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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.
| Átomo | +1 | 0 | −1 |
|---|---|---|---|
| C | 3 enlaces, sin par solitario (carbocatión) | 4 enlaces | 3 enlaces + 1 par solitario (carbanión) |
| N | 4 enlaces | 3 enlaces + 1 par solitario | 2 enlaces + 2 pares solitarios |
| O | 3 enlaces + 1 par solitario | 2 enlaces + 2 pares solitarios | 1 enlace + 3 pares solitarios |
| Cl, Br, I | 2 enlaces + 2 pares solitarios | 1 enlace + 3 pares solitarios | 4 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.
| N.° estérico | Híbrido, geometría | Ejemplos |
|---|---|---|
| 4 | sp³, tetraédrica, 109.5° | CH₄; NH₃ piramidal (≈107°); H₂O angular (≈104.5°) |
| 3 | sp², trigonal plana, 120° | C=C, C=O, C⁺ de carbocatión |
| 2 | sp, 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):
- La mayoría de los átomos con octetos completos.
- El menor número de cargas formales.
- 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)
- Ion–dipolo: ion + molécula polar (Na⁺ en agua).
- Puente de hidrógeno: H sobre N, O o F (dador) hacia un par solitario sobre N, O o F (aceptor).
- Dipolo–dipolo: dipolos permanentes (acetona, CH₃Cl).
- 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.
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.
| Ácido → base conjugada | pKa ≈ |
|---|---|
| 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⁺ → NH₃ | 9.2 |
| PhOH → PhO⁻ (fenol) | 10 |
| R₃NH⁺ → R₃N (alquilamonio) | 10–11 |
| H₂O → HO⁻ | 15.7 |
| ROH → RO⁻ (etanol; t-BuOH) | 16; 18 |
| Cetona α-C–H → enolato | 19–20 |
| 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 alcano | 44; 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):
- 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.
- Resonancia. Carga deslocalizada: ácido acético (≈4.8) frente a etanol (≈16).
- Inducción. Grupos atractores de electrones cercanos, con efecto que disminuye con la distancia: ClCH₂COOH (≈2.9) vs CH₃COOH (≈4.8).
- 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).
3 Grupos funcionales y nomenclatura IUPAC
| Grupo | Sufijo | Prefijo |
|---|---|---|
| Ácido carboxílico RCOOH | -oic acid | carboxi- |
| Éster RCOOR′ | alquilo -oato | — |
| Amida RCONH₂ | -amide | — |
| Nitrilo RC≡N | -nitrile | ciano- |
| Aldehído RCHO | -al | oxo-, formil- |
| Cetona RCOR′ | -one | oxo- |
| Alcohol ROH | -ol | hidroxi- |
| Amina RNH₂ | -amine | amino- |
| Alqueno, alquino | -ene, -yne | (en el nombre principal) |
| Haluro, éter, nitro | — | halo- (cloro- …), alcoxi-, nitro- |
Pasos para nombrar
- El grupo de mayor prioridad determina el sufijo.
- 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.
- 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.
- Ordena alfabéticamente los sustituyentes, sin tener en cuenta di-, tri-, sec- y tert-, pero sí iso (el isopropilo se ordena por la “i”).
- 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.
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.
| 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.
| Grupo | kJ/mol ≈ | kcal/mol ≈ |
|---|---|---|
| –Cl, –Br | 2 | 0.4–0.5 |
| –OH (depende del disolvente) | 2.5–4 | 0.6–0.9 |
| –CH₃ | 7.1 | 1.7 |
| –CH(CH₃)₂ | 9.2 | 2.2 |
| –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.
| Patrón | cis | trans | Más estable |
|---|---|---|---|
| 1,2- | a,e ↔ e,a | e,e ↔ a,a | trans |
| 1,3- | e,e ↔ a,a | a,e ↔ e,a | cis |
| 1,4- | a,e ↔ e,a | e,e ↔ a,a | trans |
5 Estereoquímica
Reglas de prioridad CIP
- Gana el mayor número atómico del átomo unido: I > Br > Cl > S > F > O > N > C > H. Isótopos: gana la mayor masa (D > H).
