DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ORGÁNICAEXPERIMENTACIÓN EN QUÍMICA       (Química Orgánica)         Curso 2009-2010
PRACTICA 1 Adición de Michael y Anelación de Robinson Enantioselectiva1. INTRODUCCIÓN         La síntesis de compuestos óp...
2. PROCEDIMIENTOPREPARACIÓN DE 2-METIL-(3-OXOPENTIL)-1,3-CICLOHEXADIONA POR ADICIÓN DEMICHAEL (Nota 1)        Se calienta ...
hexano/acetato de etilo en proporción 9:1, aumentando posteriormente la polaridad a 7:3. Acontinuación se procede a medir ...
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2. PROCEDIMIENTOBROMOHIDRINA DEL TRANS-ESTILBENO         A una disolución de 1g (5,5 mmol) de trans-estilbeno en agua (0,5...
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PRACTICA 3     Reacción de Diels-Alder regioselectiva. Síntesis de α-                                             terpineo...
acrilato de metilo. Tras aproximadamente 5 minutos de agitación, se adicionan con una jeringagota a gota (aproximadamente ...
gota, el éster (3 g, 0,02 moles) disuelto en 10 mL de éter etílico anhidro desde el embudo deadición (la mezcla refluye vi...
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El programa empieza la optimización geométrica y cuando acaba, aparece en la parteinferior de la pantalla “Converged=Yes” ...
Análisis conformacional    El análisis conformacional de una determinada sustancia, puede en ciertos casos serfundamental ...
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c) Crear un archivo para guardar información sobre los cálculos realizados:                            Menú File ⇒ Starlog...
El proceso será mas rápido, cuanto menor sea el valor de ΔE = ELUMO - EHOMO de la pareja deorbitales frontera implicados. ...
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d) Optimizar geométricamente por mecánica cuántica con AM1 como se indico en el             apartado 2a y 2b        e) Cre...
PRACTICA 5                 Medida de la Polaridad de Disolventes.                        fectos solvatocrómicos1. INTRODUC...
muestran marcados efectos solvatocrómicos: la betaína de Reichardt (1) y el azul fenol (2).Cada una de estas sustancias se...
Pipetear 5 mL de disolvente en un vial y añadir una punta de espátula (<1 mg aprox.) deazul fenol. Una vez disuelto el col...
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  1. 1. DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ORGÁNICAEXPERIMENTACIÓN EN QUÍMICA (Química Orgánica) Curso 2009-2010
  2. 2. PRACTICA 1 Adición de Michael y Anelación de Robinson Enantioselectiva1. INTRODUCCIÓN La síntesis de compuestos ópticamente puros es un objetivo fundamental en los camposde la Química Farmacéutica y la Química de Productos Naturales, ya que las propiedades deun determinado medicamento o compuesto con actividad biológica están directamenteasociadas a uno solo de sus enantiómeros. En esta Práctica se introduce la síntesisenantioselectiva mediante la utilización de dos tipos de reacciones esenciales en QuímicaOrgánica: la adición de Michael, como reacción clásica de creación de enlaces C-C, y laanelación de Robinson, como reacción de ciclación que tiene un amplio uso en la preparaciónde estructuras biológicamente activas, como esteroides o terpenoides. Se aborda también laproblemática de utilizar un catalizador quiral para mejorar la enantioselectividad. Finalmente, seutilizan las técnicas polarimétricas para la determinación del exceso enantiomérico en unareacción. O O O O Me O Me Me Et Et (S)-Phe AcOH/H 2O/Δ AcOH/Δ O O O Me La adición de Michael implica la adición conjugada de un compuesto β-dicarbonílico (2-metil-1,3-ciclohexanodiona) a un aceptor carbonílico α,β-insaturado (etilvinilcetona). La trionacíclica así obtenida experimenta una condensación aldólica intramolecular que conduce a unaendiona bicíclica, la cual constituye un valioso sintón quiral para la preparación de esteroides yotros productos naturales. La eficacia de una síntesis asimétrica de este tipo se evalúa frecuentementedeterminando la relación enantiomérica por polarimetría. La pureza óptica se determinadividiendo el poder rotatorio de la mezcla de productos obtenida en la reacción por el de unenantiómero puro determinado en las mismas condiciones de temperatura y longitud de onda[α ]TD . Si se considera una relación lineal entre poder rotatorio y composición, el porcentaje depureza óptica es idéntico al exceso enantiomérico, y una medida de la inducción asimétricaseria: % Pureza óptica = [α ] x 100 [α ] = α observada ×100 [α ]T D cl [α ]TD = rotación especifica del enantiómero puro l = 10cm c (g / 100mL) 1
