Práctica No. 1 Reacciones de sustitución nucleofílica alifática PDF

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LABORATORIO QUÍMICA ORGÁNICA II Fernando Torres Santander Práctica No. 1 “Reacciones de sustitución nucleofílica alifática” Clave: 18 Problema a resolver  

Obtener un haluro de alquilo terciario y uno primario, comparar las diferencias en la obtención de cada uno así como los mecanismos involucrados. Identificar los productos obtenidos, calcular rendimientos así como verificar la presencia de productos adversos presentes al final de cada una de las reacciones.

Resumen Las reacciones de sustitución son de las más importantes en química orgánica ya que éstas nos permiten crear nuevas moléculas a partir de las ya conocidas y así poder encontrar nuevas aplicaciones, el campo de aplicación es muy grande en nuevas investigaciones de biosíntesis. El presente informe habla de una parte de éstas reacciones, las reacciones de sustitución nucleofílica, las cuales encontramos en dos variantes, SN1 y SN2 que básicamente nos dan el mismo tipo de producto sólo difieren en cuestiones mecanísticas. Se obtuvieron resultados gratificantes, ya que se obtuvieron los productos esperados y los rendimientos fueron altos, siendo el del cloruro de terbutilo de 76.31 % y de bromuro de butilo de 83.23 %.

Análisis de Resultados En primera instancia tenemos la síntesis de cloruro de terbutilo.

En ésta reacción se dio una sustitución nucleofílica, para éste caso se sustituyó el hidroxilo de nuestro sustrato y se cambió por un ion cloruro, al analizar ésta reacción así como su mecanismo podemos notar que el sustrato es un alcohol de tipo terciario, por lo que podemos asegurar que ésta seguirá un mecanismo SN1, es decir, formará un carbocatión el cual será muy estable por el efecto inductivo generado por las especies presentes alrededor del carbocatión; además de que si nos fijamos en el disolvente nos asegura la SN1 al ser un disolvente polar prótico. En la segunda reacción realizada se tiene la síntesis de bromuro de butilo.

De la misma manera que la reacción anterior, se dio una sustitución nucleofílica, éste caso es muy similar al anterior en muchos aspectos, las diferencias radican en el sustrato utilizado, esto desemboca en que los mecanismos de reacción no serán iguales, para éste caso tenemos un sustrato de tipo primario, este nos Laboratorio de Química Orgánica II

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LABORATORIO QUÍMICA ORGÁNICA II Fernando Torres Santander indica inmediatamente que la reacción se llevará a cabo por una SN2, es decir será bimolecular. En este caso no se formará un intermediario de reacción solo se hará en un único paso, es decir, será concertada. Si bien el disolvente utilizado es polar prótico lo que en éste caso nos indica fuertemente que será SN2 es el sustrato por la gran inestabilidad que tendría en caso de formarse un carbocatión al ser un sustrato no impedido estéricamente será más viable por un mecanismo bimolecular. Ahora analizando y comprando ambas reacciones podemos percatarnos que una será más rápido que la otra, esto se debe a los mecanismo involucrados en las reacciones, sabemos que para una reacción de tipo SN1, es decir, unimolecular la velocidad de la reacción será de primer orden, ésta dependerá únicamente del sustrato (butanol, para nuestro caso), y la SN2 es llamada también bimolecular, es decir, su velocidad depende tanto del sustrato como del reactivo. Para explicar este resultado, necesitamos algunos datos más sobre las mediciones de la cinética. Varias reacciones orgánicas ocurren en muchos pasos, uno de los cuales es por lo general más lento que los otros. Llamamos a este paso lento la etapa limitante de la rapidez, o etapa determinante de la rapidez. Ninguna reacción puede proceder más rápido que su paso limitante de la rapidez, la cual actúa como un tipo de congestión vehicular, o cuello de botella. En la reacción SN1, el hecho de que el nucleófilo (reactivo, HCl) no aparece en la ecuación de rapidez de primer orden significa que el alcohol está involucrado en un paso limitante de la rapidez unimolecular, pero si el nucleófilo no está involucrado en el paso limitante de la rapidez, entonces debe estarlo en alguna otro paso no limitante de la rapidez. A diferencia de lo que sucede en una reacción SN2, en la que cuando se desplaza el grupo saliente al mismo tiempo que se aproxima el nucleófilo entrante, una reacción SN1 ocurre por la pérdida del grupo saliente antes de que se aproxime el nucleófilo. El butanol se disocia espontáneamente a un carbocatión ter-butilo más 𝑂𝐻 − en un paso lento limitante de la rapidez, y el carbocatión intermediario es inmediatamente atrapado por el nucleófilo ión cloruro en un segundo paso más rápido. En general, se explica que será más rápido ya que la formación del carbocatión más estable dará un tiempo mayor al nucleófilo para poder compensar la carga positiva por lo que será más rápida que una concertada donde los procesos se dan a la vez y el tiempo para que éste proceso suceda es menor por lo que es menos improbable, suele sonar confuso pero se explica que entre menos tiempo haya para la formación del producto habrá una velocidad menor; recordemos que no solo existen esos dos componentes en nuestra mezcla de reacción, si no que el impedimento de las demás especies impiden este proceso. En cuanto a los rendimientos: t-butanol utilizado (mL) 3 Rendimientos

Cloruro de t-butilo obtenido (mL) [Crudo] 2.7 76.31 %

(3 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻) × (

Cloruro de t-butilo obtenido (mL) [Seco] 1.4 39.69 %

0.804 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻 )×( ) = 0.0325 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻 1 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻 74.12 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻

(2.7 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙) × (

0.851 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙 ) = 0.0248 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙 )×( 92.57 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙 1 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙

(1.4 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙) × (

1 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙 0.851 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙 )×( ) = 0.0129 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙 1 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙 92.57 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝐶𝑙

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LABORATORIO QUÍMICA ORGÁNICA II Fernando Torres Santander n-butanol utilizado (mL) 3 Rendimientos

Bromuro de n-butilo obtenido (mL) [Crudo] 2.5 84.98 %

(3 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻) × (

Bromuro de n-butilo obtenido (mL) [Seco] 1.7 57.86 %

0.8098 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻 ) = 0.0273 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻 )×( 74.12 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻 1 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝑂𝐻

(2.5 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟) × (

1 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟 1.271 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟 )×( ) = 0.0232 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟 1 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟 137.02 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟

(21.7 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟) × (

1.271 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟 )×( ) = 0.0158 𝑚𝑜𝑙 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟 1 𝑚𝐿 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟 137.02 𝑔 𝐶4 𝐻9 𝐵𝑟

Los rendimientos son un poco contradictorios de acuerdo a las velocidades de reacción y a lo explicado anteriormente, lo que aquí sucede es por el tiempo que cada reacción se mantuvo antes de separar producto, para éste caso estuvo mucho más tiempo la segunda, en la cual hubo mejores rendimientos. Para el caso de las pruebas realizadas, en la de los halogenuros tanto por la presencia del cloro como la presencia del bromo en los productos finales; en el caso de la insaturaciones fueron negativas ya que no hubo obtención de alquenos. Conclusión En general podemos corroborar que el mejor mecanismo para una reacción de sustitución es el de SN1 ya que tendrá una velocidad mayor así como en teoría un mejor rendimiento, los rendimientos son muy buenos para éste caso así como la presencia de los productos finales. Es de vital importancia conocer las dos reacciones para que en un problema en la industria o aplicación podamos escoger los sustratos y reactivos más adecuados para cada caso.

Bibliografía 

McMurry, J. Química Orgánica. 7ª ed.; Cengage Learning: México, 2008; pp 365-381.

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