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Guía de estudio de Química Orgánica 1

Reglas, tendencias, tablas de reacciones y ejemplos resueltos para un curso universitario de química orgánica de primer semestre.

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Abreviaturas: Nu = nucleófilo · LG = grupo saliente · R = alquilo · X = halógeno · Δ = calor · hν = luz · equiv = equivalentes · cat. = catalítico · Ts/Ms/Tf = tosilo/mesilo/triflio (grupos salientes sulfonato) · DMS = (CH₃)₂S · NMO = N-óxido de N-metilmorfolina (reoxidante) · NBS = N-bromosuccinimida · DBU/DBN = bases amidina voluminosas.

≈ indica valores aproximados de los libros de texto; cada libro varía un poco, así que en los exámenes usa los números de tu profesor.

1 Estructura y enlace

Estructuras de Lewis y carga formal

  • Carga formal = electrones de valencia − electrones no enlazantes − enlaces. Las cargas formales suman la carga total.
  • C, N, O y F nunca superan el octeto. En las estructuras esqueléticas, cada carbono lleva H implícitos hasta completar 4 enlaces; los pares solitarios a menudo se omiten.
Patrones de enlace y carga formal
Átomo+10−1
C3 enlaces, sin par solitario (carbocatión)4 enlaces3 enlaces + 1 par solitario (carbanión)
N4 enlaces3 enlaces + 1 par solitario2 enlaces + 2 pares solitarios
O3 enlaces + 1 par solitario2 enlaces + 2 pares solitarios1 enlace + 3 pares solitarios
Cl, Br, I2 enlaces + 2 pares solitarios1 enlace + 3 pares solitarios4 pares solitarios (haluro)

Hibridación y geometría

Número estérico = enlaces σ + pares solitarios. Enlace sencillo = 1 σ; doble = 1 σ + 1 π; triple = 1 σ + 2 π.

Número estérico, hibridación y geometría
N.° estéricoHíbrido, geometríaEjemplos
4sp³, tetraédrica, 109.5°CH₄; NH₃ piramidal (≈107°); H₂O angular (≈104.5°)
3sp², trigonal plana, 120°C=C, C=O, C⁺ de carbocatión
2sp, lineal, 180°C≡C, C≡N, el C del CO₂

Un par solitario junto a un enlace π suele estar deslocalizado en un orbital p, así que ese átomo es sp² (por ejemplo, el N de una amida).

Resonancia

  • Solo se mueven electrones π y pares solitarios. Nunca muevas átomos, rompas un enlace σ, excedas el octeto en C/N/O ni cambies la carga total.
  • Patrones: par solitario junto a un enlace π; carga + junto a un enlace π (catión alílico; alílico = sobre el carbono sp³ contiguo a un C=C, bencílico = contiguo a un anillo de benceno); par solitario junto a una carga +; enlace π polar (C=O ↔ C⁺–O⁻); enlaces π alternados en un anillo.
  • Los contribuyentes se unen con ↔ (no con ⇌); la molécula real es el híbrido. Los contribuyentes equivalentes aportan estabilidad adicional (los dos enlaces C–O de un carboxilato tienen la misma longitud).

Contribuyente principal (criterios en orden):

  1. La mayoría de los átomos con octetos completos.
  2. El menor número de cargas formales.
  3. Carga negativa sobre el átomo más electronegativo (positiva sobre el menos).

Ejemplo: en CH₃–O–CH₂⁺ ↔ CH₃–O⁺=CH₂, la segunda forma es la mayoritaria: todos los átomos tienen octeto (regla 1), incluso con la carga + sobre el O.

Fuerzas intermoleculares (de mayor a menor)

  1. Ion–dipolo: ion + molécula polar (Na⁺ en agua).
  2. Puente de hidrógeno: H sobre N, O o F (dador) hacia un par solitario sobre N, O o F (aceptor).
  3. Dipolo–dipolo: dipolos permanentes (acetona, CH₃Cl).
  4. Dispersión de London: todas las moléculas; aumenta con el área superficial y la polarizabilidad.

Etanol (dona enlaces de H, p. eb. ≈78 °C) frente a dimetil éter (misma fórmula, p. eb. ≈−24 °C). Las cadenas más largas elevan el punto de ebullición; las ramificaciones lo bajan. Lo semejante disuelve a lo semejante: la solubilidad en agua de los alcoholes disminuye a medida que crece la cadena carbonada.

1°, 2°, 3° (primario, secundario, terciario): un carbono unido a uno, dos o tres carbonos más. Un haluro de alquilo o un alcohol toma el grado del carbono que lleva el –X o el –OH; en las aminas, en cambio, el grado cuenta los carbonos unidos al N.

Practica carga formal y enlace, flecha por flecha →

2 Ácidos y bases

  • Un ácido Brønsted dona H⁺ y una base acepta H⁺. Un ácido de Lewis acepta un par de electrones y una base lo dona.
  • Menor pKa = ácido más fuerte = base conjugada más débil. Cada unidad de pKa equivale a un factor de 10 en Ka.
Valores de pKa aproximados (las fuentes difieren en alrededor de ±1)
Ácido → base conjugadapKa ≈
HI → I⁻−10
HBr → Br⁻−9
HCl → Cl⁻−7
H₂SO₄ → HSO₄⁻−3 (algunas tablas −9)
ROH₂⁺ → ROH (alcohol protonado)−2
H₃O⁺ → H₂O−1.7
RCOOH → RCOO⁻ (ácido acético)4.8
NH₄⁺ → NH₃9.2
PhOH → PhO⁻ (fenol)10
R₃NH⁺ → R₃N (alquilamonio)10–11
H₂O → HO⁻15.7
ROH → RO⁻ (etanol; t-BuOH)16; 18
Cetona α-C–H → enolato19–20
RC≡CH → RC≡C⁻ (acetiluro)25
H₂ → H⁻ (NaH); (i-Pr)₂NH → LDA; NH₃ → NH₂⁻35; 36; 38
C–H de alqueno; C–H de alcano44; 50

