Química universitaria — primer año · Bachelor Year 1

22Los alcoholes: activar el grupo OH

Los alcoholes están en todas partes: se fabrican por toneladas a partir de alquenos y por fermentación, y los da cada adición de Grignard del capítulo anterior. Sin embargo, un alcohol no sufre una sustitución como un halogenoalcano: el grupo OH tendría que salir como ion hidróxido, una base fuerte y un grupo saliente muy malo (Capítulo 19). Los químicos tienen tres respuestas. Si se arranca el protón del OH, el alcóxido se convierte en un nucleófilo potente. Si se añade un protón, el grupo saliente pasa a ser el agua. O bien se sustituye el hidrógeno por un grupo que convierte el oxígeno en parte de un grupo saliente excelente, sin tocar el carbono. Este capítulo sigue las tres vías, y las elecciones de mecanismo y de estereoquímica que las acompañan.

Lo que ya sabes

La SN1, la SN2 y su estereoquímica (Capítulo 19); la E1, la E2 y la regla de Zaitsev (Capítulo 20); las constantes de acidez y el método de la reacción predominante (Capítulo 10); el efecto de los grupos alquilo sobre la acidez de los alcoholes (Ejercicio 18.11).

22.1 Los alcoholes como ácidos: los alcóxidos

Definición 22.1 (Alcóxido)

Un alcóxido es la base conjugada $\ce{RO-}$ de un alcohol $\ce{ROH}$ : metóxido $\ce{CH3O-}$ , etóxido $\ce{CH3CH2O-}$ , terc-butóxido $\ce{(CH3)3CO-}$ . Los alcóxidos son bases fuertes y buenos nucleófilos.

Proposición 22.2 (Acidez de los alcoholes)

Los alcoholes son ácidos más débiles que el agua o casi tan débiles como ella: $\mathrm{p}K_a$ 15.5 (metanol), 15.9 (etanol), 17.1 (propan-2-ol), 19.2 (2-metilpropan-2-ol), frente a 14.0 para el par $\ce{H2O}$ / $\ce{OH-}$ . Por eso el hidróxido solo los desprotona en parte; una conversión completa en el alcóxido necesita una base más fuerte o un metal alcalino.

Demostración. La reacción $\ce{ROH + OH- <=> RO- + H2O}$ tiene $K = 10^{14.0 - \mathrm{p}K_a(\ce{ROH})}$ , entre $10^{-1.5}$ y $10^{-5}$ : desfavorable. El sodio metálico reduce el protón, $\ce{2ROH + 2Na -> 2RO- + 2Na+ + H2}$ , y el ion hidruro del hidruro de sodio lo toma de forma irreversible, $\ce{ROH + H- -> RO- + H2}$ : el hidrógeno se escapa, y la reacción es completa sea cual sea su constante de equilibrio. ∎

En el laboratorio — El hidruro de sodio

El hidruro de sodio se vende como un polvo gris disperso en aceite mineral, que lo protege de la humedad del aire. Reacciona violentamente con el agua, desprendiendo hidrógeno inflamable; se pesa deprisa, se añade en porciones al alcohol seco bajo gas inerte, y el burbujeo de hidrógeno muestra el avance de la desprotonación. Al final, el hidruro en exceso se destruye añadiendo lentamente un alcohol, nunca agua.

22.2 La síntesis de Williamson de éteres

Definición 22.3 (Síntesis de Williamson)

La síntesis de Williamson prepara un éter $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ mediante una reacción SN2 de un alcóxido $\ce{RO-}$ sobre un halogenoalcano (o un éster sulfonato) $\mathrm{R'{-}X}$ .

Síntesis de Williamson del metoxietano: el etóxido ataca el carbono del yodometano por el lado opuesto al yodo (SN2).

Método 22.4 (Elegir los dos participantes)

Un éter $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ puede cortarse a uno u otro lado del oxígeno.

