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

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:

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.

Otras reacciones importante del anillo benceno
son:

REDUCCIÓN DE BIRCH:

HIDROGENACIÓN CATALÍTICA DE ANILLOS
AROMÁTICOS:

SUSTITUCIÓN AROMÁTICA A TRAVÉS
DE INTERMEDIOS BENCINO:

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?"

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

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.

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

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.

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.

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

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:

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.

explicación mecanistica:

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.

Ejemplos:

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

Ejemplos:

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

Ejemplos:

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.

Ejemplo:

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

Otras reacciones de
interés:

¿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.

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

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.

Química de
los bencenos sustituidos

(fenoles y
arilaminas)

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

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

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

RESUMEN DE LAS NUEVAS REACCIONES

• 1. Halogenación
  radicalaria

EJEMPLOS:

 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

 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:

6.        
OXIDACIÓN EN LA CADENA LATERAL

EJEMPLOS:

                                                               
                                                               
(80%)

 FENOLES

 A) REACCIONES DE OBTENCIÓN DE
FENOLES

 7.        
PREPARACIÓN POR SUSTITUCIÓN AROMÁTICA
NUCLEOFILA

 8.        
HIDRÓLISIS DE SALES DE ARENODIAZONIO

9.        
RUPTURA DE
ÉTERES           

EJEMPLOS:

B) REACCIONES DE FENOLES Y
ALCOXIBENCENOS

 10.      
SÍNTESIS DE ÉTERES DE WILLIAMSON

EJEMPLOS:

11.      
FORMACIÓN DE ÉSTERES
(ESTERIFICACIÓN)

EJEMPLOS:

12.        
REACCIÓN DE KOLBE  (CARBOXILACIÓN DE
KOLBE

EJEMPLO:

13.      
TRANSPOSICIÓN DE CLAISEN

EJEMPLO:

14.      
OXIDACIÓN A QUINONAS

EJEMPLOS:

ARILAMINAS (ANILINA)

 A) REACCIONES DE
FORMACIÓN

 15.      
REDUCCIÓN DE NITROBENCENOS

 EJEMPLOS:

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:

Síntesis y
reacciones de las aminas

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

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

 PROPIEDADES
FÍSICAS

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

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

 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

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).

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:

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.

           
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).

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:

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

2) Enolización

3) Formación del enlace
carbono-carbono

ÓXIDOS DE AMINAS Y ELIMINACIÓN DE
COPE]:

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

 Ejemplos de formación de
óxidos de aminas:

 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 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.

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

Autor:

Wilbert Rivera
Muñoz

Universidad Autónoma
·Tomás Frías"

Carrera de Química

2006

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

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