ARIO: qué estabiliza la base conjugada

A⁻ más estable = ácido más fuerte. Orden de importancia habitual (cuando los factores no coinciden, confía en los valores de pKa medidos):

  1. Átomo. A lo largo de un periodo, la electronegatividad: CH₄ < NH₃ < H₂O < HF. Al descender en un grupo, el tamaño pesa más que la electronegatividad: HF < HCl < HBr < HI (el I⁻ grande y polarizable reparte mejor la carga); de igual modo, los tioles RSH (≈10) son más ácidos que los alcoholes.
  2. Resonancia. Carga deslocalizada: ácido acético (≈4.8) frente a etanol (≈16).
  3. Inducción. Grupos atractores de electrones cercanos, con efecto que disminuye con la distancia: ClCH₂COOH (≈2.9) vs CH₃COOH (≈4.8).
  4. Orbital. Cuanto más carácter s, más cerca queda retenido el par solitario: en acidez, C–H sp (≈25) > sp² (≈44) > sp³ (≈50).

Dirección del equilibrio

El equilibrio favorece el lado del ácido más débil (pKa mayor), que también es el lado de la base más débil. log K ≈ pKa(ácido formado) − pKa(ácido consumido).

Ejemplo: HC≡CH + NH₂⁻ ⇌ HC≡C⁻ + NH₃. El ácido que se consume es HC≡CH (≈25) y el que se forma es NH₃ (≈38): log K ≈ 38 − 25 = 13, así que el equilibrio está desplazado a la derecha. Con HO⁻ el ácido que se forma es H₂O (≈15.7): log K ≈ −9, así que el NaOH no puede desprotonar un alquino.

Flechas curvas para la transferencia de protón

Dos flechas: (1) par solitario de la base → H; (2) enlace H–A → A. Para CH₃COOH + HO⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O: el par solitario de HO⁻ → H ácido, y el enlace O–H → O del carboxilato. Nunca inicies una flecha en H⁺ (no tiene electrones).

Practica el razonamiento ácido–base con retroalimentación →

3 Grupos funcionales y nomenclatura IUPAC

Prioridad de los grupos funcionales para nombrar (de mayor a menor)
GrupoSufijoPrefijo
Ácido carboxílico RCOOH-oic acidcarboxi-
Éster RCOOR′alquilo -oato—
Amida RCONH₂-amide—
Nitrilo RC≡N-nitrileciano-
Aldehído RCHO-aloxo-, formil-
Cetona RCOR′-oneoxo-
Alcohol ROH-olhidroxi-
Amina RNH₂-amineamino-
Alqueno, alquino-ene, -yne(en el nombre principal)
Haluro, éter, nitro—halo- (cloro- …), alcoxi-, nitro-

Pasos para nombrar

  1. El grupo de mayor prioridad determina el sufijo.
  2. Cadena principal: la cadena más larga que contiene ese grupo. La mayoría de los libros de Ochem 1 también exigen que incluya el C=C/C≡C; las reglas de la IUPAC de 2013 prefieren la longitud de la cadena, así que sigue lo que indique tu curso.
  3. Numera para obtener los localizadores más bajos, en este orden: (a) el grupo del sufijo; (b) C=C/C≡C (si hay empate entre eno/ino, el doble enlace recibe el número más bajo); (c) todos los sustituyentes en el primer punto de diferencia; (d) orden alfabético.
  4. Ordena alfabéticamente los sustituyentes, sin tener en cuenta di-, tri-, sec- y tert-, pero sí iso (el isopropilo se ordena por la “i”).
  5. Ensambla: los estereodescriptores (en orden de locante, entre paréntesis) + los sustituyentes + la cadena principal + el sufijo: (2E,4R)-4-cloropent-2-eno; (R)-butan-2-ol, estilo antiguo (R)-2-butanol.

Anillos: el carbono que lleva el grupo del sufijo es C1 (3-metilciclohexan-1-ol); en un cicloalqueno, los carbonos del C=C son C1 y C2. Raíces C1–C10: met, et, prop, but, pent, hex, hept, oct, non, dec.

Practica los grupos funcionales →

Reglas de nomenclatura IUPAC con ejemplos

4 Conformaciones

Proyecciones de Newman

  • Al mirar a lo largo de un enlace C–C: el carbono frontal = donde se unen los tres enlaces, el carbono trasero = el círculo. La conformación alternada (60°) tiene menor energía que la eclipsada (0°).
  • La tensión torsional proviene de los enlaces eclipsados; la tensión estérica, de grupos apiñados (gauche, eclipsados).
  • Etano: la conformación eclipsada queda ≈12 kJ/mol (≈2,9 kcal/mol) por encima de la alternada, ≈4 kJ/mol por cada eclipse H/H.
Butano en torno a C2–C3 (energía aproximada por encima de anti)
Conformación (ángulo diedro CH₃/CH₃)Energía ≈
Anti, alternada (180°)0, el más bajo
Gauche, alternada (60°)3,8 kJ/mol (0,9 kcal/mol)
Eclipsada, CH₃ sobre H (120°)16 kJ/mol (3.8 kcal/mol)
Totalmente eclipsada, CH₃ sobre CH₃ (0°)19 kJ/mol (4.5 kcal/mol), el más alto

Tensión de anillo: ciclopropano > ciclobutano > ciclopentano > ciclohexano (≈0 en la conformación de silla).