Se escriben las dos parejas posibles: $\ce{RO-}$ con $\mathrm{R'X}$ , y $\mathrm{R'O^-}$ con $\ce{RX}$ .
Se conserva la pareja en la que el haluro es metílico o primario: la SN2 necesita un carbono no impedido.
Se descarta una pareja con un haluro terciario: el alcóxido, una base fuerte, eliminaría (E2) en su lugar.
Con un haluro secundario, cabe esperar una mezcla de éter y alqueno.

Ejemplo 22.5 (Un éter asimétrico)

El 2-metoxi-2-metilpropano (metil terc-butil éter): el terc-butóxido de sodio con yodometano lo da limpiamente; el metóxido de sodio con el bromuro terciario, el 2-bromo-2-metilpropano, da 2-metilpropeno por E2. Voluminoso del lado del alcóxido, pequeño del lado del haluro.

22.3 Activar el grupo OH

Definición 22.6 (Ésteres sulfonato)

Un éster sulfonato $\mathrm{R{-}O{-}SO_2{-}R'}$ se forma a partir de un alcohol y un cloruro de sulfonilo $\mathrm{R'SO_2Cl}$ en presencia de una base (piridina). El tosilato, $\ce{R-OTs}$ , procede del cloruro de 4-metilbencenosulfonilo (cloruro de tosilo), y el mesilato, $\ce{R-OMs}$ , del cloruro de metanosulfonilo. El anión sulfonato $\mathrm{R'SO_3^-}$ , base conjugada de un ácido fuerte y estabilizado por resonancia sobre tres oxígenos, es un grupo saliente excelente.

Tosilación de un alcohol. El enlace O–H se sustituye por O–S; el enlace C–O del alcohol no se toca. La piridina capta el HCl formado.

Proposición 22.7 (La configuración en la tosilación y la sustitución)

La tosilación de un alcohol sobre un carbono estereogénico conserva su configuración (retención); una sustitución SN2 posterior del tosilato la invierte. Las dos etapas juntas sustituyen el OH por un nucleófilo con inversión.

Demostración. En la tosilación, los enlaces que cambian son O–H y S–Cl: el oxígeno del alcohol ataca el azufre y su hidrógeno pasa a la base. No se rompe ningún enlace con el carbono estereogénico, de modo que la disposición a su alrededor es la misma. En la etapa SN2, el enlace C–O se rompe mientras el nucleófilo se une por el lado opuesto (Proposición 19.4). ∎

Del (S)-butan-2-ol al 2-metilbutanonitrilo: la tosilación conserva la configuración y la etapa SN2 con cianuro la invierte. En conjunto: OH sustituido por CN con inversión.

Al mismo objetivo puede llegarse en medio ácido: el grupo OH, protonado, sale como agua, $\ce{R-OH2+ -> R+ + H2O}$ (SN1, E1) o bajo un ataque (SN2). Sin embargo, el ácido limita el nucleófilo a los que lo resisten — iones haluro, agua, alcoholes — y abre la puerta a los carbocationes y sus reacciones secundarias.

22.4 Conversión en halogenoalcanos

Proposición 22.8 (Los alcoholes y los haluros de hidrógeno)

Los alcoholes terciarios dan el halogenoalcano con ácido clorhídrico concentrado a temperatura ambiente (SN1); los alcoholes primarios necesitan ácido bromhídrico o yodhídrico y calentamiento (SN2 sobre el alcohol protonado); los alcoholes secundarios reaccionan a velocidades intermedias, a menudo por los dos mecanismos.

