Fundamentos de Reactividad y Síntesis en Química Orgánica: Alquenos, Alquinos, Aromáticos y Alcoholes

Alquenos

Propiedades de los Alquenos

• Puntos de ebullición: Generalmente, cuanto más ramificado es un alqueno, menor es su punto de ebullición, similar a los alcanos.
• Solubilidad: Similar a los alcanos; son insolubles en agua y solubles en disolventes apolares.
• Estabilidad de isómeros: Los isómeros trans son generalmente más estables que los isómeros cis, los cuales a su vez son más estables que los alquenos geminales (con dos sustituyentes en el mismo carbono del doble enlace).
• Estabilidad en cicloalquenos: En cicloalquenos pequeños, los isómeros cis son más estables que los trans (estos últimos pueden no existir o ser muy inestables en anillos pequeños).

Síntesis de Alquenos

• Eliminación E2: Favorecida por haluros de alquilo (especialmente 3^os o 2^os) y bases fuertes impedidas.
• Eliminación E1: Favorecida por haluros de alquilo 3^os o 2^os en disolventes ionizantes y con bases débiles; puede haber reordenamientos.
• Craqueo catalítico: Ruptura de alcanos de cadena larga en presencia de aluminosilicatos como catalizadores, produciendo alquenos y alcanos más cortos.
• Deshidrogenación de alcanos: A altas temperaturas (ej. 450°C) y con catalizadores específicos (ej. Pt, Cr₂O₃), se pierden dos átomos de hidrógeno (H₂) para formar un alqueno.
• Deshalogenación de dibromuros vecinales: Eliminación de dos átomos de bromo de carbonos adyacentes (idealmente en disposición anti).
  • Reactivos: NaI en acetona o Zn en ácido acético.
  • Estereoquímica: Reacción anti. Un átomo de bromo actúa como grupo saliente, mientras el otro es captado por el metal (ej. Zn).
  • Productos: Alqueno y ZnBr₂ (si se usa Zn).
• Deshidratación de alcoholes:
  • Catalizadores: Medio ácido (H⁺, proveniente de ácidos como H₂SO₄ o H₃PO₄) y calor.
  • Es una reacción reversible. Pueden ocurrir reordenamientos de carbocationes para formar el alqueno más estable (regla de Zaitsev).
  • La reactividad de los alcoholes es: 3^os > 2^os > 1^os.
  • Mecanismo (simplificado para E1):
    1. Etapa rápida: Protonación del grupo OH (mal grupo saliente) por el ácido para formar H₂O⁺ (buen grupo saliente).
    2. Etapa lenta: Pérdida de H₂O para formar un carbocatión (C⁺).
    3. Etapa rápida: Una base (ej. H₂O o HSO₄^-) capta un protón (H⁺) de un carbono adyacente al C⁺, formando el doble enlace del alqueno.

