Química Orgánica 2º. LECCIÓN 12. ALQUINOS Antonio Galindo Brito 1 Objetivos Formular y nombrar los diferentes tipos de alquinos, reconociendo al triple enlace como el grupo funcional propio de los alquinos. Conocer las características electrónicas más importantes del triple enlace y las consecuencias geométricas que de ello se derivan. Establecer generalidades acerca de las propiedades físicas comparándolas con las de los alquenos y alcanos. Deducir que la reactividad típica de los alquinos es la adición electrófila en base a la presencia de enlaces pi, comparando su reactividad con la de los alquenos. Examinar las más importante reacciones de adición electrófila siempre relacionándola con las de los alquenos. Diferenciar la acidez de los alquinos terminales del resto de los compuestos acetilénicos justificando a que se debe y comparando su acidez con la de los otros hidrocarburos estudiados. Conocer los métodos más importantes de preparación de alquinos, particularmente la utilización de los alquinos terminales como sustancias de partida para la preparación de alquinos internos. Finalmente, reconocer la importancia industrial del acetileno como producto de partida para la preparación de materias primas capaces de formar polímeros de gran interés industrial. Química Orgánica 2º. LECCIÓN 12. ALQUINOS Clasificación y nomenclatura Alcanos CnH2n+2 Antonio Galindo Brito 2 Alquino no terminal Alquino terminal Alquenos Alquinos CnH2n-2 CnH2n etino propino 1-butino 1-butino 2-butino 2-butino .. .. H2N : Br : 4-metil-1-pentino 4-butil-2-undecino .. (4S)-metoxi-2-hexino (5R, 6S, 7R)-7-amino-5-bromo-6-metoxi-2-octino HO : 3-trans-hepten-1-ino MeO : MeO . .: 1-penten-4-ino 2-metil-1-penten-3-ino .. H.O. (4R)-isopropil-2-trans-hepten-6-in-1-ol .. (2S)-3-butin-2-ol .. H.O. (2S)-4-pentin-2-ol LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. ; ; ciclohexilciclopentilacetileno Fenilacetileno ; ciclobutilfenilacetileno C CH CH2 radical etinilo .. : .Br. CH2 Antonio Galindo Brito 3 C Difenilacetileno CH C radical propargilo .. H.O. CH 3-bromo-propino bromuro de propargilo : CH2 C CH 2-propin-1-ol alcohol propargílico .. .. : CH OHC CH3 OHH 3 CH H H .. HO .. H H estradiol estrógeno natural .. HO .. H H etinil estradiol estrógeno sintético más potente LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. .. .OH . Antonio Galindo Brito 4 .. .OH . 1-etinilciclopentanol 1-etinilciclohexanol Estructura electrónica de los alquinos H C sp 1s H C sp sp sp 1s pz H C C py º 1,54 A H H H H C C H etano enlaces sigma C-C y C-H pz py pz enlaces pi del acetileno enlaces sigma del acetileno nube electrónica pi py pz py º 1,33 A H H H H H C C H H eteno º 1,09 A º 1,20 A º 1,08 A C C etino º 1,06 A H LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. 180º 180º H 180º C C H etino C 109º C Antonio Galindo Brito 5 180º C C H alquino terminal 180º 180º C C 109º alquino interno C 109º TABLA I. Energías de enlace Tipo de enlace Energía promedio de enlace (kcal/mol) C–C 83 (σ) C=C 146 (83 σ + 63 π ) C≡C 200 (83 σ + 63 π + 54π) Se aprecia que el enlace más fuerte de los que componen el triple es el enlace σ y el más débil el segundo enlace π, por lo que el grupo funcional característico de los alquinos es el triple enlace y muy particularmente sus enlaces π, que son los responsables de las características químicas de los alquinos. Química Orgánica 2º. LECCIÓN 12 Antonio Galindo Brito 6 TABLA II. Propiedades físicas de los