UNIVERSIDAD PERUANA CAYETANO HEREDIA

FACULTAD DE CIENCIAS Y FILOSOFÍA ALBERTO CAZORLA TALLERI

INFORME DE QUÍMICA ORGÁNICA II

REACTIVIDAD DE HALUROS DE ALQUILO POR MECANISMOS SN1 Y SN2

CURSO: Química Orgánica II

INTEGRANTES:

MORÓN ATENCIO, GabrielaNUÑEZ TELLERÍA, Valentina

PROFESOR:

Llanos Chang, Bertha

FECHA DE PRESENTACIÓN: 16 de Mayo

2014

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Contenido

I. RESUMEN..........................................................................................................................3

II. INTRODUCCIÓN...............................................................................................................3

III. OBJETIVOS.......................................................................................................................4

IV. MARCO TEÓRICO...........................................................................................................4

V. DATOS................................................................................................................................7

VI. RESULTADOS..................................................................................................................9

VII. CUESTIONARIO.............................................................................................................10

VIII. DISCUSIÓN.....................................................................................................................11

IX. CONCLUSIONES............................................................................................................13

X. RECOMENDACIONES...................................................................................................13

XI. APÉNDICE.......................................................................................................................13

XII. BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................15

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I. RESUMEN

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II. INTRODUCCIÓN

En la gama de reacciones que la Química Orgánica nos da explicación podemos encontrar aquellas a las que se encuentran sometidos los halogenuros de alquilo, compuestos que por su peculiar enlace C-X, donde X es un átomo electronegativo, dicho enlace llega a polarizarse de manera que abandone la molécula como un buen grupo saliente. En la dinámica de los halogenuros de alquilo hay una constante competencia de reacciones: sustitución nucleofílica o eliminación; sin embargo, en esta ocasión nos enfocaremos en las reacciones de sustitución nucleofílica unimoleculares y bimoleculares, las cuales predominarán en función al sustrato que estemos utilizando (el halogenuro de alquilo de naturaleza metilo, primario, secundario, terciario), el nucleófilo (con buena nucleofilidad o buena basicidad), el tipo de disolvente (aprótico o prótico y la magnitud de su polaridad), por último la influencia de la temperatura.

En este laboratorio se evaluaron 6 halogenuros de alquilo, entre los cuales están el 1-clorobutano, 2-clorobutano, 1-bromobutano, 2-bromobutano, 2-metil-2 –cloropropano y bromobenceno. Para evaluar su reactividad los someteremos a una solución de NaI/acetona (disolvente aprótico) y AgNO3/ etanol (disolvente prótico).

III. OBJETIVOS

Estudiar la influencia de los factores que regulan los mecanismos de sustitución nucleofílica bimolecular y unimolecular: estructura del sustrato, naturaleza del nucleófilo, tipo de solvente y temperatura.

IV. MARCO TEÓRICO

Se tienen tres principales clases de compuestos orgánicos hidrogenados principales: los haluros de alquilo, haluros de vinilo y haluros de arilo. Pondremos atención a los primeros, que experimentan Sn1 y Sn2: los haluros de alquilo, quienes tienen un átomo de halógeno enlazado a uno de los átomos de carbono con hibridación sp3.

PARTICULARIDADES DEL HALURO DE ALQUILO

El enlace carbono-halógeno de un haluro de alquilo es polar debido a que los átomos de los halógenos son más electronegativos que los del carbono. La mayoría de las reacciones de haluros de alquilo resultan de la ruptura de este enlace polarizado. El átomo de carbono tiene una carga parcial positiva, lo que lo hace electrofílico y susceptible al ataque de un nucléofilo. El átomo de halógeno puede salir como un ión haluro, quedándose con el par de electrones de enlace. Al actuar como un grupo saliente, puede ser sustituido por una amplia variedad de grupos funcionales.

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Esta capacidad de sustitución permite a los haluros de alquilo ser intermediarios de muchas síntesis de otros grupos funcionales.

