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8, Reacciones de Alquenos Capítulo 8, 8,-1 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Reacciones Características Hidrocloración (hidrohalogenación) C C + HCl C C H Cl Hidratación C C + H2 O C C H OH 8,-2 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Reacciones Características Bromación (halogenación) Br C + Br 2 C C C Br Hidroxilación (oxidación) C C + OsO 4 C HO C OH 8,-3 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, Reacciones Características Hidrogenación (reducción) C C + H2 Polimerización iniciador n C C C C C C H H n 8,-4 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Mecanismo de Reacción • Un mecanismo de reacción describe como ocurre una reacción • • • • Unos enlaces se rompen y nuevos enlaces se forman El orden en que se rompen y se forman los enlaces La función del catalizador si está presente La energía del sistema entero durante la reacción 8,-5 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II • Potential de energía (PE) diagrama: El grafico muestra los cambios de energía que ocurren durante la reacción química • Reacción coordinada: es una medida del cambio en la posición de los átomos durante la reacción Energía Potencial 8,Diagrama del Potencial de Energía Reacción coordinada 8,-6 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II Potencial de energía 8,Diagramas del Potencial de Energías Estado de transición Ea A+B DH C+D Reacción Coordinada 8,-7 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Diagramas de PE • Calor de reacción, DH: la diferencia en la energía potencial entre reactivos y productos • • exotérmica: los productos tienen menor energía que los reactivos; se libera calor. endotérmica: los productos tienen una energía más alta que los reactivos; se absorbe calor. • Estado de Transición: máxima energía en el diagrama de potencial de energía. 8,-8 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Energía de Activación • Energía de Activación, Ea: la diferencia en el potencial de energía entre los reactivos y el estado de transición • • • Determina el % de reacción. Si la energía de activación es más grande, solamente unas pocas molécula colisionan con suficiente energía para alcanzar el estado de transición y la reacción transcurre lentamente. Si la energía de activación es pequeña, hay muchas colisiones que producen suficiente energía para llegar al estado de transición, y la reacción es más rápida. 8,-9 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, Mecanismos • Los experimentos realizados revelan detalles de una reacción química particular. • Propone una serie de pasos que deberían explicar la transformación total. • Un mecanismo se establece cuando se muestra de acuerdo con cada prueba que se realice. • Esto quiere decir que el mecanismo es correcto, o bien solamente es la mejor explicación que podemos dar. 8,-10 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, Mecanismos • Es el marco en el cual se organiza la química descriptiva. • La construcción de modelos que reflejan el comportamiento de los sistemas químicos. • Una herramienta con la cual se busca una nueva información y un nuevo conocimiento. 8,-11 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, Adiciones Electrofílicas • Hidrohalogenación utizando: HCl, HBr, HI • Hidratación utizando: H2O, H2SO4 • Halogenación utizando: Cl2, Br2 8,-12 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Adición de HX • Se lleva a cabo con reactivos halogenados o/y en disolvente polar tal como ácido acético. • La adicción es regioselectiva. • Reacción Regioselectiva: una reacción en donde se forma o se rompe un enlace en una dirección preferente respecto a otras direcciones. 8,-13 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Adición de HX y H2O • Es una adición regioselectiva CH 3 CH = CH 2 + HCl Propeno Cl H CH 3 CH- CH 2 2-Cloropropano H + Cl CH 3 CH- CH 2 1-Cloropropano (trazas) • Regla de Markovnikov: en la reacción de adición de HX o H2O a un alqueno, el Hidrógeno se une al carbono menos sustituido y el halógeno o hidroxilo se une al carbono más sustituido. 