alquinos Nombre Estructura PF (ºC) PE(ºC) Densidad (g/cc) Etino HC≡CH -82 -75 0, 62 Propino CH3C≡CH -101 -23 0, 67 1-Butino CH3CH2C≡CH -122 8 0, 67 2-Butino CH3C≡CCH3 -28 27 0, 69 1-Pentino CH3 (CH2)2 C≡CH -98 40 0, 70 2-Pentino CH3C≡CCH2CH3 -101 55 0, 71 3-metil-1-butino CH3CH(CH3)C≡CH 28 0, 67 1-Hexino CH3 (CH2)3 C≡CH -124 71 0, 72 2-Hexino CH3C≡C(CH2)2CH3 -92 84 0,73 3-Hexino CH3CH2C≡CCH2CH3 -51 82 0, 73 3,3-dimetil-1-butino CH3C(CH3)2C≡CH -81 38 0, 67 1-Heptino CH3 (CH2)4 C≡CH -80 100 0, 73 1-Octino CH3 (CH2)5 C≡CH -70 126 0, 75 1-Nonino CH3 (CH2)6 C≡CH -65 151 0, 76 1-Decino CH3 (CH2)7 C≡CH - 36 182 0, 77 LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 7 Momentos dipolares de los alquinos Electronegatividad de los diferentes híbridos del C: sp = 3,29 ; sp2 = 2,75 ; sp3 = 2,48 H3CCH2 H ; CH3CH2CH CH2 ; H3C 1-buteno µ = 0,30 D 1-butino µ = 0,80 D CH3 2-butino µ = 0 ; CH3CH2CH2 - C N: butanonitrilo µ = 3,39 D Propiedades químicas de los alquinos: acidez de los H terminales y adiciones electrófilas La reactividad típica de los alquinos es muy semejante a la de los alquenos, o sea dan reacciones AdE, pero la mayor fortaleza del triple enlace hace que sus reacciones sean más lentas que la de éstos. Por ello, cuando coexistan en una molécula un doble y un triple enlace siempre reaccionará más fácilmente el doble enlace que el triple frente a un electrófilo. Por otra parte, los átomos de hidrógeno unidos a C híbridos sp (mucho más electronegativos que los sp2 y los sp3) son claramente ácidos. En resumen, todos los alquinos se comportan como nucleófilos frente a reactivos electrófilos dando reacciones AdE y además los alquinos terminales tienen un H claramente ácido (pKA= 25) : alquino terminal R centro nucleófilo pKA= 25 alquino no terminal H hidrógeno ácido ; R centro nucleófilo R´ LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 8 Acidez de los hidrógenos terminales de los alquinos sp2 sp3 C H ; C sp ; C alcano alqueno pKA = 50 pKA = 44 C C H alquino pKA = 25 H Los H de los alquinos terminales son ácidos muy débiles, pero lo suficientemente fuertes para poder ser abstraídos por bases fuertes como amiduros inorgánicos (NaNH2, KNH2), amiduros orgánicos de litio (R2NLi; LDA si R = isopropilo), organolitios (RLi, ArLi) y magnesianos (XMgR, XMgAr), reacciones en las que se forma el anión acetiluro (un potente nucleófilo) y el ácido conjugado de la base empleada (NH3; R2NH; RH, ArH). Ni los hidróxidos alcalinos (NaOH, KOH) ni los alcóxidos (KOR) son bases adecuadas para formar los aniones acetiluros: base conjugada ácido conjugado base más débil ácido más fuerte ácido más débil base más fuerte .. R H + NaNH2 amiduro sódico R H + R - Li alquillitio R H + R - MgX alquino terminal reactivo de Grignard Na R + acetiluro sódico R Li + acetiluro de litio R MgX acetiluro de halomagnesio + : NH3 amoniaco HR alcano HR alcano LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. ácido más débil + H R LiOH alquino terminal 2 RC + HO H - O -H HC CH NH3 RH base más fuerte RC C acetiluro C: HC - .. H - O -H .. agua pKA = 16-18 + - fuerza fuerza básica CH2 = CH básica ROH H2 hidrógeno CH3 : - H2N : R: - + Na - ácido más fuerte Na C acetiluro sodio + acetiluro sódico 2 RC + 2 Na H2O pKA = 15,7 Na R alcóxido sódico alquino terminal fuerza ácida acetiluro de litio NaOR CH + Li R hidróxido de litio pKA = 25 ácido conjugado ácido más fuerte base conjugada base más fuerte base más débil H R Antonio Galindo Brito 