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Química Orgánica 2º LECCIÓN 7 Antonio Galindo Brito 1REACCIONES DE ELIMINACIÓN

Objetivos

Completar el examen de la reactividad de los haluros de alquilo estudiando la segunda

reacción que pueden experimentar conocida como β-eliminación o (1,2)-eliminación. Conocer dos de los

posibles mecanismos (E1 y E2) por los que se llevan a cabo las eliminaciones, sus requisitos

estereoquímicos aplicados tanto a sustratos acíclicos como cíclicos, particularmente a los derivados del

ciclohexano y de los ciclos más pequeños. Saber predecir el tipo de mecanismo por el que progresará la

reacción en función de los factores influyentes en la velocidad (tipo de sustrato, fuerza y concentración de

la base, disolvente). Predecir cuál será el producto dominante en la reacción cuando puedan formarse dos

alquenos diferentes, tanto en sustratos acíclicos como cíclicos. Conocer la competición entre las reacciones

SN y E y saber predecir cuál será el producto mayoritario que se forme en función de los factores

influyentes en las velocidades de ambas reacciones competitivas (tipo de sustrato, basicidad y nucleofilia

del reactivo, temperatura y disolvente). Identificar en qué situaciones pueden formarse productos de

reagrupamiento en ciertas eliminaciones. Extender las reacciones de eliminación a otros derivados como

tosilatos o mesilatos de alquilo examinando como pueden formarse y las ventajas que presentan respecto

de los haluros. Llegar a comprender la utilidad sintética de las reacciones de β-eliminación para la

formación de compuestos insaturados y conocer los problemas que quedan planteados y sin resolver con

este tipo de reacciones.

Química Orgánica 2º LECCIÓN 7 Antonio Galindo Brito 2REACCIONES DE ELIMINACIÓN

C C

H

XB - C C HB X

-+ + +

base

Reacción Eliminación. H ligeramente ácido

grupo saliente alqueno

ácido conjugado

anión haluro

Reacción Sustitución

nucleófilo

1

2

H

H

Br

OEt-

HOEt Br -

+(a)

(b)

+ 2E-PentenoAlqueno más sustituido

1-PentenoAlqueno menos sustituido

+ +

Ruta (a) Ruta (b)

CH3Br

Br-

OH-

+ + + H2O +

3-Metil-2-pentenoAlqueno Saytzeff

2-Etil-1-butenoAlqueno Hofmann

3-bromo-3-metil-pentano base

Eliminaciones (1,2)

Química Orgánica 2º LECCIÓN 7 Antonio Galindo Brito 3Eliminaciones E2

Cinética.- Segundo orden v = K [Base] [Haluro].

Mecanismo.- Proceso concertado (una etapa). En el estado de transición se están rompiendo los enlaces C-H, C-X y se están formando los enlaces B-H y el pi:

B - C C H - B X -

C C

H

X

C C

X

B

-δδδδ

-δδδδ

H

+

*

++1 2

1 2

Curso Estereoquímico.- Requisito geométrico, el H, los dos C y X deben hallarse en el mismo plano (coplanares). Hay dos maneras, X y H coplanares y a diferente lado (anti-periplanares) o X y H coplanares y al mismo lado (syn-periplanares):

H

X

X

H

X

HH X

Conformación antiperiplanar(Conformación alternada de menor energía)

Conformación sinperiplanar(Conformación eclipsada de mayor energía)

1

21

2

La E2 cursa con una estereoquímica anti y es estereoespecífica, es decir, se obtienen dos alquenos diastereómeros empleando dos haluros diastereómeros. Así, cuando los diastereómeros eritro y treo se tratan con potasa alcohólica se obtienen los alquenos 3-metil-2E-penteno y 3-metil-2Z-penteno, respectivamente, lo que prueba la total estereoespecificidad de las eliminaciones E2 y además demuestra que la reacción marcha a través de un curso estereoquímico anti:

HO:-

CH3CH2

CH3

H

CH3Br

-CH3CH3CH2

CH3H

H

Br

HO:-

H Br

H CH3

KOH KBr

Br

H Me

Et

CH3CH2CH3

CH3H

H

Me+

3-metil-2E-penteno

H2O+

(2S, 3S))-2-bromo-(3-metil-pentano Una forma eritro

+

3-metil-2E-penteno

+H2O+

(2S, 3S))-2-bromo-3-metil-pentano Una forma eritro

2

32

3

2

3

2

3

Química Orgánica 2º LECCIÓN 7 Antonio Galindo Brito 4

Br

OH-: ..

