Haloalcano

Los haloalcanos (también conocidos como halogenoalcanos o haluros de alquilo ) son alcanos que contienen uno o más sustituyentes halógenos . ^[1] Son un subconjunto de la clase general de halocarbonos , aunque la distinción no se hace a menudo. Los haloalcanos se utilizan ampliamente comercialmente. Se utilizan como retardantes de llama , extintores de incendios , refrigerantes , propelentes , disolventes y productos farmacéuticos . Posteriormente al uso generalizado en el comercio, también se ha demostrado que muchos halocarbonos son contaminantes y toxinas graves. Por ejemplo, se ha demostrado que los clorofluorocarbonos conducen al agotamiento del ozono . El bromuro de metilo es un fumigante controvertido. Solo los haloalcanos que contienen cloro, bromo y yodo son una amenaza para la capa de ozono , pero los haloalcanos volátiles fluorados en teoría pueden tener actividad como gases de efecto invernadero . El yoduro de metilo , una sustancia natural, no tiene propiedades que dañen la capa de ozono y la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos ha designado al compuesto como un no agotador de la capa de ozono. Para obtener más información, consulte Halometano . Los haloalcanos o haluros de alquilo son compuestos que tienen la fórmula general "RX", donde R es un grupo alquilo o alquilo sustituido y X es un halógeno (F, Cl, Br, I).

Los haloalcanos se conocen desde hace siglos. El cloroetano se produjo en el siglo XV. La síntesis sistemática de estos compuestos se desarrolló en el siglo XIX al ritmo del desarrollo de la química orgánica y la comprensión de la estructura de los alcanos. Se desarrollaron métodos para la formación selectiva de enlaces C-halógeno. Los métodos especialmente versátiles incluyeron la adición de halógenos a los alquenos, la hidrohalogenación de alquenos y la conversión de alcoholes en haluros de alquilo. Estos métodos son tan confiables y tan fáciles de implementar que los haloalcanos se volvieron económicos para su uso en la química industrial porque el haluro podía reemplazarse por otros grupos funcionales.

Si bien muchos haloalcanos son de producción humana, cantidades sustanciales son biogénicas.

Desde el punto de vista estructural, los haloalcanos se pueden clasificar según la conectividad del átomo de carbono al que está unido el halógeno. En los haloalcanos primarios (1°), el carbono que lleva el átomo de halógeno solo está unido a otro grupo alquilo. Un ejemplo es el cloroetano ( CH
₃es
₂Cl ). En los haloalcanos secundarios (2°), el carbono que lleva el átomo de halógeno tiene dos enlaces C–C. En los haloalcanos terciarios (3°), el carbono que lleva el átomo de halógeno tiene tres enlaces C–C.

Los haloalcanos también pueden clasificarse según el tipo de halógeno del grupo 17 que responde a un halogenoalcano específico. Los haloalcanos que contienen carbono unido a flúor , cloro , bromo y yodo dan lugar a compuestos organofluorados , organoclorados , organobromados y organoyodados , respectivamente. También son posibles los compuestos que contienen más de un tipo de halógeno. Varias clases de haloalcanos ampliamente utilizados se clasifican de esta manera: clorofluorocarbonos (CFC), hidroclorofluorocarbonos (HCFC) e hidrofluorocarbonos (HFC). Estas abreviaturas son particularmente comunes en las discusiones sobre el impacto ambiental de los haloalcanos.

Los haloalcanos generalmente se parecen a los alcanos originales en que son incoloros, relativamente inodoros e hidrófobos. Los puntos de fusión y ebullición de los cloroalcanos, bromoalcanos y yodoalcanos son más altos que los de los alcanos análogos, y varían con el peso atómico y el número de haluros. Este efecto se debe a la mayor intensidad de las fuerzas intermoleculares , desde la dispersión de London hasta la interacción dipolo-dipolo debido a la mayor polarizabilidad. Por lo tanto, el tetrayodometano ( CI
₄) es un sólido mientras que el tetraclorometano ( CCl
₄) es un líquido. Sin embargo, muchos fluoroalcanos van en contra de esta tendencia y tienen puntos de fusión y ebullición más bajos que sus análogos no fluorados debido a la menor polarizabilidad del flúor. Por ejemplo, el metano ( CH
₄) tiene un punto de fusión de -182,5 °C mientras que el tetrafluorometano ( CF
₄) tiene un punto de fusión de -183,6 °C.