8,-14 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,HCl + 2-Buteno • Un mecanismo en dos etapas • Primer paso: formación del catión sec-butil (un carbocatión intermedio d+ dCH3 CH= CH CH 3 + H- Cl reacción lenta H + CH3 CH- CHCH3 + Cl - Catión sec-butilo 8,-15 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,HCl + 2-Buteno • Segundo paso: reacción del catión sec-butilo con ión cloruro. Cl - + + CH 3 CHCH 2 CH 3 catión sec-butil Ión Cloruro (Base de Lewis) (Ácido de Lewis) Cl rápida CH 3 CHCH 2 CH 3 8,-16 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Carbocationes • Carbocatión: es una especie que contiene un carbono cargado positivamente. • Los carbocationes se • • clasifican como 1°, 2° y 3° dependiendo del número de carbonos enlazados al carbono que lleva la carga positiva. Los electrófilos son amantes de los electrones. 8,-17 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Estructura de un Carbocatión • Los ángulos de enlace son de 120°. R + C R R • Hibridación sp2 (orbitales híbridos: 1orbital s y 2 orbitales p). • El orbital puro o no hibridado 2p es perpendicular a los orbitales híbridos. 8,-18 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Estabilidad del Carbocatión • Un carbocatión 3° es más estable, requiere para su formación una energía de activación más baja, que en un carbono 2°. • Un carbocatión 2º es menos estable, requiere una energía de activación más baja que en un carbono 1°. • Un carbono 1° y el catión metilo son tan inestables que rara vez son observados en disolución. 8,-19 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Estabilidad de Carbocationes H H H C+ H Catión metilo CH 3 C+ H Catión etilo (1º) CH 3 CH 3 C + H Catión isopropilo (2°) CH 3 CH 3 C + CH 3 Catión Terc-butilo (3°) Estabilidad del carbocatión 8,-20 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Adición de H2O • A la adición de agua se le llama hidratación • La hidratación de un alqueno catalizada por ácidos es regioselectiva añadiendo un hidrógeno al carbono del enlace doble menos sustituido. OH H CH3 CH= CH 2 + H 2 O Propeno H 2 SO 4 CH 3 CH- CH2 2-Propanol 8,-21 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Adición de H2O • Paso 1: se transfiere un protón del agua al alqueno. • CH3 CH= CH 2 + Reacción lenta H O H Paso limitante + H + CH3 CHCH 3 + Un carbocation 2º (intermedio) O H H 8,-22 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Adición de H2O • Paso 2: reacción del carbocatión intermedio con H2O para dar lugar a un ión oxonio. + CH3 CHCH 3 + O-H H • rápida CH3 CHCH 3 O+ H H Un ión oxonio Paso 3: se transfiere un protón al agua. CH 3 CHCH 3 H O H J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II H O + H + rápida CH 3 CHCH 3 + H O H OH H 8,-23 8,Adición de Cl2 y Br2 • Se lleva a cabo con reactivos puros y/o disolventes inertes tales como: CCl4 o CH2Cl2 Br CH 3 CH= CH CH 3 + 2-Buteno Br 2 CCl4 CH 3 CH- CHCH 3 Br 2,3-Dibromobutano 8,-24 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Adición de Cl2 y Br2 • La adición es estereoselectiva Br + Br 2 Cyclohexeno CCl4 Br trans-1,2-Dibromocyclohexane • Reacción estereoselectiva: una reacción en la cual se forma con preferencia un estereoisómero frente a otros que podrían formarse. 8,-25 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Adicion de Cl2 y Br2 • La adición implica un mecanismo en dos pasos • Paso 1: formación de un intermedio (ión bromonio). Br Br C Br C C C + Br - Ión bromonio ión intermedio 8,-26 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Adición de Cl2 y Br2 • Paso 2: Ataque de un ión haluro del lado opuesto del anillo de tres miembros. + Br Br C Br - C C C Br Ádición Anti 8,-27 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Adición de Cl2 y Br2 • Para un ciclohexeno, adición anti corresponde a una adición trans-diaxial o trans-diecuatorial. Br 2 Br (trans-Diaxial menos estable) Br Br Br trans-Diequatorial (más estable) 8,-28 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Oxidación/Reducción • Oxidación: perdida de electrones • Reducción: gana electrones • Reacciones de oxidación/reducción • • • Se escribe en una semireacción un reactivo y un producto. Se completa la reacción con un balance de materia. Usando H2O y H+ en una disolución ácida y usando H2O y OH- en una disolución básica. Completar el balance de carga usando electrones. 