Reacciones de los Alquenos

Adición Electrofílica

• Hidrogenación catalítica: Alqueno + H₂ (adición sin de dos átomos de hidrógeno) en presencia de catalizadores metálicos (Pd, Pt, Ni) para formar un alcano.
• Adición de HX (Halogenuros de hidrógeno, ej. HCl, HBr, HI):
  • Sigue la regla de Markovnikov (el H se adiciona al carbono del doble enlace con más hidrógenos, y el X al carbono más sustituido).
  • Mecanismo:
    1. El doble enlace ataca al protón (H⁺) del HX, formando el carbocatión más estable.
    2. Pueden ocurrir reordenamientos si se puede formar un carbocatión más estable (ej. de 2º a 3º).
    3. El ion haluro (X^-) ataca al carbocatión.
• Adición radicalaria de HBr:
  • Ocurre en presencia de peróxidos (ROOR), calor o luz UV.
  • Sigue una regioselectividad Anti-Markovnikov (el Br se adiciona al carbono menos sustituido del doble enlace).
  • El mecanismo es radicalario.
• Hidratación (adición de H₂O para formar alcoholes):
  • Sigue la regla de Markovnikov.
  • Catalizador: Ácido fuerte (ej. H₂SO₄ diluido).
  • Mecanismo:
    1. El H₃O⁺ (formado por el ácido en agua) cede un protón (H⁺) al alqueno, formando el carbocatión más estable.
    2. Una molécula de H₂O (nucleófilo) se une al carbocatión.
    3. Otra molécula de H₂O (base) toma un protón del agua unida al carbono, regenerando H₃O⁺ y dejando el grupo OH.
• Hidroboración-Oxidación:
  • Adición Anti-Markovnikov y estereoselectividad *sin*.
  • Reactivos: 1. Borano (BH₃·THF o B₂H₆). 2. Oxidación con H₂O₂ en medio básico (NaOH).
  • Mecanismo simplificado:
    1. Adición concertada del BH₃ al doble enlace: el átomo de hidrógeno (parcialmente negativo) del borano se une al carbono más sustituido y el boro (BH₂, parcialmente positivo) al carbono menos sustituido.
    2. Oxidación del alquilborano: el grupo boro es reemplazado por un grupo OH con retención de la estereoquímica.
• Halogenación (adición de X₂, donde X = Cl, Br):
  • Estereoselectividad *anti*.
  • Disolvente: Inerte como CHCl₃, CH₂Cl₂, CCl₄.
  • Mecanismo:
    1. El doble enlace ataca a una molécula de halógeno (X₂), formando un ion halonio cíclico (ej. ion bromonio).
    2. El ion haluro (X^-) restante ataca desde el lado opuesto (ataque *anti*) a uno de los carbonos del ion halonio, abriendo el ciclo y resultando en un dihaluro vecinal trans.
• Formación de Halohidrinas (adición de X₂ en presencia de H₂O):
  • Regioselectividad tipo Markovnikov para el grupo OH (se une al carbono más sustituido) y el halógeno X al menos sustituido. Estereoselectividad *anti*.
  • Reactivo nucleofílico principal: H₂O.
  • Mecanismo:
    1. El doble enlace ataca al X₂, formando el ion halonio.
    2. El H₂O (presente en mayor concentración que X^-) ataca al carbono más sustituido del ion halonio desde el lado *anti*.
    3. Desprotonación del agua unida para formar el grupo OH.
• Adición de Carbenos (ej. :CH₂, metileno):
  • El metileno, que puede generarse a partir de diazometano (CH₂N₂) (con luz o calor) o mediante la reacción de Simmons-Smith (CH₂I₂, Zn(Cu)), se adiciona al doble enlace de forma concertada (*sin*) para formar un ciclopropano.

Oxidación de Alquenos

• Hidroxilación *anti* (formación de dioles *trans*):
  1. Formación de un epóxido: Reacción del alqueno con un peroxoácido (ej. ácido m-cloroperoxibenzoico, m-CPBA) en un medio generalmente neutro. El oxígeno del peroxoácido forma un epóxido con el doble enlace.
  2. Apertura del epóxido: Hidrólisis del epóxido con H₂O en medio ácido (H₃O⁺) o básico. El agua ataca en *anti* al oxígeno del epóxido, formando un glicol (diol vecinal) con los dos grupos OH en lados opuestos de la molécula original.
• Hidroxilación *sin* (formación de dioles *cis*):
  • Reactivos: OsO₄ (tetraóxido de osmio) seguido de un agente reductor suave (ej. NaHSO₃, H₂O₂) O BIEN KMnO₄ diluido, frío y en medio neutro o ligeramente básico.
  • Ambos reactivos forman un intermediario cíclico con el alqueno, que luego se hidroliza para dar un diol *cis* (dos grupos OH en el mismo lado).
• Ruptura oxidativa parcial (Ozonólisis):
  • Reactivos: 1. O₃ (ozono). 2. Tratamiento con un agente reductor suave como (CH₃)₂S (dimetil sulfuro) o Zn en ácido acético.
  • Se rompe el doble enlace C=C, formando dos fragmentos, cada uno con un grupo carbonilo (aldehídos y/o cetonas). Se forma dimetilsulfóxido (DMSO) o ZnO como subproductos.
• Ruptura oxidativa total:
  • Reactivo: KMnO₄ concentrado y caliente, a menudo en medio ácido o básico seguido de acidificación.
  • Se rompe el doble enlace C=C. Los productos dependen de la sustitución de los carbonos del doble enlace:
    • Si un carbono tiene dos hidrógenos (CH₂=), se oxida a CO₂ y H₂O.
    • Si un carbono tiene un hidrógeno y un grupo alquilo (=CHR), se oxida a un ácido carboxílico (-COOH).
    • Si un carbono tiene dos grupos alquilo (=CR₂), se oxida a una cetona (-CO-R).
  • Inicialmente se puede formar un glicol, que luego se rompe.