Sillas del ciclohexano

  • Cada carbono tiene un enlace axial (paralelo al eje del anillo, alternando arriba/abajo) y un enlace ecuatorial (que apunta hacia afuera).
  • Inversión del anillo: cada grupo pasa de axial a ecuatorial y viceversa, pero lo que está hacia arriba sigue hacia arriba (un grupo con cuña permanece en la cara superior).
  • Los grupos prefieren la posición ecuatorial para evitar interacciones 1,3-diaxiales (el metilciclohexano es ≈95% ecuatorial a 25 °C). La mejor silla coloca los grupos más voluminosos en posición ecuatorial; los valores A son aproximadamente aditivos, y el t-Bu prácticamente bloquea el anillo.
Valores A aproximados (costo de axial frente a ecuatorial)
GrupokJ/mol ≈kcal/mol ≈
–Cl, –Br20.4–0.5
–OH (depende del disolvente)2.5–40.6–0.9
–CH₃7.11.7
–CH(CH₃)₂9.22.2
–C(CH₃)₃≈20≈4.9

cis/trans en anillos

cis = misma cara (ambos en cuña o ambos en línea discontinua); trans = caras opuestas. Una inversión del anillo nunca convierte cis en trans: son diastereómeros.

Ciclohexanos disustituidos: opciones de silla (a = axial, e = ecuatorial)
PatróncistransMás estable
1,2-a,e ↔ e,ae,e ↔ a,atrans
1,3-e,e ↔ a,aa,e ↔ e,acis
1,4-a,e ↔ e,ae,e ↔ a,atrans

Practica conformaciones e inversiones de silla →

5 Estereoquímica

Reglas de prioridad CIP

  1. Gana el mayor número atómico del átomo unido: I > Br > Cl > S > F > O > N > C > H. Isótopos: gana la mayor masa (D > H).
  2. Empate: enumera los tres átomos unidos a cada átomo empatado (de mayor a menor prioridad) y compáralos de a pares; el primer punto de diferencia decide. Avanza hacia afuera una esfera a la vez.
  3. Los enlaces múltiples cuentan como átomos duplicados: C=O cuenta como C unido a (O, O); C≡C como C unido a (C, C, C).

Ejemplo: –CH₂OH (O, H, H) tiene mayor prioridad que –C(CH₃)₃ (C, C, C): el O le gana al C en la primera comparación.

Asignación de R/S

  1. Ordena los grupos del 1 al 4 y apunta el grupo 4 hacia afuera de ti (con línea de trazos).
  2. Recorre 1 → 2 → 3: en sentido horario = R, en sentido antihorario = S.
  • Grupo 4 sobre una cuña: lee la dirección y luego inviértela.
  • Truco del intercambio: intercambiar dos grupos cualesquiera invierte la configuración. Lleva el grupo 4 hacia el guion, asigna y luego invierte el resultado. Dos intercambios devuelven la configuración original.
  • R/S no predice el signo de la rotación (+/−).

E/Z en alquenos

  • Ordena por prioridad los dos grupos de cada carbono del alqueno. Si los grupos de mayor prioridad están del mismo lado, es Z; si están en lados opuestos, es E.
  • cis/trans puede no coincidir con Z/E: el 2-bromobut-2-eno con sus dos grupos CH₃ en trans es Z, porque el Br tiene mayor prioridad que el CH₃.
  • Un C=C en un anillo de menos de ocho átomos debe ser cis.

Relaciones entre isómeros

  • Distinta conectividad → isómeros constitucionales. Misma conectividad, distinta disposición tridimensional → estereoisómeros: imágenes especulares → enantiómeros; no son imágenes especulares → diastereómeros (incluye cis/trans, E/Z).
  • Comparación de descriptores: todos los centros invertidos → enantiómeros (salvo si es meso: entonces es el mismo compuesto); algunos invertidos → diastereómeros; ninguno → el mismo compuesto.
  • Quiral = no superponible con su imagen especular. Un plano de simetría interno hace que la molécula sea aquiral.
  • Meso = tiene estereocentros pero es aquiral (plano de simetría interno): (2R,3S)-butano-2,3-diol, cis-1,2-dimetilciclopentano.
  • Regla de 2ⁿ: n estereocentros (cuenta también los C=C estereogénicos) dan como máximo 2ⁿ estereoisómeros, y menos si hay formas meso. Ácido tartárico: 2 centros, 3 estereoisómeros (un par de enantiómeros + meso).

Actividad óptica

  • Enantiómeros: mismo pf, pe y solubilidad; rotación de la luz polarizada igual pero de signo opuesto. Los diastereómeros difieren en todas las propiedades físicas.
  • [α] = α ⁄ (c · l), c en g/mL, l en dm. Las mezclas racémicas (50:50) y los compuestos meso: [α] = 0.
  • ee = % mayoritario − % minoritario = [α] observada ⁄ [α] del enantiómero puro × 100%. 75% R + 25% S = 50% ee.

Proyecciones de Fischer

  • Cada punto de cruce es un estereocentro. Los enlaces horizontales apuntan hacia ti (cuñas), los verticales se alejan (líneas discontinuas); la cadena de carbonos se dispone verticalmente.
  • Una rotación de 180° en el plano deja la molécula igual; una rotación de 90° da el enantiómero. Un solo intercambio de dos grupos invierte únicamente ese estereocentro (enantiómero si hay un solo centro, diastereómero si hay otros centros presentes); dos intercambios lo restauran.
  • R/S: grupo 4 vertical → lee 1 → 2 → 3 directamente; grupo 4 horizontal → lee y luego invierte.
  • Una línea de espejo horizontal que pasa por el medio revela un compuesto meso.

