León Felipe Otálvaro Tamayo 1 REACCIONES ÁCIDO-BASE Hemos visto que en general, las reacciones en química orgánica ocurren entre nucleófilos y electrófilos, de cara a que un enlace es formado entre el centro nucleofílico y el centro electrofílico. En las reacciones ácido base, el ácido actúa como electrófilo y la base como nucleófilo. Antes de trabajar con estas reacciones, miremos las definiciones de ácido y base. Trabajaremos con dos definiciones, la de Bronsted-Lowry y la de Lewis. Definición de Brønsted-Lowry: Un ácido es una molécula que puede donar un protón, y una base es una molécula que puede aceptar ese protón: Ejemplo: H2 O + NH3 OH + NH4 Ejercicio: Proponga un mecanismo para la reacción anterior!! Para las siguientes reacciones, proponga un mecanismo e identifique el ácido y la base: NH3 + NH4 + CH3CO2H H2O NH4 + CH3CO2 NH3 + H3O León Felipe Otálvaro Tamayo H2O + CH3CO2H CH3NHCOCH3 PhOH H3O H OH + CH3NH2 + + 2 H3O + CH3CO2 CH3NCOCH3 + PhO + CH3NH3 + H2 H2O H2O Escriba las expresiones de las constantes de equilibrio para las reacciones que anteriormente estaban en equilibrio. A continuación se presentan algunos valores de Ka para varios ácidos. Ordene los ácidos en orden decreciente de acidez. CH3CO2H (1.75× 10-5) Cl3CCO2H (23200× 10-5) ClCH2CO2H (136× 10-5) Cl2CHCO2H (5530× 10-5) CH3CH2CH2CO2H (1.52× 10-5) PhCO2H (6.3× 10-5) CH3CH2OH (1.0× 10-16) HCN (6.31× 10-10) PhOH (1× 10-10) CF3CH2OH (3.98× 10-13) p-nitrofenol (6.31× 10-8) CH3CH2NH2 (aprox 10-40) CH3CONH2 (1× 10-15) NH3 (1× 10-33) Es mas conveniente trabajar con valores de pKa, por definición: pKa= -logKa León Felipe Otálvaro Tamayo 3 Halle los valores de pKa para los ácidos anteriores!! Como se correlacionan los valores de Ka y los de pKa con la fuerza ácida? Es importante desarrollar una idea de la fuerza ácida de algunos compuestos orgánicos, la siguiente tabla pone de manifiesto algunas conclusiones importantes: CCl3CO2H CH3CO2H pyrH+ PhNH3 0 EtOH *4.7 CH3CONH2 *5 t-BuOH + *17 17 19 5 CH3COCH3 *20 HCN 9 CH3SO2CH3 23 NCCH2CO2Et 9 CHCH *25 *10 CH3CO2Et *25 Et3NH+ PhOH 10 CH3CN 26 CH3NO2 10 CH3SOCH3 31 EtSH 11 NH3 *35 MeCOCH2CO2Et 11 C6H6, CH2CH2 *37 EtO2CCH2CO2Et *14 CH3CHCH2 HOH *15 alcanos ciclopentadieno *15 37 *40-44 Los valores marcados con asterisco deben ser memorizados para tener una buena referencia de un amplio espectro de compuestos!! Las siguientes tendencias pueden ser inferidas de la tabla: • Siendo todo lo demás igual, la acidez incrementa a medida que uno se mueve hacia la derecha en la tabla periódica (H3CH, H2NH, HOH), es decir, a medida que aumenta la electronegatividad. León Felipe Otálvaro Tamayo • 4 Siendo todo igual, la acidez incrementa a medida que uno se mueve hacia abajo en la tabla periódica, es decir, a medida que el tamaño incrementa (EtOH con EtSH). Esta tendencia es opuesta a la de la electronegatividad. La tendencia se explica debido al pobre solapamiento de el pequeño orbital (s) del H con el tamaño cada ves mayor del orbital de valencia del átomo al cual esta enlazado. Nota: los efectos de solapamiento solo entran en juego cuando el protón acídico esta directamente unido al heteroatomo. Si este no es el caso, los efectos inductivos predominan. • Siendo todo igual, un átomo es más ácido cuando posee carga positiva que cuando está neutro (compare NH4+ con NH3). Sin embargo, no es cierto que todo ácido positivo es más ácido que todo ácido neutro: (compare R3NH+ con CH3CO2H). Recíprocamente, un átomo es usualmente más básico cuando posee una carga formal negativa que cuando está neutro. • La acidez de HA incrementa cuando grupos inductores electrón atrayentes están unidos a A y disminuye cuando grupos inductores electrón donadores están unidos a A (compare CCl3CO2H con CH3CO2H, y HOH con EtOH) • Para ácidos neutros, la acidez decrece a medida que incrementa el impedimento estérico (compare EtOH con t-BuOH). Dado que la base conjugada está más impedida, la habilidad para que el solvente alrededor de la carga pueda neutralizar parcialmente esta carga usando interacciones dipolo o puentes de hidrógeno se ve cada vez más comprometida. Como resultado, la base conjugada incrementa su energía, y el ácido se hace debil. • HA es mucho más ácido cuando el par libre de la base conjugada puede ser estabilizado por resonancia (compare PhOH con EtOH, PhNH3+ con Et3NH+ y CH3CHCH2 con alcanos). HA es especialmente ácido cuando el par libre puede ser León Felipe Otálvaro Tamayo 5 deslocalizado en un grupo carbonilo (compare alcanos con CH3COCH3 y EtO2CCH2CO2Et). El grupo anión estabilizante más común es el grupo carbonilo (-CO-), pero