REACCIONES DE LOS HALUROS DE ALQUILO

Existen dos reacciones de competencia en la dinámica química de los haluros de alquilo y son la sustitución nucleofílica y la eliminación (muchas veces deshidrohalogenación). En la primera se intercambia el halógeno por otro grupo funcional; por otro lado, en la eliminación, el halógeno abandona el compuesto así como un par de electrones más que si conformaban un ión hidruro podemos llamarlo una deshidrohalogenación.

Pondremos exclusiva atención a las sustituciones nucleofílicas:

Sustitución Nucleofílica Bimolecular (Sn2)

Esta reacción se da en un único paso concertado, donde no encontramos intermedios solo un estado transiente con alta energía. En dicho estado transiente se puede observar la polarización de cargas entre el grupo saliente, el carbono y el nucleófilo entrante. Se justifica la alta energía debido a que el enlace carbono está pentacoordinad. Por encontrar al nucleófilo y al sustrato en el estado transiente, se concluye que la velocidad está en función de las concentraciones de ambos reactantes, con lo que llamamos “bimolecular”.

Esta reacción aumentará su rendimiento si la llevamos a las condiciones ideales influenciadas por los siguientes factores:

Nucleófilo: Se necesitan nucleófilos fuertes. Con esto, hay que saber diferenciar entre la nucleofilidad (que es la capacidad de atacar al carbono electrofílico) y la basicidad (la capacidad de abstraer un hidrógeno). El nucléofilo participará en el estado de transición, con lo que su concentración influirá en la velocidad de la reacción.

Sustrato: Se recomiendan aquellos sustratos de haluro de alquilo que no estén muy impedidos, como los metilo, primarios y en cierta medida los secundarios.

Disolvente: Se prefiere un disolvente aprótico polar que no solvate al nucleófilo pues lo puede llegar a debilitar y dificultará el desarrollo de la reacción. Se procura, por otro lado, que el solvente sea solo lo suficientemente polar para que el nucleófilo esté disuelto.

Cinética: La velocidad se verá influenciada por ambas concentraciones: la del nucleófio y la del sustrato.

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r = k[RX][Nu−]

Estereoquímica: Debido a que el mecanismo de reacción muestra la entrada del nucleófilo por la parte posterior del carbono, se concluye que debe de ocurrir un cambio configuracional. El compuesto sufre una inversión total.

A comparación de la sustitución unimolecular, no se pueden dar transposiciones ya que no se forma el carbocatión.

Diagrama de Energía

Sustitución Nucleofílica Bimolecular (Sn1)

Esta reacción consiste de dos pasos, que son la formación del carbocatión (esto implica el abandono del grupo saliente en la molécula) y el ataque al electrófilo.

Al igual que la sustitución nucleofílica bimolecular, esta reacción debe su nombre debido a su estado transiente, donde ya no se halla el nucleófilo pues aún no reacciona. Con lo que la velocidad se verá afectada solo por la concentración de sustrato.

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Suele suceder que la Sn1 compita en simultáneo con su reacción de eliminación. Este tipo de reacciones unimoleculares, al dar diversos productos no son recomendables para síntesis de compuestos.

Nucleófilo: En esta reacción no se da mucha importancia con respecto al nucleófilo debido a que este no influye en el paso limitante de la velocidad, incluso puede ser un nucleófilo débil.

Sustrato: Se recomiendan aquellos sustratos de haluro de alquilo que den los carbocationes más estables como los terciarios y secundarios.

Disolvente: Se prefiere un disolvente prótico polar que permita la solvatación de los iones que se forman en el paso lento de la reacción. Solvatándolos, estamos estabilizándolos, con lo que disminuimos la energía de activación. Se necesita un disolvente ionizante, polar, que pueda formar puentes de hidrógeno, como el agua o el alcohol.

Cinética: La velocidad se verá influenciada solamente por la concentración del sustrato, es decir el haluro de alquilo, debido a que el ataque del nucleófilo al carbono electronegativo es solo una paso rápido mas no el limitante, por lo tanto no se encuentra dentro del estado transiente.

r = k[RX]

Estereoquímica: Debido a que se genera un carbocatión, y el grupo saliente tiene que abandonar previamente la molécula, hay la posibilidad de que se produzca una mezcla racémica, que haya retención de la configuración o inversión de la configuración.

