Haloalcano

El tetrafluoroetano (un haloalkano) es un líquido incoloro que hierve bien por debajo de la temperatura ambiente (como se ve aquí) y se puede extraer de los recipientes de aire enlatados comunes simplemente invertiéndolos durante el uso.

Los haloalcanos (también conocidos como halogenoalcanos o haluros de alquilo) son alcanos que contienen uno o más sustituyentes halógenos. Son un subconjunto de la clase general de halocarbonos, aunque la distinción no se hace a menudo. Los haloalcanos son ampliamente utilizados comercialmente. Se utilizan como retardadores de llama, extintores de incendios, refrigerantes, propelentes, solventes y productos farmacéuticos. Después del 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. Sin embargo, el yoduro de metilo, una sustancia natural, no tiene propiedades que agotan la capa de ozono y la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos ha designado el compuesto como no agotador de la capa de ozono. Para obtener más información, consulte Halometano. Los haloalcanos o haluros de alquilo son los 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 tales 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. Métodos especialmente versátiles incluyeron la adición de halógenos a alquenos, hidrohalogenación de alquenos y la conversión de alcoholes a haluros de alquilo. Estos métodos son tan confiables y tan fáciles de implementar que los haloalcanos se volvieron económicos para su uso en química industrial porque el haluro podría reemplazarse por otros grupos funcionales.

Si bien la mayoría de los haloalcanos son producidos por humanos, los haloalcanos de fuentes no artificiales se producen en la Tierra, principalmente a través de la síntesis mediada por enzimas por bacterias, hongos y especialmente macroalgas marinas (algas marinas). Se han identificado más de 1600 compuestos orgánicos halogenados, siendo los bromoalcanos los haloalcanos más comunes. Los compuestos orgánicos bromados en biología van desde el bromuro de metilo producido biológicamente hasta compuestos aromáticos e insaturados no alcanos (indoles, terpenos, acetogeninas y fenoles). Los alcanos halogenados en plantas terrestres son más raros, pero ocurren, como por ejemplo el fluoroacetato producido como toxina por al menos 40 especies de plantas conocidas. También se conocen enzimas deshalogenasas específicas en bacterias que eliminan halógenos de haloalcanos.

Clases

Desde la perspectiva 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
₃CH
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 se pueden clasificar según el tipo de halógeno del grupo 7 que responda a un halógenoalcano específico. Los haloalcanos que contienen carbono unido a flúor, cloro, bromo y yodo dan como resultado 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.

Propiedades

Los haloalcanos generalmente se parecen a los alcanos originales en que son incoloros, relativamente inodoros e hidrofóbicos. Los puntos de fusión y ebullición de los cloro-, bromo- y yodoalcanos son más altos que los alcanos análogos, escalando con el peso atómico y el número de haluros. Este efecto se debe al aumento de la fuerza 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, 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 usan 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; esta reactividad es la base de la mayoría de las controversias. Muchos son agentes alquilantes, siendo los más activos los haloalcanos primarios y los que contienen halógenos más pesados (los fluoroalcanos no actúan como agentes alquilantes en condiciones normales). La capacidad de agotamiento de la capa de ozono de los CFC surge de la fotolabilidad del enlace C-Cl.

Ocurrencia natural

Se estima que los océanos liberan entre 1 y 2 millones de toneladas de bromometano al año.

Nomenclatura

IUPAC

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

Producción

Los haloalcanos se pueden producir a partir de prácticamente todos los precursores orgánicos. Desde la perspectiva de la industria, los más importantes son los alcanos y los alquenos.

De alcanos

Los alcanos reaccionan con los halógenos mediante halogenación por radicales libres. En esta reacción, se elimina un átomo de hidrógeno del alcano, luego se reemplaza por un átomo de halógeno por reacción con una molécula diatómica de halógeno. La halogenación por radicales libres produce típicamente una mezcla de compuestos mono o multihalogenados en varias posiciones.

De alquenos y alquinos

En la hidrohalogenación, un alqueno reacciona con un haluro de hidrógeno seco (HX) como cloruro de hidrógeno (HCl) o 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 hidrohálico. La regla de Markovnikov establece que el hidrógeno está unido al carbono que tiene más hidrógeno.

Los alquenos también reaccionan con los halógenos (X₂) 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 de tetrahalo. Esto a veces se conoce como "decoloración" el halógeno, ya que el reactivo X₂ es coloreado y el producto suele ser incoloro e inodoro.

De alcoholes

El alcohol se puede convertir en haloalcanos. El alcohol terciario reacciona con el ácido clorhídrico para producir cloroalcano terciario. El alcohol primario y secundario requiere un activador como el cloruro de zinc. Esta reacción se explota en la prueba de Lucas.

En la "halogenación de Darzens", el cloruro de tionilo (SOCl
₂) convertir estos alcoholes menos reactivos a los cloruros. Ambos pentacloruro de fósforo (PCl
₅) y tricloruro de fósforo (PCl
₃) funcionan de manera similar.

Los alcoholes también se pueden convertir en bromoalcanos utilizando ácido bromhídrico o tribromuro de fósforo (PBr₃). Una cantidad catalítica de PBr
₃ puede usarse para la transformación usando fósforo y bromo; PBr
₃ se forma in situ.