los grupos nitro (-NO2) y sulfonilo (-SO2R) son también muy buenos grupos anión estabilizantes (compare CH3NO2, CH3COCH3 y CH3SO2CH3). Incluso, los grupos nitro son mejores anion estabilizadores que los grupos carbonilo debido a los efectos inductivos. • Para un átomo dado A, la acidez incrementa al incrementar el carácter s de el enlace A-H (es decir, al pasar de hibrido sp3 a sp2 y a sp) (compare pyrH+ con R3NH+ y CHCH con benceno y los alcanos) • Un ácido HA nó aromático, será mucho más ácido si su base conjugada es aromática. (compare ciclopentadieno con propeno). Recíprocamente, una sustancia es una base muy pobre si la protonación resulta en la perdida de aromaticidad Los grupos carbonilos son quizás los compuestos ácidos más importantes. La energía de un compuesto carbonilo está principalmente determinada por la energía de su estructura resonante secundaria (C+-O-). Mientras más pueda un grupo R estabilizar esta estructura de resonancia ya sea por donación de pares libres, hiperconjugación, o efectos inductivos, más baja energía tendrá la molécula. La acidez correlaciona bien con la energía del grupo carbonilo: mientras menos energía tenga el grupo carbonilo, menos acidez tendrá el compuesto. Es decir, el orden de incremento de acidez es: carboxylatos < amidas < esteres < cetonas < aldehidos < anhídridos de ácido < cloruros de ácido. Nota: un grupo carbonilo α,β insaturado no es ácido en el carbono α. El enlace π CO prefiere estar en conjugación y coplanar con el enlace π del doble enlace. Es decir: O H H H León Felipe Otálvaro Tamayo 6 por lo tanto, el orbital del enlace C-H del carbono α está de la siguiente forma: O H H H es decir, el orbital σ C-H en el carbono α no se solapa con el orbital π del enlace CO. Por lo tanto para que la desprotonación se de, un cambio conformacional desfavorable debe ocurrir primero: H O H O H H H H Note que este caso contradice la regla de que C(sp2) es más ácido que C(sp3), siendo todo igual !! Una desprotonación normal de un carbono sp3 en posición α a un carbonilo desde el punto de vista de los orbitales se puede representar de la siguiente manera: Nu H O O H H3C H H H H anion conjugado (estabilizado por resonancia) León Felipe Otálvaro Tamayo 7 Como predecir si una reacción ácido-base ocurrirá a partir de los valores de pKa Para dar respuesta a esta pregunta basta con analizar los pKa de las especies ácidas en ambos lados de la reacción. Por ejemplo, para la siguiente reacción: CH3CO2H + OH CH3CO2 + H2O si miramos la reacción de reactivos a productos, el ácido es el CH3CO2H, y si miramos de productos a reactivos, el ácido es el H2O. Consultando los valores de pKa para estas dos especies, podemos escribir: CH3CO2H + OH CH3CO2 + H 2O pKa=15.74 pKa=4.76 Para que la reacción sea favorable (termodinámicamente) en el sentido de reactivos a productos, debe suceder que lleguemos a un ácido menos fuerte que del que partimos, es decir, el ácido producido tendría que ser más débil y menos reactivo que el ácido inicial (o la base producida debe ser menos fuerte que la base inicial). Cuando esto ocurre, se puede asumir que la base desprotona por completo al ácido inicial! (por eso la flecha del equilibrio es tan pequeña en el sentido de derecha a izquierda). En el presente ejemplo, se observa que el agua con un pKa mayor que el del ácido acético, es un ácido mucho más debil. Entonces estamos pasando de un ácido más fuerte a uno más débil (de pKa 4.76 a 15.74). Es esta la razón por la cual en algunos textos la anterior reacción se dibuja así: CH3CO2H + OH CH3CO2 + H2O Lo que indica que el porcentaje de conversión del ácido acético en acetato es cercano al 100%. León Felipe Otálvaro Tamayo 8 Algunas veces sin embargo, una base débil puede desprotonar un ácido débil para dar una base más fuerte, así esta desprotonación sea termodinámicamente desfavorable, pero siempre y cuando la diferencia de pKa entre los ácidos (reactivo y producto) no sea más de 8!!, esta “regla de cajón”, conocida como la regla del pKa, nos dice si una desprotonación termodinámicamente desfavorable es permisible como para proponerla en un mecanismo. Ejemplo: O O + H 3C OH CH 3 pKa=20 + H 3C H2O CH 2 pKa=15.7 Según los pKa, esta reacción no es termodinámicamente favorable (de 20 pasa a 15.7, es decir, de un ácido débil a uno más fuerte), sin embargo, la diferencia de pKa (=20-15.7 = ~4) nos dice que, aunque no sea favorable, es lo suficientemente rápida como para proponerla en un mecanismo. Claro está que en tal caso, de darse esta reacción, el equilibrio estaría desplazado hacia la izquierda (pero ocurre!).