- 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.
- 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
- Ordena los grupos del 1 al 4 y apunta el grupo 4 hacia afuera de ti (con línea de trazos).
- 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.
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.
| Patrón | Flechas | Ejemplo |
|---|---|---|
| Ataque nucleofílico | 1: Nu → átomo electrófilo | Br⁻ + (CH₃)₃C⁺ → (CH₃)₃CBr |
| Pérdida del grupo saliente | 1: enlace C–LG → LG | (CH₃)₃C–OH₂⁺ → (CH₃)₃C⁺ + H₂O |
| Transferencia de protón | 2: base → H; enlace H–A → A | ROH + H₃O⁺ → ROH₂⁺ + H₂O |
| Reordenamiento | 1: 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
| Característica | SN2 | SN1 | E2 | E1 |
|---|---|---|---|---|
| Pasos | 1, ataque por el lado opuesto concertado | 2: se forma el C⁺ y luego se adiciona el Nu | 1, concertado (el β-H y el LG se van juntos) | 2: se forma el C⁺ y luego se pierde el β-H |
| Ley de velocidad | k[RX][Nu] | k[RX] | k[RX][base] | k[RX] |
| Sustrato | metilo > 1° > 2°; nunca 3° | 3° > 2°; alílico, bencílico | 3° > 2° > 1° (necesita β-H) | 3° > 2° |
| Reactivo | buen Nu, a menudo aniónico | Nu débil (H₂O, ROH) | base fuerte | base débil; o ácido + Δ |
| Disolvente | polar aprótico (DMSO, DMF) | polar prótico (H₂O, ROH) | menos decisivo | polar prótico |
| Estereo | inversión | principalmente racemización | anti-periplanar; estereoespecífico | se favorece el alqueno (E) más estable |
| Regioquímica | — | — | Zaitsev (alqueno más sustituido); Hofmann (menos sustituido) si la base es voluminosa | Zaitsev |
| Reordenamiento | no | posible | no | posible |
Diagrama de decisión
- ¿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.
- 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.
- Clasifica el sustrato y consulta la tabla de abajo.
- 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.
| Sustrato | solo Nu | Base/Nu fuerte (HO⁻, RO⁻) | Base voluminosa (t-BuOK) | Débil (H₂O, ROH) |
|---|---|---|---|---|
| Metilo | SN2 | SN2 | SN2 (no β-H) | no hay reacción |
| 1° | SN2 | SN2 mayoritario, E2 minoritario | E2 | no hay reacción (alílico/bencílico: SN1) |
| 2° | SN2 | E2 mayoritaria, SN2 minoritaria | E2 | SN1 + E1 (lenta) |
| 3° | SN1 (prótico) | E2 | E2 (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.
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.