  3. 3. 2. PROCEDIMIENTOPREPARACIÓN DE 2-METIL-(3-OXOPENTIL)-1,3-CICLOHEXADIONA POR ADICIÓN DEMICHAEL (Nota 1) Se calienta a reflujo durante una hora una mezcla de 10 mmol (1,26 g) de 2-metil-1,3-ciclohexanodiona, 40 mL de agua, 4 mL de ácido acético y 20 mmol (2 mL, 1,70 g) deetilvinilcetona (Nota 2). A continuación la mezcla de reacción se enfría y, tras añadir 1 g decloruro sódico, se extrae con éter etílico (3x30 mL) (Nota 3). El extracto orgánico se lavasucesivamente con 30 mL de agua, 30 mL de disolución saturada de carbonato sódico (Nota4) y 2x30 mL de disolución saturada de cloruro sódico y se seca sobre sulfato magnésicoanhidro. El disolvente se elimina a presión reducida, aislándose el producto de reacción.Determinar el Rf y el rendimiento de la reacción.Notas1. La adición de Michael se realiza por parejas.2. La adición de Michael se realiza en vitrina. Debido al carácter fuertemente lacrimógeno de la etilvinilcetona debe extremarse la pulcritud del trabajo en vitrina. La adición de etilvinilcetona se lleva a cabo con jeringa desde los viales preparados. No sacar ningún material sucio de la vitrina, incluidos los guantes. El material utilizado se lavará en vitrina con disolución de bisulfito sódico y los residuos de lavado se recogerán en botella etiquetada como producto maloliente.3. La extracción con éter etílico de la mezcla de reacción en la adición de Michael debe realizarse también en vitrina, así como la eliminación del disolvente en el rotavapor.4. Se observa que al cabo de 1h de calefacción, queda siempre 2-metil-1,3-ciclohexanodiona sin reaccionar. Su eliminación se lleva a cabo lavando con disolución saturada de carbonato sódico, pero no de bicarbonato. Es importante comprobar por C.C.F.(gel de sílice, hexano/acetato de etilo 1:3) que toda la dicetona de partida ha sido eliminada tras los lavados con carbonato sódico, de lo contrario volver a lavar con solución saturada de carbonato sódico.PREPARACIÓN DE (S)-(+)-5,8a-DIMETIL-3,4,8,8a-TETRAHIDRO-1,6(2H,7H)-NAFTALENODIONA POR ANELACIÓN DE ROBINSON Se calienta a reflujo durante una hora una disolución de 2,0 mmol (0,42 g) de 2-metil-2-(3-oxopentil)-1,3-ciclohexanodiona, 5 mL de ácido acético y 2,0 mmol (0,33 g) de S-fenilalanina(Nota 5). La mezcla de reacción se enfría a temperatura ambiente y, tras adicionar 20 mL deagua, se extrae con diclorometano. Los extractos orgánicos se lavan sucesivamente con 10 mLde agua, 10 mL de disolución saturada de bicarbonato sódico y dos porciones de 10 mL dedisolución saturada de cloruro sódico. Después de secar sobre sulfato magnésico anhidro seelimina el disolvente a presión reducida. El aceite obtenido se purifica por cromatografía decolumna en gel de sílice a presión media, utilizando como eluyente inicial una mezcla 2
  4. 4. hexano/acetato de etilo en proporción 9:1, aumentando posteriormente la polaridad a 7:3. Acontinuación se procede a medir el poder rotatorio molecular del producto puro en unpolarímetro (Nota 6).Notas5. La reacción no puede seguirse por C.C.F., ya que los compuestos tienen igual valor de Rf. El bruto de reacción debe analizarse por espectroscopia IR para comprobar si ha tenido lugar la reacción.6. El producto puro se analiza por IR y RMN y se procede a la medida de su rotación en el polarímetro. Para determinar el exceso enantiomérico, debe tenerse en cuenta que [α]D20=+79 (MeOH) para la (S)-biciclodiona pura.Markgraf, J.; Fel, J. F., Ruckman, R. E., J. Chem. Ed. 1995, 72, 270. 3
  5. 5. OO 4
  6. 6. O O O5
  7. 7. O MeO Me 6
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  12. 12. PRACTICA 2 Síntesis Diastereoespecífica de un Epóxido1. INTRODUCCIÓN Los epóxidos son compuestos útiles como intermedios en síntesis orgánica, alpresentar en su estructura un anillo de tres eslabones que se abre con facilidad tanto en mediobásico como en medio ácido. Por otra parte, el anillo de oxirano se encuentra presente en una gran variedad decompuestos orgánicos con actividad biológica sobre los sistemas nervioso y hormonal, y conactividades fungicidas, antibacterianas, antimaláricas y anticancerígenas. Concretamente eltrans-estilbeno y el óxido de trans-estilbeno presentan una actividad estrogénica significativa enel tratamiento del cáncer de próstata y de mama, así como en la prevención de abortos. En esta práctica se pretende la epoxidación de un alqueno a través de dosimportantes reacciones: preparación de la bromohidrina del alqueno y formación del epóxidopor reacción de sustitución núcleofila intramolecular . Br Ph O H Ph NBS K2CO3 CH CH H2O/DMSO MeOH Ph H Ph OH Ph Ph La primera cuestión es si la formación de la bromohidrina es o no estereoespecífica.Los dos diastereomeros que pueden formarse son: Br H H Ph Br Ph Ph H Ph H OH OH p.f. 83-84ºC p.f. 51-52ºC Puesto que la diferencia de p.f. es suficientemente grande, la determinación del mismopermite comprobar que se obtiene la bromohidrina eritro (p.f. 83-84ºC) y que la reacción esestereoespecífica. La segunda cuestión es si la sustitución núcleofila del bromo tiene lugar con inversión ocon retención de la configuración. De nuevo la cuestión puede ser resuelta con ladeterminación del p.f. que confirma la obtención del oxido de trans-estilbeno. O O Ph H H H H Ph Ph Ph p.f. 65-67ºC p.f. 38-40ºCLa confirmación final se realiza con los espectros de RMN. Discutir los desplazamientosquímicos en 1H y 13C de los protones y carbonos del anillo de oxirano. 11