Practica la configuración R/S →

6 Movimiento de flechas

  • Las flechas mueven electrones. La cola se coloca sobre un par solitario o un enlace; la cabeza, sobre un átomo (nuevo par solitario) o entre átomos (nuevo enlace). Cabeza completa = 2 electrones; flecha de anzuelo (media cabeza) = 1 electrón.
  • Los electrones fluyen del Nu/base (par solitario, enlace π) hacia el electrófilo/ácido (C⁺, C δ+ con un grupo saliente, carbono de C=O, H ácido).
  • Un enlace nuevo hacia un átomo que ya tiene octeto implica que otro enlace hacia él debe romperse. Nunca empieces en H⁺ ni en una carga +. Cada paso conserva la carga total.
Los cuatro patrones de movimiento de electrones
PatrónFlechasEjemplo
Ataque nucleofílico1: Nu → átomo electrófiloBr⁻ + (CH₃)₃C⁺ → (CH₃)₃CBr
Pérdida del grupo saliente1: enlace C–LG → LG(CH₃)₃C–OH₂⁺ → (CH₃)₃C⁺ + H₂O
Transferencia de protón2: base → H; enlace H–A → AROH + H₃O⁺ → ROH₂⁺ + H₂O
Reordenamiento1: enlace C–H o C–C junto al C⁺ → C⁺desplazamiento de hidruro o de metilo 1,2

Los pasos concertados combinan patrones: SN2 = ataque + pérdida del grupo saliente (2 flechas); E2 = transferencia de protón + pérdida del grupo saliente (3 flechas).

Estabilidad de carbocationes y desplazamientos 1,2

  • 3° > 2° > 1° > metilo (donación de alquilo: hiperconjugación, inducción). La resonancia (alílica, bencílica o junto a un par solitario de O o N) aporta una estabilización fuerte. Los cationes vinílicos y arílicos son demasiado inestables para formarse aquí, así que no hay SN1/E1 en carbonos sp².
  • Un desplazamiento de hidruro o de alquilo 1,2 ocurre cuando da un catión más estable (2° → 3°, o → estabilizado por resonancia). Un anillo tensionado junto a C⁺ puede expandirse mediante un desplazamiento de alquilo 1,2 (de 4 a 5 o de 5 a 6 miembros) cuando eso alivia la tensión o da un catión más estable.
  • Espera reordenamientos siempre que se forme un C⁺ libre: SN1, E1, adición de HX, hidratación catalizada por ácido, ROH 2°/3° + HX. En SN2, E2, oximercuriación, hidroboración o adición de X₂ no hay ninguno.

Ejemplo: 3-metilbutan-2-ol + HBr: se protona el OH, se pierde H₂O (C⁺ 2°), desplazamiento de hidruro 1,2 (C⁺ 3°), se adiciona Br⁻. Producto mayoritario: 2-bromo-2-metilbutano.

Diagramas de energía

  • Estado de transición (‡) = máximo de energía con enlaces parciales, nunca aislable; intermediario = un valle entre pasos (C⁺, radical). SN2/E2 muestran una sola colina; SN1/E1 muestran dos o más (una pequeña colina extra cuando un Nu neutro como H₂O debe perder H⁺), y la primera (formación del C⁺) tiene la barrera más alta: es el paso determinante de la velocidad, así que solo [RX] aparece en la ley de velocidad.
  • La velocidad depende de la barrera ΔG‡, no de ΔG; un catalizador solo disminuye ΔG‡. ΔG = ΔH − TΔS; ΔG < 0 significa que los productos están favorecidos (K > 1). La eliminación genera más moléculas (ΔS > 0), así que el calor (mayor TΔS) favorece E sobre S.
  • Postulado de Hammond: un estado de transición se parece a la especie energéticamente más cercana a él, por lo que los pasos endotérmicos tienen estados de transición tardíos, parecidos al producto. Por eso la estabilidad del carbocatión controla las velocidades de SN1/E1.

Dibuja flechas curvas de verdad con retroalimentación instantánea: recorrido gratuito →

7 Sustitución y eliminación

Comparación de SN2, SN1, E2 y E1
CaracterísticaSN2SN1E2E1
Pasos1, ataque por el lado opuesto concertado2: se forma el C⁺ y luego se adiciona el Nu1, concertado (el β-H y el LG se van juntos)2: se forma el C⁺ y luego se pierde el β-H
Ley de velocidadk[RX][Nu]k[RX]k[RX][base]k[RX]
Sustratometilo > 1° > 2°; nunca 3°3° > 2°; alílico, bencílico3° > 2° > 1° (necesita β-H)3° > 2°
Reactivobuen Nu, a menudo aniónicoNu débil (H₂O, ROH)base fuertebase débil; o ácido + Δ
Disolventepolar aprótico (DMSO, DMF)polar prótico (H₂O, ROH)menos decisivopolar prótico
Estereoinversiónprincipalmente racemizaciónanti-periplanar; estereoespecíficose favorece el alqueno (E) más estable
Regioquímica——Zaitsev (alqueno más sustituido); Hofmann (menos sustituido) si la base es voluminosaZaitsev
Reordenamientonoposiblenoposible

