o carboanión; es decir, la sal de magnesio de un hidrocarburo ácido. Sin

embargo es más exacto considerar que los reactivos de Grignard contienen un enlace C-

Mg covalente altamente polar, y no un enlace iónico entre C- y

+MgX.

Debido a su carácter nucleófilo/básico, los reactivos de Grignard reaccionan

tanto con ácidos como con una amplia variedad de electrófilos, tal como hemos

comentado a lo largo de los capítulos anteriores. Por ejemplo, reaccionan con dadores

de protones (ácidos de Bronsted) como H2O, ROH, RCOOH o RNH2, para formar

hidrocarburos. La secuencia total es un método sintético útil para transformar un

halogenuro de alquilo en un alcano. R-X R-H, (véase capítulo 8). También

reaccionan con compuestos carbonílicos para dar alcoholes, R-CO-R’ R-CH(OH)-R’,

(véase capítulo 12 y 17).

Ejemplos:

1-Bromodecano Decano (85%) Pr opanona ter-Butanol

REACTIVOS DE ALQUIL-LITIO Y OTROS.

Es posible obtener otros reactivos de organometálicos de manera semejante a

como se hace para los reactivos de Grignard. Por ejemplo, los compuestos de alquil-litio

pueden producirse por reacción de un halogenuro de alquilo con litio metálico:

1-Bromobutano Butil-litio

Los compuestos de alquil-litio son tanto nucleófilos como bases, y su

comportamiento químico es semejante en muchos aspectos al de los halogenuros de

alquil-magnesio. Como los compuestos organolíticos son más difíciles de manejar, se

prefiere el uso de los reactivos de Grignard en el caso de adiciones sencillas a

compuestos carbonílicos. Sin embargo, la mayor reactividad de los reactivos

organolíticos permite su adición a grupos carbonilo bastante impedidos, con buenos

rendimientos.



203

Otros compuestos organometálicos como los organosódicos y organopotásicos;

son tan reactivos que rara vez se utilizan para adiciones a grupos carbonilos. Deben ser

manejados con sumo cuidado, pues reaccionan con éteres y pueden inflamarse

espontáneamente en contacto con el aire. En cambio, los compuestos organocíncicos

(organocinc) son no demasiado reactivos, por lo que dan lugar a reacciones muy

selectivas. Así, mientras que los reactivos de Grignard reaccionan fácilmente con

ésteres, los derivados de cinc son prácticamente inertes frentes a ellos, aunque, sin

embargo, se adicionan al grupo carbonilo de aldehídos y cetonas. Esta selectividad se

utiliza en la reacción de Reformatsky. Se prepara el derivado organocíncico de un -

halogenoéster y se adiciona a continuación sobre un compuesto carbonílico. La reacción

constituye un método de preparación de -hidroxiésteres.

Bromoacetato de etilo Bromocincacetato de etilo 3-Fenil-

3-hidroxi-

propanoato de etilo

(64%).

Transmetalación.

Los compuestos organometálicos con metales que no sean litio o

magnesio pueden prepararse por una reacción nucleófila del alquil-litio o del reactivo de

Grignard con haluros metálicos. Esta transformación se denomina transmetalación ya

que convierte un organometálico en otro.

Transmetalación general

R-M + M’-X R-M’ + M-X

Transmetalaciones:

4 RMgX + SiO4 SiR4 + 4 MgX2

Tetraalquisilano

2 RMgX + CdX2 CdR2 + 2 MgX2

Dialquilcadmio

3 RLi + AlX3 R3Al + 4 LiX

Trialquilaluminio

RLi + CuI RCu + LiI

Alquilcobre

RCu + RLi R2CuLi

Dialquilcuprato de litio

REACCIONES DE LOS COMPUESTOS ORGANOMETÁLICOS:



204

1.- Hidrólisis (obtención de alcanos) (véase capítulos 8 y 9).

2.- Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos

(véase capítulo 9).

3.- Adiciones nucleofílicas. (véase capítulo 10).

4.- Adición de compuestos organometálicos a aldehídos y cetonas (obtención de

alcoholes) (véase capítulo 12).

5.- Adición de compuestos organometálicos a ésteres (obtención de alcoholes)


6.- Apertura nucleofílica del oxaciclopropano por compuestos organometálicos


[1]

Francois Auguste Victor Grignard (1871-1932); Francia. Nobel en (1912).



205

ALDEHÍDOS Y CETONAS REACCIONES DE

ADICIÓN NUCLEOFÍLICA Los aldehídos y cetonas se encuentran entre los compuestos de mayor importancia,

tanto en bioquímica como en la industria química. En el laboratorio, los aldehídos

normalmente se elaboran por ruptura oxidativa de alquenos, por oxidación de alcoholes

primarios o por reducción parcial de cloruros de ácidos o ésteres. Las cetonas se

producen de manera similar por ruptura oxidativa de alquenos, por oxidación de

alcoholes secundarios, o por adición de diorganocupratos a cloruros de ácido.

La reacción de adición nucleofílica es la reacción más importante de los

aldehídos y las cetonas, siendo posible elaborar una gran cantidad de productos por

adición nucleofílica. Las reacciones son aplicables a cetonas y aldehídos, pero en

general estos últimos son más reactivos por razones tanto estéricas como electrónicas.

En el presente capítulo abordaremos la forma de obtención de cetonas y

aldehídos y a continuación las reacciones más significativas de ellos, mostrándose en

forma de resumen.

ALDEHÍDOS Y CETONAS:

Los aldehídos y cetonas se encuentran entre los compuestos de más importancia

tanto en la naturaleza como en la industria química. En la naturaleza, muchas de las

sustancias necesarias para los sistemas vivos son aldehídos y cetonas. En la industria

química se sintetizan grandes cantidades de tales compuestos, que se usan como

solventes o como materias primas para una multitud de otros productos.

Propiedades de Aldehídos y Cetonas.-

El doble enlace carbono-oxígeno de los grupos carbonilos es similar en muchos

aspectos al doble enlace carbono-carbono de los alquenos. El átomo de carbono

carbonílico tiene hibridación sp2 y tres enlaces sigma. El cuarto electrón de valencia

permanece en un orbital p del carbono, y por superposición con un orbital p del oxígeno

forma con él un enlace pi. El átomo de oxígeno tiene otros dos pares de electrones no

compartidos, que ocupan los dos orbitales restantes.

Como los alquenos, los compuestos carbonílicos son planares respecto al doble

enlace, y tienen ángulos de enlace de 120º aproximadamente. Como podría esperarse, el



206

doble enlace carbono-oxígeno es más corto (1.22 Aº contra 1.43 Aº) y más fuerte (175

kJ/mol contra 92 kJ/mol) que un enlace sencillo carbono-oxígeno. Los dobles enlaces

carbono-oxígeno se encuentran polarizados debido a la elevada electronegatividad del

oxígeno respecto a la del carbono.

La consecuencia más importante de la polarización del grupo carbonilo es la

reactividad química del doble enlace carbono-oxígeno. En vista de que el carbono

carbonílico tiene carga parcial positiva, éste es un sitio electrófilo y es atacado por

nucleófilos. A la inversa, el oxígeno carboxílico tiene carga parcial negativa y es un

sitio nucleófilo (básico).

Oxígeno nucleófilo; reacciona con ácidos y electrófilos

Carbono electrófilo; reacciona con bases y nucleófilos



207

Otra consecuencia de la polaridad del enlace carbonílico es que las moléculas

de aldehídos y cetonas se asocian débilmente, lo cual hace que tengan puntos de

ebullición mayores que los alcanos con peso molecular semejante. Sin embargo, debido

a que no pueden formar puentes de hidrógeno, los aldehídos y las cetonas tienen puntos

de ebullición menores que los alcoholes correspondientes. El formaldehído, el aldehído

más simple, es gaseoso a temperatura ambiente, pero todos los otros aldehídos y cetonas

son líquidos.

Elaboración de Aldehídos y Cetonas.-

Uno de los mejores métodos para la síntesis de aldehídos es la oxidación de

alcoholes primarios y ruptura oxidativa de alquenos. Para la síntesis de cetonas los

métodos son análogos a los de aldehídos (véase capítulo de alcoholes y alquenos), en

todo caso los resumimos en forma de tabla:

SÍNTESIS DE ALDEHÍDOS Y CETONAS

EJEMPLOS

1.- Formación de aldehídos

(a).- Oxidación de alcoholes primarios

(b).- Ozonólisis de alquenos

(c).- Reducción parcial de ésteres

2.- Formación de cetonas

(a).- Oxidación de alcoholes

secundarios

(b).- Ozonólisis de alquenos



208

(c).- Acilación de Friedel-Crafts

(d).- Hidratación de alquinos

(e).- Reacción de diorganocupratos

con

cloruros de ácidos

Oxidación de Aldehídos y Cetonas.-

Los aldehídos son rápidamente oxidados para producir ácidos carboxílicos, pero

las cetonas no son reactivas hacia la oxidación excepto en condiciones muy vigorosas.

Esta diferencia de comportamiento es consecuencia de las diferencias estructurales entre

los dos grupos funcionales: Los aldehídos tienen un protón -CHO que puede ser

extraído con facilidad durante la oxidación, pero no así las cetonas.

Muchos agentes oxidantes convierten aldehídos en ácidos carboxílicos, entre

ellos el ácido nítrico caliente y el permanganato de potasio, pero el reactivo de Jones,

CrO3 en ácido sulfúrico acuoso, es una elección más común a la pequeña escala del

laboratorio. Las oxidaciones de Jones ocurren con rapidez a temperatura ambiente y

tienen buenos rendimientos de productos.

Heptanal Ácido heptanoico (85%)

Un inconveniente de la oxidación de Jones es que las condiciones en que se

realiza son ácidas, y las moléculas sensibles pueden experimentar descomposición

catalizada por ácido. Cuando existe esta posibilidad de descomposición, con frecuencia

las oxidaciones de aldehídos se realizan usando una solución diluida de óxido de plata,

Ag2O, en amoniaco acuoso (reactivo de Tollens[1]

).



209

Benzaldehído Ácido benzoico

Las cetonas son inertes a la mayoría de los agentes oxidantes comunes, pero

experimentan con lentitud una reacción de ruptura cuando se tratan con KMnO 4 alcalino

caliente. El enlace carbono-carbono próximo al grupo carbonilo se rompe, y se

producen fragmentos de ácidos carboxílicos. La reacción sólo es útil para cetonas

simétricas como ciclohexanona, puesto que apartir de cetonas no simétricas se forman

mezclas de productos.

Ciclohexanona Ácido hexanodioico (79%)

Reacciones de Adición Nucleofílica de Aldehídos y Cetonas.-

La reacción más importante de aldehídos y cetonas es la reacción de adición

nucleofílica. Un nucleófilo ataca al átomo de carbono del grupo carbonilo, electrófilo,

en una dirección aproximadamente perpendicular al plano de los orbitales sp2 del

carbonilo. El carbono carbonílico experimenta una hibridación de sp2

a sp3, y se produce

un ion alcóxido intermediario con configuración geométrica tetraédrica. El nucleófilo

atacante puede tener carga negativa (Nu:-) o ser neutro (:Nu-H). Sin embargo, en este

último caso suele tener un átomo de hidrógeno que puede ser eliminado posteriormente.

HO- ion hidróxido

H- ion hidruro

algunos nucleófilos con carga negativa R3C- un carbanión

RO- un ion alcóxido

NC- ion cianuro

Algunos nucleófilos neutros

H2O

ROH

H3N

RNH2

agua

un alcohol

amoniaco

una amina

La adición nucleofílica a cetonas y aldehídos suele tener dos variantes. (1) El

intermedio tetraédrico puede ser protonado para formar un alcohol, o (2) el átomo de

oxígeno del carbonilo puede eliminarse (como HO- o como H2O) para formar un nuevo

doble enlace carbono-nucleófilo.



210

(1) (2)

Dos posibles vías de reacción posterior a la adición de un nucleófilo a una cetona o un aldehído

Las principales se ilustran a continuación en la roseta:

Algunas reacciones de adición nucleófilica de cetonas y aldehídos



211

Reactividad Relativa de Aldehídos y Cetonas.-

Los aldehídos son en general más reactivos que las cetonas hacia la sustitución

nucleofílica por razones tanto estéricas como electrónicas. Por razones estéricas, porque

la presencia de dos sustituyentes relativamente grandes en las cetonas, contra un solo

sustituyente grande en los aldehídos, hace que los neutrófilos atacantes puedan

aproximarse con mayor facilidad a los aldehídos. Electrónicamente, el mayor grado de

polaridad del grupo carbonilo de los aldehídos los hace más reactivos que las cetonas.

RESUMEN DE REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA

REACCIONES EJEMPLOS

1.- Adición de hidruro: Reducción

2.- Adición de reactivo de Grignard

3.- Adición de HCN: Cianohidrinas

4.- Adición de aminas primarias: Iminas

Iminas

Por ejemplo:

(a) Con hidroxilamina : NH2-OH

se obtiene ; Oximas, R2C=NOH

(b) Con hidrazina, NH2-NHCONH2

se obtiene; semicarbazonas,

R2C=N-NHCONH2

(c) 2,4-dinitrofenilhidrazina, NH2NH-C6H4(NO2)2

se obtiene la 2,4-dinitrofenilhidrazonas,

R2C=NNH-C6H4(NO2)2

Butanona Imina de Butanona

Ciclohexanona Oxima de Ciclohexanona

Benzaldehído Semicarbazona de benzaldehído



212

5.-

Adición de aminas secundarias:

Enaminas

6.- Reacción de Wolff-Kishner

7.- Adición de alcoholes: Acetales

8.- Adición de tioles: Tioacetales

9.- Desulfuración de tioacetales con

niquel Raney

10.- Adición de iluros de fósforo:

Reacción de Wittig

Adición Nucleofílica de H2O: Hidratación

Los aldehídos y cetonas reaccionan con agua para producir 1,1-dioles o dioles

geminales (llamados comúnmente gem-dioles). La reacción de hidratación es reversible;

los gem-dioles pueden eliminar agua para regenerar cetonas o aldehídos. La posición

exacta del equilibrio entre gem-dioles y cetonas o aldehídos depende de la estructura del

compuesto carbonílico. Aunque en la mayoría de los casos el equilibrio favorece

fuertemente al compuesto carbonílico.

La adición nucleofílica de agua a cetonas y aldehídos es un proceso lento en

agua pura, pero se cataliza tanto con ácido como con base. Si bien como en todas las



213

reacciones catalizadas en ácido o en base no cambian la posición del equilibrio, influyen

fuertemente en la velocidad de la reacción de hidratación.

El ion hidróxido como

nucleófilo se une al

grupo carbonilo de la

cetona o del aldehído

para producir un ion

alcóxido como

intermediario.

El ion alcóxido (básico)

como intermediario

extrae un protón (H+)

del agua para formar un

gem-diol como

producto y regenerar el

ion hidróxido que

catalizó la reacción.

El catalizador ácido

protona al átomo del

carbonilo, básico,

haciendo de la cetona o

aldehído un mucho

mejor aceptor de

nucleófilo.

La adición nucleofílica

de agua, neutra,

produce un gem-diol

protonado.

La pérdida del protón

regenera el catalizador

ácido y forma como

producto un gem-diol

neutro.

Mecanismo de la hidratación catalizada por Base Mecanismo de la hidratación catalizada por

Ácido

Adición Nucleofílica de HCN: Cianohidrinas.

Los aldehídos y las cetonas no impedidas reaccionan con HCN para producir

cianohidrinas, RCH(OH)CN, por tratamiento con HCN, el benzaldehído forma la

cianohidrina llamada mandelonitrilo, con un rendimiento del 88%.

Benzaldehído Mandelonitrilo (88%).

La reacción ocurre muy lentamente con HCN puro, pero es rápida cuando se

agrega una cantidad mínima de base o ion cianuro. Es posible entender este resultado

recordando que el HCN, es un ácido débil con pKa = 9.1, no se disocia ni es nucleófilo.

Sin embargo, el ion cianuro es fuertemente nucleófilo, la adición a cetonas y aldehídos

ocurre por la vía típica de adición nucleofílica. La protonación del intermediario

tetraédrico aniónico produce la cianohidrina y regenera el ion cianuro:



214

La formación de cianohidrinas es útil debido a las reacciones posteriores que

puede experimentar. Por ejemplo, los nitrilos (RCN) pueden reducirse con LiAlH4 para

producir aminas primarias (RCH2NH2), y también hidrolizarse con ácido acuoso para

formar ácidos carboxilicos. Por tanto, la formación de cianohidrinas constituye un

método para transformar aldehídos o cetonas en otros grupos funcionales al mismo

tiempo que alarga la cadena en un átomo de carbono.

2-Amino-1-

feniletanol Ácido mandélico (90%)

Adición Nucleofílica de Reactivos de Grignard: Formación de Alcoholes.

La síntesis de alcoholes por reacción de reactivos de Grignard con cetonas y

aldehídos es simplemaente una adición nucleofílica. Las adiciones de Grignard suelen

ser irreversibles.

Carbonilo Alcohol

Para más detalles véase capítulo de alcoholes (cap. 12) y reactivos

organometálicos (cap. 16).

Adición Nucleofílica de Hidruro: Reducción.

La reducción de aldehídos y cetonas para producir alcoholes es otra reacción de

adición nucleofílica cuyo mecanismo ha sido estudiado en capítulo 12. para mayor

información remítase a dicho tema.



215

Adición Nucleofílica de Aminas: Formación de Iminas y Enaminas.

Las aminas primarias, RNH2, experimentan adición a los aldehídos y las cetonas

para producir iminas, R2C=NR. Las aminas secundarias hacen lo mismo para producir

enaminas (-eno + -amina; amina insaturada).

Una imina Una enamina

El ataque nucleofílico a

una cetona o un aldehído

por el par electrónico de

una amina forma un

intermediario tetraédrico

dipolar. Luego se trnasfiere un

protón del nitrógeno al

oxígeno, lo que produce

una carbinolamina

neutra. El catalizador ácido

protona el oxígeno del

hidroxilo el electónico no

compartido del nitrógeno

libera agua, formando un

ion iminio La pérdida de H+ del

nitrógeno genera la

imina (en el caso de ser

amina) como pruducto

final

El grupo “G” puede

ser:

G = H, (NH2-H)

Amoniaco

G = -OH, (NH2-OH)

Hidroxilamina

G = -NH2, (NH2-NH2)

Hidracina

G = R, (NH2-R)

Amina primaria

G = -NHC6H5

(NH2-NHC6H5)

Fenilhidracina

G = -NHCONH2

(NH2-NHCONH2)

Semicarbazida

El producto final

reulta ser:

Imina

Oxima

Hidrazona

Imina

Fenilhidrazona

Semicarbazona

Mecanismo de la formación de imina (o derivado) por la reacción de una cetona o un aldehído con

compuestos derivados del amoniaco.