  13. 13. 2. PROCEDIMIENTOBROMOHIDRINA DEL TRANS-ESTILBENO A una disolución de 1g (5,5 mmol) de trans-estilbeno en agua (0,5 mL) y DMSO (15mL) se le añade en pequeñas porciones 1,8 g (15,2 mmol) de NBS (Nota 1) La mezcla dereacción se agita durante 30 minutos (Nota 2), y se vierte en 50 mL de agua-hielo. La mezclalechosa se transfiere a un embudo de extracción, se diluye con 20 mL de agua y se extrae tresveces con éter etílico (3x30 mL) (Nota 3). Los extractos orgánicos se lavan con 50 mL de agua,y con 50 mL de disolución saturada de NaCl, se secan sobre sulfato magnésico anhidro y seelimina el disolvente a presión reducida. La bromohidrina del trans-estilbeno (¿eritro o/y treo?)se purifica por recristalización en hexano (Nota 4).Notas 1. La bromohidrina se prepara en matraz de dos bocas con refrigerante (no hacen falta gomas para el refrigerante) y pieza de agitación. La reacción se realiza en vitrina. Es importante que el trans-estilbeno esté solubilizado para mejorar la conversión. Para ello calentar suavemente con placa (no con baño de agua), hasta la total disolución del trans-estilbeno, dejando enfriar la disolución a temperatura ambiente, antes de la adición de NBS. La adición de la NBS se realizará en porciones durante 15 minutos. La NBS es muy irritante para la piel y se deben utilizar guantes para su manipulación. 2. La reacción se puede seguir por cromatografía en placa fina (cromatofolios de gel de sílice, hexano/acetato de etilo 20:1). Para ello, sacar la muestra de la reacción y extraer en un vial pequeño con agua/éter. Pinchar de la fase etérea directamente. En las condiciones de reacción queda trans-estilbeno sin reaccionar al cabo de 30 min. Se discutirán soluciones entre los alumnos para mejorar la conversión. 3. No hace falta filtrar el sólido que aparece durante la extracción (NBS mayoritariamente), a través de celita. Este sólido se puede descartar fácilmente haciéndolo pasar a la fase acuosa. 4. La recristalización debe ser lenta para evitar co-recristalización de trans-estilbeno. La pureza del producto obtenido se determina por p.f. y por C.C.F. Los cristales se lavan con hexano frío.OXIDO DE TRANS- ESTILBENO Una disolución de 150 mg (0,54 mmol) de bromohidrina en 10 mL de metanol y 125mg (0,90 mmol) de carbonato potásico anhidro se agita vigorosamente (Nota 5). Cuando lareacción se completa, se añaden 20 mL de agua y se extrae con hexano (2x10 mL). La faseorgánica se seca sobre sulfato magnésico y se elimina el disolvente a presión reducida,aislándose el óxido de trans-estilbeno (Nota 6). Calcular el rendimiento y el punto de fusión.Notas 5. La reacción se puede seguir por C.C.F. (hexano/acetato de etilo, 20:1). Pinchar a los 5 min directamente de la reacción y posteriormente cada 4 o 5 min hasta que la reacción se complete totalmente. 6. La recristalización no es necesaria debido al grado de pureza con que se obtiene el crudo de reacción. Comprobar con el p.f.Ciaccio J.A., J. Chem. Educ., 1995, 72,1037 12
  14. 14. 13
  15. 15. 14
  16. 16. 15
  17. 17. 16
  18. 18. PRACTICA 3 Reacción de Diels-Alder regioselectiva. Síntesis de α- terpineol1. INTRODUCCIÓN El objetivo de esta práctica es realizar la síntesis de un producto natural, concretamenteun terpeno (α-terpineol) mediante la secuencia sintética que se muestra en el esquema 1.Asimismo, se estudiará la regioselectividad de la reacción de Diels-Alder utilizada mediantemodelización molecular (Práctica de Introducción a la Modelización Molecular). AlCl3 MeMgI CO2Me DCM CO2Me Et2O OH Esquema 1 El terpineol, también llamado terpilenol, es un terpeno ampliamente utilizado en laindustria por su carácter organoléptico. Está presente en diversos aceites aromáticos y sucampo de aplicación es amplio y variado. Su fuerte olor a lila hace que sea utilizado comoperfume en cosmética. También presenta propiedades como pesticida y se utiliza en laindustria minera en la extracción de oro, plata, cobre, wolframio e incluso uranio, debido a sucapacidad de generar espumas que favorecen la flotación de dichos metales y por tanto suseparación de otras sustancias no deseadas. Sus propiedades como desinfectante sirven paraaliviar congestiones asociadas a resfriados en combinación con otras sustancias volátiles. En laindustria textil se utiliza para producir tintes de alta calidad. En general, el terpineol, como otros terpenos relacionados, suele obtenerse de fuentesnaturales (resinas de coníferas). Muchas de estas sustancias aromáticas, tales como geranial,nerol, citral, mentol, etc., pueden también prepararse a partir de terpineol, lo cual mejora lacalidad del producto. Todas estas propiedades hacen que la demanda de terpineol en el mercado sea elevaday por tanto hacen a su vez de esta sustancia de estructura sencilla un producto muy valioso.2. – PROCEDIMIENTO (Nota1)SÍNTESIS DE 4-METILCICLOHEX-3-ENILCARBOXILATO DE METILO (Nota 2) En un matraz de dos bocas de 100 mL provisto de septum, refrigerante y tubo de clorurocálcico se introducen 0,68 g (0,005 moles) de tricloruro de aluminio (Nota 3) y 30 mL deDiclorometano anhidro. A continuación se adicionan lentamente, con una jeringa, 3.8 mL de 17