| Reacción | Reactivos | Regioquímica | Estereoquímica | Intermediario, notas |
|---|---|---|---|---|
| Hidrohalogenación | HCl, HBr, HI | Markovnikov | mezcla de sin + anti | carbocatión; posibles desplazamientos |
| Adición radicalaria de HBr | HBr, ROOR (hν o Δ) | anti-Markovnikov | mezcla de sin + anti | Br• se adiciona → C• más estable; HBr solo |
| Hidratación catalizada por ácido | H₂O, H₂SO₄ cat. | Markovnikov | mezcla de sin + anti | carbocatión; posibles desplazamientos |
| Oximercuración | 1) Hg(OAc)₂, H₂O; 2) NaBH₄ | Markovnikov | paso 1 anti; el paso con NaBH₄ es radicalario, así que se pierde la estereoquímica global | ion mercurinio; sin desplazamientos; ROH da éter |
| Hidroboración | 1) BH₃·THF; 2) H₂O₂, NaOH | anti-Markovnikov | sin (H y OH) | concertado; sin desplazamientos; H₂O₂/NaOH intercambia B por OH con retención, así que H y OH quedan en sin |
| Halogenación | Br₂ or Cl₂ (CH₂Cl₂) | — | anti | ion halonio puenteado |
| Halohidrina | Br₂ or Cl₂, H₂O | OH en el C más sustituido | anti | ion halonio; el H₂O ataca su extremo más δ⁺, como en la apertura ácida del epóxido |
| Epoxidación | mCPBA (RCO₃H) | — | sin; cis → epóxido cis | concertado |
| Dihidroxilación anti | 1) mCPBA; 2) H₃O⁺ | — | anti (diol trans) | epóxido abierto por H₂O |
| Dihidroxilación sin | OsO₄ (cat.), NMO; o KMnO₄ frío, NaOH | — | sin (diol cis) | éster cíclico de osmato/manganato |
| Hidrogenación | H₂; Pt, Pd/C or Ni | — | sin | superficie 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 |
| Ozonólisis | 1) O₃; 2) DMS o Zn/H₂O | C=C → dos C=O | — | R₂C= → cetona; RCH= → aldehído. El KMnO₄ ácido en caliente también rompe el enlace, pero sobreoxida: RCH= → RCOOH, =CH₂ → CO₂ |
| Reactivos | Producto principal |
|---|---|
| HBr | 1-bromo-1-methylcyclohexane |
| HBr, ROOR | 1-bromo-2-metilciclohexano (cis + trans) |
| H₃O⁺; o 1) Hg(OAc)₂, H₂O; 2) NaBH₄ | 1-methylcyclohexan-1-ol |
| 1) BH₃·THF; 2) H₂O₂, NaOH | trans-2-metilciclohexan-1-ol (racémico) |
| Br₂ | trans-1,2-dibromo-1-metilciclohexano (racémico) |
| Br₂, H₂O | trans-2-bromo-1-metilciclohexan-1-ol (racémico) |
| OsO₄, NMO | cis-1-metilciclohexano-1,2-diol (racémico) |
| 1) O₃; 2) DMS | 6-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.
9 Reacciones de alquinos
| Reactivos | Producto, selectividad |
|---|---|
| H₂ (exceso), Pt, Pd/C o Ni | alcano |
| 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, HgSO₄ | Enol de Markovnikov → cetona (alquino terminal → metil cetona) |
| 1) R₂BH (disiamilborano o 9-BBN); 2) H₂O₂, NaOH | enol anti-Markovnikov → aldehído a partir de un alquino terminal (el borano voluminoso se adiciona una sola vez) |
| HX: 1 equiv; 2 equiv | Haluro 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 equiv | principalmente (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.
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)
- Iniciación (genera radicales): Cl₂ → 2 Cl• (luz o calor).
- Propagación (cadena; el número de radicales no cambia): Cl• + CH₄ → HCl + •CH₃; luego •CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•.
- 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).
11 Alcoholes, éteres y epóxidos
| Reactivo → producto | Mecanismo, estereoquímica (sustratos) |
|---|---|
| HBr, HCl (+ ZnCl₂), HI → R–X | 3°/2°: SN1 (racemización, posibles reordenamientos); 1°: SN2 |
| PBr₃ → R–Br | SN2: inversión, sin desplazamientos (1°, 2°) |
| SOCl₂, piridina → R–Cl | SN2: inversión, sin desplazamientos (1°, 2°) |
| TsCl (o MsCl), piridina → R–OTs | El 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).
| Alcohol | PCC, CH₂Cl₂ (también DMP, Swern) | Ácido crómico o Jones (Na₂Cr₂O₇ o CrO₃, H₂SO₄, H₂O) |
|---|---|---|
| 1° | aldehído | ácido carboxílico |
| 2° | cetona | cetona |
| 3° | no hay reacción | no hay reacción |
| Reactivos | Resultado |
|---|---|
| NaBH₄, CH₃OH | aldehído → 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).