8,-29 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Oxidación con OsO4 • La oxidación con OsO4 convierte a un alqueno en un glicol, que es un compuesto con grupos -OH en dos carbonos adyacentes. • La oxidación es sin estereoselectiva + OsO 4 Ciclopenteno HOOH H H HO OH cis-Ciclopentanodiol (un cis glicol) 8,-30 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Oxidación con OsO4 • El intermedio es un ciclo de cinco miembros. O O H H H O O HO O OH Os Os O H O O 8,-31 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Oxidación con KMnO4 C C + KMnO4 OºC H2O, pH=7 OH OH C C • APLICACIONES INDUSTRIALES: • En la industria química el etilenglicol se usa para fabricar fibras y resinas de poliéster y pinturas de látex. Se usa como anticongelante en los sistemas de refrigeración de motores (la mezcla en proporción 50:50 en agua congela a -35 ºC). • El propilenglicol, puesto que no es tóxico, se usa además como suavizante en farmacia y cosmética, como ablandador de celofán y como fluido hidráulico en frenos,y palas elevadoras. También se emplea para fabricar poliuretano. 8,-32 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Formación de dioles anti (epóxidos u oxiranos) • Los alquenos reaccionan con los perácidos para dar éteres cíclicos de tres eslabones llamados epóxidos y oxiranos. Estos compuestos reaccionan con facilidad con reactivos muy diversos dando compuestos bifuncionales, por lo que son muy valiosos para síntesis orgánicas. O C C + d d R-C-O-O-H O O C C + R-C-O-H perácidos: CH3-COOOH (peracético) Ph-COOOH (perbenzoico) m-ClC6H4COOOH (metacloroperbenzoico) J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,-33 H 8, O C C H2O H+ OH O C C C H-O-H C + HO H APLICACIONES INDUSTRIALES: Síntesis orgánica. El óxido de etileno es un fumigante para graneros e invernaderos. Se utiliza como intermediario para muchas síntesis industriales de hidroxiésteres, glicoles, hidroxiaminas, hidroxinitrilos. Para obtener polímeros llamados polioxietilenos. Es materia prima para resinas y fibras de poliéster. El óxido de propileno es materia prima para resinas de poliéster, poliuretanos y resinas epoxi; detergentes y emulgentes. Los epóxidos de algunos aceites insaturados se utilizan como plastificantes y para 8,-34 proteger al PVC de la luz. J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Oxidación de alquenos que implican la rotura del enlace C=C. Oxidaciones con KMnO4, CrO3 y K2CrO3/H+. En solución más concentrada y ácida, el KMnO4 produce la ruptura del enlace doble dando cetonas, ácidos o CO2 según los casos. Los aldehídos producidos se oxidan a ácidos. C C KMnO4 + H CO + OC 8,-35 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, H C CH3 KMnO 4 C C + H H3C H 3 H3C H3C C C H H KMnO4 H+ H3C H3C C O cetona H3C C O H3C + CH3-C O H aldehído + CO2 CH3-C ácido O OH cetona 8,-36 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Ozonización (ozonolisis) • El ozono (O3) produce la ruptura del enlace doble formando aldehídos y cetonas. C C + O3 C O C O O transposición O O C C O ozónido reductor + H 2 C O aldehídos y cetonas reductores: Zn/CH 3COOH SMe2 H2/Pt 8,-37 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, Oxidaciones catalíticas para obtener directamente aldehídos y cetonas, sin ruptura de la molécula (Proceso Wacker). PdCl2+ CuCl2 H2C CH2 + 1/2 O2 130º, 3 atm H2C C CH3 + 1/2 O2 H CH3-C H3C H3C O H C O 8,-38 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, Amonooxidación de alquenos R-CH=CH-CH3 + 1/2 O2 + NH3 cat. tªalta R-CH=CH-C N + H2O • El etanal, la acetona y la metiletilcetona ; así como propenal (acroleína) y ácido. propenóico y el nitrilo acrílico se emplean industrialmente en la fabricación de ácido acético y todos sus derivados, de otros aldehídos, alcoholes, DDT, disolventes, plásticos, etc. • El propenal se utiliza para fabricar glicerina (explosivos), metionina (aminoácido para enriquecer piensos), y para la fabricación de cauchos sintéticos, plásticos y fibras. 