  19. 19. acrilato de metilo. Tras aproximadamente 5 minutos de agitación, se adicionan con una jeringagota a gota (aproximadamente en un intervalo de 5 minutos) 4,5 mL de isopreno. La mezcla sedeja agitando toda la noche. Al día siguiente se vierte sobre una disolución de ácido clorhídrico2 M (aproximadamente 35 mL), la disolución lechosa se decanta y la fase acuosa se extrae condiclorometano. Los extractos orgánicos se lavan con agua y se secan sobre sulfato magnésico. Eldesecante se elimina por filtración y el disolvente a presión reducida. El residuo es un líquidoligeramente amarillo que se purifica por destilación a presión reducida obteniéndose un líquidoincoloro de olor persistente. (b.p.17 80-82 ºC). (Nota 4)Notas 1. Es necesario tener en cantidad suficiente éter etílico y diclorometano anhidros 2. El material utilizado para llevar a cabo la reacción debe estar rigurosamente seco. Todos los productos deben manipularse en vitrina y las jeringas, guantes y material utilizado deben dejarse en una caja en la vitrina, para que se evaporen los restos de producto (las agujas deben dejarse con su funda puesta en el contenedor específico, sólo de agujas). La vitrina debe quedarse funcionando toda la noche. Los residuos de lavado deben ser recogidos en una botella debidamente etiquetada con la indicación de producto maloliente y depositada en la vitrina del almacén. 3. La manipulación del Tricloruro de Aluminio debe realizarse con guantes, evitando lo más posible su exposición al aire (El tricloruro de aluminio causa quemaduras y es irritante a los ojos, la piel y el sistema respiratorio, ya que en presencia de humedad descompone desprendiendo cloruro de hidrógeno). 4. Debido a la formación de espumas durante la destilación, es conveniente utilizar lana de vidrio abundante en lugar de astilla (material general), y controlar que no haya excesivo vacío. El residuo polimérico que queda en el matraz de destilación se disuelve por tratamiento con diclorometano, seguido de tratamiento con solución concentrada de NaOH si es necesario. SÍNTESIS DE 2-(4-METILCICLOHEX-3-EN-1-IL)-PROPAN-2-OL (α-TERPINEOL) En un matraz de dos bocas de 100 mL provisto de refrigerante de bolas, embudo deadición y entrada y salida de gases, se introducen 1,21 g (0,05 moles) de magnesio (Nota 1) y25 mL de éter etílico anhidro bajo atmósfera de argón. A continuación desde el embudo deadición se añaden unas gotas de yoduro de metilo y la mezcla se agita vigorosamente hastaque se observa el inicio de la formación del magnesiano (la disolución refluye y el magnesiocomienza a disolverse).Tras varios minutos de agitación sé continua la adición gota a gota delresto de la disolución de yoduro de metilo (3,1 mL, 0,05 moles) en éter etílico anhidro (15 mL)de tal forma que se mantenga el reflujo constante. Una vez finalizada la adición, la mezcla serefluye 30 minutos y se deja enfriar a temperatura ambiente. A continuación se adiciona, gota a 18
  20. 20. gota, el éster (3 g, 0,02 moles) disuelto en 10 mL de éter etílico anhidro desde el embudo deadición (la mezcla refluye vigorosamente durante la adición) y posteriormente se refluyedurante 1 h, tras lo cual se deja agitando a temperatura ambiente hasta el día siguiente(manteniendo la atmósfera de argon con un globo). La mezcla de reacción se enfría a 0ºC(baño de hielo) y se adiciona muy despacio (gota a gota) una disolución saturada de cloruroamónico hasta completar la hidrólisis. Se extrae con éter etílico y los extractos etéreos se lavancon agua y se secan sobre sulfato magnésico. Tras eliminar el disolvente a presión reducida,se obtiene un aceite amarillo que se purifica por cromatografía de columna en gel de sílice apresión media. Encontrar condiciones optimas. (a título orientativo, empezar con Hexano/éter1:1 y optimizar). Las placas se revelan con I2. También puede destilarse a vacío con lana devidrio para dar un aceite incoloro con olor a trementina (b.p15. 94-95 ºC).Nota 1: La formación del magnesiano es mejor si el Mg una vez introducido en el matraz y con corriente de Ar, se calienta suavemente con la pistola. A continuación se deja enfriar y se adiciona el éter anhidro. L. F. Tietze and T.H. Eiches, “Reactions and Syntheses in the Organic ChemistryLaboratory”,1989, University Science Book. 19
  21. 21. O OCH3 20
  22. 22. OH21
  23. 23. 22
  24. 24. 23
  25. 25. 24
  26. 26. 25
