SÍntesis y reactividad de alcanos, alquenos y alquinos por. Wilbert Rivera Muñoz



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Química Orgánica II. W. Rivera M. 2008

SÍNTESIS Y REACTIVIDAD DE ALCANOS, ALQUENOS Y ALQUINOS

Por. Wilbert Rivera Muñoz

Los alcanos menores, desde el metano hasta el n-pentano y el isopentano, pueden 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 a continuación se exponen:



1. ALCANOS Y CICLOALCANOS

1.1. SÍNTESIS DE ALCANOS

a.- Hidrogenación de alquenos.

Reacción general:



Ejemplo:



b.- Reducción de halogenuros de alquilo.

(a) Hidrólisis de reactivos de Grignard.



Ejemplo:



(b) Reducción con metal y ácido.



Ejemplo:



c.- Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos.

 Ejemplos:





La hidrogenación de alquenos es 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 un problema muy serio, 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 por medio de un reactivo de Grignard o 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.

1.2. SÍNTESIS DE CICLOALCANOS

Los cicloalcanos o compuestos alicíclicos normalmente se preparan en dos etapas: (a) conversión de algún compuesto o compuestos de cadena abierta en uno que contenga un anillo, proceso al que se denomina ciclación; (b) la conversión de un derivado cíclico como por ejemplo un alcohol, un haluro etc., inicialmente en un alqueno y posteriormente en el alcano correspondiente.



a) acoplamiento de dihaluros:





b) Hidrogenación catalítica de cicloalquenos o compuestos aromáticos






c) a partir de las reacciones pericíclicas

Reacciones electrocíclicas:







Reacciones de Diles-Alder







d) La adición de carbenos a olefinas (La reacción de Simmons- Smith)





e) Reacciones de reducción de aldehídos o cetonas cíclicas

Reducción de Wolf-Kishner







Reducción de Clemmensen





1.3. REACCIONES DE LOS ALCANOS Y CICLOALCANOS

a.-  Halogenación.



Ejemplo:



b.-  Combustión.



Ejemplo:



c.-  Pirólisis.

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.







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. 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% de bromuro de isopropilo y solamente un 8% del bromuro de  n-propilo.



Los pasos de abstracción de hidrógenos para la formación de los dos isómeros son:

.

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% del bromuro terciario, a pesar de que el alcano tiene solamente un hidrógeno terciario frente a quince hidrógenos primarios.



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.

d. Reacciones de adición a cicloalcanos altamente tensionados (ciclopropano y ciclobutano)







e. La cloración de alcanos con SO2Cl2 (cloruro de sulfurilo). La reacción ocurre en presencia de peróxidos y sólo los cicloalcanos producen derivados monoclorados con alto rendimiento.





f. Deshidrogenación catalítica de cicloalcanos



2. HALOGENUROS DE ALQUILO 

Sería difícil estudiar la química orgánica por mucho tiempo sin encontrar los alcanos halosustituidos. Entre sus muchos usos, los halogenuros de alquilo se emplean como solventes industriales, anestésicos inhalables para cirugía, refrigerantes, plaguicidas, agentes fumigantes, etc. Los halogenuros de alquilo abundan también en la naturaleza, aunque más en los organismos marinos que en los terrestres.

Antes de abordar la química de los halogenuros de alquilo, debe decirse que principalmente se hablará de compuestos que tienen átomos de halógeno unidos a átomos de carbono saturados, con hibridación sp3. Existen otras clases de halogenuros orgánicos, como los aromáticos (de arilo) y de alquenilo (vinílicos), pero gran parte de su comportamiento químico es diferente.

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.

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 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, 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, R2CuLi, estos reaccionan con halogenuros de alquilo para formar hidrocarburos de acoplamiento como productos. (Síntesis de Corey-House de alcanos y alquenos).

2.1. SÍNTESIS DE HALOGENUROS DE ALQUILO

a.-  A partir de alquenos por bromación alílica.





b.-   A partir de alquenos por adición de HBr y HCl.





c.-   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.





d. Bromación alílica de alquenos.

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-bromociclohexeno, con un 85% de rendimiento.

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.

Ciclohexeno                            3-bromociclohexeno (85%)



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.

e. 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 reaccionan 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.



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 son altos. No suelen interferir otros grupos funcionales como éteres, carbonilos o anillos aromáticos.

2.2. REACCIONES DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO

a.-  Formación de reactivos de Grignard.

Donde X = Br, Cl, o I y R = Alquilo 1º, 2º, 3º, arilo o vinilo



Ejemplo:



El organomagnesiano que se forma, generalmente suele prepararse “in situ” en condiciones anhidras, es decir en el mimo recipiente o rector donde será utilizado. Las restricciones a tomarse en cuenta son: Total ausencia de agua en el medio de reacción, el haluro de alquilo, no puede tener otro punto en la molécula que denote presencia de acidez en la misma, o contener un grupo funcional con el que reaccione el Grignard. Sin embargo toda vez que se efectúe el uso del reactivo de Grignard, para culminar la reacción se requiere de la adición de agua acidulada.   

b.-  Formación de diorganocupratos (reactivos de Gilman).

            R = alquilo 1º, 2º , 3º, arilo o vinilo



            Ejemplo:



Ejemplo:





c.- Acoplamiento de compuestos organometálicos.



   

d.- Conversión de halogenuros de alquilo en alcanos.







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