Alquinos

El alquino más simple es el acetileno (etino). Son ligeramente más polares que alquenos y alcanos, con baja solubilidad en agua pero solubles en disolventes orgánicos polares y apolares.

Síntesis de Alquinos

• Alquilación de iones acetiluro:
  1. Formación del ion acetiluro: Un alquino terminal (R-C≡CH o HC≡CH) reacciona con una base muy fuerte como NaNH₂ (amiduro de sodio) en NH₃ líquido para desprotonarlo, formando el ion R-C≡C^-Na⁺.
  2. Reacción S_N2: El ion acetiluro (nucleófilo fuerte) reacciona con un haluro de alquilo primario (R'-X, donde X=Cl, Br, I) o metílico para formar un alquino interno (R-C≡C-R') o un alquino terminal más largo.
  Nota: Los iones acetiluro de alquinos terminales también reaccionan con sales de Ag⁺ y Cu(I) formando acetiluros metálicos que precipitan, lo cual puede usarse para su identificación.
• Adición de iones acetiluro a grupos carbonilo: El ion acetiluro actúa como nucleófilo.
  1. Ataque nucleofílico al carbono carbonílico.
  2. Protonación del alcóxido resultante con H₃O⁺.
  • Con formaldehído (H₂C=O): forma un alcohol propargílico primario.
  • Con otros aldehídos (R'HC=O): forma alcoholes propargílicos secundarios.
  • Con cetonas (R'₂C=O): forma alcoholes propargílicos terciarios.
• Doble deshidrohalogenación de dihaluros de alcano: Se pueden usar dihaluros vecinales o geminales.
  • Se elimina un H y un X por vez. La segunda deshidrohalogenación requiere condiciones más fuertes, como KOH en etanol a alta temperatura o, preferiblemente, NaNH₂ en NH₃ líquido. Si se usa NaNH₂ y se forma un alquino terminal, este se desprotonará a ion acetiluro, requiriendo una etapa de protonación (H₃O⁺) para obtener el alquino neutro.

Reactividad de los Alquinos

Hidrogenación Catalítica

• Reducción a alcanos: Alquino + 2H₂ en presencia de catalizadores como Pd, Pt o Ni. El alquino se reduce completamente a alcano, con adición de dos H a cada carbono del triple enlace.
• Reducción a alquenos Z-(cis): Alquino + H₂ utilizando el catalizador de Lindlar (Pd depositado sobre BaSO₄ o CaCO₃, envenenado con quinolina o acetato de plomo). La adición de hidrógeno es *sin*, uniéndose los dos H por el mismo lado del triple enlace.
• Reducción a alquenos E-(trans): Alquino + H₂ (conceptual, la fuente de H son los electrones y el NH₃) utilizando Na (o Li) en NH₃ líquido a baja temperatura. Cada H se une a un lado diferente del triple enlace (adición *anti*).