Las enaminas se forman cuando una cetona o un aldehído reaccionan con una

amina secundaria, R2NH. Hasta la fase del ion iminio, el proceso es idéntico al de

formación de iminas, pero en este punto no existe un protón en el nitrógeno que pueda



216

ser perdido para producir un producto neutro. En cambio, se pierde un protón del átomo

de carbono alfa y se obtiene una enamina.

La adición nucleofílica de una amina

secundaria a una cetona o un aldehído,

seguida de la transferencia de un

protón del nitrógeno al oxígeno,

produce una carbinolamina

intermediaria en la vía normal.

La protonación del hidroxilo por el

catalizador ácido convierte aquél en un

mejor grupo saliente.

La eliminación de agua por el par

electrónico del nitrógeno genera un ion

iminio intermediario.

La pérdida de un protón del átomo de

carbono alfa forma la enamina como

producto y regenera el catalizador

ácido.

Ejemplo:

Ciclohexanona Enamina de la

ciclohexanona



217

Adición Nucleofílica de Hidrazina: Reacción de Wolff - Kishner.

Una variante importante de la formación de iminas anteriormente descritas es el

tratamiento de una cetona o aldehído con hidrazina (H2N-NH2), en presencia de KOH.

Esta reacción, descubierta independientemente en 1911 por Ludwig Wolff[2]

en

Alemania y por N. M. Kishner[3]

en Rusia, es un método sintético en extremo valioso

para la conversión de cetonas o aldehídos en alcanos, R 2C=O R2CH2.

La reacción de Wolff - Kishner frecuentemente se realiza a 240ºC en

dietilenglicol a ebullición como solvente, pero una modificación en la cual se usa

dimetilsulfóxido como solvente permite que el proceso ocurra a temperatura cercana a

la ambiental.

La reacción de la cetona o el aldehído con la

hidrazina produce una hidrazona en la forma

normal.

La base extrae uno de los protones débilmente

ácidos del -NH2, produciendo un anión

hidrazona. Este anión tiene una forma de

resonancia “alílica” que coloca la carga negativa

en el carbono y el doble enlace entre los

nitrógenos.

La protonación del anión hidrazona se realiza en

el carbono y produce un intermediario neutro.

Entonces la pérdida del nitrógeno inducida por

la base produce un carbanión, que se protona

para formar un alcano neutro como producto.

Ejemplo:

Ciclopropano Metilciclopropano

carbaldehído (72%)



218

Reducción de Clemmensen:

Además de la reacción de Wolff-Kishner, existe un segundo proceso, llamado

reducción de Clemmensen[4]

, que también realiza la conversión de cetonas o aldehídos a

los alcanos correspondientes. La reducción de Clemmensen, cuyo mecanismo es

complejo y no se comprende del todo, implica el tratamiento del compuesto carbonílico

con amalgama de cinc, Zn(Hg) y HCl acuoso concentrado. Esta reacción se usa

principalmente cuando la cetona o el aldehído iniciales son sensibles a las condiciones

fuertemente básicas que se requieren para la reducción de Wolff-Kisner.

Propiofenona Propilbenceno

(86%)

Adición Nucleofílica de Alcoholes: Formación de Acetales.

Cetonas y aldehídos reaccionan en forma reversible con alcoholes en presencia

de un catalizador ácido para producir acetales, R2C(OR’)2, antiguamente también

llamados cetales.

Cetona/aldehído Un

Acetal

La adición nucleofílica inicial del alcohol al grupo carbonilo produce un

hidroxiéter llamado hemiacetal, análogo al gem-diol formado por la adición de agua.

Los hemiacetales se forman de manera reversible, normalmente con el equilibrio en

favor del compuesto carbonílico. Sin embargo, en presencia de ácido puede ocurrir una

reacción posterior. La protonación del grupo hidroxilo, seguida por la pérdida de agua a

través de un mecanismo tipo E1, forma un catión (un ion oxonio, R3O+) que une

entonces un segundo equivalente de alcohol para producir el acetal.

Una cetona Un hemiacetal Un acetal



219

Mecanismo de la formación de un acetal catalizada por ácido mediante la reacción de cetona o

aldehído con un alcohol.

La protonación del oxígeno carbonílico

polariza fuertemente al grupo carbonilo, y..

..activa a éste para el ataque nucleofílico

por el par no compartido del oxígeno del

alcohol.

La pérdida de un protón produce un

hemiacetal neutro como intermediario

tetraédrico.

La protonación del hidroxilo del

hemiacetal lo convierte en un buen grupo

saliente.

La deshidratación produce un ion oxonio

como intermediario.

La adición de un segundo equivalente de

alcohol origina un acetal protonado.

La pérdida de un protón forma el acetal

neutro como producto.

Los acetales son compuestos extremadamente útiles, debido a que pueden actuar

como grupos protectores de cetonas y aldehídos. Algunas veces sucede que el grupo

funcional interfiere en las reacciones químicas que se intentan en otro lugar de una

molécula compleja. Por ejemplo, si se deseara reducir solamente el grupo éster

del 4-oxopentanoato de etilo, el grupo ceto interferiría. El tratamiento del

cetoéster inicial con LiALH4 reduciría el grupo ceto como el grupo éster, para formar un

diol como producto:



220

4-Oxopentanoato de etilo 5-Hidroxi-

2-pentanona

El problema anterior, puede evitarse protegiendo al grupo ceto como un acetal.

El la práctica, es conveniente usar etilenglicol (HOCH2CH2OH) como el alcohol

y así formar un acetal cíclico. El mecanismo de formación de un acetal cíclico usando

un equivalente de etilenglicol es exactamente el mismo que cuando se usan dos

equivalentes de metanol u otro monoalcohol. La única diferencia es que ahora los dos

grupos alcohol están en la misma molécula y no en dos moléculas.

Adición Nucleofílica de Tioles: Formación de Tioacetales.

Los tioles, RSH, experimentan adición a aldehídos y cetonas por una ruta

reversible catalizada por ácido para producir tioacetales, R’2C(SR)2. Como es de esperar,

el mecanismo de formación de un tioacetal es idéntico en todos los aspectos al de

formación de un acetal, con la excepción de que se usa un tiol en vez de un alcohol. A

menudo se emplea etanoditiol; el tioacetal se forma rápidamente y con alto rendimiento.

3-Metilciclohexanona Un tioacetal (96%)

Los tioacetales son útiles debido a que experimentan desulfuración cuando se

tratan con níquel pulverizado de preparación especial llamado níquel Raney[5]

(Ni

Raney). Dado que la desulfuración extrae azufre de una molécula reemplazándolo

por hidrógeno, la formación de un tioacetal seguida de la desulfuración con níquel

Raney es un excelente método para la reducción de cetonas o aldehídos a alcanos.

Cetona/Aldehído Tioacetal Alcano

Por ejemplo:



221

Adición Nucleofílica de Iluros de Fósforo: Reacción de Wittig.

Cetonas y aldehídos se convierten en alquenos por medio de la reacción de

Wittig[6]

. En este proceso, un iluro de fósforo, R2C=(C6H5)3, se une a una cetona o un

aldehído para producir un intermediario dipolar llamado betaina. La betaína

intermadiaria en la reacción de Wittig no se aisla; se descompone para producir un

alqueno y óxido de trifenilfosfina. El resultado neto es el reemplazo del oxígeno del

carbono por el fragmento orgánico que esencialmente estaba unido al fósforo.

Los iluros de fósforo necesarios para la reacción de Wittig se producen

fácilmente por una reacción SN2 de halogenuros de alquilo 1º y algunos 2º (pero no

terciarios) con trifenilfosfina, R3P, son excelentes nucleófilos en reacciones SN2, con

altos rendimientos de sales cristalinas de tetraorganofosfonio. El protón en el carbono

próximo al fósforo con carga positiva es débilmente ácido y puede extraerse con bases

como hidruro de sodio o butil-litio (BuLi) para generar el iluro neutro. (reactivo de

Wittig), Por ejemplo:

Trifenilfosfina Metile

ntrifenilfosforano

La reacción de Wittig es extremadamente útil, y a partir de combinaciones

apropiadas de fosforanos y cetonas o aldehídos es posible elaborar una gran cantidad de

alquenos mono, di- y trisustituídos. Sin embargo, no pueden elaborarse alquenos

tetrasustituídos debido presumiblemente al impedimento estérico de la reacción.



222

Mecanismo de la reacción de Wittig entre una cetona o aldehído y un iluro de fósforo.

Reacción de Cannizzaro:

Cuando un aldehído sin hidrógenos en el carbono adyacente al grupo -CHO

(como el benzaldehído) se calienta en presencia de ion hidróxido, ocurre una reacción

de dismutación en la cual se producen un equivalente de ácido carboxílico y un

equivalente de alcohol. La reacción fue descubierta en 1853 por S. Cannizzaro[7]

, a lo

cual se debe su nombre reacción de Cannizzaro.

Benzaldehído Ácido benzoico Alcohol

bencílico

La reacción de Cannizzaro ocurre por adición nucleofílica de ion hidróxido al

aldehído para formar un intermediario tetraédrico, que libera ion hidruro como grupo

saliente. Un segundo equivalente de aldehído acepte entonces el ion hidruro en otro

paso de adición nucleofílica. El resultado neto es que una molécula de aldehído

experimenta sustitución acílica de hidruro por hidróxido, de modo que se oxida para

convertirse en un ácido, mientras que una segunda molécula de aldehído experimenta

una adición de hidruro y, por tanto, se reduce para convertirse en un alcohol.

Intermediario tetraédrico

La reacción de Cannizzaro tiene pocas aplicaciones prácticas y se limita al

formaldehído y los benzaldehídos sustituidos.

Reacción de Reformatsky: Preparación de -hidroxiésteres.



223

Si se trata un éster bromado con cinc metálico en presencia de un aldehído o

cetona se obtiene un -hidroxiéster. Esta reacción, conocida como reacción de

Reformastky, es la forma más importante de preparar -hidroxiácidos y sus derivados.

El -bromo éster y el cinc reaccionan en éter para generar un compuesto

organometálico de cinc, que se adiciona al carbonilo del aldehído o la cetona.

Ejemplos:

Aldehídos y Cetonas con Iluros de azufre como reactivos de transferencia de

metilenos:

Los iluros de azufre son nucleófilos y al igual que en la primera etapa de la

reacción de Wittig, atacan al carbonilo de aldehído o cetona para dar betaínas azufradas.

Sin embargo, a diferencia de las betaínas fosforadas en dichos aductos el sulfuro de

dimetilo, que actúa como grupo saliente es desplazado por ataque nucleofílico del ion

alcóxido con formación de un oxaciclopropano. De esta forma, el iluro de azufre

actúa como agente de transferencia de metileno.

El iluro de azufre se prepara a partir de dimetilsulfuro y yoduro de metilo y

posterior tratamiento básico con BuLi en THF, en un proceso análogo al reactivo de

Wittig.



224

Ejemplos:

Ciclohexanona Betaína

azufrada (82%)

Oxidación de Baeyer - Villiger.

El carbono carbonílico de los aldehídos y cetonas puede ser atacado por el grupo

hidroxilo de un ácido peroxicarboxílico como si éste procediera de un alcohol. El

resultado es un análogo de un hemiacetal con un grupo peróxido. Estos productos no

son estables y se descomponen a través de un estado de transición de ocho electrones.

En el aducto obtenido a partir de un aldehído, es el hidrógeno el que migra para dar dos

ácidos carboxílicos. Uno se forma por oxidación del aldehído, siendo el otro el

correspondiente al ácido peroxicarboxílico original. En el aducto obtenido a partir de las

cetonas, un grupo alquilo migra de manera análoga para dar un éster. Esta

transformación de denomina oxidación de Baeyer-Villiger[8]

.

Ejemplos:

Ciclohexanona -lactona (90%)

Butanona Acetato de etilo (72%)

Butanal Ácido butanoico

Con cetonas asimétricas es en principio posible obtener dos ésteres diferentes. A

partir de una serie de experimentos se ha establecido una lista de “aptitudes migratorias”,

la cual indica la facilidad relativa de migración de varios sustituyentes. Este orden

depende de la estabilidad del carbocatión en el carbono que migra.

Aptitudes migratorias en la reacción de Baeyer-Villiger

H > terciario > ciclohexilo > secundario fenilo > primario > metilo



225

ALDEHÍDOS Y CETONAS

(Reacciones de Sustitución Alfa al carbonilo)

Y

ALDEHÍDOS Y CETONAS-INSATURADOS

(Síntesis y Reacciones de sis temas -insaturados)

En éste capítulo discutiremos la reactividad de aldehídos y cetonas en la posición alfa

(), es decir el carbono contiguo al grupo funcional. El carácter polar del grupo

carbonilo tiene un efecto acidificante sobre los hidrógenos y permite la formación de

alcoholes -insaturados (enoles) y sus aniones correspondientes (iones enolatos).

Los pKa de aldehídos y cetonas van de 19 a 21, valores considerablemente

inferiores a los pKa del eteno (44) o etino (25), aunque mayores que los de los alcoholes

(15-19) ¿Cuál es la razón de la relativa acidez de los aldehídos y cetonas? Existen dos

razones fundamentales: una es el efecto inductivo atrayente de electrones del carbono

carbonílico, polarizado positivamente y otra de mayor importancia, es que los iones

enolatos formados se hallan estabilizados por resonancia.

A continuación veremos las reacciones del carbono , fruto de la enolización

como también los métodos sintéticos y reacciones de sistemas -insaturados de

cetonas y aldehídos.



226

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ALFA DE GRUPOS CARBONILOS DE

CETONAS Y ALDEHÍDOS:

Las reacciones de sustitución alfa ocurren en la posición contigua al grupo

carbonilo -la posición alfa ()- e implican la sustitución de un átomo de hidrógeno alfa

por algún otro grupo. Se verifican a través de la formación de un enol o ion enolato

como intermedios. Su estudio se iniciará aprendiendo un poco más de estas dos especies.

TAUTOMERÍA CETO-ENOL.

Los compuestos carbonílicos que tienen átomos de hidrógenos en sus carbonos

alfa se interconvierten en forma rápida con sus correspondientes enoles (eno + ol,

alcohol insaturado). Esta rápida interconversión entre dos especies químicamente

distintas es una clase especial de isomería conocida como tautomería. A los isómeros

individuales se les llama tautómeros.

En el equilibrio, la mayoría de los compuestos carbonílicos existen casi

exclusivamente en la forma ceto, y suele ser difícil aislar el enol en forma pura. Por

ejemplo, a temperatura ambiente la ciclohexanona contiene sólo alrededor de 0.0001%

de su tautómero enol, y la acetona sólo alrededor de 0.0000001% de su enol. El

porcentaje del tautómero enol es aún menor en los ácidos carboxílicos y en sus

derivados de acilo, como ésteres y amidas. Si bien los enoles son difíciles de aislar y

en el equilibrio están presentes sólo en pequeña cantidad, son extremadamente

importantes e intervienen en gran parte de la química de los compuestos

carbonílicos.



227

Ciclohexanona

99.999 9% 0.000 1%

Acetona

99. 999 999 % 0.000 001%

La tautomería ceto-enol de los compuestos carbonílicos eatá catalizada tanto por

ácidos como por bases. La catálisis ácida implica la protonación del átomo de oxígeno

del carbonilo (una base de Lewis), para formar un catión intermediario que puede perder

un protón del carbono y producir enol neutro.

La formación de un enol catalizada por base ocurre vía una reacción ácido-base

entre el catalizador y el compuesto carbonílico. Este último actúa como un ácido prótico

débil y dona a la base uno de sus hidrógenos . Entonces el anión resultante -un ion

enolato- vuelve a protonarse para producir un compuesto neutro.

Mecanismo de la formación del enol catalizada por

Ácido Mecanismo de la formación del enol catalizada por

Base

PREPARACIÓN DE ENOLATOS:

Cuando cetonas y aldehídos se tratan con bases fuertes, éstas provocan la

desprotonación del carbono ; debido al carácter ácido de estos hidrógenos. Los pKa de

aldehídos y cetonas van de 19 a 21, valores considerablemente inferiores a los pKa de

alquenos y alquinos, aunque mayores a los de los alcoholes. Los aniones formados por

desprotonación, los iones enolato, se hallan estabilizados por resonancia.

Producir cantidades estequiométricas de un enolato a partir de un aldehído es

difícil debido a las reacciones secundarias (condensación aldólica). Las cetonas, sin

embargo, pueden desprotonarse con diisopropilamiduro de litio o hidruro potásico.



228

RESUMEN DE LAS REACCIONES

I.- Síntesis y reacciones de enolatos y enoles

Ejemplos

1.- Preparación de enolatos

2.- Alquilación de enolatos

3.- Alquilación vía enaminas



229

4.- Equilibrio ceto-enol

En medio Ácido

En medio Básico

5.- Halogenación

(vía enolato)

(vía enol)

6.- Condensaciones aldólicas

Condensación aldólica mixta (un aldehído no

enolizable)

Condensación entre cetonas



230

Condensación aldólica intramolecular:

Se forman anillos sin tensión, preferentemente

(cinco y seis átomos).

II.- Síntesis aldehídos y cetonas -

insaturadas

Ejemplos

6.- Condensaciones aldólicas.

Ver ejemplos anteriores

7.- Bromación-deshidrobromación de

aldehídos y cetonas.

8.- Reacción de Wittig con iluros

estabilizados.

9.- Oxidación de alcoholes alílicos.



231

10.- Isomerización de aldahídos -insaturados.

III.- Reacciones de aldehídos y cetonas

-insaturados.

Ejemplos

11.- Hidrogenación. (Reducciones)

12.- Adición de halogenos.



232

13.- Adición de cianuro de hidrógeno.

14.- Adición de agua, alcoholes y aminas.

15.- Adición de reactivos organometálicos.

16.- Condensación con derivados de aminas.

G = -OH, -NH2, -NHR, etc.



233

17.- Reacción de Michael.

18.-Anelación de Robinson.

Consiste en una : Michael y a continuación

una

Aldólica - intramolecular.



234

ALQUILACIÓN SENCILLA Y DOBLE DE ENOLATOS.

La mayoría de alquilaciones tiene lugar sobre el carbono , la reacción

constituye un procedimiento general de introducción de un sustituyente alquilo en la

posición contigua a un carbonilo. Uno de los problemas de este tipo de reacción es

controlar la dialquilación. En las condiciones de reacción, la cetona monoalquilada

puede ser desprotonada por el enolato de partida y ser objeto de alquilaciones sucesivas.

