QUÍMICA ORGÁNICA III Tema 2: Compuestos orgánicos de azufre, silicio y fósforo

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Muestra del temario, adaptado a la asignatura de 3º del grado en Química de la UEx

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QUÍMICA ORGÁNICA III Tema 2: Compuestos orgánicos de azufre, silicio y fósforo

  1. 1. www.kaliumacademia.com -1- QQQUUUÍÍÍMMMIIICCCAAA OOORRRGGGÁÁÁNNNIIICCCAAA IIIIIIIII Tema 2: Compuestos orgánicos de azufre, silicio y fósforo CCCooommmpppuuueeessstttooosss ooorrrgggááánnniiicccooosss dddeee aaazzzuuufffrrreee El interés de la química de los compuestos de azufre ha aumentado mucho en los últimos años debido a su importancia en muchas operaciones industriales, en sus aplicaciones farmacéuticas y en la investigación. Ya conocemos algunos ejemplo de reacciones orgánicas con compuestos de azufre como, por ejemplo, las SN2 con tosilatos (p-toluensulfonatos) de alquilo, la sulfonación de anillos aromáticos o la formación de tioacetales y su reducción a compuestos saturados. En este capítulo abundaremos sobre éstas y otras reacciones. El azufre es un elemento del grupo del oxígeno pero, al igual que otros elementos del tercer periodo, presenta un comportamiento diferente a sus homólogos del segundo. Su electronegatividad (2,5) es mucho menor que la del oxígeno (3,5) e idéntica a la del carbono, de ahí que la reactividad de los compuestos sulfurados no quede explicada por la polarización del enlace C-S y más bien sea el átomo de azufre el centro reactivo y además frente a agentes nucleófilos, electrófilos y radicales.. Tioles También llamados mercaptanos, pueden considerarse derivados del sulfuro de hidrógeno, dónde un átomo de H ha sido reemplazado por una cadena carbonada: (1) S H H S R H S R R1 sulfuro de hidrógeno tiol sulfuro Se nombran como los alcoholes homólogos, sustituyendo el sufijjo –ol por –tiol (-ditiol,…) y se utiliza el prefijo mercapto- para la nomenclatura por sustitución cuando –SH no es el grupo prioritario. Ejemplos: (2) SH etanotiol ciclohexano-1,2-ditiol ácido 2-mercaptopropanoico SH SH OH O SH Son bien conocidos por su desagradable olor, estando presentes en las secreciones de la mofeta y siendo responsables en parte del olor y el sabor del ajo. También se utiliza 2-mercaptoetanol como aditivo del gas combustible para la detección de fugas, dado que éste es totalmente inodoro. Debido a la menor electronegatividad de S frente a O, la efectividad de los puentes de hidrógeno es menor, siendo pues, los tioles, más volátiles que los alcoholes de peso molecular comparable (3). Como consecuencia del mayor tamaño de S frene a O, los tioles son más ácidos que los alcoholes (3) (el azufre deslocaliza la carga negativa más que el oxígeno) y debido también a este mayor volumen, los iones tiolato (R-S- ) son más nucleófilos que los alcóxidos (los pares de electrones están menos retenidos). (3) SH etanotiol P.E: 78 ºC pKa: 15,9 OH etanol P.E: 37 ºC pKa: 10,5
  2. 2. Tema 2: Compuestos orgánicos de azufre, silicio y fósforo www.kaliumacademia.com -2- Síntesis de tioles Sustituciones sobre haluros de alquilo: el ion bisulfuro desplaza vía SN2 a los halógenos (4) (4) XR R SH + Na + X - + Na + SH - Si bien, las condiciones también conducen a la formación de cantidades apreciables de sulfuro en reacciones posteriores (5), lo cual puede evitarse empleando un gran exceso de NaSH o bien pasando sulfuro de hidrógeno por la mezcla de reacción. (5) SHR R S - + H2S+ Na + SH - S - Na + R R S R + Na + X - + XR Alquilación de tiourea: Se trata de un procedimiento de laboratorio más apropiado y sin el inconveniente de la formación de sulfuros (6) (6) XR 1) (NH2)2CS 2) NaOH, H2O R SH + (NH2CN)n El mecanismo (7) comprende el desplazamiento nucleófilo del halógeno por parte del azufre y la hidrólisis básica del correspondiente anión de S-alquiltiouronio para rendir el tiol y urea, qué en las condiciones de reacción polimeriza. (7) R X C NH2 S NH2 C + NH2 S NH2 R C NH2 S + NH2 R OH - C OHS NH2 R NH2 C O + NH2 NH2 H S - RC O NH2 NH2 