..Br

-+ + +

1-buteno (19%) 2-buteno (81%)2-bromobutano

A. Saytzeff A. Hofmann

12

1

21

2

Orientación.- Cuando se pueden formar dos alquenos diferentes, en la mayoría de los casos se forma mayoritariamente el alqueno más sustituido (alqueno Saytzeff) frente al menos sustituido (alqueno Hofmann):

HO:-

CH3CH2

CH3

CH3

H Br -

CH3CH3CH2

HCH3

H

Br

HO:-

H

CH3

Br

H

KOH KBr

Me

H

Br

Me H

Et

CH3CH2CH3

HCH3

+

3-metil-2Z-penteno

H2O+

(2R, 3S)-2bromo-3-metil-pentano Una forma treo

+

3-metil-2Z-penteno

+H2O+

(2R, 3S)-2bromo-3-metil-pentano Una forma treo

1

2

3

1

2

3

12

3

12 3


H

H

t-Bu

Cl

H H

t-Bu KCl

H

H

t-BuCl

H

Bu-t

H

H

Cl

H

Bu-t

H KCl

axial

+ + HOBu-t

axial

axial

ecuatorial

KOBu-t

No hay reacciónen esta conformación

axial

ecuatorial

axial

Se forma muy lentamente

axial

KOBu-t

ecuatorialecuatorial

axial

+ + HOBu-t

4

1

42

1

4 2

1

2

4

1

24

1

Así, el cis-1-cloro-4-terc-butil-ciclohexano reacciona con el KOBut proporcionando 4-terc-butil-ciclohexenoa través de una conformación en la que el voluminoso terc-butilo se dispone ecuatorialmente. El diastereómero trans suministra muy lentamente (en la práctica no hay reacción) el mismo compuesto, pues para que la reacción progrese el voluminoso grupo terc-butilo debe situarse axialmente:


Cl

H

Et

H

H

HH

Et

KCl

H

Et

Cl

H

H

Et

H

H Et

KCl

Cl

HH

Et

Cl

HEt

H

( )+-( )+- -trans-1-cloro-2-etil- ciclohexano

( )+- -cis-1-cloro-2-etil- ciclohexano

( )+- -3-etil-ciclohexeno

KOBu-t + + HOBu-t

axial

trans-diaxial

-3-etil-ciclohexeno


ecuatorial

+

cis (axial-ecuatorial)

+ + HOBu-t

cis (axial-ecuatorial)

KOBu-t

KOBu-t

1-etil-ciclohexeno

trans-diecuatorial


KOBu-t

HOBu-t

HOBu-t

HOBu-t

HOBu-t

3

1

2

12

1 21

2

3

12

1

21

2

axial

axial

axial

axial

ecuatorial


El trans-1-cloro-2-etil-ciclohexano tratado con KOBut en HOBut da 3-etilciclohexeno, pero el diastereómero cis-1-cloro-2-etil-ciclohexano en las mismas condiciones, suministra una mezcla de 1-etil-ciclohexeno y 3-etilciclohexeno.

HH

MeCl

NaOMe

H

Me

HCl

MeH

H

MeNaOMe

( )+-( )+

-

; -Cis-1-cloro-2-metil-ciclobutano. El Cl y el H se hallan en anti pero no se hallan coplanares

+Reacción muy lenta

-Trans-1-cloro-2-metil-ciclobutano. Cl y H se hallan syn coplanares

Reacción rápida

+

1

1 2

12

1

2

En los ciclos de pequeño tamaño (3, 4y 5 eslabones) se alcanza la disposición anti pero los grupos no se hallan coplanares y la reacción progresa más fácilmente por una eliminación syn :

Igual situación se presenta en ciertos compuestos tales como los biciclos-[2,2,1]-heptano y al igual que antes, la eliminación más rápida es la syn y no la anti, pues los grupos no son coplanares en la disposición anti pero si en la syn:

Cl

ClH

H

NaOMe ClCl

HH

Cl

ClNaOMe

( )+-meso-1-exo-2-exo-dicloro- Biciclo-[2,2,1]-heptano El Cl y el H están anti pero no coplanares

Reacción muy lenta

-1-endo-2-exo-dicloro-Biciclo-[2,2,1]-heptanoEl Cl y el H están sin yse hallan coplanares

Reacción rápida

;1

exo1

2exo

1

exo

1

2

exoendo


Br

HH

D

NaOMe

H

D

H

H

NaOMe( )+

-

DBr

-1-exo-bromo-2-d-endo-Biciclo-[2,2,1]-heptanoEl Br y el H están syn yse hallan coplanares

eliminación syn

eliminación anti (no se forma)

1

2

1

2

exo

1

2

exo

endo

+

+

HBr En este sustrato, la eliminación anti llevaría a un alqueno sin D, mientras que la eliminación syn conduciría a un alqueno con D. Experimentalmente se ve que el único alqueno que se forma contiene D, lo que prueba que la eliminación ha sido syn.

No obstante, en haluros de cadena abierta las reacciones E2 siempre marchan a través de una anti eliminación. Cuando el producto pueda formarse como dos diastereómeros cis-trans, en general siempre estáfavorecida la formación del alqueno trans, porque el estado de transición que conduce a este alqueno es de menor contenido energético que el que conduce al cis. Así, cuando se trata el (±)-2-bromobutano con KOBut

se genera una mezcla de 1-buteno (10%) y 2-buteno (80%). Este último es una mezcla de cis-2-buteno y trans-2-buteno en la que existe mucho más trans que cis. Para explicarlo recurriremos a visualizar los estados de transición de las dos reacciones en proyecciones de Newmann:


HBrNaOMe

-Br

-Br

Me H

BrMe H

H

δδδδ -

δδδδ -Me H

Br

Me H

MeO-

Br

Me H

Br

Me H

H Me

H

HH

H Me

δδδδ -

δδδδ -

MeO-

Me H

H Me

Me H

Me H

+ trans-2-buteno mayoritario

cis-2-buteno, minoritario 2-bromobutano

racémicoConformación anti, más estable *

Alqueno trans, más estableEstado de transición que

conduce al alqueno transMás estable; Me alejados

+ HOMe+

Conformación alternada, menos estable

*

MeO

+ +

Alqueno cis,menos estable

HOMe

+ NaBr + HOMe

1-buteno (10%)

2-butenos (80%)

MeO

+2

21

2

Química Orgánica 2º. LECCIÓN 7 Antonio Galindo Brito 10

NaOMe

-Br

H

H HEt H

BrH H

H

δδδδ -

δδδδ -Et H

H H

HH

Br

Et H

H

HBr

H

H H H

+

1-buteno (10%) minoritario2-bromobutano

racémico *

Estado de transición

+ HOMe+

Metóxido sódico

MeO1-Buteno

+ NaBr HOMe+

MeO-

12

31

23

Las reacciones en las que se pierde un átomo de H y un átomo de halógeno (formalmente HX) se conocen como deshidrohalogenaciones y se llevan a cabo tratando un haluro de alquilo con una base. Existen otras eliminaciones en las que se pierden dos átomos de halógeno sobre carbonos vecinos que son conocidas como deshalogenaciones y que se efectúan casi siempre por la acción de una base de Lewis que casi siempre es zinc metálico:

C CX

X

C C ZnX2Zn:+Alcohol, calor

+Alqueno Derivado

1,2-dihalogenadoHaluro de zinc

Base de Lewis

1

21

2


C C

BrMe

Me

HC C

H

CH3

H

CH3

ZnBr 2

Zn ZnBr 2

Zn ZnBr 2

H

Br

Me

Me H

H Me

Zn:

H

Br

Br

Br

Me H

Br

Me H

Me H

+-( )

Me H

MeH

Alcohol, calor +

cis-2-Buteno-treo-2,3-Dibromobutano

+ZnBr Br -+

Alcohol, calor

+

+ZnBr Br -+

Alcohol, calor

+

+ZnBr Br -+meso-2,3-Dibromobutano

trans-2-Buteno

2 3

2

3

Las deshalogenaciones (pérdida de una molécula de halógeno), también son estereoespecíficas y transcurren por una anti eliminación a través de un proceso E2:


Eliminaciones E1.