Otra complicación es la que surge al alquilar cetonas asimétricas, ambas posiciones

pueden sufrir el ataque del electrófilo.

Ejemplos:

27% 38%

53% 47%

Mecanismo de la alquilación de la ciclohexanona:

ALQUILACIÓN VÍA ENAMINAS.

Las enaminas son ricas en electrones debido a la presencia del sustituyente

nitrógeno. La resonancia entre el par de electrones solitario de dicho nitrógeno y el

doble enlace posibilita el que éste pueda ser atacado por electrófilos. En efecto, las

enaminas en presencia de haloalcanos se alquilan en el carbono dando sales de iminio.

El tratamiento acuoso de éstas las hidroliza por un mecanismo inverso al formulado

para su formación. El resultado final es una cetona alquilada y la amina secundaria

original.

Ejemplos:

Enamina de ciclohexanona 2-Butilcicloxexanona (44%)

2,2-Dimetilbutanal (70%)



235

Mecanismo de la alquilación vía enamina para la 3-Pentanona:

2-Metilpentanona

HALOGENACIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS A TRAVÉS DE

INTERMEDIOS DE TIPO ENOLATO O ENOL.

Los aldehídos y cetonas reaccionan con halógeno mediante el carbono al

grupo carbonilo. En presencia de ácido, por ejemplo, la halogenación suele detenerse

tras la incorporación del primer halógeno. La velocidad de halogenación catalizada por

ácidos es independiente de la concentración de halógeno, lo cual sugiere un primer paso

determinante de la velocidad que involucra al sustrato carbonílico. Dicho paso es la

enolización. El halógeno ataca a continuación al doble enlace para dar un

halocarbocatión intermedio, estabilizado por el oxígeno. La desprotonación

subsiguiente de dicha especie proporciona el producto.

Ejemplos:

Propanona Bromopropanona

2-Metilciclohexanona 2-Cloro-2-metilciclohexanona



236

Mecanismo de la bromación catalizada por ácido de la propanona (acetona):

ETAPA 1.- Enolización

ETAPA 2.- Ataque del halógeno

ETAPA 3.- Desprotonación

La entrada de un segundo halógeno es prácticamente nula. Para poder repetir la

enolización, el compuesto halocarbonílico debe enolizarse de nuevo por el

mecanismo habitual catalizado por ácidos. Sin embargo, la capacidad atrayente de

electrones del halógeno hace que la protonación, el primer paso de la enolización, sea

más difícil que en el compuesto carbonílico original. Los rendimientos de la

monohalogenación suelen ser altos.

La halogenación catalizada por bases es totalmente diferente. En este caso lo

difícil es detener la reacción, por lo que no suele tener utilidad. Con metilcetonas, sin

embargo, el sustituyente trihalometil resultante actúa como grupo saliente en

condiciones básicas y el producto final es en muchos casos un ácido carboxílico y el

trihalometano (Reacción del haloformo).

3-Metil-2-butanona 1,1,1-Tribromo-3-Metil-2-butanona Ácido 2-

Metilpropanoico Bromformo



237

Mecanismo de bromación catalizada por base de una metil cetona:

ETAPA 1.- Formación del enolato

ETAPA 2.- Ataque nucleófilo sobre el bromo

ETAPA 3.- Bromación completa

ETAPA 4.- Formación de ácido carboxílico

CONDENSACIÓN ALDÓLICA.- ATAQUE DE ENOLATOS SOBRE LA

FUNCIÓN CARBONILO.

Los enolatos pueden atacar al carbono carbonílico para dar compuestos hidroxi-

carbonílicos. La eliminación subsiguiente de agua conduce a aldehídos y cetonas -

insaturados. La secuencia global de ambos pasos constituye una reacción de

condensación.

La condensación aldólica es general para aldehídos, aunque también puede

realizarse con éxito sobre cetonas. El mecanismo de esta reacción es un ejemplo

característico de la química de enolatos. En condiciones básicas empleadas, existe un



238

equilibrio entre aldehídos y su enolato correspondiente. Éste, que se halla rodeado de

aldehído en exceso, utiliza su carbono nucleófilo para atacar al carbonilo de una

molécula de aldehído. La protonación del alcóxido resultante proporciona el aducto

aldólico inicial, el 3-hidroxibutanal, al cual se le ha dado el nombre corriente de aldol.

Mecanismo de formación del aldol:

ETAPA 1.- Formación del enolato.

ETAPA 2.- Ataque nucleófilo.

ETAPA 3.- Protonación.

A temperaturas elevadas el aldol se convierte en su enolato, que sufre una

eliminación de ion hidróxido para dar lugar al producto final. El resultado neto es la

deshidratación del aldol catalizada por hidróxido. Las condensaciones aldólicas suelen

ser de diferentes tipos, entre las que están las intramoleculares que conducen a la

formación de anillos.

Mecanismo de la deshidratación:



239

Ejemplos de condensaciones aldólicas:

2-Metilpropanal 3-Hidroxi-2,2,4-

trimetilpentanal

PREPARACIÓN Y QUÍMICA DE LOS ALDEHÍDOS Y CETONAS -

INSATURADOS.-

Los aldehídos y cetonas -insaturados contienen dos grupos funcionales. Al

igual que otros compuestos difuncionales, su química puede ser simplemente una

composición de las reactividades de los dos tipos de doble enlace o bien, puede

involucrar a la función enona de forma global. En este apartado revisaremos los

métodos de preparación de dichas moléculas.

Los aldehídos y cetonas -insaturados pueden prepararse por reacciones ya

conocidas por el estudiante que han sido comentadas con anterioridad en este capítulo,

conjuntamente con otras ya estudiadas, como por ejemplo las eliminaciones. Éste es el

caso de la halogenación en el carbono y posterior eliminación en medio básico.

Ciclopentanona 2-Ciclopentenona (73%)

En este caso el doble enlace

carbono-carbono puede formarse en

la posición contigua al carbonilo

mediante la cloración en medio

ácido seguida de una

deshidrocloración catalizada por base,

con buenos rendimientos.

Otro método eficaz de formar cetonas y aldehídos -insaturados es por la

reacción de Wittig. Por ejemplo, el 2-cloroetanal puede convertirse en la sal de fosfonio

y posteriormente ser desprotonado al iluro correspondiente; que reacciona un

aldehído para dar la formación de un aldehído -insaturado.

Ejemplo:

Iluro estabilizado

Heptanal 2-Nonanal (81%)

Los iluros formados de esta

manera no reaccionan con

cetonas. Son posibles otras

reacciones análogas con otros

iluros de alcanoílo.

Otro de los métodos empleados comúnmente para la preparación de los

aldehídos y cetonas -insaturados es la isomerización en medio ácido o básico de

sistemas -insaturados. Así por ejemplo, los compuestos carbonílicos -insaturados

se transponen fácilmente a sus isómeros conjugados. Se dice que el doble enlace

carbono-carbono “entra en conjugación” con el grupo carbonilo.



240

Ejemplos:

3-Butenal 2-Butenal

3-Ciclohexanona 2-Ciclohexanona

La ruta catalizada por ácidos transcurre a través del dienol conjugado. La

protonación en el extremo más alejado del grupo hidroxilo genera un carbocatión

estabilizado por resonancia que se desprotona en el oxígeno para dar el producto. En la

reacción catalizada por bases, el intermedio es el ion dienolato conjugado, que sufre

reprotonación en el carbono extremo. Ambos mecanismos se ilustran a continuación:

Mecanismo de la isomerización catalizada por ácidos de compuestos carbonílicos

- insaturados:

Mecanismo de la isomerización catalizada por bases de compuestos carbonílicos

-insaturados:



241

REACCIONES QUE SUFREN LOS ALDEHÍDOS Y CETONAS

INSATURADOS.

Los aldehídos y cetonas -insaturados dan lugar a muchas reacciones

perfectamente predecibles a partir de la química ya conocida de los dobles enlaces

carbono-carbono y carbono-oxígeno. Por ejemplo la hidrogenación con paladio sobre

carbono da el compuesto carbonílico saturado. Ciertos catalizadores especiales

provocan la reducción selectiva del grupo carbonílico sin afectar al doble enlace del

alqueno.

El hidrógeno empleado con

Paladio/Carbono, produce solamente la

hidrogenación del enlace carbono-

carbono, de manera casi cuantitativa

(95%) Cuando se emplea hidrógeno en presencia

de óxido de plata, sulfato de hierro y

acetato de cinc, y además a bajas

presiones de obtiene la hidrogenación del

grupo carbonilo sin dañar el enlace

carbono-carbono.

La halogenación es otra de las reacciones que sufre solamente el doble enlace

carbono-carbono. Por ejemplo la bromación proporciona un compuesto

dibromocarbonílico.

3-Penten-2-ona 3,4-

Dibromo-2-pentanona

ADICIONES 1,4 A ALDEHÍDOS Y CETONAS -INSATURADOS.

Las reacciones anteriormente comentadas pueden clasificarse como adiciones

1,2 a alguno de los enlaces del sistema, ya sea el carbono-carbono o el carbono-

oxígeno. Sin embargo, algunos reactivos se adicionan de forma 1,4 al sistema

conjugado, lo que se denomina adición conjugada. En tales transformaciones la parte

nucleófila del reactivo se une al carbono y la electrófila (normalmente un protón) se

une al oxígeno carbonílico . El producto inicial es un enol, que sufre posteriormente un

reordenamiento a la forma ceto.



242

Adición 1,2 de un reactivo polar A-B a una

enona conjugada.

Adición 1,4 de un reactivo polar A-B a una

enona conjugada.

Las adiciones 1,4 son realizadas tanto en medio ácido como medio básico.

Ejemplos:

(a) Adición de cianuro de hidrógeno.

Mecanismo de adición:

(b) Adiciones 1,4 de Agua, Alcoholes y Aminas.

Adición de Agua:

Adición de Aminas:

Adición de Alcoholes:

Mecanismo de adición:

(c) Los reactivos organometálicos dan adiciones del tipo 1,2 ó 1,4.

Los reactivos organometálicos pueden adicionarse a la función

carbonilo -insaturada de forma 1,2 ó 1,4. Los reactivos organolíticos, por

ejemplo, reaccionan preferentemente mediante ataque nucleofílico sobre el carbono

carbonílico. En cambio las adiciones 1,4 suelen ocurrir con reactivos del tipo R2CuLi,

mediante un mecanismo bastante complejo para discutir en este capítulo.

Adición 1,2: Adición 1,4:



243

REACCIÓN DE MICHAEL Y ANELACIÓN DE ROBINSON.

Los iones enolatos dan adiciones conjugadas a aldehídos y

cetonas -insaturados, una reacción que se conoce como reacción de

Michael[1]

. Dicha transformación funciona mejor con enolatos derivados de compuestos

-dicarbonílicos, si bien también tiene lugar con sistemas más sencillos. El mecanismo

de la reacción de Michael incluye el ataque nucleófilo del ion enolato sobre el carbono

del compuesto carbonílico insaturado, seguido de protonación.

Ejemplos de reacción de Michael.

Mecanismo de la reacción de Michael:

Los productos obtenidos por la reacción de Michael en ciertos casos pueden dar

lugar a una posterior condensación aldólica intramolecular, con la formación de un

anillo. La secuencia sintética, que comprende una adición de Michael seguida por una

condensación aldólica intramolecular, se llama también anelación de Robinson[2]

. La

anelación de Robinson ha sido empleada extensamente en la síntesis de anillos.

Ejemplos de Anelación de Robinson:



244

Producto final de la reacción de

Robinson (86%)

[1]

Dr. Arthur Michael, (1853-1942), Universidad de Harvard. [2]

Sir Robert Robinson, (1886-1975), Universidad de Oxford, Premio Nobel en 1947.



245

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Los ácidos carboxílicos ocupan un lugar importante dentro de la química orgánica, dado

que sirven para la construcción de derivados relacionados, como ésteres y amidas.

También son importantes en la síntesis orgánica de muchas otras moléculas.

Algunos ejemplos importantes son el ácido cólico, uno de los principales

componentes de la bilis humana, y los ácidos alifáticos de cadena larga como el ácido

oleico y el ácido linoleico, precursores biológicos de grasas y otros lípidos. También se

encuentran en la naturaleza muchos ácidos carboxílicos saturados simples. Por ejemplo,

el ácido acético, CH3CO2H, es el principal componente orgánico del vinagre; el ácido

butanoico, CH3CH2CH2CO2H, es el que da el olor a la mantequilla rancia, y el ácido

hexanoico (ácido caproico), CH3(CH2)4CO2H, es la causa del inconfundible olor de las

cabras y de los calcetines deportivos después de hacer ejercicios.



246

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS: ESTRUCTURA Y PROPIEDADES FÍSICAS.

Cuando se une un grupo hidroxilo a un grupo carbonilo se forma un nuevo

grupo funcional, el grupo carboxilo, dando lugar a los ácidos carboxílicos. Este nuevo

grupo suele representarse como -COOH o -CO2H. Dado que el grupo funcional ácido

carboxílico esta relacionado estructuralmente con las cetonas y con los alcoholes, podría

esperarse ver algunas propiedades familiares a ellos. En efecto, los ácidos carboxílicos

son similares a las cetonas y a los alcoholes en algunos aspectos, aunque también tienen

grandes diferencias. Como en las cetonas, el carbono carboxílico tiene hibridación sp2,

con ángulos de enlace de 120º aproximadamente. Al igual que los alcoholes, los ácidos

carboxílicos están fuertemente asociados por puentes de hidrógeno entre las moléculas.

Este hecho hace que los ácidos carboxílicos tengan un punto de ebullición bastante alto

con respecto a los alcoholes de peso molecular comparable.

Propiedades químicas de los Ácidos:

Formación de dímeros (aumenta el p.eb.)

Dos puentes de hidrógeno

ACIDEZ Y BASICIDAD DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS:

Los ácidos carboxílicos tienen un pKa bajo (pH menor que 7.0) es decir son

compuestos ácidos. Por lo tanto la desprotonación para dar carboxilato es relativamente

fácil, mientras que la protonación es más difícil. Suelen reaccionar con bases como el

hidróxido de sodio y bicarbonato de sodio para formar las sales correspondientes.

Un ácido carboxílico Una sal de ácido carboxílico

(insoluble en agua) (soluble en agua)

Los ácidos carboxílicos suelen disociarse ligeramente en soluciones acuosas

para formar H3O+ y el anión carboxilato, RCOO

-. Como en todo ácido, es posible

definir una constante de acidez, Ka.

Casi en la mayoría de los ácidos carboxílicos, la constante de acidez Ka es del

orden de 10-5

, que corresponde a un pKa de 4.72.



247

PREPARACIÓN DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS:

De entre los métodos de síntesis de ácidos carboxílicos los más frecuentes son

oxidación, hidrólisis de nitrilos y reacción de reactivos de Grignard con CO2. A

continuación los ilustramos en forma de esquema con un respectivo ejemplo.

Formación de Ácidos Carboxílicos

Método sintético Ejemplo

a) Hidrólisis de otros derivados de ácidos

carboxílicos

Donde X = -Cl, -OR’, -OCOR’, -NHR’.

b) Oxidación de alquilbencenos

c) Ruptura oxidativa de alquenos y

alquinos

d) Oxidación de alcoholes primarios

o aldehídos



248

e) Hidrólisis de nitrilos

f) Transposición del ácido bencílico

g) Síntesis malónica

h) Reacción de Kolbe

i) Carboxilación de reactivos organometálicos

j) Oxidación de cetonas

Como puede verse, hay varios métodos para la síntesis de ácidos carboxílicos

por oxidación, carbonatación e hidrólisis de precursores adecuados.



249

A continuación veremos las reacciones que dan los ácidos carboxílicos, las

cuales pueden agruparse en cinco categorías: Sustitución alfa; Descarboxilación;

Desprotonación; Reducción y Sustitución nucleofílica en el acilo.

REACCIONES DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

Método sintético Ejemplo

a) Desprotonación

b) Reducción a alcoholes primarios

c) Descarboxilación : Reacción de Hunsdiecker

d) Obtención de Haluros de ácidos

e) Obtención de Anhídridos carboxílicos

Anhídridos cíclicos:



250

Favorecido en el caso de anillos de cinco o seis miembros.

f) Obtención de Esteres

Esteres cíclicos: (lactonas)

g) Obtención de Amidas

Imidas:

Amidas cíclicas: (lactamas)



251

h) Reacción con compuestos organometálicos

i) Formación y reacción de dianiones de

ácidos carboxílicos

Utilidad de la reacción:

j) Bromación: Reacción de Hell-Volhard-Zelinsky

k) Reacciones de desplazamiento de

ácidos 2-bromo carboxílicos.



252

Los ácidos carboxílicos se pueden identificar fácilmente por métodos

espectroscópicos convencionales. Así, exhiben absorciones características en el

infrarrojo en la zona de 2500 y 3300 cm-1

(debido al OH) y a entre 1710 y 1760 cm-1

(debido al grupo C=O). En la RMN de 13

C, los ácidos carboxílicos también presentan

absorciones en el intervalo de 165 a 185 , y en la RMN de 1H absorben cerca de los 12

.

A continuación se comentarán los mecanismos más significativos de las

reacciones anteriormente mencionadas en las tablas.

La mayoría de los métodos para la preparación de los ácidos carboxílicos, han

sido mencionados con anterioridad en los capítulos precedentes, ejemplo oxidación de

alquenos y alquinos (cap. 14 y 15); oxidación de alcoholes (cap. 12); organometálicos

(cap. 16), etc. Por ésto que haremos un breve comentario de los nuevos métodos aquí

comentados.



253

HIDRÓLISIS DE NITRILOS:

El grupo funcional nitrilo R-CN, puede ser hidrolizado con ácidos o bases

fuertes en solución acuosa para dar un ácido carboxílico. El método es bueno para

producir ácidos carboxílicos a partir de halogenuros de alquilo (R-X R-CN R-

COOH). La síntesis funciona mejor con halogenuros primarios, ya que puede competir

con reacciones de eliminación E2 con halogenuros secundarios o terciarios.

Mecanismo de la hidrólisis: vía una formación de amida

En medio ácido:

En medio básico:



254

TRANSPOSICIÓN DEL ÁCIDO BENCÍLICO:

Consiste en un reagrupamiento de una dicetona en medio básico, tal como se

muestra en el siguiente mecanismo.

1) Adición de un ion hidróxido:

2) Transposición

3) Protonación

Ejemplo:

SÍNTESIS MALÓNICA:

Consiste en la obtención de un ácido carboxílico a partir de un malonato de etilo

o metilo, en presencia de una base y un halogenuro de alquilo, con posterior tratamiento

en medio ácido y calor para dar una descarboxilación. Su mecanismo se ilustra a

continuación en forma resumida.