9 - CH4 CH2 = CH2 : C: HC HC fuerza ácida CH ácido conjugado base conjugada más débil más débil .. RC CH alquino + NaOH .. anión hidróxido LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 10 Adiciones electrófilas de los alquinos 1-butino CH2CH3 H +2 Pt H2 butano 100% 2-butino + CH3 H3C Pt 2 H2 Pd / BaSO4 / R R + N / CH3OH R R H H H2 alqueno cis alquino no terminal R R R R Alquino H H Pd (parcialmente envenenado) R R H H Alqueno cis LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. R R + alquino no terminal 2 Na 2 NH3 liquido sodio Antonio Galindo Brito 11 R H H R alqueno trans Hidrogenación de alquinos: alternativas H H H2, catalizador Lindlar R C R´ R alqueno cis R´ Na, NH3 líquido, - 78ºC C H R´ C C R alqueno trans H + 2 NaNH2 amiduro sódico Química Orgánica 2º. : NH3 + LECCIÓN 12 . Na NH3 anión radical + R R anión radical R - + . R H anión vinílico R H R R R + - .. + : NH2 anión vinílico + e - R R anión amiduro alqueno trans H - NH2 + 2:NH3 + 2 - .. H amoniaco - .. anión amiduro R H radical vinílico R . R H - NH2 . - radical vinílico R R .. R´ - e amoniaco . .. . e - + Na + electrón solvatado alquino Antonio Galindo Brito 12 . Na R H H R 2 e - R H - .. NH2 : + H + R .. 2 NaNH2 LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. alquino alqueno trans Reacción Global R + 2 Na R Adición de haluros de hidrógeno + Antonio Galindo Brito 13 H R 2 NH3 H bromuro de hidrógeno 1-pentino H H + H .. H Br : .. 1-pentino + + C catión 1-penten-1-ilo (no se forma) lenta H C H .. .. 2 H - Br : .. + H Mecanismo 2 NaNH2 R . .+ . . Br : : Br .. + .. : Br : .. 2,2-dibromo-pentano - .. + : .Br. : catión 1-penten-2-ilo (C-2 sp) .. catión 1-penten-2-ilo H . .+ : Br . .: + H C .. : Br : rápida : Br : 2-bromo-1-penteno 2-bromo-1-penteno .. H - Br : .. + : Br : C + + ..: Br : .. catión 2-bromo-2-pentilo (C-2 sp2) .. : Br : +C .. + ..: Br : .. catión 2-bromo-2-pentilo (El C-2 está híbrido sp2) .. .. : Br Br : .. .. 2,2-dibromo-pentano LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. R R + H .. H - X: .. R alquino simétrico .. X: .. .. H - .X.: alquino no simétrico R R´ + .. H - X: .. R H + R´ R R :.X.: :.X.: derivado gem-dihalogenado . . haluros de vinilo .X.: mezcla de E y Z H H .. R´ . . H - .X.: R´ R X: .. : .X.: :.X.: R H H R + R´ : X: : X : .. .. Mezcla de derivados gem-dihalogenados isómeros; reacción poco útil desde el punto de vista sintético. .. 2 H - Cl . .: 3-hexino 3-heptino H H R haluro de vinilo mezcla de E y Z H Antonio Galindo Brito 14 3,3-dicloro-hexano . . 3,3-dicloro-heptano :Cl : : Cl: .. .. 2 H - Cl . .: : :Cl : : Cl .. .. + .. : : Cl : Cl .. .. 4,4-dicloro-heptano LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. 3-hexino Antonio Galindo Brito 15 3-bromo-3Z-hexeno .. .. HBr: , FeBr3, 15ºC : Br : .. 3-bromo-3E-hexeno + H 3-bromo-3Z-hexeno .. .. HBr , FeBr , 15ºC : 3 Br : .. : 3-hexino H 1-pentino HC CCH2CH2CH3 + .. .. . . ROOR .. .. H - Br ..: HC CH 1-butino HC + CCH2CH3 .. H2O .. H2C HgSO4 - H2SO4 H2C + : Br .. : 1-bromo-1-penteno mezcla de isómeros cis y trans H CH2CH2CH3 H .. CHOH .. etenol acetileno 3-bromo-3E-hexeno H : .Br. : Hidratación de alquinos : Br .. : H 2-butenol .. CH(OH)CH2CH3 .. etanal .. CH3CHO : butanona .. CH3COCH . . 