Demostración. La protonación convierte el OH en $\ce{-OH2+}$ . En un alcohol terciario, el agua sale con facilidad y da un carbocatión estable que el haluro captura (SN1): incluso el modesto nucleófilo $\ce{Cl-}$ basta. Un carbocatión primario es demasiado inestable; el haluro debe empujar el agua desde atrás (SN2), lo que exige un buen nucleófilo ( $\ce{Br-}$ , $\ce{I-}$ , mejores que $\ce{Cl-}$ en medio prótico, Proposición 18.12) y calor. ∎

Ejemplo 22.9 (Un ensayo de clasificación)

Una mezcla de ácido clorhídrico concentrado y cloruro de cinc (un ácido de Lewis que ayuda a salir al OH) enturbia un alcohol terciario al instante — el cloruro insoluble se separa —, un alcohol secundario en unos minutos y un alcohol primario apenas, a temperatura ambiente: el orden de estabilidad de los carbocationes, hecho visible en un tubo de ensayo.

22.5 Deshidratación y formación de éteres en medio ácido

Definición 22.10 (Deshidratación de un alcohol)

La deshidratación de un alcohol es la eliminación de agua, catalizada por un ácido fuerte (ácido sulfúrico o fosfórico) y el calor, que da un alqueno: $\mathrm{R_2CH{-}CR'_2OH} \to \mathrm{R_2C{=}CR'_2} + \ce{H2O}$ .

Deshidratación catalizada por ácido del 2-metilbutan-2-ol (E1): protonación, pérdida de agua hasta el carbocatión terciario y pérdida de un protón. Arrancar el protón del CH2 da el 2-metilbut-2-eno trisustituido (Zaitsev, mayoritario); arrancarlo de un grupo metilo, el 2-metilbut-1-eno (minoritario). — Deshidratación catalizada por ácido del 2-metilbutan-2-ol (E1): protonación, pérdida de agua hasta el carbocatión terciario y pérdida de un protón. Arrancar el protón del $\ce{CH2}$ da el 2-metilbut-2-eno trisustituido (Zaitsev, mayoritario); arrancarlo de un grupo metilo, el 2-metilbut-1-eno (minoritario).

Proposición 22.11 (Éter o alqueno)

Un alcohol primario calentado con ácido sulfúrico da sobre todo un éter simétrico a temperatura moderada (una molécula sustituye a otra por SN2), y sobre todo un alqueno a temperatura más alta; los alcoholes secundarios y terciarios dan alquenos.

Demostración. En un alcohol primario, el alcohol protonado puede ser atacado en el carbono por una segunda molécula de alcohol (SN2, que da $\ce{R-O-R}$ tras la pérdida de un protón) o en un hidrógeno $\beta$ (E2). La eliminación forma más moléculas de las que consume y se ve favorecida al subir la temperatura (Proposición 20.10); la sustitución domina cuando es más baja. Los alcoholes secundarios y terciarios se ionizan a carbocationes, que pierden un protón con más facilidad de lo que un nucleófilo débil los captura, y tanto más al calentar; además, el agua formada se elimina destilando el alqueno, volátil. ∎

22.6 Ejercicios

Ejercicio 22.1 ★

Escríbanse las reacciones del etanol con el sodio, con el hidruro de sodio y con el hidróxido de sodio; calcúlese la constante de la última ( $\mathrm{p}K_a$ del etanol, 15.9).

Solución

Solución de Ejercicio 22.1.

$\ce{2CH3CH2OH + 2Na -> 2CH3CH2O- + 2Na+ + H2}$ ; $\ce{CH3CH2OH + NaH -> CH3CH2O- + Na+ + H2}$ ; $\ce{CH3CH2OH + OH- <=> CH3CH2O- + H2O}$ , $K = 10^{14.0 - 15.9} = 10^{-1.9}$ : parcial.

Ejercicio 22.2 ★

Dense los productos de: el metóxido de sodio con el 1-bromopropano; el etóxido de sodio con el yodometano; el fenóxido de sodio con el bromoetano.

Solución

Solución de Ejercicio 22.2.

1-Metoxipropano; metoxietano; etoxibenceno (el fenóxido, una base más débil que un alcóxido, sigue siendo un buen nucleófilo).

