- Recordar las reacciones (reactivos y condiciones) mediante las cuales se pueden obtener haluroalcanos: (a) la sustitución de radicales libres de alcanos por $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$ en presencia de luz ultravioleta, ejemplificada por las reacciones del etano; (b) la adición electrofílica de un alqueno con un halógeno, $\text{X}_2$, o un haluro de hidrógeno, $\text{HX(g)}$, a temperatura ambiente; (c) la sustitución de un alcohol, p. ej., mediante reacción con $\text{HX(g)}$; o con $\text{KCl}$ y ácido sulfúrico concentrado ($\text{H}_2\text{SO}_4$) o ácido fosfórico concentrado ($\text{H}_3\text{PO}_4$); o con $\text{PCl}_3$ y calor; o con $\text{PCl}_5$; o con $\text{SOCl}_2$.
- Clasificar los haluroalcanos en primarios, secundarios y terciarios.
- Describir las siguientes reacciones de sustitución nucleofílica: (a) la reacción con $\text{NaOH(aq)}$ y calor para producir un alcohol; (b) la reacción con $\text{KCN}$ en etanol y calor para producir un nitrilo; (c) la reacción con $\text{NH}_3$ en etanol calentado bajo presión para producir una amina; (d) la reacción con nitrato de plata acuoso en etanol como método para identificar el halógeno presente, ejemplificado por el bromoetano.
- Describir la reacción de eliminación con $\text{NaOH}$ en etanol y calor para producir un alqueno, ejemplificada por el bromoetano.
- Describir los mecanismos $\text{S}_\text{N}1$ y $\text{S}_\text{N}2$ de sustitución nucleofílica en haluroalcanos, incluyendo los efectos inductivos de los grupos alquilo.
- Recordar que los haluroalcanos primarios tienden a reaccionar a través del mecanismo $\text{S}_\text{N}2$; los haluroalcanos terciarios, a través del mecanismo $\text{S}_\text{N}1$; y los haluroalcanos secundarios, mediante una mezcla de ambos, dependiendo de la estructura.
- Describir y explicar las diferentes reactividades de los haluroalcanos (con referencia particular a las fuerzas relativas de los enlaces C–X, ejemplificadas por las reacciones de haluroalcanos con nitratos de plata acuosos).
Compuestos halogenados
A-Level Química · Tema 15
7:31
Compuestos halogenados
Presiona el botón de una lata de spray para congeladora, y tu piel se adormece con frío. Adentro hay un halogenoalcano: un alcano con un átomo de halógeno en lugar de uno…
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15.1
Halogenoalcanos
Syllabus
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Un halogenoalcano 卤代烷 es un alcano con uno o más átomos de halógeno en lugar de hidrógeno (un enlace C–X, donde X es un halógeno).
Síntesis de halogenoalcanos
- Sustitución por radicales libres 自由基取代 de un alcano con $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$ bajo luz ultravioleta.
- Adición electrofílica 亲电加成 de un alqueno con un halógeno $\text{X}_2$ o un haluro de hidrógeno $\text{HX}$.
- Sustitución de un alcohol 醇, por ejemplo mediante $\text{HX}$, $\text{PCl}_5$, $\text{PCl}_3$ con calor, o $\text{SOCl}_2$.
Tres clases
Un halogenoalcano es primario 伯, secundario 仲 o terciario 叔, dependiendo de cuántos átomos de carbono están unidos al carbono que porta el halógeno (uno, dos o tres).
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ | 卤代烷 | lǔ dài wán |
| free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ | 自由基取代 | zì yóu jī qǔ dài |
| electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ | 亲电加成 | qīn diàn jiā chéng |
| alcohol/ˈælkəhɒl/ | 醇 | chún |
| primary/ˈpraɪməri/ | 伯 | bó |
| secondary/ˈsekəndəri/ | 仲 | zhòng |
| tertiary/ˈtɜːʃjəri/ | 叔 | shū |
| nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ | 亲核取代 | qīn hé qǔ dài |
| nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ | 亲核试剂 | qīn hé shì jì |
| nitrile/ˈnaɪtraɪl/ | 腈 | jīng |
| amine/ˈæmaɪn/ | 胺 | àn |
| silver nitrate/ˈsɪlvə ˈnaɪtreɪt/ | 硝酸银 | xiāo suān yín |
| precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ | 沉淀 | chén diàn |
15.1
Sustitución nucleofílica
El enlace C–X es polar, por lo que el carbono tiene una carga parcial positiva. Una sustitución nucleofílica 亲核取代 ocurre cuando un nucleófilo 亲核试剂 (una especie con par solitario) ataca a ese carbono y reemplaza al halógeno.
| Reactivo y condiciones | Producto |
|---|---|
| $\text{NaOH(aq)}$, calor | un alcohol |
| $\text{KCN}$ en etanol, calor | un nitrilo 腈 (añade un carbono a la cadena) |
| $\text{NH}_3$ en etanol, calentado a presión | una amina 胺 |
Para identificar el halógeno, caliente el halogenoalcano con nitrato de plata 硝酸银 en etanol. Se forma un precipitado 沉淀 de haluro de plata, y su color indica qué halógeno está presente (blanco $\text{AgCl}$, crema $\text{AgBr}$, amarillo $\text{AgI}$).