  27. 27. PRACTICA 4 Introducción a la Modelización Molecular1 La Química Computacional es una disciplina que ha adquirido mucha popularidad enlas ultimas décadas y es usada como una herramienta para comprender mejor los procesos yreacciones químicas. Permite predecir la estructura y estabilidad de sistemas químicos, estimarla diferencia de energía entre estados diferentes, explicar el curso de una reacción y sumecanismo ...etc. HyperChem 5.1 de Hypercube (el software que se utiliza en esta práctica) es unprograma de modelización molecular muy versátil, y un potente paquete computacional quedispone de diversos métodos de cálculo de mecánica molecular y mecánica cuántica.1.- Optimización geométrica de una molécula Para calcular las propiedades de una molécula, se necesita generar en primer lugaruna estructura bien definida que represente un mínimo de energía potencial. HyperChemcuenta con diversos métodos para realizar la optimización geométrica de una molécula. Ejemplos de optimización geométrica por mecánica molecular. O O 1 a) Dibujar el esqueleto de la molécula 1 en dos dimensiones (2D). Uso del icono DRAW clic izda. selecciona clic dcha. borra o deselecciona b) Introducir los heteroátomos Abrir tabla periódica por doble clic en el icono DRAW o en el menú Build seleccionar Select Default Element c) Construir la estructura 3D Uso del icono SELECT (doble clic) o menú Build ⇒ Add H & Model Build d) Minimización energética Elegir el campo de fuerza: menú Setup ⇒ Molecular Machanics ⇒ MM+ ⇒ OK Optimización geométrica en el nivel elegido: menú Compute ⇒ Geometry Optimization ⇒ Aparece un cuadro de dialogo donde debe seleccionarse: Algorithm ..... Polar-Ribiere RMS gradient ......0.1 kcal/mol In vacuo Screen refresh .......1 Cuando todo este correcto seleccionar OK.1 Todos los cálculos deberán quedar reflejados en el cuaderno de laboratorio. 26
  28. 28. El programa empieza la optimización geométrica y cuando acaba, aparece en la parteinferior de la pantalla “Converged=Yes” y un valor de la energía en Kcal/mol (no es un calor deformación). La geometría obtenida no tiene que corresponder a la conformación más estable de lamolécula. Es la conformación más cercana al dibujo de partida. e) Medida de distancias y ángulos Uso del icono SELECT: seleccionar dos átomos contiguos o no (medida de distancia enÅ); seleccionar tres átomos contiguos (medida de ángulo en grados); seleccionar cuatroátomos ( medida de ángulo de torsión o diedro en grados). Los valores aparecen en la parteinferior de la pantalla en la barra de tareas. f) Información sobre los átomos Menú Display ⇒ Labels Se elige la información que se desea ( p.e. quiralidad, tipo de átomo, carga ....etc) g) Visualización de la molécula Menú Display ⇒ Rendering Se elige el tipo de visualización ( p.e. bolas, varilla ...etc) Optimización geométrica de un compuesto bicíclico Ha Hb 9 8 H3C 7 NH2 10 4 3 5 N 2 6 1 2 O Dibujar la molécula 2 lo mas parecida posible al dibujo anterior, pasar a estructura 3D ycomprobar que tenemos el diastereómero deseado. Si no es así, hacer los cambios necesarios.Optimizar geométricamente la molécula por Mecánica Molecular (MM+) de manera análoga alejemplo anterior. • ¿Valor de la Energía? • Determinar la estereoquímica de todos los centros quirales. ¿Qué ocurre con la quiralidad del átomo 1? • Comparar y discutir las distancias N-C (1-2 y 3-10) • Comparar los ángulos : H-C9-C7, C8-C4-C3, y H-C5-C4. Según esto ¿qué tipo de hibridación tienen respectivamente los carbonos C9, C4 y C5?. • Medir los ángulos diedros: H-C4-C8-Ha, H-C4-C8-Hb, H-C7-C8-Ha y H-C7-C8-Hb. 27
  29. 29. Análisis conformacional El análisis conformacional de una determinada sustancia, puede en ciertos casos serfundamental a la hora de establecer sus propiedades, sus aplicaciones, su reactividad ...etc. Laoptimización geométrica de las diferentes conformaciones de una molécula por giro alrededorde un enlace sencillo, es un método simple de realizar dicho análisis conformacional. Estudio conformacional de la bromohidrina del trans-estilbeno H HO Ph C C H Br Ph a) Dibujar en 2D uno de los enantiómeros (RS) o (SR) (los anillos bencénicos hay que dibujarlos. Dibujar un ciclohexano plano y hacer doble clic en uno de los enlaces), que se forman al tratar el trans-estilbeno con N-bromosuccinimida y pasar a 3D (doble clic en el icono SELECT). b) Comprobar quiralidad de los carbonos en menú Select ⇒ Label ⇒ Chirality ⇒ OK. Debe ser RS o SR y si no lo es, debe invertirse la configuración de uno de los carbonos. c) Invertir la configuración de un carbono: - Seleccionar el carbono a invertir - Menú Select ⇒ Name Selection ⇒ Point ⇒ OK - Deseleccionar el carbono en cuestión - Seleccionar los dos sustituyentes del carbono a invertir que queramos cambien de posición - Menú Edit ⇒ Invert (si no hay selección, Invert, invierte la totalidad de la molécula) - Deseleccionar todo y aplicar de nuevo el Model Build (doble clic en el icono SELECT) - Comprobar de nuevo la quiralidad de los carbonos d) Optimizar geométricamente la estructura por mecánica molecular (MM+). Tomar nota de la Energía. Medir el ángulo diedro HO-C-C-Br y dibujar en el cuaderno la conformación obtenida en forma tridimensional y en proyección de Newman. e) Pasar a otra conformación alternada: - Seleccionar el ángulo diedro HO-C-C-Br 28