Ejercicio 22.3 ★

Escríbanse la tosilación del propan-1-ol y la reacción del tosilato con yoduro de sodio. ¿Qué ventaja tiene sobre la reacción directa del alcohol con yoduro de sodio?

Solución

Solución de Ejercicio 22.3.

La tosilación en piridina da $\ce{CH3CH2CH2OTs}$ ; después,

\ce{CH3CH2CH2OTs + I- -> CH3CH2CH2I + TsO-}.

Directamente, el yoduro tendría que expulsar $\ce{OH-}$ : no hay reacción. El tosilato tiene un grupo saliente excelente, y las condiciones no son ni ácidas ni fuertemente básicas.

Ejercicio 22.4 ★

Dense los alquenos que se forman por deshidratación ácida del butan-2-ol y del 2-metilpentan-2-ol, y el mayoritario.

Solución

Solución de Ejercicio 22.4.

Butan-2-ol: but-1-eno, (Z)- y (E)-but-2-eno; mayoritario, (E)-but-2-eno. 2-Metilpentan-2-ol: 2-metilpent-2-eno (mayoritario, trisustituido) y 2-metilpent-1-eno.

Ejercicio 22.5 ★★

Propóngase una síntesis de Williamson del 1-etoxi-2-metilpropano y explíquese la elección de los participantes. ¿Por qué la otra elección daría un alqueno?

Solución

Solución de Ejercicio 22.5.

$\ce{(CH3)2CHCH2-O-CH2CH3}$ : 2-metilpropan-1-olato de sodio con bromoetano, o etóxido de sodio con 1-bromo-2-metilpropano. Ambos haluros son primarios, pero el 1-bromo-2-metilpropano está ramificado junto al carbono que reacciona, lo que frena la SN2 y deja eliminar a la base fuerte (2-metilpropeno). La primera elección es mejor.

Ejercicio 22.6 ★★

El (R)-octan-2-ol se convierte en su tosilato y después se trata con etóxido de sodio en etanol. Dese la configuración del éter. ¿Qué se obtendría calentando el mismo alcohol con ácido sulfúrico?

Solución

Solución de Ejercicio 22.6.

El tosilato conserva la configuración (R); la SN2 con etóxido la invierte: (S)-2-etoxioctano (el OEt tiene la primera prioridad, como la tenía el OTs). Con ácido sulfúrico y calor: eliminación a octenos (sobre todo (E)-oct-2-eno), a través de un carbocatión secundario, con pérdida de la estereoquímica.

Ejercicio 22.7 ★★

Escríbase el mecanismo de la reacción del 2-metilpropan-2-ol con ácido clorhídrico concentrado y explíquese por qué la reacción es rápida a temperatura ambiente.

Solución

Solución de Ejercicio 22.7.

Protonación del OH; pérdida de agua hasta el carbocatión terciario (lenta); captura por $\ce{Cl-}$ : 2-cloro-2-metilpropano. Es rápida porque el carbocatión terciario es estable y el cloruro, insoluble en el ácido, se separa.

Ejercicio 22.8 ★★

Escríbanse el mecanismo de la formación del etoxietano a partir del etanol en ácido sulfúrico y la eliminación que compite con ella.

Solución

Solución de Ejercicio 22.8.

$\ce{CH3CH2OH + H+ -> CH3CH2OH2+}$ ; un segundo etanol ataca el carbono por detrás mientras sale el agua (SN2): $\ce{(CH3CH2)2OH+}$ , que pierde un protón: etoxietano. En competencia: una base (etanol, $\ce{HSO4-}$ ) toma un protón $\beta$ del $\ce{CH3CH2OH2+}$ mientras sale el agua (E2): eteno.

Ejercicio 22.9 ★★

En el ensayo de clasificación de este capítulo, ¿qué alcohol se enturbia primero entre el butan-1-ol, el butan-2-ol y el 2-metilpropan-2-ol? Escríbase el producto.

Solución

Solución de Ejercicio 22.9.