Cinética.- Cuando un haluro terciario se trata con una base fuerte como el KOBut se obtiene un alqueno pero la cinética del proceso es de primer orden en haluro, v = k [haluro], siendo v no dependiente de la concentración de la base.

Mecanismo.- El proceso ocurre en dos etapas, la primera de las cuales es lenta e idéntica a la SN1 y por tanto conduce a la formación de un catión. En la segunda etapa, rápida, el catión pierde un protón por la acción de la base para originar el alqueno.

C C

Br

R

Me

Me

H

R´

C C

R

MeH

R´

Me

C C

R

MeH

R´

MeB:- C C

R R´

Me Me

Br-+lenta

+

HB +

Mezcla de alquenos E y Z

+

Curso estereoquímico.- Al contrario que en la E2 los procesos E1 no son estereoespecíficos y por ello habitualmente cuando el alqueno puede presentarse en dos formas diastereómeras se genera una mezcla de ellas.


C C

Br

H

Me

Me

R

R´

C C

H

MeR

R´

Me

B:-

C C

R R´

Me Me

C C

H

R´

Me

RMe

B:-

C C

Me R´

R Me

Br-

+

lenta

Eliminación anti

+ HB

+

Eliminación syn

+ HB

Alqueno Z

Alqueno E

+

El H y el Br se hallan en syn

El H y el Br se hallan en anti

rotación alrededor del enlace C-C

rápida

rápida

Transposiciones en las E1

Como los procesos E1 implican carbocationes como especies intermedias, es frecuente que en las reacciones tipo E1 puedan ocurrir transposiciones de manera completamente análoga a como ocurría con las SN1. Así, al calentar el 3-bromo-2,2-dimetil-butano con KOH en metanol, se obtiene en pequeña proporción el alqueno normal, el 2,3-dimetil-1-buteno, pero el alqueno mayoritario es el 2,3-dimetil-2-buteno, que evidentemente se ha formado por transposición con migración (1,2) de un grupo metilo:


BrBr -

HO- C

C

H

H H

( )+- -3-bromo-2,2-

dimetil-butano

++

+

catión 2,3-dimetil-2-butilo

+

2,3-dimetil-1-buteno (minoritario)

2,3-dimetil-2-buteno (mayoritario)

catión 3,3-dimetil-2-butilo

(1,2)-MeTransposición

+ H2O2

3

23

23

23

21

3

Competición E2-E1

1º.- La reacción E2 ocurre preferentemente sobre sustratos primarios y la E1 sobre terciarios.

2º.- Un aumento en la polaridad del disolvente favorece la E1 sobre la E2. Las E2 van mejor con disolventes dipolares y apróticos (ver Lección 6) y las E1 con disolventes próticos (agua, ácidos carboxílicos, fenoles, alcoholes, etc.).

3º.- Una base fuerte y en buena concentración favorece la E2 sobre la E1.

Conclusión.- Sustratos primarios o secundarios, elevadas concentraciones de bases fuertes y el empleo de disolventes dipolares apróticos favorecen la E2, mientras que sustratos terciarios con bases muy débiles y poco concentradas, disolventes polares y próticos favorecen la E1. No obstante, incluso los terciarios marchan por la E2 usando bases fuertes concentradas. En general, se prefiere que las reacciones marchen por la E2 porque son estereoespecíficas y es posible controlar la estereoquímica del alqueno eligiendo adecuadamente la estereoquímica del sustrato y las condiciones de reacción.