Los yodoalcanos se pueden preparar de manera similar utilizando fósforo rojo y yodo (equivalente al triyoduro de fósforo). La reacción de Appel también es útil para preparar haluros de alquilo. El reactivo es tetrahalometano y trifenilfosfina; los coproductos son haloformo y óxido de trifenilfosfina.

De ácidos carboxílicos

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

Biosíntesis

Muchos cloro y bromoalcanos se forman naturalmente. Las vías principales involucran a las enzimas cloroperoxidasa y bromoperoxidasa.

A partir de aminas por el método de Sandmeyer

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

Cuando se va a fabricar un yoduro, no se necesita cloruro de cobre. La adición de yoduro de potasio con agitación suave produce el haloalcano.

Reacciones

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.

Sustitución

Las reacciones de sustitución involucran el reemplazo del halógeno con otra molécula, dejando así 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 nucleófila de los haloalcanos. El enlace polar atrae un ion hidróxido, OH⁻ (NaOH_(aq) siendo una fuente común de este ion). Este OH⁻ es un nucleófilo con carga claramente negativa, al tener electrones en exceso los cede al carbono, lo que da como resultado un enlace covalente entre ambos. Por lo tanto, C–X se rompe por fisión heterolítica que da como resultado un ion haluro, X⁻. Como puede verse, el OH ahora está unido al grupo alquilo, creando un alcohol. (La hidrólisis del bromoetano, por ejemplo, produce etanol). La reacción con amoníaco da aminas primarias.

Los cloro- y bromoalcanos se sustituyen fácilmente por yoduro en la reacción de Finkelstein. Los yodoalcanos producidos experimentan fácilmente una reacción adicional. El yoduro de sodio se usa así como catalizador.

Los haloalcanos reaccionan con nucleófilos iónicos (por ejemplo, cianuro, tiocianato, azida); el halógeno se reemplaza por el grupo respectivo. Esto es de gran utilidad sintética: los cloroalcanos a menudo están disponibles a bajo costo. Por ejemplo, después de sufrir reacciones de sustitución, los cianoalcanos pueden hidrolizarse a ácidos carboxílicos o reducirse a aminas primarias usando hidruro de litio y aluminio. Los azoalcanos pueden reducirse a aminas primarias mediante la reducción de Staudinger o hidruro de litio y aluminio. Las aminas también se pueden preparar a partir de haluros de alquilo en la alquilación de aminas, la síntesis de Gabriel y la reacción de Delepine, mediante sustitución nucleófila 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 por reactivos de Grignard para dar sales de magnesio y un compuesto de alquilo extendido.

Eliminación

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⁻ extrae un átomo de hidrógeno. Entonces se pierde el ion bromuro, dando como resultado eteno, H₂O 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 compuestos de 1,2-dibromo son desbromados por polvo de zinc para dar alquenos y los dihaluros geminales pueden reaccionar con bases fuertes para dar carbenos.

Otro

Los haloalcanos experimentan reacciones de radicales libres con magnesio elemental para dar compuestos de alquilmagnesio: reactivos de Grignard. Los haloalcanos también reaccionan con el 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.

Aplicaciones

Estructura de Teflon

Los alquenos clorados o fluorados sufren polimerización. Los polímeros halogenados importantes incluyen cloruro de polivinilo (PVC) y politetrafluoroeteno (PTFE o teflón).

Fluoruros alquiles

Se estima que una quinta parte de los productos farmacéuticos contienen flúor, incluidos varios de los fármacos principales. La mayoría de estos compuestos son fluoruros alquiles. Ejemplos incluyen 5-fluorouracil, flunitrazepam (Rohypnol), fluoxetina (Prozac), paroxetina (Paxil), ciprofloxacina (Cipro), mefloquina y fluconazol. Los éteres sustituidos por fluorina son anestesia volátil, incluyendo los productos comerciales metoxiflurane, enflurane, isoflurane, sevoflurane y desflurane.

Cloruros de Alquilo

Algunos hidrocarburos clorados de bajo peso molecular como cloroformo, diclorometano, dicloroeteno y tricloroetano son solventes útiles. Se producen anualmente varios millones de toneladas de metanos clorados. El clorometano es un precursor de clorosilanes y siliconas. Clorodifluorometano (CHClF)₂) se utiliza para hacer teflon.

Bromides alquiles

Las aplicaciones a gran escala de bromides alquiles explotan su toxicidad, lo que también limita su utilidad. El metilbromuro también es un fumigante eficaz, pero su producción y uso son controvertidos.

iodidos de Alkyl

No se conocen aplicaciones de gran escala para iodidos alquiles. Metil iodida es un agente popular de metilación en síntesis orgánica.

Clorofluorocarbonos

Los clorofluorocarbonos se utilizaron casi universalmente como refrigerantes y propulsantes debido a su toxicidad relativamente baja y al alto calor de la vaporización. A partir del decenio de 1980, a medida que se conocía su contribución al agotamiento del ozono, su utilización estaba cada vez más restringida, y ahora se han sustituido en gran medida por HFC.

Consideraciones ambientales

Como toxinas potenciales, incluso carcinógenos, la contaminación por clorocarbonos ha llamado la atención. Del mismo modo, se ha mostrado un gran interés en la remediación de halocarbonos. 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.

Seguridad

Como agentes alquilantes, los haloalcanos son carcinógenos potenciales. Los miembros más reactivos de esta gran clase de compuestos generalmente presentan un mayor riesgo, p. tetracloruro de carbono.