El 2-metilpropan-2-ol (terciario), que da 2-cloro-2-metilpropano, insoluble.

Ejercicio 22.10 ★★★

El 3,3-dimetilbutan-2-ol, calentado en medio ácido, da sobre todo 2,3-dimetilbut-2-eno, cuyo esqueleto carbonado difiere del del alcohol. Propóngase un mecanismo con una migración 1,2 de un grupo metilo en el carbocatión, y justifíquese la migración.

Solución

Solución de Ejercicio 22.10.

La protonación y la pérdida de agua dan un carbocatión secundario contiguo a un carbono cuaternario. Un grupo metilo de ese carbono migra con su par de enlace al carbono catiónico: la carga positiva queda entonces sobre un carbono terciario, más estable. La pérdida de un protón de un carbono vecino da el 2,3-dimetilbut-2-eno tetrasustituido, el alqueno más estable.

Ejercicio 22.11 ★★★

Diséñese una síntesis del (S)-2-metoxibutano a partir del (R)-butan-2-ol, y otra a partir del (S)-butan-2-ol, controlando en cada una la configuración.

Solución

Solución de Ejercicio 22.11.

A partir del (R)-butan-2-ol: tosilato ((R)) y, después, metóxido de sodio (SN2, inversión): (S)-2-metoxibutano. A partir del (S)-butan-2-ol: se forma el alcóxido (NaH) y se añade yodometano: el enlace C–O del carbono estereogénico no se toca, y se obtiene de nuevo (S)-2-metoxibutano.

Ejercicio 22.12 ★★★

Demuéstrese, con el cociente de reacción (Capítulo 7), que el equilibrio $\ce{2CH3CH2OH <=> (CH3CH2)2O + H2O}$ puede desplazarse hacia el éter eliminando continuamente el agua.

Solución

Solución de Ejercicio 22.12.

$Q = [\text{éter}][\ce{H2O}]/[\ce{EtOH}]^2$ . Eliminar el agua a medida que se forma mantiene pequeños $[\ce{H2O}]$ y $Q$ : $Q < K$ y la reacción sigue formando éter hasta que se consume el alcohol.

22.7 Problema: dos caminos hacia un éter

Problema 22.1

Problema de fin de semana — las dos vías de Williamson hacia el metil terc-butil éter, un éter con la estereoquímica controlada a partir de un alcohol ópticamente activo, la deshidratación de un alcohol terciario y la masa de éter obtenida

El 2-metoxi-2-metilpropano (metil terc-butil éter, MTBE) se producía a gran escala como aditivo de combustibles. Masas molares ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): $\ce{C4H10O}$ 74.0, $\ce{C5H12O}$ 88.0, $\ce{CH3I}$ 141.9.

Parte I — El MTBE por la síntesis de Williamson.

Escríbanse las dos parejas de participantes (alcóxido y haluro) que podrían dar MTBE.
¿Qué pareja falla? Escríbase la reacción que tiene lugar en su lugar.
Escríbanse la reacción que funciona y su mecanismo.
¿Cómo se prepara el terc-butóxido de sodio a partir del 2-metilpropan-2-ol? ¿Por qué no con hidróxido de sodio?
¿Por qué se lleva a cabo la reacción en el alcohol seco o en un disolvente aprótico?
¿Es quiral el producto?

Parte II — Un éter ópticamente activo.

El (R)-butan-2-ol se convierte en su tosilato. Escríbase la reacción y dese la configuración del tosilato.
El tosilato reacciona con metóxido de sodio. Escríbanse el producto y su configuración.
¿Qué configuración del alcohol da el (R)-2-metoxibutano por la misma vía?
Otra vía: el alcóxido del (R)-butan-2-ol con yodometano. ¿Configuración del producto? ¿Por qué?
¿Qué reacción secundaria compite en la pregunta 8, y por qué está limitada aquí?
¿Por qué calentar el (R)-butan-2-ol con metanol en ácido sulfúrico daría un éter casi racémico, si es que lo da?