Diagrama de decisión

  1. ¿Grupo saliente sobre un carbono sp³? El –OH y el –OR deben protonarse o convertirse primero; los haluros de vinilo y de arilo no dan SN1 ni SN2.
  2. Clasifica el reactivo: Solo Nu (Nu fuerte, base débil): I⁻, Br⁻, Cl⁻, HS⁻, RS⁻, H₂S, RSH, N₃⁻, CN⁻. Solo base (base fuerte, Nu pobre): t-BuOK, DBU, DBN, LDA, NaH. Base fuerte + Nu fuerte: HO⁻, CH₃O⁻, EtO⁻, acetiluros. Nu débil + base débil: H₂O, ROH.
  3. Clasifica el sustrato y consulta la tabla de abajo.
  4. Ajusta: el calor favorece la eliminación; el disolvente polar aprótico potencia la SN2; el polar prótico favorece SN1/E1; la ramificación cerca del carbono reaccionante (p. ej. neopentilo) frena la SN2.
Vía principal habitual según el sustrato y el reactivo (las reacciones reales suelen dar mezclas)
Sustratosolo NuBase/Nu fuerte (HO⁻, RO⁻)Base voluminosa (t-BuOK)Débil (H₂O, ROH)
MetiloSN2SN2SN2 (no β-H)no hay reacción
1°SN2SN2 mayoritario, E2 minoritarioE2no hay reacción (alílico/bencílico: SN1)
2°SN2E2 mayoritaria, SN2 minoritariaE2SN1 + E1 (lenta)
3°SN1 (prótico)E2E2 (Hofmann)SN1 + E1 (Δ favorece E1)

Grupos salientes y nucleófilos

  • Los buenos grupos salientes son bases débiles: sulfonatos (TsO⁻, MsO⁻, TfO⁻), I⁻ > Br⁻ > Cl⁻, y H₂O a partir de un alcohol protonado. Malos: F⁻, HO⁻, RO⁻, NH₂⁻, H⁻. Convierte el –OH en grupo saliente protonándolo o transformándolo en OTs, Br o Cl (sección 11).
  • Nucleofilia: un anión le gana a su ácido conjugado (HO⁻ > H₂O). Los disolventes próticos (con O–H o N–H: H₂O, ROH) forman puentes de hidrógeno y atrapan a los aniones pequeños, por lo que en ellos la nucleofilia aumenta al bajar en el grupo (I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻; RS⁻ > RO⁻). Los disolventes polares apróticos (DMSO, DMF, acetona, CH₃CN: sin O–H) dejan a los aniones libres, así que el orden sigue la basicidad (F⁻ > Cl⁻ > Br⁻ > I⁻) y la SN2 es mucho más rápida. El volumen disminuye la nucleofilia mucho más que la basicidad.
  • La E2 necesita que el H y el grupo saliente estén antiperiplanales (180°). En un ciclohexano ambos deben ser axiales (trans-diaxial): usa la silla con el grupo saliente axial. Si el único H β antiperiplanar está en el carbono menos sustituido, se forma ese alqueno incluso con una base pequeña.
  • La E2 es estereoespecífica: cuando el carbono β tiene un solo H, la geometría antiperiplanar decide si se forma E o Z.

Ejemplo: el cis-1-cloro-2-metilciclohexano (Cl axial, CH₃ ecuatorial) tiene un H axial sobre C2, así que con NaOEt da 1-metilciclohexeno (Zaitsev). En el isómero trans, poner el Cl axial también pone el CH₃ axial y el C2–H ecuatorial; solo el C6 tiene un H axial, por lo que da 3-metilciclohexeno y reacciona más lentamente.

Practica los mecanismos SN1 y SN2 → · E1 y E2 →

8 Reacciones de alquenos

  • Markovnikov: el electrófilo (H⁺, Br⁺, ⁺HgOAc) se adiciona primero, y el nucleófilo termina sobre el carbono que mejor soporta la carga positiva, el más sustituido, porque eso da el carbocatión más estable (o el extremo más δ⁺ de un ion puente). El anti-Markovnikov ocurre cuando la primera especie que se adiciona no es H⁺: Br• (HBr radicalario) o el boro (hidroboración) van al carbono menos sustituido.
  • Sin = misma cara, anti = caras opuestas (solo se observa cuando ambos carbonos se vuelven estereocentros). Alqueno aquiral + reactivos aquirales → productos ópticamente inactivos (aquirales, racémicos o meso).
  • Estereoespecífica = cada estereoisómero del material de partida da un estereoisómero distinto de producto (cis-but-2-eno + Br₂ → racémico, trans → meso). Estereoselectiva = simplemente se prefiere un estereoisómero (E sobre Z en E1).
  • Estabilidad de alquenos (a partir de los calores de hidrogenación): tetrasustituido > tri- > disustituido (trans > cis) > monosustituido. Más grupos alquilo implican más hiperconjugación; por eso Zaitsev y E1 favorecen el alqueno E más sustituido.
Reacciones de adición y ruptura de alquenos
ReacciónReactivosRegioquímicaEstereoquímicaIntermediario, notas
HidrohalogenaciónHCl, HBr, HIMarkovnikovmezcla de sin + anticarbocatión; posibles desplazamientos
Adición radicalaria de HBrHBr, ROOR (hν o Δ)anti-Markovnikovmezcla de sin + antiBr• se adiciona → C• más estable; HBr solo
Hidratación catalizada por ácidoH₂O, H₂SO₄ cat.Markovnikovmezcla de sin + anticarbocatión; posibles desplazamientos
Oximercuración1) Hg(OAc)₂, H₂O; 2) NaBH₄Markovnikovpaso 1 anti; el paso con NaBH₄ es radicalario, así que se pierde la estereoquímica globalion mercurinio; sin desplazamientos; ROH da éter
Hidroboración1) BH₃·THF; 2) H₂O₂, NaOHanti-Markovnikovsin (H y OH)concertado; sin desplazamientos; H₂O₂/NaOH intercambia B por OH con retención, así que H y OH quedan en sin
HalogenaciónBr₂ or Cl₂ (CH₂Cl₂)—antiion halonio puenteado
HalohidrinaBr₂ or Cl₂, H₂OOH en el C más sustituidoantiion halonio; el H₂O ataca su extremo más δ⁺, como en la apertura ácida del epóxido
EpoxidaciónmCPBA (RCO₃H)—sin; cis → epóxido cisconcertado
Dihidroxilación anti1) mCPBA; 2) H₃O⁺—anti (diol trans)epóxido abierto por H₂O
Dihidroxilación sinOsO₄ (cat.), NMO; o KMnO₄ frío, NaOH—sin (diol cis)éster cíclico de osmato/manganato
HidrogenaciónH₂; Pt, Pd/C or Ni—sinsuperficie metálica → alcano
Ciclopropanación (en algunos cursos)CH₂I₂, Zn(Cu) (Simmons–Smith); o CHCl₃, KOH (→ diclorociclopropano)—sin, estereoespecífica (cis → cis)el carbenoide o el carbeno se adiciona en un solo paso
Ozonólisis1) O₃; 2) DMS o Zn/H₂OC=C → dos C=O—R₂C= → cetona; RCH= → aldehído. El KMnO₄ ácido en caliente también rompe el enlace, pero sobreoxida: RCH= → RCOOH, =CH₂ → CO₂
Mini-ejemplos resueltos: 1-metilciclohexeno + reactivos
ReactivosProducto principal
HBr1-bromo-1-methylcyclohexane
HBr, ROOR1-bromo-2-metilciclohexano (cis + trans)
H₃O⁺; o 1) Hg(OAc)₂, H₂O; 2) NaBH₄1-methylcyclohexan-1-ol
1) BH₃·THF; 2) H₂O₂, NaOHtrans-2-metilciclohexan-1-ol (racémico)
Br₂trans-1,2-dibromo-1-metilciclohexano (racémico)
Br₂, H₂Otrans-2-bromo-1-metilciclohexan-1-ol (racémico)
OsO₄, NMOcis-1-metilciclohexano-1,2-diol (racémico)
1) O₃; 2) DMS6-oxoheptanal (el anillo se abre a una sola cadena)