2CH3 Los alcoholes que tienen el grupo hidroxilo sobre un C sp2 alifático (sobre un doble enlace) se conocen como enoles y son muy inestables, transformándose rápidamente en compuestos carbonílicos. Así, el etenol da acetaldehído y el 2-butenol da butanona. Estos procesos son reacciones de equilibrio y se conocen como tautomerías ceto-enólica o tautomerías ceto-enol. LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 16 Equilibrios cetoenólicos [Enol] Formas ceto : O: K = etanal [Ceto] H : O: propanona Formas enol .. K % Ceto 2. 10-5 100 0 100 0 98,8 1,2 76 24 OH etenol .. H OH 2-propenol 1,5 . 10-7 : O : ciclohexanona .. OH ciclohexenol 5 . 10-5 2,4-pentanodiona : O: :O : % Enol 4-hidroxi-2-pentanona H : O: : O: 3,16 En general, en los equilibrios cetoenólicos predomina enormemente la forma ceto (>98%) sobre el enol, salvo en los compuestos 1,3-dicarbonílicos, donde la forma enol se estabiliza fuertemente a través de puentes de hidrógeno, tal como vemos en la 2,4-pentanodiona (3:1): LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. H El enol Z de la 2,4-pentanodiona puede formar un enlace por puente de hidrógeno entre el H del grupo hidroxilo (H ácido) y el O del carbonilo (un centro básico). Los enoles son mucho más ácidos que los alcoholes y su pKA se halla comprendido entre 13 y 15, mientras que el de los alcoholes oscila entre 15 y 18. :O : : O: .. . . H .OH . .. S HO O .. .. R H. . HO .. .. O: .. OH .. Un endiol muy importante es la Vitamina C, que juega un importante papel en la prevención y curación de enfermedades carenciales como el escorbuto. Su acidez es tan elevada que se la conoce también como Ácido L-Ascórbico. Ácido (+)-L-ascórbico Vitamina C (R,S) .. Mecanismo de la Tautomería Ceto-Enol .. .OH . H . +. H - OH2 H 1-penten-2-ol Un enol Antonio Galindo Brito 17 catión hidronio :O H H H H .. + : OH2 C + catión 2-hidroxi-2-pentilo .. .. : OH2 +O- H H H H catión oxonio 2-pentanona H H H Forma ceto .. O: catión hidronio + : H H + OH3 LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 18 : O: 2-pentino CH3C CCH2CH3 + .. HOH .. H2SO4, 0ºC, 10 min + 2-pentanona (50%) Halogenación de alquinos Br2 (1 mol) .. : Br .. E-1,2-dibromo2-buteno CH3 .. Br ..: H3C En algunos casos se han detectado mezclas de E y Z bromoalquenos. .. .. 2,2,3,3-tetrabromobutano 2-butino .. : .Br. : Br . .: Br2 (2 moles) Hidroboración-Oxidación de alquinos protonólisis B R-C C-R H H H R R´ R R H2O - CH3COOH alquino 3-pentanona (50%) : Br: : Br : CH3 - C C - CH3 BH3 - THF :O: cis-alqueno enol 3 R trialquenilborano H2O2 - NaOH oxidación H cetona R .. .OH . R :O: R LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. (1) BH3 - THF (2) H2O2 - NaOH 1-butino CH3CH2C CH 2-butino CH3 - C C - CH3 2-pentino CH3C CCH2CH3 (1) BH3 - THF (2) H2O2 - NaOH Antonio Galindo Brito 19 butanal 1-buten-1-ol (un enol) .. CH3CH2CH = CHOH .. ácidos 2-buten-2-ol (un enol) ácidos : O: CH3CH2CH2CHO .. butanona .. CH3CH = CHOHCH3 .. (1) BH3 - THF (2) H2O2 - NaOH .. .. CH3COCH .. 2CH3 : 2-pentanona (50%) 3-pentanona (50%) O : + : O: (1) BH3 - THF (2) H2O2 - NaOH H 1-pentino pentanal HC CCH2CH2CH3 : O: 2-pentanona H2SO4, HgSO4 Oxidación de alquinos tetrol geminal alquino KMnO4, H2O, medio neutro .. .. HO : :OH endiol R R´ R R´ - C C - R HO: .. : .OH . : O : 1,2-dicetona R´ H.O.: :OH .. R´ R :O : + .. 2 H2O .. LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. 