Explorar
Sustitución nucleofílica
Un nucleófilo reemplaza al grupo saliente en un haloalcano.
15.1
Eliminación
El mismo halogenoalcano puede someterse en cambio a eliminación 消去 para formar un alqueno 烯烃. Las condiciones determinan cuál reacción prevalece:
- $\text{NaOH}$ en agua → sustitución nucleofílica → un alcohol.
- $\text{NaOH}$ en etanol, con calor → eliminación → un alqueno.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ | 消去 | xiāo qù |
| alkene/ˈælkiːn/ | 烯烃 | xī tīng |
15.1
Mecanismos S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2
La sustitución nucleofílica puede seguir dos rutas:
- S$_\text{N}$2: un solo paso. El nucleófilo ataca al mismo tiempo que el halógeno sale, pasando por un estado de transición 过渡态 congestionado donde ambos están parcialmente enlazados. La velocidad depende tanto del halogenoalcano como del nucleófilo.
- S$_\text{N}$1: dos pasos. Primero se rompe el enlace C–X para formar un carbocatión 碳正离子; luego el nucleófilo lo ataca. La velocidad depende únicamente del halogenoalcano.
Los grupos alquilo empujan electrones hacia el carbono positivo (el efecto inductivo 诱导效应), estabilizando así el carbocatión. Por esto:
- Los halogenoalcanos primarios reaccionan mayoritariamente por S$_\text{N}$2.
- Los halogenoalcanos terciarios reaccionan mayoritariamente por S$_\text{N}$1 (su carbocatión está bien estabilizado).
- Los halogenoalcanos secundarios utilizan una mezcla de ambos mecanismos.
Explorar
El mecanismo SN2, paso a paso
Recorra la sustitución nucleofílica. El nucleófilo ataca por detrás mientras el halógeno se desprende — todo en un solo paso suave, invirtiendo la molécula.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| transition state/trænˈsɪʃn steɪt/ | 过渡态 | guò dù tài |
| carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ | 碳正离子 | tàn zhèng lí zi |
| inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ | 诱导效应 | yòu dǎo xiào yìng |
| bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ | 键能 | jiàn néng |
15.1
Diferentes reactividades
La velocidad de reacción de un halogenoalcano depende de la fuerza del enlace C–X, medida por su energía de enlace 键能. El enlace C–I es el más débil, por lo que los iodoalcanos reaccionan más rápido; el enlace C–Cl es el más fuerte de los tres, por lo que los cloroalcanos reaccionan más lentamente. Así, al probarlos con nitrato de plata, un iodoalcano forma su precipitado primero —su mayor reactividad 反应活性 proviene del enlace C–X más débil.
Ejemplo resuelto. Prediga el mecanismo para la hidrólisis de 1-bromobutano y de 2-bromo-2-metilpropano. Clasifique primero el halogenoalcano. El 1-bromobutano es primario: el carbono que porta el $\text{Br}$ está poco impedido, por lo que el nucleófilo puede atacar por la parte trasera y el mecanismo es $\text{S}_\text{N}2$ —un solo paso, con la velocidad dependiendo de ambos el halogenoalcano y el nucleófilo—. El 2-bromo-2-metilpropano es terciario: tres voluminosos grupos metilo bloquean ese ataque, pero también estabilizan el carbocatión formado una vez que el $\text{Br}$ sale, por lo que sigue $\text{S}_\text{N}1$ —dos pasos, con la velocidad dependiendo solo del halogenoalcano—. Decida según la clase (primario → $\text{S}_\text{N}2$, terciario → $\text{S}_\text{N}1$), y observe que el terciario se hidroliza más rápido a pesar de estar más impedido estéricamente.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/ | 反应活性 | fǎn yìng huó xìng |
15.1
Consejos para el examen
- Dibuje la sustitución nucleofílica con una flecha curva desde el par solitario del nucleófilo al carbono $\delta+$ y otra desde el enlace $\text{C-X}$.
- Asocie el mecanismo a la clase: $S_\text{N}1$ (terciario, carbocatión, dos pasos) vs $S_\text{N}2$ (primario, un paso, estado de transición).
- La reactividad viene determinada por la entalpía de enlace: $\text{C-I}$ es el más débil, por lo que los iodoalcanos reaccionan más rápido (no por electronegatividad).
- Eliminación (KOH etanólica caliente) vs sustitución (KOH acuosa tibia): las condiciones determinan el producto; indíquelas explícitamente.
Lecciones interactivas sobre este tema
Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.