8,-39 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, Polimerización. La polimerización es la unión de muchas moléculas pequeñas (monómeros) para dar largas cadenas de elevado peso molecular (macromoléculas). La industria de los polímeros sintéticos, llamados corrientemente plásticos o “resinas sintéticas” produce cinco clases de materiales: 8,-40 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, Plásticos. Un plástico es un polímero al que se le ha añadido un aditivo (pigmentos, antioxidanes, fotoestabilizantes, etc.). Son moldeables en caliente.. A su vez pueden ser: TERMOPLÁSTICOS. Se ablandan o funden por calor.Pueden ser moldeados a presión o extrusionados. La operación puede repetirse fundiéndolos de nuevo. TERMOESTABLES. Terminan su polimerización en el molde al calentarlos a presión y forman redes macromoleculares de punto de fusión alto. Fibras. Macromoléculas lineales. El producto viscoso se pasa por orificios de diámetro muy pequeño dando fibras que se hilan. Elastómeros. Polímeros elásticos o cauchos sintéticos. Barnices. Las resinas para pinturas son solubles en disolventes orgánicos o se preparan como emulsiones acuosas. Adhesivos. Polímeros de peso molecular bajo, solubles en disolventes volátiles o endurecibles al aplicarlos. J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,-41 8, • • • • • • EXISTEN CUATRO MÉTODOS DE POLIMERIZACIÓN: Polimerización de alquenos por mecanismo de radicales. Polimerización con catalizadores metálicos. Polimerización iónica (por mecanismos de iones carbonio o carbaniones): Polimerización catiónica. Polimerización aniónica. 8,-42 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II Polimerización de alquenos por mecanismo de radicales. 8, nCH2=CH2 O2, calor, presión CH2CH2CH2CH2 ETILENO POLIETILENO FASE DE INICIACIÓN R-O-O-R 2 R-O R-O-CH2-CH2 R-O + H2C = CH2 FASE DE PROPAGACIÓN R-O-CH2-CH2 + H2C = CH2 R-O-CH2-CH2-CH2-CH2 R-O-CH2-CH2-CH2-CH2 + H2C = CH2 R-O-(CH2-CH2)n-CH2-CH2 8,-43 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II FASE DE TERMINACIÓN. Existen varias posibilidades: (a) Unión de dos radicales (acoplamiento de cadenas): 8, R-O-(CH2-CH2)n-CH2-CH2 + R-O-CH2-CH2 R-O-(CH2-CH2)n-CH2-CH2-CH2-CH2-O-R (b) Por desproporción de dos cadenas radicales (salto de un H): H R-O-(CH2-CH2)n-CH-CH2 H R-O-(CH2-CH2)n-CH=CH2 + R-O-(CH2-CH2)n-CH2-CH2 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,-44 (c) Por transferencia del radical a otra molécula. H 8, CH2 - CH - CH2 - CH + X CH2 - C X X H CH2 - CH - CH2 - CH + X CH2 - C X X La transferencia del radical también puede producirse intramolecularmente apareciendo así una ramificación: H R-CH2-C-CH2-CH-CH2- CH X X X H R-CH2-C-CH2-CH-CH2-CH X X X 8,-45 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, • Las propiedades de los polímeros ramificados son diferentes de las de los lineales y, en general, no son deseables. • Para detener la polimerización se añaden inhibidores (dodecilmercaptanos, polifenoles,...) que son receptores en la transferencia de radicales. • El mecanismo de polimerización radicalario produce una orientación irregular al azar (ATÁCTICA). 8,-46 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, • Polimerización con catalizadores metálicos. • Este descubrimiento fue llevado a cabo por Ziegler, en Alemania, durante la II Guerra Mundial. • El método permite polimerizar el PROPILENO de forma lineal, con gran regularidad, sin cadenas laterales y sobre todo en condiciones suaves de presión y temperatura utilizando un catalizador formado con TiCl4 y Al(C2H5)3. Gracias a un segundo investigador, Natta, se sacó partido a este catalizador. 8,-47 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, • La estereoespecificidad de la reacción, como veremos a continuación, les valió el Premio Nobel en 1963. También se utilizan catalizadores formados por óxidos de Mo y Cr fijados sobre sílice y alúmina. Con estos catalizadores se obtiene polietileno lineal de alta densidad (proceso Phillips). • La reacción es estereoespecífica lo que significa que los restos se orientan regularmente a lo largo de la cadena (orientación ISOTÁCTICA o SINDIOTÁCTICA) y no atácticamente como ocurre por el método radicalario: 8,-48 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,• Polimerización iónica (por mecanismos de iones carbonio o carbaniones) • Polimerización catiónica. La dan alquenos con sustituyentes dadores de electrones que originan iones carbonio más estables. Se utilizan ácidos como H2SO4 conc., HF, AlCl3 y BF3. (ej. mezcla viscosa de dímeros (isooctenos) procedentes del isobutileno que se utiliza como adhesivo a presión). 