Como contienen menos enlaces C–H, los haloalcanos son menos inflamables que los alcanos, y algunos se utilizan en extintores de incendios. Los haloalcanos son mejores disolventes que los alcanos correspondientes debido a su mayor polaridad. Los haloalcanos que contienen halógenos distintos del flúor son más reactivos que los alcanos originales; es esta reactividad la que constituye la base de la mayoría de las controversias. Muchos son agentes alquilantes , siendo los haloalcanos primarios y los que contienen halógenos más pesados ​​los más activos (los fluoroalcanos no actúan como agentes alquilantes en condiciones normales). La capacidad de los CFC para reducir la capa de ozono surge de la fotolabilidad del enlace C–Cl.

Se estima que anualmente se producen 4.100.000.000 kg de clorometano de origen natural. ^[2] Se calcula que los océanos liberan entre 1 y 2 millones de toneladas de bromometano al año. ^[3]

La denominación formal de los haloalcanos debe seguir la nomenclatura IUPAC , que pone el halógeno como prefijo del alcano. Por ejemplo, el etano con bromo se convierte en bromoetano , el metano con cuatro grupos de cloro se convierte en tetraclorometano . Sin embargo, muchos de estos compuestos ya tienen un nombre trivial establecido, que está avalado por la nomenclatura IUPAC, por ejemplo, cloroformo (triclorometano) y cloruro de metileno ( diclorometano ). Pero hoy en día, se utiliza la nomenclatura IUPAC. Para reducir la confusión, este artículo sigue el esquema de nomenclatura sistemático en todo momento.

Los haloalcanos pueden producirse a partir de prácticamente todos los precursores orgánicos. Desde el punto de vista industrial, los más importantes son los alcanos y los alquenos.

Los alcanos reaccionan con halógenos mediante halogenación por radicales libres . En esta reacción, se elimina un átomo de hidrógeno del alcano y luego se lo reemplaza por un átomo de halógeno mediante la reacción con una molécula de halógeno diatómico. La halogenación por radicales libres generalmente produce una mezcla de compuestos monohalogenados o multihalogenados en varias posiciones.

En la hidrohalogenación , un alqueno reacciona con un electrófilo de haluro de hidrógeno (HX) seco como el cloruro de hidrógeno ( HCl ) o el bromuro de hidrógeno ( HBr ) para formar un monohaloalcano. El doble enlace del alqueno se reemplaza por dos nuevos enlaces, uno con el halógeno y otro con el átomo de hidrógeno del ácido hidrohalogenado. La regla de Markovnikov establece que, en condiciones normales, el hidrógeno está unido al carbono insaturado con la mayor cantidad de sustituyentes de hidrógeno. La regla se viola cuando los grupos funcionales vecinos polarizan el enlace múltiple o en ciertas adiciones de bromuro de hidrógeno (adición en presencia de peróxidos y la reacción de Wohl-Ziegler ) que ocurren por un mecanismo de radicales libres.

Los alquenos también reaccionan con halógenos (X ₂ ) para formar haloalcanos con dos átomos de halógeno vecinos en una reacción de adición de halógeno . Los alquinos reaccionan de manera similar, formando los compuestos tetrahalo. Esto a veces se conoce como "decoloración" del halógeno, ya que el reactivo X ₂ está coloreado y el producto suele ser incoloro e inodoro.

El alcohol puede convertirse en haloalcanos. La reacción directa con un ácido húmico rara vez da un producto puro, sino que genera éteres . Sin embargo, se conocen algunas excepciones: los líquidos iónicos suprimen la formación o promueven la escisión de los éteres, ^[4] el ácido clorhídrico convierte los alcoholes terciarios en cloroalcanos, y los alcoholes primarios y secundarios se convierten de manera similar en presencia de un activador de ácido de Lewis , como el cloruro de zinc . Esto último se explota en la prueba de Lucas .

