Investigue la relación entre la estructura y las propiedades de los haluros de alquilo - Sesión 1

Los haluros de alquilo son una clase de compuestos orgánicos que consisten en un átomo de halógeno unido a un átomo de carbono de un grupo alquilo. En los haluros de alquilo, el átomo de halógeno está unido directamente a un átomo de carbono. La fórmula general de los haluros de alquilo es R-X. ¿Puedes decir qué representan la R y la X? Un ejemplo de haluro de alquilo es el cloroetano. Los puntos de ebullición de los haluros de alquilo son más altos que los de los alcanos similares. También son más reactivos que los alcanos simples. Pero ¿por qué son más reactivos y tienen puntos de ebullición más altos que los alcanos?.

El alto punto de ebullición y la reactividad de los haluros de alquilo se deben a la naturaleza polar de los haluros de alquilo. Los haluros de alquilo exhiben una naturaleza polar debido a la diferencia de electronegatividad entre los átomos de carbono y halógeno en el enlace carbono-halógeno. La electronegatividad es la capacidad de un átomo de atraer un par de electrones compartidos hacia sí mismo en un enlace químico. Por ejemplo, en una molécula de cloruro de hidrógeno, el átomo de cloro es más electronegativo que el hidrógeno. Entonces, la densidad de electrones está más concentrada hacia el átomo de cloro.

Los átomos de halógeno son más electronegativos que el carbono. El átomo de halógeno electronegativo atrae a los electrones compartidos en el enlace carbono-halógeno más cerca de sí mismo. Esto crea una carga negativa parcial en el átomo de halógeno. Simultáneamente, el átomo de carbono se vuelve parcialmente positivo. Esto se debe a que la densidad de electrones se aleja del carbono hacia el halógeno. Esta polaridad en el enlace da lugar a la polaridad general de la molécula de haluro de alquilo.

Ahora sabemos que los haluros de alquilo tienen naturaleza polar. El punto de ebullición más alto de los haluros de alquilo se debe a la presencia de fuerzas de atracción entre las moléculas de haluros de alquilo. Estas fuerzas de atracción se denominan interacciones dipolo-dipolo. Las interacciones dipolo-dipolo ocurren entre el extremo parcialmente positivo de una molécula y el extremo parcialmente negativo de otra molécula. Se requiere más energía para romper estas interacciones dipolo-dipolo. Como resultado, los haluros de alquilo tienen puntos de ebullición más altos.

Los haluros de alquilo son muy reactivos debido a su naturaleza polar. Sabemos que el átomo de halógeno del haluro de alquilo retira densidad electrónica del átomo de carbono. Como resultado, el átomo de halógeno se separa del haluro de alquilo. El átomo de carbono del haluro de alquilo se carga positivamente. Este grupo alquilo con un átomo de carbono cargado positivamente se llama carbocatión. Ya sabemos que los carbocationes son reactivos. Pueden reaccionar con nucleófilos.

Los haluros de alquilo experimentan fácilmente reacciones de sustitución nucleofílica. Durante esta reacción, el átomo de halógeno del haluro de alquilo es reemplazado por el nucleófilo. Por ejemplo, el clorometano reacciona con hidróxido de sodio para formar metanol. El ion hidróxido del hidróxido de sodio actúa como nucleófilo. Reemplaza el átomo de cloro del clorometano.

Hay dos tipos de reacciones de sustitución nucleofílica. Estas son la sustitución nucleofílica bimolecular y la sustitución nucleofílica unimolecular. El átomo de halógeno del haluro de alquilo se llama grupo saliente. Durante la reacción de sustitución nucleofílica bimolecular, el nucleófilo desplaza un grupo saliente de una molécula orgánica en un solo paso. En los haluros de alquilo, el grupo saliente es el átomo de halógeno. La reacción de sustitución nucleofílica bimolecular se llama así porque involucra a las dos moléculas en un solo paso. Uno es nucleófilo, el otro es haluro de alquilo.

Analicemos el mecanismo de esta reacción. En primer lugar, el nucleófilo ataca al átomo de carbono del haluro de alquilo desde el lado opuesto del átomo de halógeno. El enlace entre el átomo de halógeno y el átomo de carbono del haluro de alquilo comienza a romperse. Al mismo tiempo se produce la formación del enlace entre el nucleófilo y el átomo de carbono. En otras palabras podemos decir que se forma un estado de transición. En este estado de transición, la formación y la ruptura de enlaces tienen lugar al mismo tiempo. Finalmente, el enlace entre el halógeno y el átomo de carbono se rompe y se forma el producto. Las reacciones de sustitución nucleofílica bimolecular también se denominan SN2Reacciones.