Competición SN2-E21º.- Con nucleófilos poco voluminosos se favorece la sustitución. Los voluminosos favorecen la eliminación. Si se quiere hacer una eliminación en lugar de usar KOMe es preferible usar KOBut.2º.- Un aumento en la polaridad del disolvente favorece la sustitución. Si se quiere hacer una sustitución con KOH se debe usar agua como disolvente, mientras que si se quiere hacer una eliminación es mejor usar KOH en metanol o etanol como disolventes. 3º.- Un temperatura moderada o baja favorece la sustitución. Si se quiere efectuar una eliminación es mejor hacer la reacción a reflujo. Conclusión.- Nucleófilos poco voluminosos, disolvente muy polares y apróticos y temperaturas moderadas favorecen la sustitución. Bases voluminosas, disolvente menos polares y temperaturas elevadas favorecen la eliminación.

Reactividad de los diferentes haluros de alquilo

1.- Haluros primarios.- Los haluros primarios no impedidos generalmente experimentan reacciones SN2 si el reactivo es buen nucleófilo o E2 si el reactivo es una base fuerte no impedida. Es posible forzar a un haluro primario a dar reacciones E1 empleando como catalizador AgNO3, aunque es estos casos es frecuente que se observen muy mayoritariamente productos de transposición. Vamos a precisar el término impedido y no impedido con algunos ejemplos:

R X

H HX

Me Me

Me Me

X

H H

Me H

X

H H

Me Me

Haluros de alquilo no impedidos Haluros de alquilo impedidos


Br CH3OH....

OMe

AgNO3

Ag Ag

H H

AgBrCCBrBr C

+

CH3OH....

OMe

(HNO3)

H

CH3OH....

MeOH,

(CH3OH2)

H H

CH3OH....

HH

C

HH

H

C

HH

H

C

HH

H

OHMe

H H

CCH3OH2

H H

C

H H

C

NO3

CH3OH2

+ + + +

++..

:.. .. ++

1,2 (H)

1-bromobutano metanolmetil, sec-butil, éter 2-metoxi-butano 1-buteno 2-trans-buteno 2-cis-buteno

:..++

(SN1)

+

..

..

+

+ +

+..

+

(E1)

catión 2-butilo

2-trans-buteno 2-cis-buteno

metil, sec-butil, éter

1-buteno

(E1)

:+

12

1

21

21

2

2 3

3

..

..

..

++

+

+

-

2 2 3

3

+

Los productos que pueden obtenerse a partir de un haluro primario dependen de las condiciones experimentales y así, cuando el bromuro de propilo se trata con diferentes reactivos que pueden comportarse como nucleófilos o bases, según sea su carácter y su tamaño, se obtienen diferentes productos, como se aprecia a continuación:


Br

(CH3)3OKO

(CH3)3OH

MeOH

MeONa O

NaCN

CN

Bromuro de propiloHaluro primario no impedido

+> 80%

(< 20%)

Eliminación E2 Sustitución S N2

< 10%

terc-butil, propil, éter

metil, propil, éter (>90%)

Propanonitrilo (100%)

Base fuerte impedida Mal nucleófilo

Base fuerte no impedida Buen nucleófilo

Buen nucleófiloBase muy mala (0%)

+

propeno

Los haluros primarios con bases fuertes impedidas (malos nucleófilos) dan productos SN2, con bases fuertes no impedidas (buenos nucleófilos) compiten la SN2 y la E2 casi siempre de modo favorable a la SN2 y finalmente, con muy buenos nucleófilos (malas bases) se obtienen exclusivamente productos SN2.

2.- Haluros secundarios

Las reacciones de los haluros secundarios son difíciles de predecir pues varían mucho en función de las condiciones experimentales. Con bases muy fuertes y en buena concentración se pueden dar tanto la SN2 como la E2. Con bases débiles y disolventes próticos son posibles tanto la SN1 como la E1 obteniéndose en general, mezclas de producto derivados de ambas reacciones.