Pares estereoespecíficos: Br₂ (anti) + trans-but-2-eno → meso-2,3-dibromobutano; + cis-but-2-eno → racémico (2R,3R) + (2S,3S). OsO₄ (sin) es lo contrario: cis → diol meso, trans → diol racémico.

Practica las adiciones a alquenos →

9 Reacciones de alquinos

Reacciones de alquinos
ReactivosProducto, selectividad
H₂ (exceso), Pt, Pd/C o Nialcano
H₂, catalizador de Lindlar (Pd envenenado)alqueno cis (Z) (adición sin; se detiene en el alqueno)
Na or Li, NH₃(l)alqueno trans (E) a partir de un alquino interno (metal disolvente; los alquinos terminales se desprotonan y se reducen lentamente)
H₂O, H₂SO₄, HgSO₄Enol de Markovnikov → cetona (alquino terminal → metil cetona)
1) R₂BH (disiamilborano o 9-BBN); 2) H₂O₂, NaOHenol anti-Markovnikov → aldehído a partir de un alquino terminal (el borano voluminoso se adiciona una sola vez)
HX: 1 equiv; 2 equivHaluro de vinilo Markovnikov; luego un dihaluro geminal (ambos X sobre el mismo C)
HBr, ROOR (terminal)bromuro de vinilo anti-Markovnikov (mezcla E/Z)
X₂: 1 equiv; 2 equivprincipalmente (E)-dihaloalqueno (anti); luego tetrahaluro
  • Tautomerización: el enol se convierte (con catálisis ácida o básica) en la forma C=O, más estable. Los alquinos internos no simétricos dan mezclas de cetonas.
  • Acidez de los alquinos terminales (pKa ≈25): se desprotonan con NaNH₂ (NH₃ ≈38) o NaH, no con NaOH ni NaOEt.
  • Alquilación: RC≡C⁻ + CH₃X o RX 1° → RC≡CR′ por SN2 (nuevo enlace C–C). Con haluros 2°/3° el acetiluro actúa como base (E2).
  • Obtención de alquinos: dihaluro vicinal o geminal + exceso de NaNH₂ (doble E2; 3 equiv para un alquino terminal), luego H₂O.

Ejemplo: acetileno → (Z)-hex-3-eno: 1) NaNH₂; 2) CH₃CH₂Br; 3) NaNH₂; 4) CH₃CH₂Br; 5) H₂, Lindlar. Con Na, NH₃(l) en el paso 5 se obtiene (E)-hex-3-eno.

Practica las reacciones de alquinos →

10 Reacciones de radicales

Los radicales se forman por homólisis y se dibujan con flechas de anzuelo. Estabilidad: alílico/bencílico > 3° > 2° > 1° > metilo.

Mecanismo de halogenación (CH₄ + Cl₂, hν)

  1. Iniciación (genera radicales): Cl₂ → 2 Cl• (luz o calor).
  2. Propagación (cadena; el número de radicales no cambia): Cl• + CH₄ → HCl + •CH₃; luego •CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•.
  3. Terminación (consume radicales): dos radicales cualesquiera se combinan, por ejemplo Cl• + •CH₃ → CH₃Cl; 2 •CH₃ → etano.

Selectividad: Cl₂ frente a Br₂

  • Cloración: abstracción de H exotérmica (≈termoneutra para el CH₄), estado de transición temprano, poco selectiva: ≈1 : 4 : 5 por H (1° : 2° : 3°, 25 °C). Propano → ≈45% 1-cloropropano + ≈55% 2-cloropropano.
  • Bromación: la abstracción de H es endotérmica, así que el estado de transición es tardío y parecido a un radical (postulado de Hammond, sección 6) y toda la diferencia de estabilidad radicalaria 3° > 2° > 1° se refleja en las velocidades: muy selectiva, ≈1 : 80 : 1600. Propano → ≈97% de 2-bromopropano. Usa Br₂, hν para dirigirte al C–H más sustituido.
  • El F₂ es demasiado violento y el I₂ demasiado poco reactivo. Un nuevo estereocentro que se forma en un carbono radicalario plano resulta racémico.