  30. 30. - Menú Edit ⇒ Set Bond Torsion ⇒ entre valor deseado del ángulo en grados ⇒ OK - Deseleccionar ángulo diedro, optimizar geométricamente repitiendo el apartado d) f) Repetir para la tercera conformación alternada. Los ángulos diedros HO-C-C-Br seleccionados para las tres conformaciones deben ser –60, +60 y 180º. ¿Cuál es la conformación más estable de las tres?. ¿Cuál es la conformación reactiva enMeOH/base para formar el epóxido?. ¿Por qué?.2.- Cálculo de calores de formación y calores de reacción El calor de formación ΔH f de una molécula es la entalpía necesaria para su 0formación a partir de sus elementos constituyentes. Medir de forma directa dicho calor deformación es sólo posible en casos muy sencillos, de modo que para la mayoría de lasmoléculas este dato se determina de forma indirecta. La mayoría de los compuestos orgánicostienen ΔH f negativos, es decir se libera energía cuando se forman a partir de sus elementos 0constituyentes. Es una medida de su estabilidad relativa.Por otra parte, a partir de los caloresde formación de los reactivos y de los productos de una reacción, podemos estimar el calor dereacción de la misma. aA + bB → cC + dD ΔH r0 = (cΔH 0 (C ) + dΔH 0 (D )) − (aΔH 0 ( A) + bΔH 0 (B )) f f f f HyperChem estima con un alto grado de fiabilidad los calores de formación decualquier molécula orgánica. Para calcular el calor de formación de una determinada molécula,se requiere un calculo energético por mecánica cuántica (semiempírico o ab initio). Para ello, previamente se realiza una optimización geométrica por mecánica molecular(MM+) (ver apartado 1) y a continuación sobre la estructura minimizada se repite el cálculosemiempírico. Calculo semiempírico: a) menú Setup ⇒ Semi-empirical ⇒ AM1 ⇒ Options Total charge: 0 Convergence limit: 0.01 Spin multiplicity: 1 Iteration limit: 50 • RHF • Accelerate convergence • Lowest comprobar que estos son los parámetros elegidos y aceptar (OK) b) Menú Compute ⇒ Geometry Optimization ⇒ aparece el cuadro de dialogo de la optimización geométrica y las opciones deben ser las mismas que se seleccionaron para el método MM+ ( ver apartado 1) ⇒ OK 29
  31. 31. c) Crear un archivo para guardar información sobre los cálculos realizados: Menú File ⇒ Starlog ⇒ nombrar el fichero por ejemplo A: benceno.log (nombre relacionado con la molécula y en el disquete A:) con la opción Quantum Print Level = 0 ⇒ OK Menú Compute ⇒ Single Point ⇒ OK Cuando termina el proceso: Menú File ⇒ Stoplog El fichero de extensión .log puede leerse con cualquier editor de texto ( p.e. MicrosoftWord) y contiene todos los parámetros de la minimización, el nº de electrones implicados en elcálculo, el nº de orbitales y su función de ondas, las diferentes energías consideradas, el calorde formación, el momento dipolar….etc. o Calcular los calores de formación del BENCENO, del 1,3-CICLOHEXADIENO y del CICLOHEXENO. Comentar las diferencias. o Calcular los calores de hidrogenación de: BENCENO → 1,3-CICLOHEXADIENO 1,3-CICLOHEXADIENO → CICLOHEXENO o Comentar las diferencias. 3.- Investigando la Reactividad de las Moléculas. El HyperChem puede ser usado para predecir la reactividad de las moléculas y de susgrupos funcionales. Un método es usar la Teoría de los Orbitales Frontera. Podemos calcular laenergía de los orbitales moleculares, los coeficientes, las propiedades nodales y con elloestimar la reactividad relativa de diferentes sustituyentes moleculares, la regioselectividad deuna reacción ..etc. Estos cálculos deben hacerse con los métodos de mecánica cuántica(semiempíricos o ab initio) De acuerdo con la teoría de los orbitales frontera, en el caso de una reacción decicloadición, como la reacción de Diels-Alder, es necesario establecer que pareja deorbitalesfrontera (HOMO de un reactivo y LUMO del otro) debe ser considerado. R1 R1 R1 R2 R2 + R2 I II Esquema 1 Es decir, tenemos que establecer si la velocidad de reacción será mayor por interaccióndel HOMO del dieno y el LUMO del dienófilo o al revés (LUMO del dieno y HOMO del dienófilo). 30
  32. 32. El proceso será mas rápido, cuanto menor sea el valor de ΔE = ELUMO - EHOMO de la pareja deorbitales frontera implicados. A título de ejemplo, en el esquema 2 se encuentra representado el diagrama deenergías del HOMO y el LUMO del caso concreto del metoxibutadieno y la acroleina, del quese deduce que la reacción transcurrirá por interacción del HOMO del dieno y el LUMO de laacroleina Los programas de modelización molecular, utilizando métodos de mecánica cuántica(semiempíricos o ab initio) nos permiten estimar las energías de todos los orbitales molecularesde una determinada molécula. Por tanto podremos conocer las energías del HOMO y el LUMOde los reactivos y predecir que pareja de orbitales frontera debemos considerar. E (eV) En el esquema 1, observamos