Otras Reacciones de Adición

• Adición de halógenos (X₂, donde X = Cl, Br):
  • Disolvente: Medio inerte (CHCl₃, CH₂Cl₂, CCl₄).
  • Con 1 equivalente de X₂: Se forma un dihaloalqueno, predominantemente el isómero trans (adición *anti*).
  • Con exceso de X₂ (2 equivalentes): Se forma un tetrahaloalcano (adición de 4 átomos de X).
• Adición de HX (Halogenuros de hidrógeno):
  • Sigue la regla de Markovnikov.
  • Con 1 equivalente de HX: En alquinos terminales, el H se adiciona al carbono con el hidrógeno acetilénico, y el X al otro carbono. En alquinos internos, puede dar mezclas si no son simétricos.
  • Con exceso de HX (2 equivalentes): Se forma un dihaluro geminal (ambos X en el mismo carbono).
• Adición de HBr (Anti-Markovnikov):
  • Solo con HBr en presencia de peróxidos y luz/calor.
  • Con 1 equivalente de HBr a un alquino terminal: El Br se une al carbono menos sustituido (el carbono terminal). Se forma una mezcla de haloalquenos E y Z.
• Hidratación (adición de H₂O):
  • Reactivos/Catalizadores: H₂O, H₂SO₄, HgSO₄ (sulfato de mercurio (II)).
  • Sigue la regla de Markovnikov.
  • Mecanismo y Producto:
    1. Adición electrofílica del ion mercúrico (Hg²⁺) al triple enlace, seguido del ataque nucleofílico del agua al carbono más sustituido del intermediario.
    2. Desprotonación y posterior reemplazo del mercurio por H (protólisis).
    3. Se forma un enol (alcohol vinílico), que es inestable y tautomeriza rápidamente a la forma ceto más estable: una cetona si el alquino es interno o terminal (R-C≡CH con R≠H), o un aldehído (etanal) si el alquino es acetileno (HC≡CH).

Oxidaciones de Alquinos

• Oxidación a α-dicetonas (1,2-dicetonas):
  • Reactivo/Catalizador: KMnO₄ frío, diluido, en medio neutro o ligeramente básico y acuoso.
  • Se unen dos grupos OH a cada carbono del triple enlace (formando un tetrol intermedio), que luego pierde dos moléculas de H₂O para dar una α-dicetona (R-CO-CO-R').
• Ruptura oxidativa:
  • Reactivo/Catalizador: KMnO₄ caliente y concentrado, en medio básico (OH^-) seguido de acidificación (H⁺), o en medio ácido.
  • Se rompe el triple enlace C≡C.
    • Alquinos internos (R-C≡C-R') dan dos ácidos carboxílicos (RCOOH y R'COOH).
    • Alquinos terminales (R-C≡CH) dan un ácido carboxílico (RCOOH) y CO₂ (a partir del carbono terminal ≡CH).
• Ozonólisis:
  • Reactivos: 1. O₃ (ozono). 2. H₂O (hidrólisis oxidativa).
  • Se rompe el triple enlace C≡C dando lugar a dos ácidos carboxílicos (R-C≡C-R' → RCOOH + R'COOH). Si el alquino es terminal (R-C≡CH), uno de los productos es CO₂.

Compuestos Aromáticos

Sustitución Electrofílica Aromática (SEAr)

Mecanismo general:

1. El sistema π del anillo aromático ataca a un electrófilo (E⁺), formando un carbocatión intermediario estabilizado por resonancia, llamado ion arenio o complejo sigma.
2. Una base (a menudo el contraión del electrófilo o el disolvente) abstrae un protón (H⁺) del carbono que lleva el electrófilo, restaurando la aromaticidad del anillo.

Efecto de los Sustituyentes en la SEAr

• Grupos Activantes: Donadores de densidad electrónica al anillo. Aumentan la velocidad de la SEAr y dirigen la entrada del nuevo sustituyente a posiciones orto y para.
  • Ejemplos: Grupos alquilo (-R), -OH, -OR (éteres), -NH₂, -NHR, -NR₂ (aminas), -NHCOR (amidas).
• Grupos Desactivantes: Atractores de densidad electrónica del anillo. Disminuyen la velocidad de la SEAr.
  • Dirigentes a meta: -NO₂ (nitro), -CN (ciano), -CHO (aldehído), -COR (cetona), -COOH (ácido carboxílico), -COOR (éster), -SO₃H (ácido sulfónico), -NR₃⁺ (sales de amonio cuaternario).
  • Dirigentes a orto y para (pero desactivantes débiles): Halógenos (-F, -Cl, -Br, -I). Su efecto inductivo atractor es más fuerte que su efecto mesomérico donador.