Así, el bromuro de isopropilo reacciona con diferentes especies obteniéndose diferentes productos en función de la nucleofilia y basicidad del reactivo, a través de diferentes mecanismos en función del disolvente utilizado:

Br

CH3COOKO

O(CH3)3OH

EtOH

CH3CH2ONa

OCH2CH3

CH3CH2OH

OCH2CH3

Bromuro de isopropilo Haluro secundario

+( 0%)

Eliminación E2 Sustitución SN2

(80%)

Acetato de isopropilo (100%)

Etil, isopropil, éter (20%)

Base fuerte no impedida Buen nucleófilo

Base débil no impedida Buen nucleófilo

Nucleófilo débil,Base débil, mediopolar y prótico (50%)

+

+ Etil, isopropil, éter (20%)

Eliminación E1 Sustitución SN1

propeno

La importancia del reactivo utilizado se pone de relieve en las reacciones del (±)-2-bromobutano frente a diversos reactivos. Así,frente al NaI (buen nucleófilo, mala base) da fundamentalmente (±)-2-yodo-butano (SN2) mientras que frente al KOBu

t (mal nucleófilo, excelente base) da mayoritariamente 2-buteno (E2):


NaI NaBr(CH3)2CO

KOBu OBuHOBu

KBr

Br

Br

I

( )+- ( )+

-

( )+- -bromuro de

sec-butilo

+ + +-bromuro de sec-butilo

-yoduro de sec-butilo (mayoritario) 1-buteno

anhidra

+ t

t

t+ +

butil, terc-butil, éter

1-buteno(mayoritario)

SN2 E2

Haluros terciarios

Los haluros terciarios no dan reacciones SN2 por su gran impedimento estérico. Con bases fuertes dan reacciones E2 y en ausencia de bases fuertes y en medios polares y próticos dan reacciones SN1 y E1, en proporciones variables difíciles de predecir, pues varía mucho con las condiciones experimentales. Así, cuando el 2-bromo-2-metil-propano reacciona con etóxido sódico en etanol da etil, terc-butil, éter (3%; producto SN1) y 2-metilpropeno (97%; producto E2), mientras que por solvólisis en etanol se obtiene etil, terc-butil, éter (80%; producto SN1) y 2-metil-propeno (20%; producto E1). Esta experiencia nos permite apreciar la importancia de la elección de la base y el disolvente pues puede condicionar no sólo el mecanismo sino también el producto final.


Br

NaOCH2CH3

HOCH2CH3

O

HOCH2CH3

Producto SN1 Producto E2 Producto E1

etil, terc-butil, éter (3%) 2-metil-propeno (97%) Isobutileno

Base fuerte; disolvente prótico e ionizante

Base débil; disolvente prótico e ionizante

(80%) (20%)

2-metil-2-bromo-propano; haluro terciario

1 2

1

2

12

3

Es importante generalizar la reactividad de los haluros de alquilo, observando que también pueden dar reacciones de eliminación y sustitución otros sustratos alquílicos que portan un grupo saliente diferente del halógeno, muy particularmente los grupos mesilato (OMs) y tosilato (OTs):

OMs KCN CN KOMs

OTs KOBu-t KOTs

- OTs - OSO2 - CH3- OSO2CH3

+ +mesilato de butilo cianuro potásico pentanonitrilo mesilato potásico

+ +

tosilato de butilo terc-butóxido potásico

1-penteno tosilato potásico

-OMs ;

SN2

E2


Favorecida y exclusiva cuando se emplean bases fuertes e impedidas.

Ocurre en competencia con la SN2. Mayoritaria cuando se usan bases

fuertes y muy impedidas

Se da con bases fuertes. Mayoritaria con haluros con impedimento estérico o/y bases muy impedidas

E2

Ocurre de forma secundaria con bases

débiles y con bases fuertes en bajas concentraciones

Ocurre con reactivos ni muy básicos ni muy

nucleófilos y en medios próticos y muy polares

No ocurre y si se efectúa siempre se lleva a cabo con

transposición

E1

No ocurre

Ocurre en competencia con la E2. Exclusiva con buenos nucleófilos que sean poco básicos

Muy favorecida; exclusiva con Nu poco básico. Mayoritaria

con sustratos y Nu no impedidos

SN2

Favorecida con nucleófilos poco básicos en medios polares y próticos.

Ocurre con reactivos ni muy básicos ni muy

nucleófilos y en medios próticos y muy polares

No ocurre y si se efectúa siempre se lleva a cabo con

transposición

SN1

HALURO TERCIARIOHALURO SECUNDARIOHALURO PRIMARIO

Resumen reactividad halurosQuímica Orgánica 2º. LECCIÓN 7 Antonio Galindo Brito 22

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