| Enlace | cm⁻¹ ≈ | Aspecto |
|---|---|---|
| alcohol O–H | 3200–3600 | fuerte, ancha |
| ácido O–H | 2500–3300 | muy ancha |
| N–H | 3300–3500 | amina 1° 2 señales, 2° una |
| C–H: sp; sp²; sp³ | ≈3300; 3000–3100; 2850–3000 | sp fuerte y aguda; sp² justo por encima de 3000, sp³ justo por debajo |
| C–H de aldehído | ≈2720, 2820 | dos señales débiles |
| C≡N; C≡C | ≈2250; 2100–2260 | C≡C débil o ausente si es simétrico |
| C=O | 1650–1750 | fuerte (cetona ≈1715, éster ≈1740) |
| C=C | 1600–1680 | de media a débil |
| C–O | 1000–1300 | fuerte |
| Tipo de protón | δ ≈ (ppm) |
|---|---|
| C–H de alquilo (CH₃ < CH₂ < CH) | 0.9–1.8 |
| Alílico, bencílico, α a C=O | 1.7–2.6 |
| Alquino ≡C–H | 2–3 |
| H–C–O, H–C–X | 3–4.5 |
| Vinilo =C–H | 4.5–6.5 |
| Ar–H aromático | 6.5–8.5 |
| Aldehído –CHO | 9–10 |
| Ácido carboxílico –COOH | 10–13, amplio |
| O–H, N–H | 1–5, variable |
13 Estrategia de síntesis
| De → a | Reactivos (notas) |
|---|---|
| Alcano → bromuro de alquilo | Br₂, hν (C más sustituido) |
| Haluro de alquilo → alqueno | NaOEt (Zaitsev) o t-BuOK (Hofmann), E2 |
| Haluro de alquilo → productos SN2 | NaOH, NaOR, NaCN, NaN₃, NaSR, RC≡C⁻ Na⁺ (mejor con haluro de metilo o 1°); RX 3° + H₂O → alcohol (SN1) |
| Alqueno → haluro de alquilo | HX (Markovnikov); HBr, ROOR (anti-Markovnikov) |
| Alqueno → alcohol | H₃O⁺, o Hg(OAc)₂/H₂O y luego NaBH₄ (Markovnikov); BH₃ y luego H₂O₂/NaOH (anti-Markovnikov, sin) |
| Alqueno → alcano; aductos con X₂ | H₂, Pd/C; X₂ (dihaluro); X₂/H₂O (halohidrina) |
| Alqueno → epóxido; diol; carbonilos | mCPBA; OsO₄/NMO (sin) o mCPBA y luego H₃O⁺ (anti); O₃ y luego DMS |
| Alqueno → bromuro alílico; alquino | NBS, hν; 1) Br₂, 2) NaNH₂ en exceso, 3) H₂O |
| Alquino → alqueno cis/trans; alcano | H₂, Lindlar (cis); Na, NH₃(l) (trans); H₂, Pd/C (alcano) |
| Alquino → cetona; aldehído | HgSO₄, H₂SO₄, H₂O; R₂BH y luego H₂O₂/NaOH (alquino terminal) |
| Alcohol → haluro de alquilo; tosilato | PBr₃, SOCl₂/piridina o HX; TsCl/piridina |
| Alcohol → alqueno | H₂SO₄, Δ (E1, Zaitsev); o TsCl/piridina y luego t-BuOK (E2) |
| Alcohol → aldehído; cetona; ácido | PCC (1°); PCC o ácido crómico (2°); ácido crómico (1°) |
| Alcohol → éter | NaH, y luego CH₃X o RX 1° (Williamson) |
| Epóxido → alcohol | Nu⁻ y luego H₂O (C menos sustituido); H₃O⁺ o ROH/H⁺ (C más sustituido) |
| Aldehído, cetona, éster → alcohol | NaBH₄ (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.