En el laboratorio, los agentes desoxigenantes y halogenantes más activos se combinan con la base para efectuar la conversión. En la " halogenación de Darzens ", el cloruro de tionilo ( SOCl
₂) con piridina convierte los alcoholes menos reactivos en cloruros. Tanto el pentacloruro de fósforo ( PCl
₅) y tricloruro de fósforo ( PCl
₃) funcionan de manera similar y los alcoholes se convierten en bromoalcanos bajo ácido bromhídrico o tribromuro de fósforo (PBr ₃ ). Los halógenos más pesados ​​no requieren reactivos preformados: una cantidad catalítica de PBr
₃Puede utilizarse para la transformación utilizando fósforo y bromo; PBr
₃Se forma in situ . ^[5] Los yodoalcanos pueden prepararse de manera similar utilizando fósforo rojo y yodo (equivalente al triyoduro de fósforo ).

Una familia de reacciones con nombre se basa en el efecto desoxigenante de la trifenilfosfina . En la reacción de Appel , el reactivo es tetrahalometano y trifenilfosfina ; los coproductos son haloformo y óxido de trifenilfosfina . En la reacción de Mitsunobu , los reactivos son cualquier nucleófilo , trifenilfosfina y un diazodicarboxilato; los coproductos son óxido de trifenilfosfina y una hidrazodiamida.

Dos métodos para la síntesis de haloalcanos a partir de ácidos carboxílicos son la reacción de Hunsdiecker y la reacción de Kochi .

Muchos cloro y bromoalcanos se forman de forma natural. Las principales vías de formación implican las enzimas cloroperoxidasa y bromoperoxidasa .

Las aminas aromáticas primarias producen iones diazonio en una solución de nitrito de sodio . Al calentar esta solución con cloruro de cobre (I), el grupo diazonio se reemplaza por -Cl. Este es un método relativamente fácil para producir haluros de arilo, ya que el producto gaseoso se puede separar fácilmente del haluro de arilo.

Para preparar un yoduro no se necesita cloruro de cobre. La adición de yoduro de potasio con agitación suave produce el haloalcano.

Los haloalcanos son reactivos frente a los nucleófilos . Son moléculas polares : el carbono al que está unido el halógeno es ligeramente electropositivo , mientras que el halógeno es ligeramente electronegativo . Esto da como resultado un carbono deficiente en electrones (electrófilo) que, inevitablemente, atrae a los nucleófilos .

Las reacciones de sustitución implican el reemplazo del halógeno por otra molécula, lo que deja hidrocarburos saturados , así como el producto halogenado. Los haloalcanos se comportan como el sintón R ⁺ y reaccionan fácilmente con los nucleófilos.

La hidrólisis , una reacción en la que el agua rompe un enlace, es un buen ejemplo de la naturaleza nucleofílica de los haloalcanos. El enlace polar atrae un ion hidróxido , OH ⁻ (NaOH _(aq) es una fuente común de este ion). Este OH ⁻ es un nucleófilo con una carga claramente negativa, ya que como tiene electrones en exceso los dona al carbono, lo que da como resultado un enlace covalente entre los dos. Así, C–X se rompe por fisión heterolítica dando como resultado un ion haluro, X ⁻ . Como se puede ver, el OH ahora está unido al grupo alquilo, creando un alcohol . (La hidrólisis del bromoetano, por ejemplo, produce etanol ). Las reacciones con amoníaco dan aminas primarias.

Los cloroalcanos y bromoalcanos se sustituyen fácilmente por yoduro en la reacción de Finkelstein . Los yodoalcanos producidos experimentan fácilmente reacciones posteriores. El yoduro de sodio se utiliza como catalizador .

Los haloalcanos reaccionan con nucleófilos iónicos (p. ej. , cianuro , tiocianato , azida ); el halógeno se reemplaza por el grupo respectivo. Esto es de gran utilidad sintética: los cloroalcanos suelen estar disponibles a bajo costo. Por ejemplo, después de sufrir reacciones de sustitución, los cianoalcanos pueden hidrolizarse a ácidos carboxílicos o reducirse a aminas primarias utilizando hidruro de litio y aluminio . Los azoalcanos pueden reducirse a aminas primarias mediante reducción de Staudinger o hidruro de litio y aluminio . Las aminas también pueden prepararse a partir de haluros de alquilo en la alquilación de aminas , la síntesis de Gabriel y la reacción de Delepina , al sufrir una sustitución nucleofílica con ftalimida de potasio o hexamina respectivamente, seguida de hidrólisis.

En presencia de una base, los haloalcanos alquilan alcoholes, aminas y tioles para obtener éteres , aminas N -sustituidas y tioéteres respectivamente. Se sustituyen mediante el reactivo de Grignard para dar sales de magnesio y un compuesto de alquilo extendido.