Bromación alílica con NBS

NBS, hν (o ROOR), CCl₄ intercambia un H alílico por Br. El NBS mantiene baja la [Br₂], así que el Br₂ no se adiciona al C=C. El radical alílico está deslocalizado, por lo que el Br puede quedar en cualquiera de los dos extremos: ciclohexeno → 3-bromociclohexeno; but-1-eno → 3-bromobut-1-eno + 1-bromobut-2-eno (E/Z).

Practica mecanismos de radicales con flechas de anzuelo →

11 Alcoholes, éteres y epóxidos

Convertir –OH en un grupo saliente o en un haluro
Reactivo → productoMecanismo, estereoquímica (sustratos)
HBr, HCl (+ ZnCl₂), HI → R–X3°/2°: SN1 (racemización, posibles reordenamientos); 1°: SN2
PBr₃ → R–BrSN2: inversión, sin desplazamientos (1°, 2°)
SOCl₂, piridina → R–ClSN2: inversión, sin desplazamientos (1°, 2°)
TsCl (o MsCl), piridina → R–OTsEl enlace C–O no se toca: retención; una SN2 posterior sobre R–OTs invierte (1°, 2°)
  • Deshidratación: H₂SO₄ conc. o H₃PO₄, Δ → alqueno. Facilidad 3° > 2° > 1°; 2°/3° por E1 (Zaitsev, puede haber desplazamientos). Para controlarla: TsCl, piridina; luego t-BuOK (E2).
  • Alcóxidos: ROH + NaH (o Na) → RO⁻ Na⁺ + H₂ (irreversible).
Oxidación de alcoholes
AlcoholPCC, CH₂Cl₂ (también DMP, Swern)Ácido crómico o Jones (Na₂Cr₂O₇ o CrO₃, H₂SO₄, H₂O)
1°aldehídoácido carboxílico
2°cetonacetona
3°no hay reacciónno hay reacción
Obtención de alcoholes a partir de C=O y epóxidos (el último capítulo de Química Orgánica 1 en muchos cursos)
ReactivosResultado
NaBH₄, CH₃OHaldehído → alcohol 1°; cetona → alcohol 2° (ésteres y ácidos no se afectan)
1) LiAlH₄, éter seco; 2) H₃O⁺igual, y también reduce ésteres y ácidos carboxílicos a alcoholes 1°
1) RMgBr o RLi; 2) H₃O⁺nuevo enlace C–C: formaldehído → 1°; otros aldehídos → 2°; cetona → 3°; éster (se adicionan 2 R) → alcohol 3°
1) RMgBr + epóxido; 2) H₃O⁺R ataca el C menos sustituido (tipo SN2); el óxido de etileno añade una unidad –CH₂CH₂OH

Los reactivos de Grignard (RBr + Mg, éter seco) y los RLi son bases fuertes: no debe haber O–H, N–H ni COOH en el sustrato ni en el disolvente (protonarían el R⁻ a R–H). RMgBr + CO₂ y luego H₃O⁺ → RCOOH.

Éteres

  • Williamson: RO⁻ + R′X → ROR′ por SN2, así que R′X debe ser metilo o 1°; coloca la parte voluminosa en el alcóxido. (CH₃)₃CO⁻ K⁺ + CH₃I → t-BuOCH₃ funciona; CH₃O⁻ + (CH₃)₃CBr da E2 (2-metilpropeno).
  • Ruptura: exceso de HBr o HI, Δ → dos R–X (SN2 en metilo/1°, SN1 en 3°); un éter de arilo y alquilo da fenol + RX.

Epóxidos

  • Se forma por alqueno + mCPBA (adición sin, estereoespecífica), o por halohidrina + NaOH (SN2 intramolecular; el O⁻ y el X deben estar en anti).
  • Base o Nu fuerte (HO⁻, RO⁻, RS⁻, CN⁻, N₃⁻, acetiluro; y luego una fuente de protones): SN2 en el carbono menos sustituido.
  • Ácido (H₃O⁺, ROH/H⁺, HX): protona el O y luego el Nu ataca el carbono más sustituido (más δ+, estado de transición tipo SN1). Es claro cuando ese carbono es 3°.
  • Ambos modos atacan por el lado opuesto (ahí hay inversión de la configuración): apertura anti, de modo que los epóxidos cíclicos dan productos 1,2-trans.

Ejemplo: 2,2-dimetiloxirano + CH₃O⁻/CH₃OH → 1-metoxi-2-metilpropan-2-ol. Con CH₃OH y H₂SO₄ cat. → 2-metoxi-2-metilpropan-1-ol.

Practica las reacciones de alcoholes → · éteres y epóxidos →

12 Nociones básicas de espectroscopía

Grados de insaturación = (2C + 2 + N − H − X) ⁄ 2 (ignora O y S). Cada anillo o enlace π = 1; C≡C = 2; anillo bencénico = 4. C₆H₁₂ → (12 + 2 − 12)/2 = 1: un anillo o un C=C.