255

REACCIÓN DE KOLBE:

Es un caso particular en la obtención de ácidos carboxílicos, dado que conduce

solamente a ácidos benzoicos orto sustituidos con hidroxilo. En la reacción de Kolbe[1]

,

el fenóxido ataca al dióxido de carbono para dar la sal del ácido 2-

hidroxibencenocarboxílico. (ácido o-hidroxibenzoico). Su mecanismo se discutirá en el

capítulo de aromáticos.

REACTIVIDAD DEL GRUPO CARBOXILO: MECANISMO DE ADICIÓN-

ELIMINACIÓN.

Aparte de sus propiedades ácido-base, los ácidos carboxílicos muestran una

reactividad en su grupo carbonilo muy similar a la de los carbonilo de aldehído y

cetonas. El grupo carbonílico es susceptible al ataque nucleófilo, el oxígeno puede

reaccionar con electrófilos y los hidrógenos vecinos son ácidos y enolizables. El grupo

hidroxilo por si mismo o modificado puede actuar como grupo saliente dando lugar a

otros derivados carbonílicos. En cualquier caso los ataques nucleofílicos han de seguir

uno de los dos siguientes mecanismos, según las condiciones de la reacción.

A) ADICIÓN-ELIMINACIÓN CATALIZADA POR BASES:

B) ADICIÓN-ELIMINACIÓN CATALIZADA POR ÁCIDOS:

DESCARBOXILACIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS: REACCIÓN DE

HUNSDIECKER[2]

:

La reacción consiste básicamente en una oxidación. Una sal de plata del ácido

carboxílico se trata con un halógeno, normalmente bromo. El bromuro de plata precipita,

se desprende dióxido de carbono y se forma un bromoalcano en el que el halógeno



256

ocupa la posición del grupo carboxilo. Esta reacción permite la conversión de la sal de

un ácido carboxílico en un bromoalcano que contiene un átomo de carbono menos. El

mecanismo se ilustra a continuación:

ETAPA 1) Formación del hipobromito

ETAPA 2) Formación del radical RCOO·

ETAPA 3) Descomposición del radical RCOO·

ETAPA 4) Formación del haloalcano y RCOO·

Ejemplo:

OBTENCIÓN DE HALUROS DE ÁCIDOS A PARTIR DE ÁCIDOS

CARBOXÍLICOS:

Estas reacciones ocurren por un mecanismo similar al de los alcoholes al

reaccionar con los reactivos de PBr3, PCl5 o SOCl2. Inicialmente se forma un derivado

inorgánico del ácido, (formándose así un buen grupo saliente) susceptible de ataque

nucleofílico por parte del halogenuro.

Mecanismo de la formación del Cloruro de ácido con

cloruro de tionilo (SOCl2) Mecanismo de la formación del Bromuro de ácido

con tribromuro de fósforo (PBr3)

La obtención de los demás derivados de ácidos carboxílicos, Ésteres,

Anhídridos y Amidas, suelen seguir uno de los dos mecanismo de adición-eliminación

mencionados con anterioridad, dependiendo de las condiciones de reacción. Los

ésteres por ejemplo se preparan en medio ácido, usando un ácido mineral como

catalizador (sulfúrico o clorhídrico). Las amidas suelen prepararse con aminas y

calentamiento.

REACCIÓN DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS CON COMPUESTOS

ORGANOMETÁLICOS ALQUILLITIO:



257

Los ácidos carboxílicos con reactivos organometálicos, del tipo alquilitio dan

cetonas, vía la formación del carboxilato correspondiente. A pesar de que el ataque

nucleofílico sobre una especie cargada negativamente es difícil, los reactivos

organolíticos pueden dar la adición nucleofílica sobre el grupo carbonilo del ion

carboxilato. La reacción pasa por un intermedio del tipo dianión del diol geminal el cual

es tratado con agua y la deshidratación de este da la correspondiente cetona.

Mecanismo:

Ejemplos:

REACCIONES DE LOS CARBONOS , VÍA LA FORMACIÓN DE UN

DIANIÓN:

Los ácidos carboxílicos, al igual que otros compuestos carbonílicos, pueden dar

iones enolatos, que participen en reacciones de sustitución nucleófila (vía ion

carboxilato). Los ácidos carboxílicos en presencia de una base fuerte, como lo es el

diisopropilamiduro de litio, (LDA) y un codisolvente muy polar y aprótico, como la

hexametilfosfotriamida, (HMPA) pueden perder un segundo protón para dar el dianión

del ácido carboxílico, que es un potente nucleófilo y que puede dar lugar a alquilaciones,

apertura de oxaciclopropanos y adiciones aldólicas, entre otras reacciones.

Ejemplo: Reacciones en el carbono del ácido 4-metilpentanoico, en presencia de una

base y posteriormente un epóxido (óxido de ciclohexeno), un haluro de

alquilo (Bromuro de etilo), y un cetona (3-pentanona).



258

BROMACIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS EN EL CARBONO : REACCIÓN

DE HELL-VOLHARD-ZELINSKY[3]

:

Los ácidos carboxílicos pueden bromarse en el carbono , pero a diferencia de

aldehídos y cetonas precisan de un catalizador especial, el fósforo. En lás condiciones

de reacción el fósforo reaccionan rápidamente con el bromuro presente para dar el

iniciador, PBr3 (alternativamente puede emplearse el PBr3 directamente). El mecanismo

de esta reacción transcurre a través del bromuro de alcanoílo, formado por reacción del

PBr3 con el ácido carboxílico, tal como se ilustra a continuación:

ETAPA 1.- Formación del bromuro de alcanoílo

ETAPA 2.- Enolización



259

ETAPA 3.- Bromación

ETAPA 4.- Intercambio

Ejemplos:

La importancia de la reacción de Hell-Volhard-Zelinsky radica en que el bromo-

derivado obtenido puede dar lugar a otros derivados funcionalizados, por medio de una

sustitución nucleófila.

Ejemplos: Sustitución del bromo, por -OH, -NH2 y -CN, del compuesto

obtenido previamente.

a) Sustitución por -OH.

b) Sustitución por -NH2.

c) Sustitución por -CN.

A continuación se dan problemas propuestos relativos al tema. Éstos han sido

tomados de libros de química orgánica como lo son el: Vollhardt, Morrison y Boyd,

McMurry, otros son aportaciones personales.

[1]

Profesor Herman Kolbe, (1818-1884), Universidad de Leipzig, Alemania. [2]

Dr. Heinz Hunsdiecker, (1904- ); Alemania. [3]

Profesor Carl M. Hell, (1849-1926), U. de Stuttgart, Alemania; Profesor Jacob Volhard, (1834-1910),

U. de Halle, Alemania; Profesor Nicolai Zelinsky, (1861-1953), U. de Moscú.



260

DERIVADOS DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Los ácidos carboxílicos y los derivados de ácidos carboxílicos son una clase de

compuestos que se denominan en general Derivados de Acilo, R-CO-Y, donde el grupo

acilo está unido a un sustituyente electronegativo -Y, que puede actuar como grupo

saliente en diversas reacciones de sustitución.

Ácido carboxílico

Halogenuro de ácido

( X = F,Cl, Br, I)

Anhídrido de ácido

Éster

Amida

Nitrilo

La reacciones químicas de los distintos derivados de ácidos carboxílicos están

representadas por un tipo de reacción general: la reacción de sustitución nucleofílica en

el acilo. Mecanísticamente, estas reacciones se realizan por medio de la adición de un

nucleófilo al grupo carbonilo polar del derivado de ácido, seguida de la expulsión de un

grupo saliente del intermediario tetraédrico:

donde Y = Cl, Br, I (halogenuro de ácido); OR’ (éster); OCOR’ (anhídrido) o NHR’

(amida).

La reactividad de un derivado de ácido hacia la sustitución nucleofílica depende

tanto del entorno estérico alrededor del grupo carbonilo como de la naturaleza

electrónica del sustituyente, Y. De este modo, se he encontrado el siguiente orden de

reactividad:

Halogenuro de ácido > Anhídrido > Éster > Amida.

Todos ellos pueden ser obtenidos de los respectivos ácidos carboxílicos, los

cloruros de ácidos a su vez se pueden transformar en cualquier otro derivado de ácido y

así con cada uno de ellos tal como se muestra a continuación en forma de esquema

incluidos los nitrilos. Sus respectivas reacciones se mostraran en forma de resumen con



261

un ejemplo, siguiendo la metodología expuesta para los otros grupos funcionales ya

estudiados.

ALGUNAS DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA EN EL ACILO DE LOS

CLORUROS DE ÁCIDO

ALGUNAS DE LAS REACCIONES DE LOS ANHÍDRIDOS DE ÁCIDO



262

ALGUNAS REACCIONES DE LOS ÉSTERES

ALGUNAS REACCIONES DE LAS AMIDAS

ALGUNAS REACCIONES DE LOS NITRILOS

RESUMEN GENERAL DE LAS REACCIONES



263

Reacciones de los haluros de ácido

Ejemplo

1.-Hidrólisis

2.- Sales carboxílicas

3.- Alcohólisis

4.- Aminólisis

5.- Reacción de Grignard

6.- Reacción con diorganocupratos



264

7.- Reducción parcial

Reducción total

Reacciones de anhídrido de ácido

Ejemplo

1.- Hidrólisis

2.- Alcohólisis

3.- Aminólisis

4.- Reducción a alcoholes 1º

Reacciones de los ésteres

Ejemplo

1.- Hidrólisis

2.- Aminólisis

3.- Alcohólisis (Transesterificación)



265

4.- Pirolisis de ésteres

5.- Reactivos organometálicos

6.- Reducción parcial hacia aldehído

7.- Reducción total hacia alcoholes 1º

8.- Formación de enolatos con posterior tratamiento con un electrófilo



266

9.- Condensación de Claisen

Reacciones de las amidas

Ejemplo

1.- Hidrólisis

2.- Reducción parcial hacia aldehído

3.- Reducción total hacia aminas 1º

4.- Transposición de Hofmann



267

Reacciones de los nitrilos

Ejemplo

1.- Hidrólisis

2.- Con reactivos organometálicos

3.- Reducción parcial hacia aldehídos

4.- Reducción totall hacia aminas 1º

5.- Hidrogenación catalitica

6.- Desprotonación y alquilación en el C.



268

La mayoría de las reacciones de sustitución nucleofílica en los derivados de los

ácidos carboxílicos aquí mencionadas ocurren en dos pasos: adición del nucleófilo y

eliminación del grupo saliente. Aunque algunas veces ambos pasos pueden afectar la

velocidad global de la reacción, suele ser el primero paso el limitante de la velocidad.

Ocurre la adición de un nucleófilo

al grupo carbonilo, lo que

produce un intermedio tetraédrico

Un par de electrones del

oxígeno desplaza al grupo

saliente Y, lo cual genera un

compuesto carbonílico como

producto

El nucleófilo puede ser del

tipo :Nu- o bien :Nu-H. Y es un grupo saliente: -OR,

-NR2, _-Cl, -OCOR’.

El orden de reactividad es Halogenuro de ácido > Anhídrido > Éster > Amida. Una

consecuencia importante de las diferencias de reactividad observadas es que suele ser

posible transformar un derivado más reactivo en uno menos reactivo.

Casi la mayoría de las reacciones de los halogenuros de ácido ocurren por

sustitución nucleofílica en el carbonilo. Por lo que no daremos grandes detalles de cada

una de ellas, veamos el caso de la hidrólisis:

Un haluro Un ácido

de ácido carboxílico

Dado que durante la hidrólisis se genera HCl, a menudo la reacción se realiza en

presencia de piridina o de NaOH como base para secuestrar el HCl e impedir que éste

cause reacciones laterles. La alcohólisis presenta un mecanismo casi idéntico con la

diferencia que el grupo atacante es el alcohol e igual cosa la aminólisis.



269

La reducción de los halogenuros de ácido, termina convirtiéndolos el alcoholes

primarios cuando se emplean reductores fuertes (LiAlH4) y en aldehídos cuando se

utilizan reductores suaves como por ejemplo el DIDAL , la reducción ocurre por un

mecanismo típico de sustitución nucleofílica en el carbonilo en el cual el ion

hidruro (H-) ataca al grupo carbonilo produciendo un intermediario tetraédrico que

expulsa al ion cloruro, para formar un aldehído, el cual es rápidamente reducido por el

LiAlH4 en un segundo paso para generar el alcohol primario.

Los halogenuros de ácido con reactivos de Grignard suelen producir alcoholes

terciarios en los cuales los dos sustituyentes son idénticos, el mecanismo es igual a la

reducción con LiAlH4, pasándose por una cetona intermedia, la cual reacciona

rápidamente con el segundo equivalente de organometálico, para producir el alcohol,

ejemplo:

Mecanismo:

La obtención de cetonas apartir de halogenuros de ácido, es posible empleando

como agente organometálico un reactivo del tipo diorganocuprato, ejemplo:

La reacciones químicas de los anhídridos de ácido son muy similares a las de

los halogenuros de ácido, con la única diferencia que sus reacciones son más lentas. Los

ésteres sin embargo, son talvez los derivados de ácidos más importantes. Los ésteres

pueden ser obtenidos partiendo de ácidos o anhídridos, aunque el método más amplio es

partiendo de los cloruros de ácido.

Los ésteres presentan un comportamiento químico similar al descrito para los

halogenuros de ácido y anhídridos, pero son menos reactivos hacia los nucleófilos que



270

los anteriores; de ahí que las reacciones requieran de un catalizador que suele ser ácido

o básico.

La hidrólisis de ésteres por ejemplo es realizada en medio ácido o básico para

producir un ácido carboxílico más alcohol. La hidrólisis de ésteres en solución básica se

llama saponificación (del latín sapo, saponis, jabón).

Analicemos un ejemplo: Mecanismo de hidrólisis mediante base

Al contrario de lo que ocurre con la hidrólisis catalizada por ácidos, esta

reacción en sus últimas etapas no es de equilibrio, la etapa en la que el ácido se

convierte en la sal del carboxilato, es esencialmente irreversible. Por lo tanto, se

necesita al menos una cantidad estequiométrica de hidróxido (aunque frecuentemente se

emplea un exceso).

Reacción de los ésteres con alcoholes: transesterificación

Esta reacción permite la conversión de un éster en otro sin necesidad de obtener

el ácido libre. La transesterificación es una reacción de equilibrio. Para desplazar el

equilibrio se utiliza normalmente un gran exceso de alcohol, muchas veces como

disolvente. La reacción tiene utilidad dado que las lactonas (ésteres cíclicos) se abren

mediante transesterificación a hidroxiésteres.



271

Ejemplo:

Amidas a partir de ésteres:

Los ésteres reaccionan con las aminas por un método típico de sustitución

nucleofílica en el acilo para producir amidas. La reacción en si no necesita catalizador

dado que las aminas, son buenos nucleófilos. Sin embargo, la reacción no tiene mucho

uso debido a que se obtienen mayores rendimientos por la aminolisis de los cloruros de

ácido.

Ejemplos:

Benzoato de metilo Benzamida

3-Metilbutanoato de metilo 3-Metil-N-etilbutanoamida

Reactivos de Grignard con ésteres producen alcoholes terciarios:

La reacción de los ésteres con dos equivalentes de un reactivo de Grignard, los

transforma en alcoholes terciarios, mientras que los ésteres del ácido metanoico

(fórmico) conducen a alcoholes secundarios. La reacción en si es una adición

nucleofílica del organometálico a la función carbonílica para dar la sal de magnesio de

un hemiacetal y formación de una cetona intermedia, a continuación tiene lugar otra

adición de un segundo equivalente de reactivo de Grignard sobre el grupo carbonílico

formado. Por ultimo, se obtiene el alcohol al añadir agua a la mezcla de reacción.

Ejemplo:



272

Mecanismo:

Reducción de ésteres a alcoholes:

Los ésteres se reducen fácilmente por tratamiento con hidruro de litio y aluminio

(LiAlH4) para producir alcoholes primarios, el mecanismo consiste en la unión de un

hidruro al grupo carbonilo, a lo cual sigue la eliminación del ion alcóxido para producir

un aldehído como intermedio. La posterior adición de un hidruro al aldehído forma el

alcohol primario.

Mecanismo:

Éster Aldehído Alcohol

primario

Si en vez de LiAlH4 se usa DIBAL (hidruro de diisobutilaluminio) como agente

reductor, es posible aislar el aldehído. Debe tenerse gran cuidado (usar un equivalente

exacto de hidruro, y efectuar la reacción a -78ºC).

Ejemplo:

Formación de enolatos con posterior tratamiento con un electrófilo:

La acidez de los hidrógenos en de los ésteres es suficiente para que se formen

los enolatos de éster, cuando un éster reacciona con una base fuerte a baja temperatura.

Los enolatos de éster reaccionan como enolatos de cetonas, dando lugar a alquilaciones,

apertura de oxaciclopropanos y reacciones aldólicas.



273

Ejemplo:

Condensación de Claisen

[1]:

Cuando los enolatos de éster atacan a otra molécula de éster se forma un

producto de condensación de Claisen, dando lugar a un producto conocido como -

ceto-éster. Esto se debe a que los enolatos no deben estar presentes en cantidades

estequiométricas, sino que pueden existir en concentraciones de equilibrio, como ee la

reacción aldólica, Tanto el alcóxido (base) como el éster empleado deben ser derivados

del mismo alcohol para evitar la una transesterificación.

Ejemplo:

Mecanismo:

1) Formación del enolato del éster

2) Adición nucleófila

3) Eliminación



274

La condensación de Claisen es esencialmente análoga a la aldólica, pero con un

éster en lugar de un aldehído. En de estar presente ésteres de distinta naturaleza química

se produce una condensación de Claisen cruzada, dando lugar a mezclas de productos, y

en el caso de que una misma molécula posea dos grupos ésteres da lugar a una

condensación de Claisen intramolecular, conocida con el nombre de condensación de

Dieckmann[2]

.

Ejemplos:

a) Condensación de Claisen mixta

b) Condensación de Claisen intramolecular (Dieckmann)



275

REACCIONES DE LAS AMIDAS:

Las amidas son mucho menos reactivas que cloruros de ácido, anhídridos de

ácido o ésteres. Por tanto, el enlace amida sirve como la unidad básica a partir de la cual

se forman todas las proteínas.

Las amidas sufren hidrólisis para formar ácidos carbixílicos más aminas cuando

se calientan con ácidos o bases en solución acuosa. Las condiciones que se requieren

para la hidrólisis de amidas son más drasticas que para la hidrólisis de cloruros de ácido

o ésteres, pero los mecamismos son similares.