Reacciones Específicas de SEAr

• Halogenación:
  • Bromación: Benceno + Br₂ en presencia de FeBr₃ (o Fe) como catalizador. Productos: Bromobenceno + HBr. El catalizador polariza el Br₂ para generar el electrófilo Br⁺.
  • Cloración: Benceno + Cl₂ en presencia de AlCl₃ (o FeCl₃) como catalizador. Productos: Clorobenceno + HCl.
  • Iodación: Benceno + I₂ en presencia de un agente oxidante como HNO₃ o CuCl₂. Productos: Iodobenceno + subproductos (ej. NO₂ + H₂O si se usa HNO₃).
• Sulfonación: Benceno + SO₃ (trióxido de azufre) en presencia de H₂SO₄ fumante (H₂SO₄ + SO₃). Producto: Ácido bencenosulfónico (Benceno-SO₃H). Es una reacción reversible.
• Nitración: Benceno + HNO₃ en presencia de H₂SO₄ concentrado como catalizador. Producto: Nitrobenceno + H₂O. El H₂SO₄ protona al HNO₃ para generar el ion nitronio (NO₂⁺), que es el electrófilo.
• Alquilación de Friedel-Crafts: Introducción de un grupo alquilo (-R) en el anillo.
  • Con haluros de alquilo (R-X): Benceno + R-X en presencia de un ácido de Lewis como AlCl₃ o FeBr₃. El catalizador ayuda a generar el electrófilo (un carbocatión R⁺ o un complejo polarizado). Limitaciones: Pueden ocurrir reordenamientos de carbocationes. El producto alquilbenceno es más reactivo que el benceno, pudiendo dar polialquilación. No funciona con anillos fuertemente desactivados ni con haluros de arilo o vinilo.
  • Con alquenos: Benceno + Alqueno en presencia de un ácido prótico fuerte (ej. HF, H₂SO₄) o un ácido de Lewis. El alqueno se protona (o compleja) para formar un carbocatión (siguiendo Markovnikov) que actúa como electrófilo.
  • Con alcoholes (R-OH): Benceno + R-OH en presencia de un ácido de Lewis como BF₃ o un ácido prótico fuerte. El alcohol se protona y pierde agua para formar un carbocatión.
• Acilación de Friedel-Crafts: Introducción de un grupo acilo (R-CO-) en el anillo.
  • Reactivos: Benceno + Haluro de acilo (R-CO-X) o Anhídrido de ácido ((RCO)₂O).
  • Catalizador: Ácido de Lewis como AlCl₃ (generalmente se requiere más de 1 equivalente estequiométrico debido a la complejación con el producto cetona).
  • El electrófilo es el ion acilio (R-C≡O⁺), que no sufre reordenamientos. El producto (una arilcetona) es menos reactivo que el benceno (el grupo acilo es desactivante), por lo que no hay poliacilación.

Alcoholes

Síntesis de Alcoholes

• A partir de haluros de alquilo (S_N1 o S_N2): Reacción con H₂O (S_N1, para 2º y 3º) o NaOH/KOH acuoso (S_N2 para 1º y metílicos; S_N1/S_N2/E2 para 2º). Las bases fuertes pueden favorecer la eliminación (E2) en haluros 2º y 3º.
• Hidratación de alquenos: Ver sección de reacciones de alquenos (Markovnikov con H₃O⁺; Anti-Markovnikov con hidroboración-oxidación).
• Reducción de compuestos carbonílicos:
  • Aldehídos (RCHO) se reducen a alcoholes primarios (RCH₂OH).
  • Cetonas (RCOR') se reducen a alcoholes secundarios (RCH(OH)R').
  • Reactivos: Hidruros metálicos como NaBH₄ (borohidruro de sodio, más selectivo, usado en EtOH o MeOH) o LiAlH₄ (hidruro de litio y aluminio, más potente, requiere disolvente aprótico como éter o THF, y posterior hidrólisis ácida H₃O⁺).
• Adición de reactivos organometálicos (Grignard R-MgX, Organolitio R-Li) a compuestos carbonílicos (seguido de hidrólisis H₃O⁺):
  • A formaldehído (H₂C=O): produce alcoholes primarios (RCH₂OH).
  • A otros aldehídos (R'CHO): produce alcoholes secundarios (RCH(OH)R').
  • A cetonas (R'COR''): produce alcoholes terciarios (RC(OH)R'R'').
  • A ésteres (R'COOR''): reaccionan con 2 equivalentes de Grignard/organolitio para dar alcoholes terciarios (con dos grupos R idénticos provenientes del organometálico) tras la hidrólisis (pasan por una cetona intermedia).
  • A óxido de etileno (epóxido): produce alcoholes primarios con dos carbonos más en la cadena (RCH₂CH₂OH).
• Síntesis de alcoholes acetilénicos: Adición de iones acetiluro a aldehídos (produce alcoholes propargílicos 2^os) o cetonas (produce alcoholes propargílicos 3^os), como se vio en la sección de alquinos.