Reordenamientos: A comparación de la Sn2 donde no se formaba un carbocatión, en la Sn1 sí tenemos la oportunidad de optimizar la estabilidad de nuestros productos formando el carbocatión más estable a través del traslado de iones hidruro o metilo mediante una transposición.

Diagrama de Energía

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V. DATOS

HALUROS DE ALQUILO

1-Clorobutano CARACTERÍSTICAS TOXICIDAD

Líquido incoloro, olor acre. Punto de fusión: -123ºC Punto de ebullición: 78ºC Densidad: 0.88 g/ml

Representa peligros físicos por ignición, peligros químicos por toxicidad y corrosión, reacciones violentas. A corta exposición es irritante y causa efectos en el SNC.

2-Clorobutano CARACTERÍSTICAS TOXICIDAD

Líquido incoloro Punto de fusión: ºC Punto de ebullición: ºC Densidad: g/ml

1-Bromobutano CARACTERÍSTICAS TOXICIDAD Líquido incoloro, insoluble en

agua, soluble en etanol y éter dietílico.

Punto de fusión: -170 ºC Punto de ebullición: 101.4 ºC Densidad: 1.2686 g/ml

Muy peligroso en caso de ingestión, peligroso al contacto con la piel, ocular o inhalación por causar irritación.

2-Bromobutano CARACTERÍSTICAS TOXICIDAD Líquido incoloro. Punto de fusión: ºC Punto de ebullición: °C Densidad: g/ml

2-Cloro 2-Metilpropano CARACTERÍSTICAS TOXICIDAD Líquido incoloro, inodoro e

insípido. Punto de fusión: 69ºC Punto de ebullición: -131ºC Densidad: 0.9 g/ml

Altamente inflamable, las mezclas de vapor/aire son explosiva, por ingestión, requiere protección ocular y dérmica. Utilizar en ambiente ventilado.

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Bromobenceno CARACTERÍSTICAS TOXICIDADLíquido de apariencia transparente o ligeramente amarillenta. Punto de fusión: -31ºC Punto de ebullición: 156ºC Densidad: 1.469 g/ml

Irritante. Peligroso para el medio ambiente por ser tóxico en organismos acuáticos (efectos a largo plazo).

DISOLVENTES

Acetona CARACTERÍSTICAS TOXICIDAD Líquido incoloro, olor

característico. Punto de fusión: -94ºC Punto de ebullición: 56.5ºC Densidad: 0.788 g/ml Constante dieléctrica: 21

Altamente inflamable, incluso diluido en agua. Reacciones de oxidación vigorosas.

Evitar su ingestión, inhalación y vapores que contacten con los ojos. Irritación en la piel por contacto prolongado.

Alcohol Etílico CARACTERÍSTICAS RIESGOS Líquido incoloro, olor

característico y volátil Punto de fusión: -114.0ºC Punto de ebullición: 78-79ºC Densidad: 0.789 g/ml Constante dieléctrica: 24

Inflamable, nocivo (irritante y reactivo leve). Evitar la inhalación, el contacto con la piel, los ojos y su ingestión.

SALES

Ioduro de Sodio CARACTERÍSTICAS TOXICIDAD Polvo blanco, inodoro Punto de fusión: 661°C Punto de ebullición: 1300ºC Densidad: 3.660 g/ml pH: 6-9

Puede causar irritación del tracto respiratorio y digestivo. Su prolongada exposición puede causar edema pulmonar. Sensible a la humedad y a la luz. Causa irritación ocular y dérmica.

Nitrato de Plata CARACTERÍSTICAS RIESGOS

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Sólido, cristales incoloros Punto de fusión: 212.0ºC Punto de ebullición: 444°C Densidad: 4,4 g/ml

pH: 5,4 – 6.4

Provoca quemaduras en la piel.