Ejemplos:

(a) Hidrólisis ácida

(b) Hidólisis básica

Al igual que otros derivados de ácidos carboxílicos, las amidas pueden reducirse

con LiAlH4 o bien LiAl(OR)3H, para obtener alcoholes o aldehídos respectivamente. El

efecto neto de la reducción de una amida es la conversión del grupo carbonilo de la

amida en un grupo metileno (C=O CH2). Este tipo de reacción es específico de las

amidas y no ocurre con otros derivados de ácidos carboxílicos.



276

Ejemplos:

La reducción con hidruro de litio y aluminio es igualmente eficaz tanto para las

amidas acíclicas como para las cíclicas (lactamas). La reducción de lactamas produce

aminas cíclicas con buenos rendimientos, y constituye un método de síntesis valioso.

Ejemplo:

Una lactama Una amina cíclica

Las amidas se pueden transformar en aminas con un carbono menos respecto a

las amida original mediante la transposición de Hofmann, la que será estudiada en el

capítulo 27, dedicado a las aminas.

REACCIONES DE LOS NITRILOS:

La química de los nitrilos es similar en muchos aspectos a la química de los

compuestos carbonílicos. Al igual que éstos, los nitrilos están fuertemente polarizados,

lo que hace que el átomo de carbono sea electrófilo. Por tanto los nitrilos son atacados

por nucleófilos para producir aniones imina con hibridación sp2

como intermedio, en

una reacción análoga a la formación del ion alcóxido intermedio por adición nicleofílica

a un grupo carbonilo.

Las dos reacciones más importantes de los nitrilos son la hidrólisis y la

reducción. Además, los nitrilos pueden ser parcialmente reducidos e hidrolizados para

producir aldehídos, y se pueden tratar con reactivos de Grignard para producir cetonas.

Los nitrilos pueden hidrolizarse en medio acuoso ácido o básico para dar los

correspondientes ácidos carboxílicos. El mecanismo de estas reacciones procede a

través de una amida intermedia e incluye etapas de adición-eliminación.



277

Mecanismo de la hidrólisis de nitrilos catalizada por ácidos:

Mecanismo de la hidrólisis de nitrilos catalizada por bases:

Las condiciones para la hidrólisis de nitrilos son normalmente drásticas,

requiriendo altas concentraciones de ácido o base a elevadas temperaturas.

Los reactivos organometálicos reaccionan con los nitrilos para dar cetonas:

Los nucleófilos fuertes, como por ejemplo los reactivos organometálicos, se

adicionan a los nitrilos para dar sales de aniones de imina. El tratamiento coc ácido

acuoso conduce a la imina neutra, que se hidroliza rápidamente a cetona.



278

Ejemplo:

[1]

Ludwig Claisen, (185-1930), Profesor de la Universidad de Berlin. [2]

Walter Dieckmann, (1869-1925), Profesor de la Universidad de Munich.



279

COMPUESTOS DIFUNCIONALES Los compuestos difuncionales presentan una gran diversidad química, por lo que

haremos un estudio dedicados sólo a los más significativos, son ejemplos de

compuestos difuncionales Dioles, Hidroxialdehídos, Hidroxicetonas, Hidroxiácidos,

Ácidos dicarboxílicos, Dicetonas, Cetoaldehídos, Cetoácidos, Cetoésteres, etc.

REACCIONES DE LOS DIOLES:

Una reacción importante de los dioles 1,2- y 1,3- es la que dan con aldehídos y

cetonas para formar acetales y cetales cíclicos, (véase el mecanismo en el capítulo 17)

utilizada para proteger al grupo carbonilo. Los dioles con las funciones hidroxi

separadas por más de tres carbonos no presentan, en general, esta reacción, debido a que

el anillo resultante sería de siete o más eslabones.

Ejemplos:

La deshidratación de los 1,2-dioles en presencia de catálisis ácida va

acompañada con frecuencia de una transposición de esqueleto. Por ejemplo, el pinacol

(2,3-dimetilbutano-2,3-diol), reacciona con ácido sulfúrico produciendo la t-

butilmetilcetona, denominada vulgarmente “pinacolona” (Transposición pinacolínica).

Ejemplos:

Pinacol Pinacolona

Mecanismo de la transposición pinacolínica:

La deshidratación de 1,4- y 1,5-dioles produce con frecuencia éteres cíclicos,

sobre todo cuando uno de los grupos hidroxi es terciario.



280

Ejemplos:

Mecanismo de ciclación:

La reacción se produce por desplazamiento

nucleófilo intramolecular.

Transcurre probablemente a través de un

carbocatión terciario que es atrapado por el

segundo hidroxi secundario.

Los 1,2-dioles se rompen con facilidad por el enlace carbono-carbono entre los

dos carbonos con los grupos hidroxi, cuando se tratan con ácido peryódico HIO4 o

tetracaetato de plomo. Combinada con el proceso de hidroxilación, esta oxidación

constituye un método de ruptura de alquenos, complementario a la ozonólisis. (véase

capítulo 14).

La oxidación peryódica comprende la formación de un diéster cíclico del ácido

peryódico, que por descomposición produce dos fragmentos carbonílicos y ácido yódico.



281

Ejemplos:

COMPUESTOS -HIDROXICARBONILICOS:

HIDROXIALDEHÍDOS E HIDROXICETONAS

SÍNTESIS:

Los -hidroxialdehídos se obtienen por tratamiento de los ésteres con sodio en

un disolvente inerte tal, como éter o benceno. Estos compuestos se denominan aciloínas

y la reacción recibe el nombre de condensación aciloínica. El producto inicial de la

reacción es la sal disódica de un enodiol, que se hidroliza produciendo la aciloína.

Ejemplo:

La condensación aciloínica es un método útil para la síntesis de compuestos

cíclicos, sobre todo los de tamaño medio (8-13 eslabones). En estos casos, la reacción

debe efectuarse bajo condiciones de alta dilución para evitar reacciones

intermoleculares.

Ejemplos de condensación aciloínica intramolecular:

El mecanismo de esta reacción es similar al del acoplamiento pinacolínico. En

primer lugar, el éster se convierte en anión radicalario por transferencia de un electrón

del metal, quizás directamente al carbono carbonílico polarizado positivamente. A

continuación las especies resultantes se dimerizan dando el dianión del diol

correspondiente.

Mecanismo de la condensación aciloínica:



282

Los alquenos, los alquinos y los éteres no resultan afectados por estas

condiciones de reacción.

-hidroxicetonas a partir de aldehídos: condensación benzoínicas:

Una segunda aproximación a la preparación de -hidroxicetonas es la

dimerización de aldehídos en presencia del correspondiente catalizador. Por ejemplo, al

tratar el bencenocarboxaldehído (benzaldehído) con una cantidad catalítica de cianuro

sódico en etanol acuoso se obtienen con buen rendimiento la 2-hidroxi-1,2-

difeniletanona.

Ejemplo:

Benzaldehído 2-hidroxi-1,2-

difeniletanona

(Be

nzoína)

El ion cianuro cataliza la reacción únicamente para el caso de aldehídos

aromáticos. Sin embargo, los aldehídos alifáticos sufren el mismo acoplamiento en

presencia de sales de tiazolio.

Ejemplo:

Pentanal 6-Hidroxi-5-decanona

Mecanismo de la condensación benzoínica:

HIDROXIÁCIDOS:



283

En la naturaleza existen numerosos hidroxiácidos importantes y poseen nombres

vulgares de uso corriente. El ácido láctico es responsable del olor y sabor característicos

de la leche agria. El ácido máleico se encuentra en los jugos de frutas. El ácido tartárico

se conoce desde tiempos inmemoriales como sal monopotásica (crema tartárica) que se

deposita en el poso del vino. El ácido cítrico es un ácido hidroxitricarboxílico que

abunda mucho en la naturaleza.

-hidroxiácidos:

El método más corriente para obtener -hidroxiácidos consiste en la hidrólisis

de -haloácidos, (se obtienen por la reacción de Hell-Volhard-Zelinsky, ver capítulo 20).

Ejemplo:

Ácido butanoico Ác.-2-hidroxi-butanoico

Los -hidroxiácidos se obtienen también por hidrólisis de las cianohidrinas, que

resultan de la reacción de HCN con aldehídos o cetonas (ver capítulo 17). Dado que la

adición de HCN a un grupo carbonilo se invierte en las condiciones fuertemente básicas

necesarias para hidrolizar un nitrilo a un ácido, dicha hidrólisis se efectúa en

condiciones ácidas.

Ejemplo:

2-Hexanona Ácido-2-hidroxi-2-metil-

hexanoico

Transposición del ácido bencílico:

Es posible obtener -hidroxiácidos empleando compuestos -dicarbonílicos,

como -cetoaldehídos y las -cetocetonas, por hidratación en medio básico. Bajo estas

condiciones, la difeniletanodiona (bencilo) se convierte en el ácido

difenilhidroxietanoico (bencílico).

Difeniletanodiona (Bencilo) Sal pótasica del

ácido bencílico

Cuando la reacción ocurre en las -dicetonas cíclicas, la transformación implica

contracción del anillo.



284

Ejemplo:

Otros hidroxiácidos se obtienen por hidrólisis de lactonas, que se obtienen

mediante la oxidación de Baeyer-Villiger de las cetonas.

Ejemplo:

2-Metil-ciclohexanona Ácido-6-hidroxi-

heptanoico

(-

hidroxiácido)

Si se emplea la cetona cíclica adecuada, se puede obtener el hidroxiácido

deseado, el problema radica que los hidroxiácidos mayores están el equilibrio con su

forma cíclica (lactona). La lactonización, al igual que la esterificación normal, es un

proceso en equilibrio; sólo cuando la lactona tiene un anillo de cinco o seis eslabones

existe una cantidad importante de lactona en el equilibrio.

Ejemplos:

ácido--hidroxibutanoico -butirolactona (27%) (73%)

ácido--hidroxipentanoico -valerolactona (90%) (10%)

PREPARACIÓN DE COMPUESTOS -DICARBONÍLICOS:

Existen los 1,2-compuestos, que aunque son bastante raros, sí poseen ciertas

propiedades químicas interesantes. El grupo más importante de compuestos

dicarbonílicos es el de los 1,3-isómeros debido a su importancia en la síntesis.

Compuestos -dicarbonílicos por condensación de Claisen.

Los compuestos 1,3-dicarbonílicos se obtienen siempre utilizando una reacción

de condensación tipo Claisen (véase el mecanismo en el capítulo 21, páginas 414-416).

Las -dicetonas y los -cetoaldehídos se obtienen por una condensación de Claisen



285

cruzada, utilizando una cetona y un éster. En la condensación de Claisen cruzada de

cetonas y ésteres se obtienen buenos resultados, debido a que las cetonas son

notablemente más ácidas que los ésteres, por lo tanto, en el medio básico la cetona se

desprotona en mayor grado que el éster.

Ejemplos:

Etanoato de metilo Acetoacetato de metilo (90%)

(85%)

Los -cetoésteres pueden hidrolizarse para dar lugar a los -cetoácidos los

cuales sufren una DESCARBOXILACIÓN térmicamente de la misma manera que los

1,3-diácidos.

Los ácidos dicarboxílicos experimentan diversas reacciones térmicas, una de

ellas es la descarboxilación cuando se calientan, por ejemplo el ácido málonico se

descarboxila suavemente cuando se calienta a 150 ºC y produce ácido acético.

Ácido málonico Ácido

acético



286

Descarboxilación:

El mecanismo de descarboxilación de -cetoácidos es idéntico al descrito para

diácidos, transcurre a través de un estado de transición de seis centros, concertado. El

producto inicial en el caso de un -cetoácido es la forma enólica de la cetona la cual por

equilibrio cetoenolico da el compuesto carnonílico sencillo.

Acidez de los compuestos 1,3-dicarbonílicos:

Los compuestos 1,3-dicarbonílicos que poseen un hidrógeno unido al carbono

que se encuentra entre los dos grupos carbonilo, son ácidos mucho más fuertes que los

aldehídos, cetonas o ésteres normales, debido a que la carga en el ion enolato resultante

puede deslocalizarse en ambos grupos carbonilo.

ion enolato estabilizado por resonancia



287

En la Tabla 22.1 se muestran algunos valores de pKa típicos para estos tipos de

sistemas. La acidez de los compuestos 1,3-dicarbonílicos es tan grande que se

convierten en sus bases conjugadas de forma cuantitativa por acción del ion hidróxido

en agua o del ion alcóxido en un disolvente alcohólico.

TABLA 22.1.- Valores de pKa para sistemas -dicarbonílicos y análogos.

Nombre Estructura pKa

2,4-Pentanodiona

(Acetilacetona)

9

2-Cianoetanoato de metilo

(2-Cianoacetato de metilo)

9

3-Oxobutanoato de etilo

(Acetoacetato de etilo)

11

Propanodinitrilo

(Malonodinitrilo)

13

Propanodioato de dietilo

(Malonato de dietilo)

13

Los aniones-dicarbonílicos son nucleófilos:

La elevada acidez de los compuestos -cetocarbonílicos hace que se puedan

utilizar en síntesis, ya que los iones enolato que se obtienen por desprotonación pueden

alquilarse para dar derivados sustituidos.

Ejemplos:



288

SÍNTESIS ACETOACÉTICA:

Si se emplea acetoacetato de etilo como sustancia de partida, la combinación de

la alquilación, hidrólisis y la descarboxilación proporciona una síntesis de

alquilmetilcetonas.

Acetoacetato de

etilo Una metilcetona

Ejemplos:

SÍNTESIS MALONICA:

Si se emplea el malonato de dietilo en una alquilación con posterior hidrólisis

y descarboxilación el producto final resulta ser un ácido carboxílico simple.

Ejemplos:



289

La principal limitación de estas síntesis es la eliminación bimolecular que puede

experimentar el derivado halogenado durante el proceso de alquilación, que se produce

por un mecanismo SN2. La importancia de dicha reacción secundaria de eliminación

depende de la estructura del R-X. Los haloalcanos terciarios que reaccionan con aniones

-dicarbonílicos dan preferentemente productos de eliminación. Sin embargo, los

aniones pueden ser atacados por haluros de alcanoilo, -bromoésteres, -bromocetonas

y oxaciclopropanos.

CONDENSACIÓN DE KNOEVENAGEL:

En la condensación de Knoevenagel[1]

, el compuesto -dicarbonílico se trata con

una cantidad catalítica de una base débil, tal como la N-etiletanamina (dietilamina), en

presencia de un aldehído o cetona para dar el producto de condensación aldólica.

Ejemplo:

LA ADICIÓN DE MICHAEL:

Al tratar los aniones -dicarbonílicos con compuestos carbonílicos -

insaturados se producen adiciones 1,4 (adición de Michael). La reacción va bién con

cetonas -insaturadas, aldehídos, nitrilos, y derivados de ácidos carboxílicos,

requiriendo únicamente cantidades catalíticas de base.

Ejemplos:



290

[1]

Emil Knoevenagel, (1865-1921), Profesor de la Universidad de Heidelberg.



291

SISTEMAS CONJUGADOS

SISTEMAS ALÍLICOS:

Cuando se trata el 2-buten-1-ol con bromuro de hidrógeno a 0 ºC se produce una

mezcla de 1-bromo-2-buteno y 3-bromo-1-buteno. Una mezcla semejante se obtiene al

tratar 3-buten-2-ol con HBr en las mismas condiciones:

Este hecho experimental se explica mediante la formación de un intermedio

carbocatiónico en el que la carga positiva se deslocaliza entre dos carbonos.

Los intermedios carbocatiónicos de las reacciones precedentes se describen

como híbridos de resonancia de dos estructuras importantes. El más sencillo de tales

cationes es el 2-propen-1-ilo o catión alilo.

catión

alilo híbrido

También se conocen los radicales alilo y los aniones alilo, siendo éstos también

estables por resonancia:

Radical

alilo híbrido

Anión

alilo híbrido

La estabilización por resonancia del sistema (alilo) puede también describirse

en términos de orbitales moleculares, una aproximación mecánico-cuántica más

sofisticada. El esqueleto molecular consta de tres carbonos, cada uno de ellos con

hibridación sp2 y con un orbital p perpendicular al plano molecular, Figura 22.1. Puede



292

considerarse como un enlace doble al que se le ha añadido un carbono sp2

adicional. La

molécula sin embargo es simétrica, con las mismas longitudes de enlace C-C.

FIGURA 23.1.- Catión alilo, descripción orbitálica .

Ignorando el esqueleto , podemos combinar matemáticamente los tres orbitales

p para dar tres orbitales . Este procedimiento es análogo a la mezcla de dos orbitales

atómicos para dar los dos orbitales moleculares que describen el enlace , excepto por

la presencia de un tercer orbital. De los tres orbitales moleculares, uno es enlazante y no

tiene ningún nodo (1), uno es no enlazante (tiene la misma energía que los orbitales p

sin interaccionar) y tiene un nodo (2) y uno es antienlazante, con dos nodos (3),

Figura 23.2. Una vez se han derivado los orbitales moleculares podemos llenarlos con el

número adecuado de electrones, Figura 23.3.

FIGURA 23.2.- Orbitales moleculares

del 2-propenilo (obsérvese que el

tamaño de los distintos lóbulos no el mismo).

FIGURA 23.3.- Llenado de los orbitales

moleculares del catión, radical y anión

2-propenilo (alilo).

El nodo que pasa por el carbono central en 2 tiene una consecuencia importante:

cualquier exceso (o defecto) de densidad electrónica se manifestará primordialmente en

los dos carbonos terminales, tal como esperaríamos a partir de las estructuras de

resonancia. Por tanto, en promedio, hay aproximadamente la mitad de una carga



293

positiva localizada sobre estos carbonos en el catión 2-propenilo (alilo) y la mitad de

una carga negativa en el anión. La posición central permanece neutra, con su octeto

completo. En el radical neutro cada carbono tiene un electrón y las posiciones

terminales muestran un 50% de carácter radicalario.

CONSECUENCIA DE LA DESLOCALIZACIÓN: QUÍMICA DEL SISTEMA 2-

PROPENILO (ALILO)

CATIÓN ALÍLICO:

Cuando un catión alílico reacciona con un agente nucleofílico, puede reaccionar

en cualquiera de los centros positivos y generalmente se produce una mezcla de

productos. Las reacciones que evolucionan vía cationes alílicos parecen dar con

frecuencia como resultado productos “reordenados”. Dichas reacciones reciben el

nombre de reordenamiento alílicos. Además de formar carbocationes relativamente fácil,

los haluros y alcoholes alílicos también experimentan la sustitución mediante el

mecanismo SN2 más rápidamente que los sistemas análogos saturados.