SHR ++ polímeros Reactividad de los tioles Una de las reacciones más características es con los iones de ciertos metales pesados formando derivados insolubles, por ejemplo con mercurio (de ahí la denominación de mercaptanos: mercurium captans, captador de mercurio) o compuestos de arsénico, por ejemplo el ditiol, más conocido como BAL (antilewisita británico), es un eficaz antídoto contra gases arsenicales (como la lewisita), utilizados ambos en la II Guerra Mundial. De forma análoga los alcoholes, los tioles reaccionan con haluros de acilo para dar tioésteres (8) (8) C X O R 1 SHR + C S S R 1 R + HX Con aldehídos y cetonas dan tioacetales (9)
  3. 3. Química Orgánica III www.kaliumacademia.com -3- C R 2 O R 1 SHR + C R 2 R 1 S SR R + H2O (9) Una de las diferencias más significativas entre la química de alcoholes y tioles es la facilidad de la oxidación de éstos últimos, si bien ésta implica la homolisis de los enlaces S-H (80 kcal/mol) mientras que en alcoholes se prefiere el enlace C-H (85 kcal/mol) frente al O-H (110 kcal/mol). Así, cuando la oxidación de un alcohol aumenta el estado de oxidación del carbono, en un tiol se ve afectado el de azufre y frente a oxidantes suaves como I2, HClO y O2, con Cu o Fe como catalizadores, o bien frente a H2O2, se convierten en disulfuros, y oxidantes fuertes como HNO3 llevan al disulfuro hasta ácido sulfónico (10) (10) SHR SR S R SR OH O O disulfuro ácido sulfónico Ox1 Ox2 Ox2 Ox1: I2, HClO, O2 ó H2O2 Ox2: HNO3 Sulfuros y disulfuros Estructuralmente sulfuros (tioéteres) y disulfuros son los análogos con azufre de éteres y peróxidos (11) (11) R S R 1 R S S R 1 sulfuros disulfuros Los primeros se nombran como sulfuros de alquilo o bien como alquiltioéteres (cuando –S- no es la función principal nos referimos a ella con el prefijo tia-) y los segundos como dialquildisulfuros. Ejemplos: (12) S sulfuro de metilo dimetilsulfuro S S OH S S S S etil metil sulfuro 3-tiabutan-1-ol dimetildisulfuro etil metil disulfuro Síntesis Los sulfuros pueden prepararse en una reacción similar a la de Williamson para los éteres por desplazamiento SN2 con iones tiolato sobre haluros de alquilo y sulfonatos de alquilo y arilo (13) (13) R 1 X R 1 SR +S - R X - El tiolato se prepara por reacción del correspondiente tiol ácido con bisulfuro o hidróxido sódico (14). S - R +SHR H2SNa +Na + HS - (NaOH) (H2O) (14) También pueden producirse por adición radicalárea sobre alquenos (15)
  4. 4. Tema 2: Compuestos orgánicos de azufre, silicio y fósforo www.kaliumacademia.com -4- (15) SHR peróxidos + S HR Para la síntesis de disulfuros suele emplearse la oxidación suave vista para los tioles (10) Reactividad Una reacción característica de los sulfuros es la formación de complejos cristalinos insolubles con cloruro mercúrico (16) (16) SR R + S + - HgCl2R R HgCl2 Y debido a la mayor nucleofilia de S respecto a O, sufren, a diferencia de los éteres, alquilación para dar lugar a sales de sulfonio (17) vía SN2 (comportamiento similar al de las aminas cuando forman sales de amonio) (17) R 2 XR 1 SR + X - R 1 S + R R 2 sal de sulfonio La oxidación de los sulfuros en condiciones suaves (H2O2 (1 eq) en acetona o bien NaIO4 frío) produce sulfóxidos qué, en condiciones enérgicas (KMnO4, peroxiácidos o H2O2(exc)) conducen a sulfonas (18) (18) SR R 1 SR R 1 O SR R 1 O O sulfóxido sulfona Ox1 Ox2 Ox2 Ox1:H2O2(1eq)/acetona ó HIO4 frío Ox2: KMnO4, peroxiácidos ó H2O2(exc) La reacción más importante de los disulfuros es la reducción a tioles con NaHSO3, Na/éter o bien LiAlH4 (19) (19) SR S R SHR Red Qué es el proceso contrario al procedimiento habitual de síntesis que ya vimos, constituyendo ambos parte de procesos biológicos importantes como el de la formación-ruptura de puentes disulfuro entre residuos de cisteina de una cadena peptídica. Sulfóxidos y sulfonas Los sulfóxidos (R-SO-R´) y las sulfonas (R-SO2-R´) se nombran como derivados alquílicos de la familia o bien como alquilsulfinilos y alquilsulfonilos del radical principal. Ejemplos:

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