Reactividad de los Alcoholes

• Como ácidos y bases: Los alcoholes son anfóteros débiles. Pueden actuar como ácidos débiles (cediendo el H del -OH) o como bases débiles (aceptando un H⁺ en el oxígeno del -OH).
• Conversión a haluros de alquilo:
  • Con HX (HCl, HBr, HI): La reactividad es 3^os > 2^os > 1^os. Los alcoholes 3^os y 2^os reaccionan vía S_N1 (protonación del OH, pérdida de H₂O para formar C⁺, ataque del X^-). Los alcoholes 1^os reaccionan vía S_N2 (requieren condiciones más fuertes o catalizadores). El Reactivo de Lucas (ZnCl₂ en HCl concentrado) se usa para distinguir entre alcoholes 1^os, 2^os y 3^os. HF no suele usarse directamente.
  • Con haluros de fósforo (PCl₃, PBr₃, PI₃ generado in situ P+I₂) o cloruro de tionilo (SOCl₂): Convierten alcoholes (especialmente 1^os y 2^os) en los correspondientes haluros de alquilo (R-Cl, R-Br, R-I). PCl₅ también puede usarse para R-Cl.
• Deshidratación a alquenos: Ver síntesis de alquenos.
• Oxidación:
  • Alcoholes primarios (RCH₂OH):
    • A aldehídos (RCHO): Se usan reactivos suaves como PCC (clorocromato de piridinio) en CH₂Cl₂, o la oxidación de Swern.
    • A ácidos carboxílicos (RCOOH): Se usan oxidantes fuertes como KMnO₄, CrO₃/H₂SO₄ (reactivo de Jones), o HNO₃.
  • Alcoholes secundarios (RCH(OH)R'): Se oxidan a cetonas (RCOR') utilizando la mayoría de los oxidantes mencionados (PCC, Jones, KMnO₄).
  • Alcoholes terciarios (R₃COH): Son resistentes a la oxidación en condiciones normales (no tienen H en el carbono que porta el OH). En condiciones muy fuertes, se rompen enlaces C-C.
• Conversión a sulfonatos (tosilatos -OTs, mesilatos -OMs): El alcohol reacciona con cloruro de tosilo (TsCl) o cloruro de mesilo (MsCl) en presencia de piridina. El grupo -OH se convierte en un excelente grupo saliente (-OTs, -OMs). Estos ésteres sulfónicos reaccionan fácilmente en reacciones S_N2 o E2 con nucleófilos/bases fuertes.
• Esterificación de Fischer: Alcohol + Ácido Carboxílico ⇌ Éster + H₂O. Es una reacción reversible catalizada por ácido (ej. H₂SO₄). El oxígeno del alcohol (R'-OH) ataca al carbono carbonílico del ácido (RCOOH), y el grupo -OR' del alcohol reemplaza al -OH del ácido.
• Formación de éteres:
  • Síntesis de Williamson (más general): Alcoholato (RO^-, formado por reacción del alcohol con NaH o Na) + Haluro de alquilo primario (R'-X) → Éter (R-O-R') + NaX (reacción S_N2).
  • Deshidratación bimolecular de alcoholes (para éteres simétricos): 2 R-OH + Ácido fuerte (ej. H₂SO₄, calor) → R-O-R + H₂O. Funciona bien para éteres simétricos a partir de alcoholes primarios. Con alcoholes secundarios y terciarios, la eliminación (formación de alquenos) es una reacción competitiva importante.
• Reordenamiento Pinacólico (para 1,2-dioles o glicoles): Los 1,2-dioles en medio ácido (ej. H₂SO₄) sufren una deshidratación con reordenamiento del esqueleto carbonado (migración de un grupo alquilo o arilo) para formar una cetona o un aldehído. Por ejemplo, la protonación de un OH, pérdida de agua, formación de C⁺, migración de un grupo CH₃ (u otro) al C⁺, y desprotonación del otro OH para formar un C=O.