CONTROL CINÉTICO Y CONTROL TERMODINÁMICO:

Para la discusión del control cinético o termodinámico, analicemos la hidrólisis

del 1-cloro-2-buteno como la del 3-cloro-1-buteno, dado que dan la misma mezcla de

alcoholes. La razón es la presencia del mismo catión alilo intermedio.

Resulta curioso que el producto mayoritario de esta hidrólisis sea el 3-buten-2-

ol, a pesar de que se forme un alqueno terminal, y por ende menos favorecido

termodinámicamente. Debe existir un efecto cinético, es decir, el isómero menos estable

debe formarse más rápidamente, la pregunta es ¿Por qué?. La diferencia reside en la

distribución electrónica en el catión alílico intermedio. Esta molécula es asimétrica, por

lo que deberíamos esperar una distribución desigual de carga entre los carbonos C 1 y C3.



294

Dicho de otra forma el producto mayoritario procede de un carbocatión secundario

alílico mucho más estable.

Que el producto de la hidrólisis está controlado cinéticamente puede demostrarse

por equilibración de los productos. Calentando la mezcla de butenoles se obtiene la

proporción termodinámica, con predominio del 2-buten-1-ol. En condiciones de baja

temperatura y tiempos cortos de reacción se dice que son de control cinético y las altas

temperaturas y tiempos largos de reacción se dice que son condiciones de control

termodinámico. La situación puede ilustrarse en un diagrama de energía potencial,

Figura 23.4. El alcohol cinético se forma primero pero su formación es reversible lo que

permite que al final se forme lentamente el producto termodinámico.

FIGURA 23.4.- Control cinético frente al control termodinámico para el catión alílico

RADICAL ALÍLICO:

Los radicales alílicos también están estabilizados por resonancia, de una forma

similar a como lo están los cationes alílicos, por lo que en moléculas asimétricas se verá

favorecida la formación de la forma resonante más estable de acuerdo a la estabilidad de

los radicales libres, es decir 3ario

> 2ario

>1ario

.

Una de las reacciones importantes de los radicales alílicos, es justamente la

bromación alílica, mediante el uso del reactivo N-bromosuccinimida. La reacción se

lleva normalmente a cabo en tetracloruro de carbono en el que tanto el reactivo N-

bromosuccinimida como la succinimida producto de la reacción son insolubles. La

reacción tiene lugar en parte sobre la superficie de la N-bromosuccinimida, aunque el

reactivo realmente activo parece ser el bromo formado en disolución diluida a partir de

la reacción de trazas de ácido y humedad con la bromoimida.



295

El bromo participa luego en la bromación radicalaria en cadena del hidrógeno

alílico. Bajo estas condiciones de alta dilución no tiene lugar la adición del bromo al

doble enlace. Para el mecanismo véase el capítulo 9, páginas 175-177. Otra alternativa

de halogenación alílica es emplear halógeno en bajas concentraciones y temperaturas

elevadas, cuyo mecanismo se comenta en el capítulo 14, página 258.

Ejemplo:

DIENOS CONJUGADOS:

Los dienos conjugados son significativamente más estables de lo que cabría

esperar para un compuesto con los dobles enlaces completamente independientes. Esta

relativamente pequeña pero significativa diferencia se atribuye a dos factores. Primero,

las longitudes de los dobles enlaces son normales esencialmente, pero el enlace sencillo

que los separa es más corto que la distancia de 1.54 Å asociada a los enlaces sencillos

carbono-carbono, véase por ejemplo el 1,3-butadieno.

Esta disminución de la longitud de enlace en parte es consecuencia de la

disminución del carácter s de los orbitales de los carbonos que forman este enlace; el

enlace sencillo entre los dobles enlaces puede ser descrito como Csp2-Csp

2

aproximadamente. Este enlace más corto, es algo más fuerte que los enlaces carbono-

carbono que poseen menos carácter s. Segundo, los orbitales pz sobre C2 y C3 pueden

también solaparse para dar algo de carácter de doble enlace al enlace sencillo C2-C3 (en

el butadieno). Este factor contribuye también algo a la estabilidad extra del sistema de

dobles enlaces conjugados. Figura 23.4.

La prueba de la estabilidad extra de los dienos conjugados proviene de

mediciones de los calores de hidrogenación. Así, el 1,4-pentadieno tiene un Hºhidrog

= 60.8 kcal/mol, mientras que el 1,3-butadieno tiene un Hºhidrog = 57.1 kcal/mol. El

1,3-butadieno es aproximadamente 3,7 kcal/mol más estable de lo predicho

teóricamente.



296

FIGURA 23.5.

La estructura electrónica del 1,3-butadieno puede describirse mediante cuatro

orbitales moleculares construidos a partir de los cuatro orbitales atómicos p. Los

orbitales moleculares de energía más baja,, no tiene ningún nodo y presenta

interacciones enlazantes entre los distintos lóbulos. El orbital 2 tiene sólo un nodo y

por tanto una interacción antienlazante. Este orbital todavía es enlazante ya que la

interacción antienlazante de los lóbulos centrales se compensa con las interacciones

enlazantes de los extremos. Tanto 1 como 2 tienen una energía menor que los

orbitales p aislados. El orbital 3 tiene dos nodos y, en conjunto es antienlazante,

mientras que 4 es completamente antienlazante, con tres nodos, Figura 23.6. Los cuatro

electrones ocupan los dos orbitales moleculares enlazantes y así se explica la

estabilidad neta del sistema respecto a los cuatros orbitales p independientes.

FIGURA 23.6.- Descripción mediante orbitales moleculares del 1,3-butadieno.

LOS DIENOS CONJUGADOS SON ATACADOS POR ELECTRÓFILOS Y

RADICALES LIBRES.

Los dienos conjugados son centros de elevada densidad electrónica debido a la

presencia de los electrones . De hecho, a pesar de ser termodinámicamente más

estables que los dienos con dobles enlaces independientes, los dienos conjugados son



297

más reactivos en presencia de electrófilos y otros reactivos. Así, frente a HX y X2 dan

los producto de adición 1,2- y 1,4-. La generación del primer producto puede

comprenderse fácilmente con la química de alquenos ordinaria (capítulo 14), es el

resultado de una adición Markovnikov a uno de los dobles enlaces. ¿Cómo se explica el

segundo producto?. Veamos dos ejemplos:

(1) Adición de bromo al 1,3-butadieno

¿Cómo es posible explicar la formación de los productos de adición 1,4?. La

respuesta es que en las reacciones participan carbocationes alílicos como intermedios.

(2) Adición de cloruro de hidrógeno al 1,3-butadieno



298

CONTROL CINÉTICO CONTRA CONTROL TERMODINÁMICO DE LAS

REACCIONES:

La adición de electrófilos a dienos conjugados a temperatura ambiente o

menores suele formar una mezcla de productos, en la cual el aducto 1,2 predomina

sobre el 1,4. Sin embargo, cuando la misma reacción ocurre a temperaturas mayores, a

menudo cambia la relación de productos y el aducto 1,4 es el que predomina. Por

ejemplo, la adición de HBr a 1,3-butadieno a 0 ºC produce una mezcla 71:29 de aductos

1,2 y 1,4, pero la misma reacción a 40 ºC genera una mezcla 15:85. Además, cuando la

mezcla de productos formada a 0 ºC se calienta a 40 ºC en presencia de más HBr, la

relación de aductos cambia lentamente de 71:21 a 15:85. ¿Cómo pueden explicarse

estas observaciones?

En condiciones suaves a baja temperatura (0 ºC), el HBr se agrega al 1,3-

butadieno bajo control cinético, para formar una mezcla 71:29 de productos con

predominación del aducto 1,2. Puesto que estas condiciones suaves no permite que los

productos alcancen el equilibrio, predomina el producto que se forma primero

(proveniente del carbocatión alílico secundario, formado en primer lugar). Sin embargo,

en condiciones más vigorosas a altas temperaturas (40 ºC), la reacción ocurre

reversiblemente bajo control termodinámico para formar una mezcla 15:85 de productos,

en la que predomina el aducto 1,4, más estable (alqueno disustituido). La mayor

temperatura proporciona más energía para que las moléculas de producto asciendan la

barrera de alta energía que conduce al carbocatión alílico primario, menos estable, y por

tanto resulta una mezcla de productos de equilibrio. Figura 23.7.

FIGURA 23.7.-

REACCIÓN DE CICLOADICIÓN DE DIELS-ALDER:



299

Una segunda reacción importante de los dienos conjugados es que experimentan

una reacción de adición con alquenos aislados para formar ciclohexenos sustituidos

como productos. Este proceso, llamado reacción de cicloadición de Diels-Alder en

honor a sus descubridores[1],[2]

, es una reacción muy útil en química orgánica debido a

que forma dos enlaces carbono-carbono en un solo paso, y es uno de los pocos métodos

de que se dispone para la formación de moléculas cíclicas.

Ejemplos:

1,3-Butadieno + Eteno Ciclohexeno (20%) 1,3-Butadieno + 3-Buten-2-ona (96%)

El mecanismo de la cicloadición de Diels-Alder difiere del de las otras

reacciones que se han comentado en este capítulo. No es una reacción polar ni por

radicales, sino un proceso pericíclico. Las reacciones pericíclicas no serán estudiadas en

este libro por lo que si el estudiante tiene interés en saber más sobre ellas puede

remitirse a la bibliografía citada al principio del libro de apuntes. La reacción en sí

ocurre en un solo paso, sin intermedios, e implica una redistribución cíclica de los

electrones de enlace. Los dos reactivos simplemente se unen a través de un estado de

transición cíclico en el cual los dos nuevos enlaces carbono-carbono se forman al

mismo tiempo.

La naturaleza concertada de esta reacción puede apreciarse en el estado de

transición deslocalizado en el que los seis electrones se indican por un circulo

punteado o utilizando flechas.

Dieno Dienófilo Producto de la cicloadición [4+2]

En la reacción de Diels-Alder se retiene la estereoquímica del dienófilo:



300

Ejemplos:

Se obtiene el cis-2-Butendiato de dimetilo,

dado que el reactivo es cis.

Se obtiene el trans-2-Butendiato de dimetilo,

dado que el reactivo es trans.

En la reacción de Diels-Alder se mantiene la estereoquímica del dieno:

Ejemplos:

trans,trans-2,4-Hexadieno Se obtiene producto cis

cis,trans-2,4-Hexadieno Se obtiene producto trans

Otra característica estereoquímica importante de la reacción de Diels-Alder es

que los compuestos dieno y dienófilo se disponen de manera que se forma el endo-

producto en vez que el exo-producto alternativo. Los prefijos endo- y exo- se utilizan

para indicar la estereoquímica relativa al hacer referencia a estructuras bicíclicas, como

norbonanos sustituidos. Un sustituyente en un puente se considera exo si es sin (cis)

respecto al menor de los otros dos puentes, y se considera endo si es anti (trans). Por

analogía, se dice que una reacción de Diels-Alder tiene estereoquímica endo si el

sustituyente que atrae electrones en el dienófilo es sin respecto al puente insaturado de

dos carbonos en el producto.

Cicloadiciones exo:

El producto exo no se forma El producto exo no se forma



301

Cicloadiciones endo:

El producto endo se forma en un 100%

La reacción de Diels-Alder normalmente transcurre con selectividad endo; es

decir, sólo se forma el producto endo. Este resultado se conoce como la regla endo.

Cuando los dienófilos son alquinos se obtienen 1,4-ciclohexadienos:

Los alquinos también pueden actuar como dienófilos en cicloadiciones [4+2].

Pueden reaccionar tanto uno solo como los dos enlaces del alquino. La adición simple

lleva a derivados del 1,4-ciclohexadienos.

Ejemplos:

En la tabla 23.1. se presentan algunos de los dienos y dienófilos en la reacción

de Diels-Alder, si uno tiene en cuenta las posibles combinaciones, los productos pueden

resultar bastante interesantes.

TABLA 23.1.- Algunos dienos y dienófilos que participan en reacciones

Diels-Alder

DIENOS NOMBRE DIENÓFILOS NOMBRE

1,3-butadieno

Tetracianoeteno

2,3-Dimetil-1,3-Butadieno

cis-1,2-Dicianoeteno

trans-trans-2,4-Hexadieno

cis-2-Butendiato de dimetilo



302

1,3-Ciclopentadieno

trans-2-Butendiato de dimetilo

1,3-ciclohexadieno

Anhídrido 2-Butendioico

5-metilen-1,3-

ciclopentadieno

Butindiato de dimetilo

1,2-Dimetilenciclohexano

Propenal

[1]

Otto Diels (1876-1954); n. Hamburgo; Profesor de la Universidad de Berlín y Kiel; Premio Nobel [2]

Kurt Alder (1902-1958); n. Königshütte; Profesor de la Universidad de Colonia; Premio Nobel en 1950

conjuntamente con Otto Diels, otorgado en reconocimiento de su hallazgo.



303

SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA

AROMÁTICA

La sustitución electrofílica aromática es la reacción más importante de los compuestos aromáticos. Es posible introducir al anillo muchos sustituyentes distintos por este proceso. Si se elige el reactivo apropiado pueden efectuarse reacciones de bromación, cloración, nitración, sulfonación, alquilación y acilación, estas seis son reacciones directas, y a partir de ellas se pueden introducir otros grupos.

En este capítulo estudiaremos estas seis reacciones, más las que se puedan obtener a partir de ellas, como así mismo la introducción de un segundo sustituyente.

La reacción más importante de los compuestos aromáticos es la sustitución electrofílica aromática. Es decir la introducción de un electrófilo (E +).

Seleccionando las condiciones y los reactivos apropiados, el anillo aromático se puede halogenar, nitrar, sulfonar, acilar y alquilar. Todas estas reacciones y muchas otras proceden a través de un mecanismo similar.

HALOGENACIÓN DEL BENCENO



304

El benceno es normalmente inerte en presencia de halógenos, debido a que los

halógenos no son lo suficientemente electrófilos para destruir su aromaticidad. Sin

embargo, los halógenos pueden activarse mediante ácidos de Lewis como los haluros de

hierro, FeX3 o de aluminio, AlX3, para dar electrófilos más potentes.

MECANISMO DE LA BROMACIÓN:

1) Activación del bromo por un ácido de Lewis (FeBr 3)

Br Br FeBr3 Br Br FeBr3 Br Br FeBr3

2) Ataque electrófilo sobre el benceno por bromo activado

H+ Br Br FeBr3

H

Br + FeBr4

3) El FeBr4

- formado en la etapa anterior actúa ahora como base abstrayendo el protón

del catión hexadienilo.

H

Br + FeBr4Br

+ HBr + FeBr3

En resumen, la halogenación del benceno se hace más exotérmica al pasar del I2

(endotérmica) a F2 (explosiva). Las cloraciones y bromaciones se consiguen utilizando

ácidos de Lewis como catalizadores que polarizan el enlace X-X y activan el halógeno

aumentando su poder electrófilo.

La dificultad termodinámica de la yodación puede evitarse añadiendo una sal de

plata a la mezcla de nitración, que activa y elimina el producto el producto (yoduro) de

la reacción por precipitación.

H

+ I2

I

+ AgI + HNO3AgNO3

Para la fluoración del benceno puede emplearse la reacción de Schiemann.

N2+BF4

-

F

+ N2 + BF3

La sal de diazonio para la reacción de Schiemann a su vez se prepara a partir de

anilina:



305

NH2 NaNO2

HCl

N2+Cl-

HBF4N2

+BF4-

NITRACIÓN DEL BENCENO:

Los anillos aromáticos se pueden nitrar por reacción con una mezcla de ácido

nítrico y ácido sulfúrico concentrado. Se piensa que en ésta reacción el electrófilo es el

ion nitronio, NO2+

, que se genera a partir del ácido nítrico por protonación y pérdida de

agua.

MECANISMO DE LA NITRACIÓN:

1) Activación del ácido nítrico por el ácido sulfúrico (formación del ion nitronio)

+ H OSO3HHO NOO

H2O NOO

OSO3H+

H2O(-)

NO2

ion nitronio 2) Ataque electrófilico sobre el ion nitronio

NO2H

+

HNO2

3) Abstracción del protón por parte de la base conjugada del ácido sulfúrico.

HNO2 OSO3H+

NO2

+ H2SO4

La nitración de anillos aromáticos es una reacción de particular importancia,

debido a que los nitroarenos que se producen pueden reducirse con reactivos como

hierro o cloruro estannoso para formar aninoarenos (anilina).

SULFONACIÓN DEL BENCENO:

El ácido sulfúrico concentrado no reacciona con el benceno a temperatura

ambiente excepto por protonación. Sin embargo, una forma más reactiva, llamada

“ácido sulfúrico fumante” da lugar a un ataque electrófilico por SO3. El ácido sulfúrico

fumante comercial se prepara por adición de aproximadamente un 8% de trióxido de

azufre (SO3), a ácido sulfúrico concentrado. El electrófilo reactivo es HSO3+

o SO3

neutro, dependiendo de las condiciones de reacción.

MECANISMO DE LA SULFONACIÓN:



306

H+

OSO

O H

SO3

SO3H

ácido bencenosulfónico (95%)

La sulfonación es reversible, tiene utilidad sintética, debido a que el sustituyente

ácido sulfónico puede utilizarse como grupo protector para dirigir la sustitución.

SO3H

H2O, H2SO4

100 ºC

ALQUILACIÓN DEL BENCENO: REACCIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS

En 1877, Charles Friedel1[1]

y James Crafts2[2]

descubrieron que los haloalcanos

reaccionan con benceno en presencia de cloruro de aluminio, para dar el producto de

alquilación. La reacción de Friedel-Crafts es una sustitución electrofílica aromática en la

cual el anillo aromático ataca a un carbocatión electófilico. El carbocatión se genera

cuando el catalizador AlCl3 ayuda al halogenuro de alquilo a ionizarse, de forma muy

similar a como el FeBr3 cataliza las bromaciones aromáticas polarizando al bromo.

MECANISMO DE LA ALQUILACIÓN:

1) Activación del haloalcano

+ AlCl3R CH2 X R CH2 X AlCl3

2) Ataque electrófilo

HR CH2 X AlCl3

+

H

CH2 R+ AlCl3X

3) Pérdida del protón

H

CH2 R+ AlCl3X

CH2R+ HX + AlCl3

Las alquilaciones de Friedel-Crafts intramoleculares pueden utilizarse para la

construcción de un nuevo anillo fusionado con el núcleo bencénico.

ClAlCl3, CS2

25 ºC, 72 h

Las alquilaciones de Friedel-Crafts pueden llevarse a cabo con cualquier

producto de partida, como un alcohol o un alqueno que pueda generar carbocationes:

+ HF0ºC

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).