8,-49 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, • Polimerización aniónica. La dan alquenos sustituidos con grupos atrayentes de electrones (estireno, acrilonitrilo) que polimerizan en presencia de bases de Lewis (butil-litio, naftaleno + Na y amiduro sódico), por un mecanismo de carbaniones. • Los iniciadores aniónicos son productos muy caros y su uso industrial está limitado a casos especiales para productos de alto valor. • Aproximadamente la mitad de los plásticos vinílicos se obtienen por procesos de radicales, alrededor de una cuarta parte con catalizadores metálicos y el resto por polimerización catiónica y aniónica. 8,-50 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Reducción de Alquenos • La mayoría de los alquenos reaccionan con Hidrógeno en presencia de un metal de transición para dar alcanos. • Comunmente se usa como catalizador: Pt, Pd, Ru, y Ni. + Ciclohexeno H2 Pt Ciclohexano • El proceso se llama reducción catalítica, hidrogeno reducción o hidrogenación catalítica 8,-51 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Reducción de Alquenos • La mayoría de estas reacciones son sin estereoselectivas. CH 3 CH 3 1,2-Dimethilciclohexano CH 3 H2 / Pt CH 3 + CH 3 70% to 85% cis-1,2-Dimetilciclohexano CH 3 30% to 15% trans-1,2-Dimetilcyclohexane 8,-52 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, Reducción de Alquenos • Mecanismo de hidrogenación catalítica • • • • El hidrógeno es absorbido en la superficie del metal con formación de los enlaces metal-hidrógeno. El alqueno también se absorbe con formación de los enlaces metal-carbono. Un átomo de hidrógeno se transfiere al alqueno formando un nuevo enlace C-H. Un segundo átomo de hidrógeno es transferido dando lugar al segundo enlace C-H. 8,-53 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, 8,-54 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, • APLICACIONES DE LA HIDROGENACIÓN DE LOS ALQUENOS: • Analíticas • Procesos de hidrogenación de alquenos de uso industrial en gran escala: • los aceites vegetales o de pescado son insaturados y la hidrogenación catalítica de sus enlaces dobles eleva su punto de fusión, convirtiéndolos en grasas sólidas. En esta reacción se basa la fabricación de margarinas. 8,-55 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, • La hidrogenación de productos petrolíferos de craqueo y para lubrificantes consume grandes cantidades de H2. Puesto que el H2 es una materia prima costosa y de difícil transporte, normalmente se fabrica en donde se consume, bien a partir del petróleo o del carbón, bien por electrolisis. Si es un producto secundario de algún proceso industrial, suele aprovecharse, en la misma fábrica, para alguna otra producción. 8,-56 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Reacción Estereoquímica • Considerar la adición del bromo al 2-buteno • Como tiene dos carbonos asimétricos debería tener 4 estereoisómeros, pero tiene sólo tres estereoisómeros para 2,3-dibromobutano (un par de enantiómeros y una forma meso). CH 3 CH= CH 2 CH 3 2-Buteno Br 2 Br Br CH 3 CH- CH CH 3 2,3-Dibromobutano 8,-57 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Reacción Estereoquímica • ¿Cuantos estereoisómeros se forman en la adición de bromo a cis-2-buteno? H C C H3 C H Br2 CH 3 cis--2-Buteno Br H H3 C H C C CH 3 Br + H H3 C Br C C Br H CH 3 Un par de enantiómeros (una mezcla racémica) 8,-58 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Reacción Estereoquímica • La oxidacion de 2-buteno con OsO4 CH3 CH= CH 2 CH 3 2-Buteno • OsO 4 OH OH CH 3 CH- CH CH 3 2,3-Butanodiol tres estereoisómeros son posibles para 2,3butanodiol; un par de enantiómeros y un compuesto meso. 8,-59 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Reacción Estereoquímica • Hidroxilación sin de cis-2-butene nos dá solamente el compuesto meso. H H H3 C 2 C 3 C CH 3 HO OH (2S,3R)-2,3-Butanodiol Son idénticos; un compuesto meso OH HO 2 C 3 C H CH 3 H H3 C (2R,3S)-2,3-Butanodiol 8,-60 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8,Reacción Estereoquímica • Los productos enantiomericamente puros nunca se forman a partir de materiales y reactivos aquirales. • Un producto enantioméricamente puro se puede obtener si al menos uno de los reactivos es enantiomericante puro o si la reacción se lleva a cabo en un entorno aquiral. 8,-61 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II 8, Reacciones de Alquenos Fin de capítulo 8,-62 J. Manuel Báñez Sanz. Quimica II