que en la cicloadición 2,5 eV planteada existe la posibilidad de LUMO formación de dos aductos ELUMO -EHOMO = 13,4 eV diferentes. La explicación de la 0 eV LUMO regioselectividad del proceso (uno ELUMO -EHOMO = 8,5 eV de ellos se forma preferentemente) puede ser justificada por los coeficientes de -8,5 eV HOMO los orbitales atómicos del dieno y -10,9 eV del dienófilo. HOMO OMe Los coeficientes de los CHO orbitales atómicos que contribuyen a la formación del HOMO y el LUMO influyen en la regioselectividad, la Esquema 2 locoselectividad y laperiselectividad de las reacciones de cicloadición. Los coeficientes son una medida de lacontribución de cada orbital atómico al orbital molecular correspondiente. Centrándonos solo enla regioselectividad, si miramos los coeficientes de los orbitales atómicos de un dienomonosustituido y de un dienófilo también monosustituido encontraremos una distribuciónasimétrica y diferente en los extremos (esquema 3). El tamaño de los círculos es proporcionalal tamaño de los coeficientes. Los círculos representan los lóbulos de los orbitales p sobre elplano del papel y el color su signo. 31
  33. 33. OMe OMe CHO CHO HOMO LUMO HOMO LUMO A B Esquema 3 La teoría de los orbitales frontera demuestra que la interacción estabilizante es grande-grande/pequeño-pequeño (opción A, esquema 3) y que el producto que se formamayoritariamente en este caso es el compuesto I (Esquema 1).No obstante, no hay que olvidarque el signo es un factor más importante que el tamaño. Síntesis del α-Terpineol. La síntesis del α-Terpineol realizada en el laboratorio (Práctica 3) se comenzó con lareacción de Diels-Alder entre el isopreno y el acrilato de metilo, para en una segunda etapaacceder al producto. 1 2 + 1 4 COOMe COOMe En el presente ejercicio: Calcularemos en primer lugar las energías del HOMO y el LUMO del isopreno y el acrilato de metilo. De acuerdo con las energías, seleccionaremos la pareja de orbitales frontera a considerar. Considerando los coeficientes de los orbitales atómicos de los carbonos 1 y 4 del dieno y 1 y 2 del dienófilo (de los orbitales frontera considerados), predeciremos que regioisómero debe formarse preferentemente y comprobaremos si coincide con el obtenido experimentalmente en la Práctica 3 Cálculo de orbitales moleculares. a) Dibujar el isopreno en 2D. Pasar a 3D y comprobar que es el confórmero S-cis. Si tenemos el S-trans, cambiar girando el enlace central b) Optimizar geométricamente por mecánica molecular con el método MM+ (Apartado 1). c) Comprobar numeración asignada por el programa a cada átomo y tomar nota: Display ⇒ Label ⇒ Number ⇒ OK 32
  34. 34. d) Optimizar geométricamente por mecánica cuántica con AM1 como se indico en el apartado 2a y 2b e) Crear un archivo .log: Menú File ⇒ Starlog ⇒ nombrar el fichero por ejemplo A: isopreno.log con la opción Quantum Print Level = 1 ⇒ OK Menú Compute ⇒ Single Point ⇒ OK Cuando termina el proceso: Menú File ⇒ Stoplog f) Menú Compute ⇒ Orbitals ⇒ aparece un cuadro de dialogo que nos da los valores de los orbitales: Al señalar con el ratón sobre las líneas que representan los niveles energéticos, vemosa la izquierda la energía de cada orbital en eV y tomaríamos nota del HOMO y del LUMO. Alpulsar OK, veremos la representación 3D del correspondiente orbital. Si marcamos “Labels”nos situará los electrones en los orbitales ocupados... etc. Probar y ver las distintas opciones,ensayando antes de comenzar el ejercicio siguiente. Repetir el proceso para el acrilato de metilo. En Microsoft Word abrir el fichero a:isopreno.log y buscar en el orbital HOMO y LUMOlos coeficientes de los orbitales atómicos 2pz de los carbonos 1 y 4 del dieno (o el nº que leshaya asignado el programa) y apuntar su valor. Repetir el proceso con el fichero a:acrilato demetilo.log Representar en el cuaderno unos esquemas similares al 2 y al 3 con los datosobtenidos y predecir que regioisómero debe formarse preferentemente. ¿Es el que se obtieneexperimentalmente?. 33
  35. 35. PRACTICA 5 Medida de la Polaridad de Disolventes. fectos solvatocrómicos1. INTRODUCCIÓN Cuando se emplea el término “polaridad” referido a un determinado disolvente, lamayoría de los químicos saben, de forma intuitiva, lo que éste significa. Sin embargo, lacaracterización de los disolventes mediante su polaridad es todavía un problema no totalmenteresuelto. Por polaridad puede entenderse: a) el momento dipolar permanente de un compuesto(propiedad microscópica), b) su constante dieléctrica (propiedad macroscópica) y c) la sumade todas las propiedades moleculares responsables de las interacciones disolvente-soluto(electrostáticas, enlaces de hidrógeno, etc.). Se han elaborado numerosos procedimientos para cuantificar la polaridad de losdisolventes. Uno de ellos está basado en los efectos solvatocrómicos que muestran algunassustancias. El término “solvatocromismo” se emplea para describir el cambio pronunciado en laposición (y en ocasiones en la