307

Si bien las alquilaciones de Friedel-Crafts son útiles en términos generales para

la síntesis de alquilbencenos, están sujetas a ciertas limitaciones. Una de ellas es que

sólo se pueden usar halogenuros de alquilo, la reacción no funciona con halogenuros de

arilo y halogenuros vinílicos. Una segunda limitación es que las reacciones de Friedel-

crafts no proceden con anillos aromáticos que estén sustituidos con grupos fuertemente

desactivadores. Una tercera limitación es que estas reacciones son difícil de detener en

el producto monosustituido, suelen dar el producto disustituido en para como producto

principal.

ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS

La reacción consiste en la introducción del grupo acilo -COR, al anillo

aromático. El mecanismo de la acilación de Friedel-Crafts es similar al de la alquilación.

El electrófilo reactivo es un catión de acilo estabilizado por resonancia, el cual se genera

por reacción entre el cloruro de acilo y el AlCl3. A diferencia de las alquilaciones, las

acilaciones nunca proceden más de una vez en un anillo , debido a que el acilbenceno

producido es siempre menos reactivo que el material de partida no acilado.

MECANISMO DE LA ACILACIÓN:

R C ClO

+ AlCl3 R C ClO

AlCl3 R C O R C O

H+ R C O

H

CO

R AlCl4C

R

O

+ HCl + AlCl3

+ AlCl4Catión acílico

Las reacciones anteriormente comentadas se pueden resumir dela siguiente forma:

H XXR R

ELECTRÓFILO (X

) REACTIVO REACCIÓN

R+

RBr + AlCl 3

ROH + H+

Alqueno + H+

Alquilación Friedel-Crafts

RCO+

RCOCl + AlCl3 Acilación Friedel-Crafts

NO2+

HNO3 + H2SO4 Nitración

Cl+

Cl2 + FeCl3 Cloración

Br+

Br2 + Fe Bromación

HOSO2+

H2SO4 Sulfonación

ClSO2+

ClSO2OH Clorosulfonación



308

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:

NO2 NH2 N2

H2, Pd/Co biénSn, HCl

HONOo biénNaNO2/HCl

Cl

Sal de Diazonio

ArNH2 ArN2 ArZHONO Z

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.

YR

XR

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



309

-CN -CO2H HO-, H2O

-Br -NH2 NH2- Na

+, NH3

Otras reacciones importante del anillo benceno son:

REDUCCIÓN DE BIRCH:

Li, NH3 (o Na)

Etanol

HIDROGENACIÓN CATALÍTICA DE ANILLOS AROMÁTICOS:

H2 / Rh / C

Etanol

SUSTITUCIÓN AROMÁTICA A TRAVÉS DE INTERMEDIOS BENCINO:

Cl

NaNH2, NH3 Líq.- NaCl

NH2NH3

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?”

? Br COOH

El análisis sintético hacia atrás (retrosintético) revela dos rutas válidas que van

del benceno al ácido p-bromobenzoico.



310

CH3

Br

CO2H

Br

Br

CH3

KMnO4

Br2FeBr3

CH3Cl

AlCl3

Br2FeBr3

CH3ClAlCl3

Benceno

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.

Cl

NO2

Cl

NO2

Cl

NO2

HNO3H2SO4

Este anillo se encuentra desactivado y no experimenta la alquilaciónde Friedel-Crafts.

Esta molécula no forma elisómero deseado por lareacción de cloración.

p-Cloronitrobenceno m-Cloropropilbenceno o-Nitropropilbenceno

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

OCl

O

ClCl

NO2

CH3CH2CClO

AlCl3

Cl2FeCl3

H2, Pd/CEtanol

HNO3

H2SO4

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.



311

GHE

G

HE

G

H E

GHE

HE

G

G

H E

GHE

HE

G

G

H E

G

G

G

+ E

+ E

+ E

G

E

GE

G

E

orto

meta

para 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.

CH3

Br

CH3

Br2 / FeBr3CCl4

CH3

BrCH3

Br

+ +

39% < 1% 60% 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:



312

CH3

Br

CH3

Br

CH3

Br

orto

meta

para

CH3HBr

CH3

HBr

CH3

H Br

CH3

HBr

HBr

CH3

CH3

H Br

CH3HBr

HBr

CH3

CH3

H Br

CH3

CH3

CH3

+ Br2FeBr3

+ Br2FeBr3

+ Br2FeBr3

Carbocatión 3º, muyestable

Carbocatión 3º, muyestable

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.

CF3

+HNO3

H2SO4

CF3

NO2

Unico producto

explicación mecanistica:



313

CH3

NO2

CH3

NO2

CH3

NO2

orto

meta

para

CF3HNO2

CF3

HNO2

CF3

H NO2

CF3

HNO2

HNO2

CF3

CF3

H NO2

CF3HNO2

HNO2

CF3

CF3

H NO2

CF3

CF3

CF3

Carbocatión 3º, muyinestable

Carbocatión 3º, muyinestable

HNO3

H2SO4

HNO3

H2SO4

HNO3

H2SO4

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.

CH3

CH3 CH3

NO2

Ejemplos:

CH3

CH3

Br2FeBr3 CH3

CH3

Br

CH3

NO2

CH3COCl

AlCl3

CH3

NO2

CH3

O



314

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 principal mente

orto hacia el orientador meta.)

Cl

NO2

CH3

NO2

Principal Principal

Ejemplos:

Cl

NO2

Cl2 / FeCl3

Cl

NO2

Cl

CH3

NO2

SO3/H2SO4

CH3

NO2

SO3H

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

activador,controla la orientación.

OHCH3

(o,p-fuerte)OCH3

CH3

(o,p-moderado)

(o,p-débil)

(o,p-débil)

Principal Ejemplos:

OCH3

CH3

HNO3 / H2SO4

OCH3

CH3

NO2

OHCH3 Br2

FeBr3

OHCH3

Br

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.

Cl

CH3

(o,p-débil)

(o,p-débil)

Cl

CH3

(o,p-débil)

(o,p-débil)

+

Ejemplo:



315

+

Cl

CH3

Br2FeBr3

Cl

CH3

BrCl

CH3

Br

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

poca sustitución.

CH3

CH3

(Poca sustitución)

Otras reacciones de interés:

Ar CH3

Cl2, Calor

CrO3,(CH3CO)2O

Ar CHCl2

Ar CH(OOCCH3)2Ar CHO

Ar XMgéter

Ar Mg X CO2 Ar COOMgX Ar COOHH

Ar CN H3O Ar COOH

Aldehído

Ácido carboxilico

H2O / H+

¿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.

OHBr

Br

BrBr2FeBr3

OH

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

manera:



316

OH

Ac2O / Py

OAc

Br2FeBr3

OAc

Br

OAcBr

+

NaOH / H2O

OH

Br

OHBr

+

Mayoritario

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.

NH2

Br

Br

BrBr2FeBr3

NH2

NH2

Ac2O / Py

NHCOCH3

Br2FeBr3

NHCOCH3

Br

NHCOCH3

Br+

NaOH / H2O

NH2

Br

NH2

Br+

Mayoritario



317

QUÍMICA DE LOS BENCENOS SUSTITUIDOS

(FENOLES y ARILAMINAS)

RESUMEN DE LAS NUEVAS REACCIONES

1. HALOGENACIÓN RADICALARIA

EJEMPLOS: Bromación del tolueno:

Un exceso de halógeno puede conducir a sustituciones múltiples,

tal como se ilustra para la cloración del tolueno:

2. SOLVOLISIS

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

4-metilbencenosulfonato de fenilmetilo Bencil, etil, éter

3. REACCIONES DE SN2 DE LOS HALOMETILBENCENOS



318

EJEMPLO: Preparación del feniletanonitrilo a partir del bromometilbenceno

4. OZONOLISIS DEL BENCENO

EJEMPLO: Ozonolisis del orto-dimetilbenceno

5. REDUCCIÓN DE BIRCH

Regioselectividad observada para la reducción de Birch:

EJEMPLOS:



319

6. OXIDACIÓN EN LA CADENA LATERAL

OBTENCIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

OTROS POSIBLES OXIDANTES:

OBTENCIÓN DE CETONAS



320

EJEMPLOS:

(80%)

FENOLES

A) REACCIONES DE OBTENCIÓN DE FENOLES

7. PREPARACIÓN POR SUSTITUCIÓN AROMÁTICA NUCLEOFILA

Hidroxilación aromática nucleófila directa

Sustitución nucleófila en halobencenos

8. HIDRÓLISIS DE SALES DE ARENODIAZONIO

9. RUPTURA DE ÉTERES

EJEMPLOS:



321

B) REACCIONES DE FENOLES Y ALCOXIBENCENOS

10. SÍNTESIS DE ÉTERES DE WILLIAMSON

EJEMPLOS:

11. FORMACIÓN DE ÉSTERES (ESTERIFICACIÓN)

EJEMPLOS:



322

12. REACCIÓN DE KOLBE (CARBOXILACIÓN DE KOLBE[1]

-SCHITT[2]

)

EJEMPLO:

13. TRANSPOSICIÓN DE CLAISEN

EJEMPLO:

14. OXIDACIÓN A QUINONAS



323

EJEMPLOS:

ARILAMINAS (ANILINA)

A) REACCIONES DE FORMACIÓN

15. REDUCCIÓN DE NITROBENCENOS

EJEMPLOS:



324

B) REACCIONES DE ARILAMINAS

17. FORMACIÓN DE SALES DE ARENODIAZONIO

18. REACCIONES TIPO SANDMEYER

19. ACOPLAMIENTO DE SALES DE DIAZONIO

20. OXIDACIÓN A QUINONAS

EJEMPLOS:



325

[1]

Herman Kolbe (1818-1884); n. Alemania; Ph.D. Gotinga; Profesor en las Universidades de Marburgo y

Leipzig. [2]

Rudolf Schmitt (1830-1898); n. Wippershain; Alemania; Ph.D. Marburgo; Profesor en la Universidad

de Dresde



326

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

POLICÍCLICOS

COMPUESTOS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS

Se dice que dos anillos aromáticos que comparten un par de átomos de carbono

que están fusionados. En este capítulo estudiaremos la química del hidrocarburo de

anillos fusionados más sencillo e importante, el naftaleno, C10H8, y trataremos

concisamente la de otros de grado superior.

NAFTALENO

Al contrario de lo que ocurre con el benceno, que es líquido, el naftaleno es un

material cristalino e incoloro con un punto de fusión de 80 ºC. Se le conoce como

repelente e insecticida contra la polilla. El naftaleno se clasifica como aromático porque

sus propiedades se parecen a las del benceno. Su fórmula C10H8, permite suponer un

alto grado de no saturación. Desde el punto de vista químico da las típicas reacciones de

sustitución electrofílica aromáticas, en las que desplaza hidrógeno en forma de ion,

conservándose su sistema anular.

De acuerdo con la teoría de la resonancia, el naftaleno puede considerarse como

un híbrido de resonancia de las tres estructuras I, II y III; su energía de resonancia es de

61 kcal/mol, como lo indica el calor de combustión.

I II III



327

De acuerdo con estas representaciones la estructura del naftaleno debería ser

simétrica, con los anillos de benceno planos, casi hexagonales, y con dos planos

especulares perpendiculares biseccionando la molécula. Las medidas cristalográficas de

rayos X confirman esta predicción. Las distancias de los enlaces C-C se desvían sólo

muy ligeramente de las del benceno (1.39 Å) y son claramente muy diferentes de las de

los enlaces sencillos (1.54 Å) y los dobles (1.33 Å). Por conveniencia, representaremos

al naftaleno por medio de la estructura IV, en las que los círculos representan sextetos

aromáticos parcialmente traslapados.

IV

Representación orbitálica del solapamiento del Naftaleno

PREPARACIÓN DEL NAFTALENO:

El método en si consiste en una alcanoilación de Friedel-Crafts con anhídrido

butanodioico (succinico), reducción de Clemmensen de la cetona resultante,

subsiguiente alcanoilación intramolecular de Friedel-Crafts para formar el segundo

anillo, reducción de la cetona bicíclica con borohidruro sódico, deshidratación y

deshidrogenación.

REACCIONES DEL NAFTALENO:

1.- OXIDACIÓN



328



329

2.- REDUCCIÓN

3.- SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTRÓFILICA DEL NAFTALENO

(A) NITRACIÓN

(B) HALOGENACIÓN

(C) SULFONACIÓN



330

(D) ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS

¿Por qué la nitración y la bromación se produce preferentemente en el C-1 y

no en el C-2?. La respuesta se puede encontrar inspeccionando las estructuras de

resonancia.

REACTIVADA ELECTRÓFILA DEL NAFTALENO: ATAQUE EN C-1

REACTIVADA ELECTRÓFILA DEL NAFTALENO: ATAQUE EN C-2

Aunque este resultado podría a primera vista indicar que el ataque es

energéticamente similar en cualquier posición, existe una diferencia importante entre los

dos modos: el ataque en C-1 permite dos estructuras en resonancia que mantienen

intacto el un anillo benceno con todos los beneficios de la deslocalización. En cambio

el ataque en C-2 permite únicamente una de tales estructura. Esta es la razón

fundamental de que predomina la sustitución en C-1 en la nitración, bromación y en

la alcanoilación de Friedel-Crafts.



331

ATAQUE ELECTRÓFILO SOBRE LOS NAFTALENOS MONOSUSTITUIDOS:

Las reglas de orientación en el ataque en bencenos monosustituidos (Capítulo 24)

pueden hacerse fácilmente extensivas al núcleo de naftaleno. El anillo sustituido es el

más afectado por los sustituyentes ya presentes: un grupo activante normalmente dirige

al electrófilo entrante al mismo anillo, mientras que un grupo desactivante lo dirige al

otro.

HIDROCARBUROS BENCÉNICOS TRICÍCLICOS: ANTRACENO Y

FENANTRENO

Debido a sus propiedades, también el antraceno y el fenantreno se clasifican

como aromáticos. La descripción de los orbitales atómicos sigue el mismo esquema

para el naftaleno y conduce al mismo tipo de resultados: estructuras planas con nubes p

que se traslapan parcialmente por encima y por debajo del plano de la molécula.

Desde el punto de vista de enlaces de valencia, se considera que el antraceno es

un híbrido de las estructuras I - IV.

I II III IV

y el fenantreno, un híbrido de las estructuras V - IX. Los calores de combustión indican

que el antraceno tiene una energía de resonancia de 84 kcal/mol, mientras que el

fenantreno tiene una energía de resonancia de 92 kcal/mol.

Por comodidad el antraceno y el fenantreno se puede representar por círculos,

los que representan sextetos aromáticos que se traslapan parcialmente.



332

PREPARACIÓN DEL ANTRACENO Y FENANTRENO

ANTRACENO:

FENANTRENO:

El método en es muy similar a la obtención del Naftaleno, consisten en una

reacción de Friedel-Crafts del naftaleno con anhídrido butanodioico (succinico) en

nitrobenceno que conduce a la sustitución en C-1 y C-2, los dos productos así obtenidos

se reducen en las condiciones de Clemmensen para a continuación ciclarse y dar el

esqueleto del fenantreno, por reducción, eliminación y deshidrogenación.

REACTIVADA DEL ANTRACENO Y FENANTRENO

REDUCCIÓN:

HALOGENACIÓN:



333

CICLOADICIONES:

LOS HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS Y EL CÁNCER:

Muchos hidrocarburos bencénicos policíclicos son carcinogénicos. La primera

observación de un cáncer por tales compuestos la realizó en 1775 Sir Percival Scott,

cirujano del hospital St. Bartholomew de Londres. Observó que los deshollinadores de

chimeneas eran propensos a cánceres escrotales. Desde entonces, se ha dedicado un

intenso esfuerzo a investigar qué hidrocarburos bencénicos policíclicos tienen

propiedades fisiológicas y cómo su estructura se correlaciona con la actividad. Una

molécula muy bien estudiada es la Benzo[a]pireno, un contaminante ambiental muy

conocido, se produce normalmente en la combustión de materia orgánica, tal como en

los motores de los automóviles y en las calefacciones, en las incineradoras de basuras,

en los incendios forestales, en el humo de los cigarrillos e incluso en la carne asada. La

liberación anual en la atmósfera, sólo en los Estados Unidos, es de 1300 toneladas.



334



335

SÍNTESIS Y REACCIONES DE LAS AMINAS

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.

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).

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

10.73

10.94

11.27



336

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.

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



337

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

(b) Primaria

(c) Secundaria

(d) Terciaria

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 .

2.- Aminas primarias a partir de nitrilos

3.- Aminas primarias a partir de azidas

4.- Aminas primarias a partir de

nitrocompuestos

(a) Nitroalcanos:



338

(b) Nitroarenos (Nitrobenceno)

5.- Síntesis de Gabriel[1]

, para aminas primarias

6.- Aminas por reducción de amidas

(a) Primarias

(b) Secundarias

(c) Terciarias

7- Aminación reductiva de cetonas/aldehídos

(a) Primarias

(b) Secundarias

(c) Terciarias

(d) Vía oxima

Oxima

8.- Transposición de Hofmann[2]



339

9.- Transposición de Curtius

[3]

10.- Transposición de Schmidt[4]

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:



340

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.

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.



341

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

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

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).



342

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

Se favorese la producción del alqueno menos

sustituido.

Propeno (70%)

3.- Sustitución nucleofílica en cloruro de ácidos

(Obtención de amidas)

(a) Primarias

(b) Secundarias

(c) Terciarias

4.- Sulfoamidas

(a) Formación de una Sulfoamida N-sustituida

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

5.- Reacción de Mannich

6.- Síntesis de óxidos de aminas



343

7.- Eliminación de Cope

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. 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:

Posibles intermedios de reacción:

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.



344

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:

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:

Mecanismo:

1) Formación del ion iminio



345

2) Enolización

3) Formación del enlace carbono-carbono

ÓXIDOS DE AMINAS Y ELIMINACIÓN DE COPE[5]

:

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:

Ejemplo de eliminación de Cope:

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



346

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.

Morfína

Codeína

Heroína

A nivel industrial tiene gran importancia la 1,6-hexanodiamina, la cual es

necesaria en la manufacturación del nylon.