En las reacciones de deshidrohalogenación , el halógeno y un protón adyacente se eliminan de los halocarbonos, formando así un alqueno . Por ejemplo, con bromoetano e hidróxido de sodio (NaOH) en etanol , el ion hidróxido HO ⁻ abstrae un átomo de hidrógeno. Luego se pierde un ion bromuro , dando como resultado eteno , H ₂ O y NaBr. Por lo tanto, los haloalcanos se pueden convertir en alquenos. De manera similar, los dihaloalcanos se pueden convertir en alquinos .

En reacciones relacionadas, los 1,2-dibromocompuestos son desbromados por polvo de zinc para dar alquenos y los dihaluros geminales pueden reaccionar con bases fuertes para dar carbenos .

Los haloalcanos experimentan reacciones de radicales libres con magnesio elemental para dar un compuesto de alquil-magnesio: reactivo de Grignard . Los haloalcanos también reaccionan con litio metálico para dar compuestos de organolitio . Tanto los reactivos de Grignard como los compuestos de organolitio se comportan como el sintón R ⁻ . Los metales alcalinos como el sodio y el litio pueden hacer que los haloalcanos se acoplen en la reacción de Wurtz , dando alcanos simétricos. Los haloalcanos, especialmente los yodoalcanos, también experimentan reacciones de adición oxidativa para dar compuestos organometálicos .

Los alquenos clorados o fluorados sufren polimerización. Entre los polímeros halogenados más importantes se encuentran el cloruro de polivinilo (PVC) y el politetrafluoroeteno (PTFE o teflón).

Fluoruros de alquilo

Se estima que una quinta parte de los productos farmacéuticos contienen flúor, incluidos varios de los principales fármacos. La mayoría de estos compuestos son fluoruros de alquilo. ^[6] Algunos ejemplos son el 5-fluorouracilo , el flunitrazepam (Rohypnol), la fluoxetina (Prozac), la paroxetina (Paxil), la ciprofloxacina (Cipro), la mefloquina y el fluconazol . Los éteres sustituidos con flúor son anestésicos volátiles , incluidos los productos comerciales metoxiflurano , enflurano , isoflurano , sevoflurano y desflurano .

Cloruros de alquilo

Algunos hidrocarburos clorados de bajo peso molecular, como el cloroformo , el diclorometano , el dicloroeteno y el tricloroetano , son disolventes útiles. Anualmente se producen varios millones de toneladas de metanos clorados. El clorometano es un precursor de los clorosilanos y las siliconas . El clorodifluorometano (CHClF ₂ ) se utiliza para fabricar teflón. ^[7]

Bromuros de alquilo

Las aplicaciones a gran escala de los bromuros de alquilo aprovechan su toxicidad, lo que también limita su utilidad. El bromuro de metilo también es un fumigante eficaz, pero su producción y uso son controvertidos.

Yoduros de alquilo

No se conocen aplicaciones a gran escala para los yoduros de alquilo. El yoduro de metilo es un agente metilante popular en la síntesis orgánica .

Clorofluorocarbonos

Los clorofluorocarbonos se han utilizado casi universalmente como refrigerantes y propelentes debido a su toxicidad relativamente baja y su alto calor de vaporización . A partir de la década de 1980, cuando se conoció su contribución al agotamiento de la capa de ozono , su uso se restringió cada vez más y ahora han sido reemplazados en gran medida por los HFC.

La naturaleza produce cantidades masivas de clorometano y bromometano. La mayor preocupación se centra en las fuentes antropogénicas, que son toxinas potenciales, incluso carcinógenas. De manera similar, se ha mostrado un gran interés en la remediación de halocarbonos artificiales, como los producidos a gran escala, como los líquidos de limpieza en seco. Los halocarbonos volátiles se degradan fotoquímicamente porque el enlace carbono-halógeno puede ser lábil. Algunos microorganismos deshalogenan los halocarbonos. Si bien este comportamiento es intrigante, las tasas de remediación son generalmente muy lentas. ^[8]

Como agentes alquilantes , los haloalcanos son carcinógenos potenciales. Los miembros más reactivos de esta gran clase de compuestos generalmente plantean un mayor riesgo, por ejemplo, el tetracloruro de carbono . ^[9]

• Medios relacionados con Haloalcanos en Wikimedia Commons