Parte III — Deshidratación de un alcohol terciario.

Escríbase el mecanismo de la deshidratación ácida del 2-metilbutan-2-ol.
Dense los dos alquenos y predígase el mayoritario.
¿Por qué no se forma ningún éter a partir de este alcohol?
¿Por qué se destila el 2-metilbut-2-eno a medida que se forma?
Dibújese el perfil de energía de la etapa E1 y márquese la etapa determinante de la velocidad.
¿Podría deshidratarse un alcohol primario por el mismo mecanismo?

Parte IV — Masas.

Se convierten $10.0\,\mathrm{g}$ de 2-metilpropan-2-ol en el alcóxido. Calcúlese la cantidad.
¿Qué masa de yodometano hace falta para un exceso del $10\,\%$ ?
Calcúlese la masa teórica de MTBE.
Calcúlese la masa obtenida con un rendimiento del $75\,\%$ .

Solución

Solución de Problema 22.1.

1. El terc-butóxido de sodio con un haluro de metilo; el metóxido de sodio con un haluro de terc-butilo. 2. La segunda: el metóxido, una base fuerte, provoca una eliminación en el haluro terciario, $\ce{(CH3)3CBr + CH3O- -> (CH3)2C=CH2 + CH3OH + Br-}$ . 3. $\ce{(CH3)3CO- + CH3I -> (CH3)3COCH3 + I-}$ : el oxígeno del alcóxido ataca el carbono del metilo por detrás mientras sale el yoduro (SN2). 4. Con sodio (o hidruro de sodio): $\ce{2(CH3)3COH + 2Na -> 2(CH3)3CO- + 2Na+ + H2}$ . El hidróxido es una base demasiado débil: $K = 10^{14.0 - 19.2} = 10^{-5.2}$ . 5. El agua protonaría el alcóxido y atacaría el haluro. 6. No: no tiene ningún centro estereogénico. 7. (R)-butan-2-ol + TsCl (piridina) $\to$ tosilato de (R)-butan-2-ilo: retención. 8. (S)-2-metoxibutano, por inversión SN2. 9. El (S)-butan-2-ol. 10. (R)-2-metoxibutano: el enlace C–O del carbono estereogénico se conserva; solo se forma el O–C(metilo). 11. La E2 (el metóxido es una base fuerte y el carbono es secundario), que da butenos; está limitada por la base pequeña, el grupo saliente excelente y la temperatura suave. 12. El alcohol protonado se ioniza a un carbocatión secundario plano, que el metanol captura por sus dos caras: éter racémico, junto con butenos. 13. Protonación del OH, pérdida de agua (lenta) hasta el carbocatión terciario y pérdida de un protón $\beta$ . 14. 2-Metilbut-2-eno (mayoritario, trisustituido) y 2-metilbut-1-eno. 15. Un carbocatión terciario está impedido y pierde un protón con mucha más facilidad de lo que otra molécula de alcohol puede atacarlo. 16. Para eliminar un producto: con $Q$ pequeño, la reacción continúa, y el alqueno no queda en contacto con el ácido. 17. Una primera barrera alta (pérdida de agua, la etapa determinante) hasta el carbocatión y, después, una barrera pequeña hasta el alqueno. 18. No: un carbocatión primario es demasiado inestable; los alcoholes primarios eliminan por E2 sobre el alcohol protonado, a temperatura más alta. 19. $10.0/74.0 = 0.135\,\mathrm{mol}$ . 20. $1.10 \times 0.135 \times 141.9 = 21.1\,\mathrm{g}$ . 21. $0.135 \times 88.0 = 11.9\,\mathrm{g}$ . 22. $0.75 \times 11.9 =$ $8.9\,\mathrm{g}$ de MTBE.

Términos definidos en este capítulo

Ver los 852 términos del glosario