[1]

Siegmund Gabriel (1851-1924); n. Berlin; Ph.D. Universidad de Berlín (1874), Profesor en la

Universidad de Berlín, fue ayudante del profesor W. von Hofmann. [2]

August W. von Hofmann, (1818-1892), Profesor de la Universidad de Berlín [3]

Theodor Curtius, (1857-1928); Profesor de la Universidad de Heidelberg, Alemania [4]

Karl F. Schmidt, (1887-1971), Knoll AG, Ludwigshafen, Alemania [5]

Arthur C. Cope, (1909-1966), Profesor del Massachusetts Institute of Technology



347

HETEROCICLOS

Un compuesto heterocíclico es una sustancia que contiene un anillo formado por más

de un tipo de átomo. Existen compuestos monocíclicos, bicíclicos y mayores, todos

ellos con gran interés para los químicos y bioquímicos.

Pirrol Furano Tiofeno Imidazol Oxazol Tiazol

Pirazol 3-Pirrolina Pirrolidina Piridina Pirimidina Purina

Muchos compuestos naturales presentan en su estructura anillos tipo

heterocíclicos, como los que mostramos a continuación:

Cocaína, estimulante,

anestésico local; se

encuentra en las hojas de la

coca.

Dietilamina del ácido

lisérgico (LSD) psicomimético

Nicotina, se

encuentra en las

hojas secas del

tabaco entre el 2%

y el 8%.

Penicilina G, antibiótico

Como puede verse los compuestos heterocíclicos aparecen en varias moléculas

de interés biológico: son heterociclos los carbohidratos, como también la clorofila y

hemina, que dan el color verde a las hojas y rojo a la sangre, dándole vida a las plantas

y animales. Los sitios reactivos de muchas enzimas y coenzimas son heterociclos. La

herencia tiene su asiento, por último, en la secuencia de unión específica de media

docena de anillos heterocíclicos a largas cadenas de ácidos nucleicos.

NOMENCLATURA DE LOS HETEROCICLOS:



348

Muchos de los heterociclos tienen nombres comunes. Además, hay varias

formas alternativas de nombrar a los heterociclos que requieren memorización, no son

de aplicación universal y, a veces se prestan a confusión. Para compuestos monocíclicos

sencillos se utiliza prefijos para indicar la presencia y la identidad del heteroátomo: aza-

para nitrógeno, oxa- para oxígeno, tio- para azufre, fosfa- para fósforo y así

sucesivamente.

Oxaciclobutano Azaciclopentano Oxaciclohexano Tiociclohexano 3-metiloxaciclohexano

A continuación resumiremos las formas de preparación de los heterociclos, en

forma de tabla con un respectivo ejemplo, al final de la tabla realizaremos un breve

comentario de las reacciones más significativas, dado que muchas de las utilizadas ya

son conocidas por el estudiante en capítulos anteriores.

PREPARACIÓN DE HETEROCICLOS

REACCIÓN EJEMPLO

1.- SÍNTESIS DE AZACICLOPROPANOS

2.- SÍNTESIS DE OXACICLOPROPANOS

(REACCIÓN DE EPOXIDACIÓN)

3.- SÍNTESIS DE TIOCICLOPROPANOS

4.- SÍNTESIS DE

HETEROCICLOBUTANOS VÍA

UNA SN2 INTRAMOLECULAR.

5.- SÍNTESIS DE

HETEROCICLOPENTANOS VÍA

UNA SN2 INTRAMOLECULAR



349

6.- SÍNTESIS DE

HETEROCICLOPENTANOS POR

HIDROGENACIÓN CATALITICA



350

7.- SÍNTESIS DE PAAL-KNORR DE 1-

HETERO-

2,4-CICLOPENTADIENOS

8.- SÍNTESIS DE HANTZSCH DE

PIRIDINAS

9.- SÍNTESIS DE FISCHER DE INDOLES

10.- SÍNTESIS DE FRIEDLÄNDER DE

QUINOLINAS

11.- SÍNTESIS DE BISCHLER-

NAPIERALSKI DE

ISOQUINOLINAS

RUTAS PARA LA PREPARACIÓN DE HETEROCICLOPROPANOS:

Los azaciclopropanos pueden prepararse por adición directa de nitrenos,

análogos nitrogenados de los carbenos, a alquenos. Por ejemplo la irradiación o

calefacción del azidocarboxilato de etilo se genera un nitreno que es atrapado por un

alqueno para dar el azaciclopropano correspondiente con rendimientos moderados.

Un nitreno



351

Para el caso de la preparación de oxaciclopropanos, el método más generalizado

es la epoxidación de alquenos, ya comentada con anterioridad en este libro (capítulo 13

y 14). Los tiociclopropanos se sintetizan a partir de los oxaciclopropanos

correspondientes, que son fácilmente obtenibles. Un reactivo que permite la conversión

directa de uno a otro es el tiocianato potásico. La transformación es estereoespecífica y

transcurre con inversión en los dos carbonos que reaccionan. El mecanismo de esta

reacción no será comentado en este capítulo.

Para la obtención de anillos de cuatro y cinco eslabones, el método más simple

entre otros es mediante una sustitución nucleofílica intramolecular (síntesis de

Williamson) o por hidrogenación de los correspondientes sistemas insaturados.

SÍNTESIS DE PAAL[1]

-KNORR[2]

DE 1-HETERO-2,4-CICLOPENTADIENOS:

Un método general para éste tipo de anillos es la síntesis de Paal-Knorr. La

molécula deseada se obtiene a partir de un compuesto -carbonílico enolizable por

tratamiento con una amina (para pirroles), o P2O5 (para furanos) o P2S5 (para tiofenos).

Formalmente el proceso puede considerarse como una deshidratación de un doble enol

intermedio (o su equivalente con nitrógeno o azufre) para dar el heterociclo.

Ejemplo:

SÍNTESIS DE HANTZSCH[3]

DE PIRIDINAS:

Las piridinas pueden obtenerse por condensación de productos de partida

acíclicos tales como compuestos carbonílicos con amoniaco. El método más general es

la síntesis de piridinas de Hantzsch. En esta reacción se combinan en varias etapas dos

moléculas de un compuesto -dicarbonílico, un aldehído y amoniaco para dar una

dihidropiridina sustituida, que se oxida fácilmente con ácido nítrico para dar el sistema

aromático.

Mecanismo de la síntesis de Hantzsch de piridinas:

(1) Condensación de Knoevenagel del aldehído con el 3-cetoéster

Enolización del carbono , del

acetoacetato de etilo (abstracción de

H), y condensación con el aldehído,

con posterior deshidratación para la

formación del sistema

-insaturado.



352

(2) Formación de la enamina del 3-cetoéster con amoniaco

Ataque nucleofílico del amoniaco, al

carbonilo del grupo ceto, con

formación de un -hidroxi-éster,

quien se deshidrata para dar la

formación del sistema -

insaturado.

(3) Adición de Michael.

Consiste en una adición de

Michael vía enamina, para dar

el producto de adición 1,4

sobre el producto de

condensación de Knoevenagel,

con posterior desplazamiento

de un protón para dar como

producto final una

cetoenamina.

(4) Condensación intramolecular de la cetoenamina y tautomerización.

Es una ciclación

intramolecular inducida

por el par de electrones de

la enamina, con posterior

tautomerización hacia el

sistema 1.4-dihidro que es

mucho más estable.

(5) Oxidación y descarboxilación

El compuesto obtenido en la

etapa anterior se oxida

fácilmente con ácido nítrico para

dar el sistema aromático. El

sistema resultante es un éster

3,5-piridindicarboxílico. La

hidrólisis seguida de pirólisis de

la sal de calcio del ácido provoca

la descarboxilación.

SÍNTESIS DE FISCHER[4]

DE INDOLES:

De entre los anillos de benceno condensado con otros anillos, el indol es,

probablemente, el más importante ya que forma parte de muchos productos naturales. E l

indol está relacionado con el pirrol de la misma forma que el naftaleno está relacionado

con el benceno. La forma más general de obtener indoles es la síntesis de indoles de

Fischer. En esta síntesis, la arilhidrazona de un aldehído o cetona se trata con ácido

polifosfórico (PPA) o un ácido mineral, o un ácido de Lewis; ello causa la extrusión de

amoniaco con cierre simultáneo del anillo para dar el heterociclo deseado.

Ejemplo:



353

El mecanismo de la síntesis de indoles de

Fischer se cree que empieza con la

tautomerización catalizada por ácido de la

arilhidrazona, desde la forma imina a la

forma enamina, tal como se ilustra a

continuación.

SÍNTESIS DE BISCHLER[5]

-NAPIERALSKI[6]

DE ISOQUINOLINAS:

Un método importante para sintetizar derivados de isoquinolina es la síntesis de

Bischler-Napieralski, la cual consiste en la ciclación de derivados acilados de -

feniletilamina por tratamiento con ácidos (a menudo P2O5), lo que genera

dihidroisoquinolinas que pueden aromatizarse. La síntesis en si es una ciclación

intramolecular de tipo Friedel-Crafts.

Ejemplo:

Mecanismo de la síntesis de Bischler-Napieralski:

Si produce el ataque del

carbonilo al catalizador (POCl3),

para luego liberar HCl,

formándose una especie tipo

imina.

Protonación del nitrógeno, lo

cual provoca una reacción tipo

Friedel-Crafts, por parte del anillo,

con posterior regeneración de la

aromáticidad.

Expulsión del catalizador, en

forma de ácido, y posterior

deshidrogenación catalizada por

paladio y calor.

REACCIONES DE LOS HETEROCICLOS

REACCIÓN EJEMPLO

1.- APERTURA NUCLEOFÍLICA DE

HETEROCICLOPROPANOS

En medio ácido, el ataque es en el carbono más sustituido.

Y en medio básico en el menos sustituido.

2.- APERTURA DE ANILLOS DE



354

HETEROCICLOBUTANOS

En medio ácido, el ataque es en el carbono más sustituido.

Y en medio básico en el menos sustituido.

3.- SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA

DE LOS 1-HETERO-2,4-CICLOPENTADIENOS

PRODUCTO PRINCIPAL

LAS REACCIONES MÁS FRECUENTES SON: BROMACIÓN CLORACIÓN NITRACIÓN ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS

4.- SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA

EN EL ANILLO DE PIRIDINA

PRODUCTO PRINCIPAL LAS REACCIONES MÁS FRECUENTES SON: NITRACIÓN SULFONACIÓN BROMACIÓN ALQUILACIÓN Y ACILACIÓN NO OCURREN CON

LA PIRIDINA. 5.- SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA

EN EL ANILLO DE PIRIDINA

(A) REACCIÓN DE CHICHIBABIN

(B) CON REACTIVOS ORGANOMETÁLICOS (R-

LI)



355

(C) SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA DE

HALOPIRIDINAS

6.- REACCIONES DE LA QUINOLINA E

ISOQUINOLINA (A) SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA

AROMÁTICA

(B) SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA

AROMÁTICA

REACCIÓN DE NITRACIÓN

REACCIÓN DE CHICHIBABIN

APERTURA DE ANILLOS TIPO HETEROCÍCLICOS DE TRES O MÁS

ESLABONES:

Los heterociclopropanos son relativamente reactivos ya que la tensión anular se

libera en las aperturas nucleófilas del anillo. Recuérdese que en condiciones básicas la

reacción tiene lugar sobre el centro menos sustituido, y en condiciones ácidas la

reacción tiene lugar en el centro más sustituido (ver apertura de epóxidos, capítulo 13) .

La reactividad de los heterocicloalcanos con anillos de cuatro o cinco eslabones

está de acuerdo con lo esperado en base a la tensión del anillo: sólo los anillos

tensionados son reactivos, y sus reacciones dan lugar a la apertura del anillo. En

cualquier caso la reacción puede considerarse una sustitución nucleofílica.



356

SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA DE LOS 1-HETERO-2,4-

CICLOPENTADIENOS.

El pirrol, furano y tiofeno forman productos de sustitución electrofílica porque

son aromáticos. Cada uno tiene seis electrones en un sistema conjugado cíclico. La

química de estos compuestos es similar a la de los anillos aromáticos bencenoides

activados. Al igual que el benceno, los heterociclos aromáticos de cinco miembros

experimentan reacciones de sustitución electrofílica en lugar de reacciones de adición.

Si se eligen las condiciones de reacción apropiadas, pueden efectuarse halogenaciones,

nitraciones, sulfonaciones y acilaciones de friedel-Cratfs

CONSECUENCIAS DEL ATAQUE ELECTRÓFILO EN C2 Y C3 DE

HETEROCICLOPENTADIENOS AROMÁTICOS:

En donde X = O, N, S

La sustitución electrofilica de estos anillos aromáticos suele ocurrir

preferentemente en el carbono-2, la posición siguiente al heteroátomo, debido a que es

la más rica en electrones (más nucleófila) del anillo. En otras palabras, nótese que el

ataque electrofílico en C2 forma un intermedio catiónico que es más estable (con más

formas resonantes) que el ataque en C3, que forma un catión con sólo dos formas

resonantes. Normalmente se encuentra que orden de reactividad es furano > pirrol >

tiofeno >> benceno.

Ejemplos:

2-NITROPIRROL (83%)

2-CLOROFURANO (65%)

2-ETANOIL-5-

METILTIOFENO (70%)

SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA EN LA PIRIDINA:



357

La piridina experimenta la sustitución electrófilica muy lentamente. Reacciona

forma muy similar a un anillo bencénico desactivado. Además, la sustitución esperada

para la sustitución electrófila sobre el anillo de la piridina. La halogenación y la

sulfonación pueden efectuarse en condiciones drásticas, pero la nitración tiene muy bajo

rendimiento, y las reacciones de Friedel-Crafts son fallidas; por lo que regular se forma

el producto en la posición 3.

La baja reactividad de la piridina hacia las sustituciones electrofílicas

aromáticas se debe a una combinación de factores. El más importante es el hecho de que

la densidad electrónica del anillo se encuentra disminuida, por el efecto inductivo

atrayente de electrones del átomo de nitrógeno, electronegativo. Un segundo factor que

reduce la reactividad del anillo de piridina hacia el ataque electrofílico es el hecho de

que la formación de complejos ácido-base entre el átomo de nitrógeno del anillo (básico)

y el electófilo atacante coloca una carga positiva en el anillo y por tanto lo desactiva aún

más.

Sustitución electrofílica en posición-2 (La tercera estructura es muy inestable,

contribuye poco a la estabilidad) Sustitución electrofílica en posición-3 Sustitución electrofílica en posición-4 (La segunda estructura es muy inestable,

idems a la posición 2)

La desactivación con respecto al benceno puede atribuirse parcialmente al efecto

inductivo atrayente de electrones del átomo de nitrógeno que desestabiliza el catión

intermedio. De las tres estructuras resonantes que pueden dibujarse para cada posición

del ataque electrófilo, tanto la sustitución en la posición 2 como en la posición 4

implican una forma con contribución muy escasa. (las cuales en donde la carga positiva

se encuentra sobre el átomo de nitrógeno, sin que éste tenga su octeto electrónico

completo). La posición 3, aunque desactivada, es por consiguiente más reactiva frente a

la sustitución electrófila que las posiciones 2 y 4.

Ejemplos:

3-Nitropiridina (22%) Acido-3-piridinasulfónico (71%)

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA SOBRE LA PIRIDINA:



358

Sustitución nucleofílica en

posición 2 (La tercera estructura es muy

estable, construye bastante a la

estabilidad del híbrido de

resonancia). Sustitución nucleofílica en

posición 3 Sustitución nucleofílica en

posición 4 (La segunda estructura es muy

estable, idems a la posición 2).

La sustitución nucleofílica sobre el anillo de piridina procede con mayor

facilidad, que la sustitución electrofílica, en particular en las posiciones 2 y 4.

El ataque nucleofílico en la posición 2 y 4 genera un carbanión sumamente

estable, dado que la carga negativa puede llegar al átomo de nitrógeno, lo cual es

especialmente estable. El ataque en la posición 3 da una carbanión menos estable que

los anteriores.

Un ejemplo ilustrativo de este hecho el la reacción de Chichibabin[7]

, la cual

consiste en la sustitución de un hidruro por el anión amiduro. Transformaciones

relacionadas con la reacción de Chichibabin tienen lugar cuando se tratan piridinas con

reactivos de Grignard u organolíticos.

Ejemplo:

Los átomos de hidrógenos en de una cadena lateral alquílica en las posiciones

2 o 4 de la piridina tienen una acidez similar a los de una cetona. La reacción de un

grupo carbonilo con el anión alquilo formado mediante una base constituye un método

para la extensión de la cadena lateral de la piridina.

Ejemplo:



359

Como otras aminas, también la piridina tiene propiedades nucleófilas: reacciona

con halogenuros de alquilo, formando sales de amonio cuaternarias:

Ejemplo:

Como cualquiera otra amina terciaria, puede convertirse a la piridina en su N-

óxido, mediante ácido peroxibenzoico o peróxido de hidrógeno. En contraposición a la

piridina misma, su óxido sufre la nitración principalmente en la posición 4. Lo cuál se

puede explicar por las estructuras resonantes del N-óxido.

Ejemplos:

El N-óxido puede utilizarse a menudo como una forma “activada” de la piridina.

Por tratamiento del N-óxido sustituido con PCl3 se elimina el oxígeno.

Ejemplos:

(90%)



360

REACCIONES DE LA QUINOLINA E ISOQUINOLINA:

La quinolina y la isoquinolina son mucho más reactivas que la piridina en las

reacciones de sustitución electrófila. Cuando las reacciones se realizan en disolución

ácida, la reacción se produce sobre la forma protonada y la sustitución tiene lugar en las

posiciones C-% y C-8 del anillo bancénico.

Ejemplos:

Al igual que en el N-óxido de piridina, el N-óxido de quinolina experimenta con

facilidad la nitración y la reacción se produce en el C-4.

Ejemplo:

Tanto la quinolina como la isoquinolina experimentan con facilidad reacciones

de sustitución nucleófila del tipo de la Chichibabin,(véase los ejemplos del cuadro

resumen).

Al igual que las 2- y 4-alquilpiridinas, las 2- y 4-alquilquinolinas y las 1-

alquilisoquinolinas tienen hidrógenos en a que son bastante ácidos y participan en

reacciones catalizadas por bases.

Ejemplo:



361

[1]

Karl Paal, (1860-1935), Profesor de la Universidad de Erlangen, Alemania. [2]

Ludwig Knorr, (1859-1921), Profesor de la Universidad de Jena, Alemania. [3]

Arthur Hantzsch, (1857-1935), Profesor de la Universidad de Leipzig, Alemania. [4]

Emil Fischer, es el mismo que propuso la proyección del carbono tetraédrico sobre un plano, (véase

capítulo 6). [5]

A. Bischler, Profesor de la Universidad de Zürich, Alemania. [6]

B. Napieralski, Profesor de la Universidad de Zürich, Alemania. [7]

Alexei E. Chichibabin, (1871-1945), Profesor de la Universidad de Moscú.

quimica organica - clubdelquímico upagu

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