Los haluros de alquilo primarios prefieren la sustitución nucleofílica bimolecular. Sin embargo, los haluros de alquilo terciarios no prefieren la sustitución nucleofílica bimolecular. ¿Pero por qué? Los haluros de alquilo terciarios tienen grupos alquilo unidos al átomo de carbono desde todos los lados. En otras palabras, podemos decir que el átomo de carbono está abarrotado. Debido a esto, el nucleófilo no puede atacar al átomo de carbono desde atrás, en dirección opuesta al átomo de halógeno. Por otro lado, los haluros de alquilo primarios no están abarrotados. Pueden experimentar fácilmente sustitución nucleofílica bimolecular.

Ahora entendamos la reacción de sustitución nucleofílica unimolecular de los haluros de alquilo. Unimolecular significa que sólo una molécula está involucrada en el primer paso de la reacción. Esta reacción tiene dos pasos. En el primer paso, el átomo de halógeno del haluro de alquilo se desprende. Como resultado se forma el carbocatión. En el segundo paso, el nucleófilo ataca al carbocatión y forma el producto. Los haluros de alquilo terciarios experimentan sustitución nucleofílica unimolecular. Las reacciones de sustitución nucleofílica unimolecular también se denominan SN1Reacciones.

¿Has pensado por qué los haluros de alquilo terciarios preferirían sufrir una sustitución nucleofílica unimolecular? Esto se debe a que en la sustitución nucleofílica unimolecular, el carbocatión se forma en el primer paso. Un carbocatión más estable significa que se formará un producto estable. Por lo tanto, el carbocatión terciario es el más estable. Mientras tanto, los haluros de alquilo primarios formarían un carbocatión primario. El carbocatión primario no es estable. Es por eso que los haluros de alquilo terciarios sufrirán sustitución nucleofílica unimolecular.

Una reacción de eliminación es un tipo de reacción orgánica en la que se eliminan átomos o grupos de átomos de una molécula. Esto da como resultado la formación de un doble enlace entre dos átomos de carbono en la molécula. Durante la reacción de eliminación del haluro de alquilo, el átomo de halógeno unido al átomo de carbono se desprende. El átomo de hidrógeno unido al siguiente átomo de carbono es eliminado por una base. Una base es una especie que puede aceptar iones de hidrógeno. Como resultado se forma un doble enlace entre dos átomos de carbono. En esta reacción se forma un alqueno como producto.

Hay dos tipos de reacciones de eliminación. Una es la reacción de eliminación bimolecular y la otra es la reacción de eliminación unimolecular. Durante la reacción de eliminación bimolecular de haluros de alquilo suceden dos cosas al mismo tiempo. Son el proceso de salida de un átomo de halógeno y ataque de una base para eliminar el átomo de hidrógeno. El ion hidróxido actúa como base para eliminar el hidrógeno del haluro de alquilo. Como resultado se forma un alqueno. Las reacciones de eliminación bimolecular también se denominan E2Reacciones.

En la reacción de eliminación unimolecular de haluros de alquilo, en el primer paso el átomo de halógeno se separa del haluro de alquilo. Como resultado se forma el carbocatión. En el segundo paso, la base elimina el átomo de hidrógeno del haluro de alquilo. El doble enlace se forma entre dos átomos de carbono. El alqueno se forma como producto. Los haluros de alquilo terciarios experimentan una reacción de eliminación unimolecular. Las reacciones de eliminación unimolecular también se denominan E1Reacciones.

Como hemos estudiado en reacciones anteriores, el átomo de carbono de los haluros de alquilo es deficiente en electrones. Actúa como electrófilo. Pero el mismo átomo de carbono puede convertirse en una especie rica en electrones. También puede actuar como nucleófilo. ¿Pero cómo? Cuando los haluros de alquilo reaccionan con el metal magnesium en presencia de éter seco, forman el reactivo de Grignard. El reactivo de Grignard tiene fórmula general RMgX. R representa el grupo alquilo. X representa el átomo de halógeno.

En el reactivo de Grignard, el metal magnesium se une directamente al átomo de carbono. Sabemos que el carbono es más electronegativo que el magnesium. En este caso, el carbono se vuelve rico en electrones. Actúa como nucleófilo. El reactivo de Grignard actúa como una base muy fuerte y un nucleófilo.