Irritación de las vías respiratorias, irritación de la piel,

Irritación de los ojos. : Tóxico Podría causar:

dolor abdominal gastroenteritis

muerte. Afecta el Sistema nervioso central

VI. RESULTADOS

Haluro de Alquilo Solvente Precipitado/Turbidez Reacción Calentamiento Tiempo

1-ClorobutanoNaI/acetona Turbidez Amarilla SN2 -- Inmediato

AgNO3 Ligera Turbidez SN1 ++ t > 5’

2-ClorobutanoNaI Precipitado Amarillo SN2/SN1 19”

AgNO3 Turbidez SN1 +++ t>5’

1-BromobutanoNaI Poco precipitado blanco SN2 -- 4’ 50”

AgNO3 Ligera turbidez SN1 -- 2’ 30”

2-BromobutanoNaI Ligera turbidez SN2/SN1 ++ t>5’

AgNO3 Precipitado blanco SN1 -- 50” - 2’2-Cloro-2-

MetilpropanoNaI - -- X t>5’

AgNO3 Precipitado blanco SN1 -- 45”

BromobencenoNaI - -- X t>>5’

AgNO3 Ligera turbidez SN1 + t>5’

Leyenda

X: (No ocurre reacción)

(--): No se sometió a la plancha

VII. CUESTIONARIO

1. Registrar los resultados de los experimentos en una tabla. Indicar en la tabla si hubo reacción con o sin calentamiento, y el tiempo en que ocurrió la reacción.

2. Ordenar los haluros en orden de reactividad para las reacciones Sn1 y Sn2.3. Comparar las reactividades de los haluros primarios. Considerar la geometría del

estado de transición en la explicación si es necesario.4. Explicar la reactividad del haluro terciario y del aromático en este experimento.

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VIII. DISCUSIÓN

IX. CONCLUSIONES

X. RECOMENDACIONES

Para la obtención de óptimos resultados.

Se recomienda la debida rotulación de los tubos de ensayo y los reactivos que se utilizarán debido a la amplia gama de compuestos que haremos reaccionar.

Un cronómetro es necesario para la medida del tiempo el cual nos mostrará con qué facilidad se ha dado la reacción.

Tomar mucha atención al tiempo de calentamiento de cada compuesto para que los resultados de cada compuesto se encuentren bajo las mismas condiciones.

No es necesario calentar el tubo de ensayo que ya reaccionó. Se calienta en búsqueda de agregar mayor energía, con lo que las reacciones que son difíciles de producir tenderán en un mayor intervalo de tiempo a ocurrir aunque en menor medida.

Lo ideal es calentar la acetona bajo la campana por ser un insumo muy volátil.

Para discernir el tipo de mecanismo de sustitución nucleofílica.

Es importante tomar en cuenta los factores de: nucleófilo, grupo saliente, tipo de solvente, estructura del haluro de alquilo y la temperatura. Teniendo en cuenta estos puntos, podremos explicarnos por qué ciertas reacciones son más eficientes que otras.

XI. APENDICE

XII. BIBLIOGRAFÍA

Wade, LG (2010).Química Orgánica.Pearson Education, Inc. Séptima Edición (2012) México. Pearson Educación de México.

ACROS COM. Material Safety Data Sheet. Sodium Iodidehttp://www.ch.ntu.edu.tw/~genchem99/msds/exp19/NaI.pdf

Pontificia Universidad Javeriana de Cali. Hoja de Seguridad: Nitrato de Plata http://portales.puj.edu.co/doc-quimica/FDS-LabQca-DianaHermith/AgNO3.pdf Sintorgan. Hoja de Seguridad. Clorobutano. http://www.sintorgan.com/msds/1-

Clorobutano.pdf

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Analytyka. Hoja de Seguridad. Bromobutano. http://www.analytyka.com.mx/spanish/FDS/B/15A600.htm

Wikipedia, la Encliclopedia Libre. Terbutilcloruro. http://en.wikipedia.org/wiki/Tert-Butyl_chloride

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