1,2-dicetona .. .. .. .. RCOOK .. .. .. .. R - CO . . - R´ . . - CO (O3);( KMnO4, H2O, medio alcalino, calor) Antonio Galindo Brito 20 + alquino no terminal R´ - C C - R .. HCl, H2O ácidos carboxílicos .. .. RCOOH .. .. R´COOK .. .. .. R´COOH .. .. + Síntesis de alquinos (A) Reacciones SN2 a partir de acetiluros H H electrófilo C .. OTs .. HC C(CH2)3CH3 1-hexino alquino terminal S N2 HC CH NaNH2-NH3 líquido electrófilo HC C Na acetileno acetiluro sódico (nucleófilo) 1-butino CH3CH2C CH (1) NaNH2-NH3 líq. (2) Tosilato de isopropilo R (1) NaNH2-NH3 líq X (2) R´ - X R´- C HC C - R SN2 alquino terminal .. alquino interno C-R S N2 : OTs CH3CH2C C CH3CH2C C butinuro sódico Na SN2 CCH(CH3)2 2-metil-3-hexino CH3CH2C CH E2 1-butino + propeno LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 21 (B) Eliminaciones E2 a partir de derivados dihalogenados .. H : X: R´ R H : .X.: rápida (+ - )-treo-1,2-dihaluro un haluro vecinal R´ R rápida :.X.: : .X.: 1,1-dihaluro un haluro geminal Base R HX R : X : lenta .. Z-haluro de vinilo H y X en anti H H Base R´ H Base H R´ .. HX : .. R´ alquino interno Base .. .. .. .X.: lenta HX : R HX : . . Z-haluro de vinilo .. R R´ alquino interno H y X en anti .. H Br : . . 2 KOH fundida, 200ºC CH3CH2C CCH3 .. + 2 KBr + 2 H2O 2-pentino (45%) H : Br : 2,3-dibromo-pentano Mezcla treo y eritro racémicos : Cl: : Cl : .. .. H 1,1-dicloro-pentano (1) 2 NaNH2, 150ºC (2) H2O CH3CH2CH2C CH 1-pentino (55%) +2 NaCl + 2 NH3 LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. .. .. : Br . . : Br: Antonio Galindo Brito 22 .. : Br : KOH fundida, 200ºC .. Br : .. H 1,1-dibromo-pentano .. CH3CH2C CCH3 .. 1,2-dibromo-pentano racémico .. .. H Br : 2-pentino : Br: : Br : KOH fundida, 200ºC 2,3-dibromo-pentano Mezcla treo y eritro racémicos 2,2-dibromo-pentano 2-octino CH3(CH2)4 - C C - CH3 .. H Br . .: (1) 2 NaNH2, 150ºC (2) H2O 1-octino (80% ) CH3(CH2)5 - C CH (1) NH2(CH2)3NHK (KAPA)NH2(CH2)2NH2 , 20ºC 2-hexino 1-hexino (100%) CH3(CH2)3 - C CH CH3(CH2)2 - C C - CH3 1-butino CH3CH2C CH KOH fundida, 200ºC 2-butino CH3 - C C - CH3 LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 22 Síntesis del acetileno coque óxido cálcico CaO + 3C CaC2 horno eléctrico, 2500ºC carburo cálcico CaC2 cal viva + monóxido de carbono + hidróxido cálcico 2 H2O carburo cálcico HC CH + 2 CH4 1500ºC; 0,01s metano oxígeno 6 CH4 O2 + 1500ºC Ca(OH)2 cal apagada acetileno metano CO acetileno HC CH acetileno 2 HC CH + 3 H2 monóxido de hidrógeno carbono + 2 CO + 10 H2 LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 24 Polímeros vinílicos .. .. CO-OCH3 .. .. metacrilatos .. .. COOH .. .. acrilato .. de metilo : F: teflón .. : F: .. .. acrilamida tetrafluoroetileno CN : propenonitrilo acrilonitrilo adhesivos .. .. OCOCH3 .. .. acetato de vinilo PVC .. .. CONH2 .. F: : F: orlón, acrilán ácido acrílico .. Cl : .. cloruro de vinilo HC CH acetileno .. O .. etil, vinil, éter : O: H etanal LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. : O: CH3C C C CH3C C C ; capillina, un agente fungicida H3C C H C C ictiotereol, un agente convulsivo usado por los indios del Amazonas para envenenar sus flechas H H C C .. HO .. C C C C Antonio Galindo Brito 25 C C C C C H C C C triino aislado del cáñamo. Actúa como agente defensivo frente a la infecciones desencadenadas por nemátodos H .. H H N H H : OH .. histrionicotoxina, veneno de la piel de sapos de la familia Dendrobates C CH2 :O .. LECCIÓN 12 Química Orgánica 2º. parsalmida, un analgésico sintético pargilina, un antihipertensivo .. O .. Antonio Galindo Brito 26 mestranol, un componente de los anticonceptivos orales .. .. N H H2N .. :O H .. CH3O .. N H Un agente anticancerígeno 3-metil-1-pentil-3-ol Un hipnótico HC CH : OH .. H ; .. : Cl .. N .. N .. .. Cl: .. .. : OH