intensidad) de una banda de absorción en el espectro UV/Vis (p.ej. una banda de TC (transferencia de carga)) al variar la polaridad del medio (disolvente). Undesplazamiento hipsocrómico (hacia el azul, ↓λ) de la banda, al aumentar la polaridad deldisolvente, recibe el nombre de solvatocromismo negativo. En cambio, un desplazamientobatocrómico (hacia el rojo, ↑λ) de la banda, corresponde a un solvatocromismo positivo. El sentido del efecto solvatocrómico en cada sustancia depende de los momentosdipolares (μf y μe) del estado fundamental (Sf) y del estado excitado (Se). Al aumentar lapolaridad del disolvente se estabiliza en mayor medida el estado más polar. Si μf > μe, elcompuesto mostrará un solvatocromismo negativo, mientras que si μf < μe, el solvatocromismoserá positivo. Se ΔE λμf > μe y Polaridad del disolvente Estabiliza Sf Solvatocromismo ⊝ Sf Se ΔE λμf < μe y Polaridad del disolvente Estabiliza Se Solvatocromismo ⊕ Sf Por tanto, el máximo de absorción (λmax) de determinados compuestos puede emplearsepara determinar la polaridad de disolventes dada la correlación lineal que existe entre λmax y lapolaridad. Éste es el objetivo de la práctica, para lo cual se van a emplear dos compuestos que 34
  36. 36. muestran marcados efectos solvatocrómicos: la betaína de Reichardt (1) y el azul fenol (2).Cada una de estas sustancias se ha empleado para establecer diferentes escalas de polaridad:la ET(30) en el caso de 1, y la escala π* en el caso de 2. O N N O N H3C CH3 1 2 En esta práctica se pretende determinar experimentalmente la polaridad de una serie dedisolventes basándose en los efectos solvatocrómicos que muestran los compuestos 1 y 2.2. PROCEDIMIENTOParte A: DETERMINACIÓN DE LA POLARIDAD DE DISOLVENTESEMPLEANDO EL REACTIVO DE REICHARDTDisolventes: MeOH, EtOH, i-PrOH, CH3CN, CH3COCH3, CH2Cl2, CHCl3 Pipetear 5 mL de disolvente en un vial y añadir una punta de espátula (< 1 mg aprox.) dereactivo de Reichardt. Una vez disuelto el colorante, con una pipeta Pasteur introducir 3 o 4gotas de la disolución en la cubeta de UV y terminar de llenar con disolvente. Medir el máximode la banda de absorción de cada disolución con el espectrofotómetro UV. La polaridad decada disolvente viene dada por la expresión: ET(en kcal mol-1) = 28591/λmax(nm)donde λmax es la longitud de onda del máximo de absorción determinado experimentalmente yET la energía de transición. Finalmente se ordenan los disolventes estudiados por orden depolaridad según la escala ET.2Parte B: DETERMINACIÓN DE LA POLARIDAD DE DISOLVENTES EMPLEANDO AZULFENOLDisolventes: Hexano, CH3COCH3, CH2Cl2, CHCl3, CH3CN, MeOH, EtOH, CH3COOEt2 Disolventes como el agua (ET = 63.1; λmax = 453 nm) o el difeniléter (ET = 35.3; λmax = 810 nm) dan lugar a disoluciones incoloras.El anisol (ET = 37.1; λmax = 769 nm), da lugar a una disolución amarilla. 35
  37. 37. Pipetear 5 mL de disolvente en un vial y añadir una punta de espátula (<1 mg aprox.) deazul fenol. Una vez disuelto el colorante, con una pipeta Pasteur introducir 3 o 4 gotas de ladisolución en la cubeta de UV y terminar de llenar con disolvente. Medir el máximo de la bandade absorción de cada disolución con el espectrofotómetro UV. Con los datos de la Tabla 1dibujar una gráfica, representando π* frente a λmax, e interpolando los valores de λmax obtenidosexperimentalmente determinar los valores de π* de cada disolvente.π* es la polaridad intrínseca del disolvente Tabla 1 Disolvente Cl4C Et2O Tolueno THF Anisol π* 0.28 0.27 0.54 0,58 0,72 λmax(nm) 561 558 569 575 582 Completar la Tabla 2 con los datos obtenidos y comentar cual de las dos escalas esmás o menos acorde con el momento dipolar o la constante dieléctrica de los disolventesestudiados. Tabla 23 Hexano CHCl3 AcOEt CH2Cl2 PriOH CH3COCH3 EtOH MeOH CH3CN H2O ε 1,89 4,80 6,02 9,08 18,30 20,70 24,30 32,63 38,80 78,54 μ 0 1,01 1,78 1,60 1,66 2,88 1,69 1,70 3,92 1,85 ET(30) π*5. Cuestiones1.- ¿Qué tipo de solvatocromía presentan los compuestos 1 y 2 empleados en la práctica?.2.- Comente el orden de polaridad obtenido en los experimentos. ¿Coincide con la idea intuitiva que tenía sobre esta cuestión?.3.- ¿Cuál de los dos colorantes es más sensible para la determinación de la polaridad de disolventes?.4.- ¿Por qué no puede emplearse el compuesto 1 para determinar la polaridad del ácido acético?.5.- Los valores de los disolventes H2O (π* = 1.09; λmax = 656), MeOH (π* = 0.60; λmax = 610) y EtOH (π* = 0,54; λmax = 610) se desvían sensiblemente del comportamiento general, en el segundo experimento. ¿A qué es debido este hecho?.BibliografíaC. Reichardt “Solvents and solvent effects in Organic Chemistry”, VCH, 1990.O. W. Kolling Anal Chem. 1981, 53, 54.M. J. Kamlet, J.-L. M. Abboud, M. H. Abraham, R. W. Taft J. Org. Chem. 1983, 48, 28773 Los valores de μ y de ε han sido obtenidos de: Handbook of Chemistry and Physics de CRC Press y The Merck Index, 12 ed. 1996. 36

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