  • Señales de ¹H RMN = conjuntos de H químicamente distintos (usa la simetría). Integración = número relativo de H.
  • Regla de n + 1: n H vecinos equivalentes dividen una señal en n + 1 picos (triángulo de Pascal). Los H equivalentes no se dividen entre sí; el O–H normalmente tampoco (intercambio rápido).
  • Etilo = triplete (3H) + cuarteto (2H); isopropilo = doblete (6H) + septeto (1H); terc-butilo = singlete (9H). J ≈ 7 Hz en cadenas alquílicas; vinílico trans (≈12–18 Hz) > cis (≈6–12 Hz).
  • ¹³C (una línea por cada C distinto; las alturas no son cuantitativas): C sp³ 0–50; C–O 50–90; C≡C 65–90; C=C y aromático 100–160; C≡N 115–125; C=O 160–220.
  • Espectrometría de masas: M⁺ = masa molecular (un M⁺ impar indica un número impar de N). Un pico M+2 comparable a M⁺ → un Br; cercano a ⅓ de M⁺ → un Cl. Pérdidas comunes: 15 (CH₃), 29 (C₂H₅), 18 (H₂O en alcoholes).
Absorciones IR clave (aproximadas)
Enlacecm⁻¹ ≈Aspecto
alcohol O–H3200–3600fuerte, ancha
ácido O–H2500–3300muy ancha
N–H3300–3500amina 1° 2 señales, 2° una
C–H: sp; sp²; sp³≈3300; 3000–3100; 2850–3000sp fuerte y aguda; sp² justo por encima de 3000, sp³ justo por debajo
C–H de aldehído≈2720, 2820dos señales débiles
C≡N; C≡C≈2250; 2100–2260C≡C débil o ausente si es simétrico
C=O1650–1750fuerte (cetona ≈1715, éster ≈1740)
C=C1600–1680de media a débil
C–O1000–1300fuerte
Desplazamientos químicos en ¹H RMN (aproximados)
Tipo de protónδ ≈ (ppm)
C–H de alquilo (CH₃ < CH₂ < CH)0.9–1.8
Alílico, bencílico, α a C=O1.7–2.6
Alquino ≡C–H2–3
H–C–O, H–C–X3–4.5
Vinilo =C–H4.5–6.5
Ar–H aromático6.5–8.5
Aldehído –CHO9–10
Ácido carboxílico –COOH10–13, amplio
O–H, N–H1–5, variable

Practica IR → · ¹H RMN →

13 Estrategia de síntesis

Mapa de reacciones: interconversión de grupos funcionales de Química Orgánica 1
De → aReactivos (notas)
Alcano → bromuro de alquiloBr₂, hν (C más sustituido)
Haluro de alquilo → alquenoNaOEt (Zaitsev) o t-BuOK (Hofmann), E2
Haluro de alquilo → productos SN2NaOH, NaOR, NaCN, NaN₃, NaSR, RC≡C⁻ Na⁺ (mejor con haluro de metilo o 1°); RX 3° + H₂O → alcohol (SN1)
Alqueno → haluro de alquiloHX (Markovnikov); HBr, ROOR (anti-Markovnikov)
Alqueno → alcoholH₃O⁺, o Hg(OAc)₂/H₂O y luego NaBH₄ (Markovnikov); BH₃ y luego H₂O₂/NaOH (anti-Markovnikov, sin)
Alqueno → alcano; aductos con X₂H₂, Pd/C; X₂ (dihaluro); X₂/H₂O (halohidrina)
Alqueno → epóxido; diol; carbonilosmCPBA; OsO₄/NMO (sin) o mCPBA y luego H₃O⁺ (anti); O₃ y luego DMS
Alqueno → bromuro alílico; alquinoNBS, hν; 1) Br₂, 2) NaNH₂ en exceso, 3) H₂O
Alquino → alqueno cis/trans; alcanoH₂, Lindlar (cis); Na, NH₃(l) (trans); H₂, Pd/C (alcano)
Alquino → cetona; aldehídoHgSO₄, H₂SO₄, H₂O; R₂BH y luego H₂O₂/NaOH (alquino terminal)
Alcohol → haluro de alquilo; tosilatoPBr₃, SOCl₂/piridina o HX; TsCl/piridina
Alcohol → alquenoH₂SO₄, Δ (E1, Zaitsev); o TsCl/piridina y luego t-BuOK (E2)
Alcohol → aldehído; cetona; ácidoPCC (1°); PCC o ácido crómico (2°); ácido crómico (1°)
Alcohol → éterNaH, y luego CH₃X o RX 1° (Williamson)
Epóxido → alcoholNu⁻ y luego H₂O (C menos sustituido); H₃O⁺ o ROH/H⁺ (C más sustituido)
Aldehído, cetona, éster → alcoholNaBH₄ (no reduce ésteres), o LiAlH₄ y luego H₃O⁺; RMgBr o RLi, y luego H₃O⁺ (nuevo enlace C–C)

Consejos de retrosíntesis

  • Trabaja hacia atrás (⇒) y compara el número de carbonos. Enlaces C–C nuevos: acetiluro + haluro de metilo o 1°, o Grignard (RMgBr/RLi) + C=O o epóxido.
  • Mover un grupo funcional: elimina y luego adiciona con la regioquímica opuesta. Propan-2-ol → (TsCl, piridina; t-BuOK) → propeno → (BH₃; H₂O₂/NaOH) → propan-1-ol.

Errores frecuentes en los exámenes

  • SN2 o Williamson sobre un C 3°, vinílico o arílico (E2 o sin reacción).
  • Sin desplazamientos de C⁺ (SN1, E1, HX, H₃O⁺); ninguno en la oximercuriación ni en la hidroboración.
  • Ácido crómico sobre un alcohol 1° cuando quieres el aldehído (usa PCC).
  • E2 en anillo sin un H y un grupo saliente trans-diaxiales.
  • Grignard con un O–H o N–H en otra parte de la molécula.
  • Omitir la estereoquímica; flechas desde H⁺ o desde una carga +; C con cinco enlaces.

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