Halogenación por radicales libres

En química orgánica, la halogenación por radicales libres es un tipo de halogenación. Esta reacción química es típica de los alcanos y los aromáticos sustituidos con alquilo bajo la aplicación de luz ultravioleta. La reacción se utiliza para la síntesis industrial de cloroformo (CHCl₃), diclorometano (CH₂Cl₂) y hexaclorobutadieno. Procede mediante un mecanismo de cadena de radicales libres.

Mecanismo general

El mecanismo de la cadena es el siguiente, utilizando la cloración del metano como ejemplo habitual:

1. Iniciación: Dividir o homolisis de una molécula de cloro para formar dos átomos de cloro, iniciados por radiación ultravioleta. Un átomo de cloro tiene un electrón no pintado y actúa como un radical libre.

2. La propagación de la cadena (dos pasos): un átomo de hidrógeno se retira del metano dejando un metil radical primario. El metil radical entonces tira un Cl^• de Cl₂.

Esto da como resultado el producto deseado más otro radical de cloro. Este radical luego participará en otra reacción de propagación provocando una reacción en cadena. Si hay suficiente cloro, se pueden formar otros productos como CH₂Cl₂.

3. Terminación de cadena: recombinación de dos radicales libres:

La última posibilidad en el paso de terminación resultará en una impureza en la mezcla final; En particular, esto da como resultado una molécula orgánica con una cadena de carbonos más larga que los reactivos.

La reacción neta es:

La ley de tarifas para este proceso es k[CH]₄[Cl]₂]^1.2. Esto se puede mostrar utilizando la aproximación del estado estable.

En el caso del metano o del etano, todos los átomos de hidrógeno son equivalentes y, por tanto, tienen las mismas posibilidades de ser reemplazados. Esto conduce a lo que se conoce como una distribución estadística de productos. Para el propano y los alcanos superiores, se reemplazan preferentemente los átomos de hidrógeno que forman parte de los grupos CH2 (o CH).

La reactividad de los diferentes halógenos varía considerablemente. Las tasas relativas son: flúor (108)> cloro (1) > bromo (7× 10⁻¹¹) > yodo (2× 10⁻²²). De ahí que la reacción de los alcanos con el flúor sea difícil de controlar, que con el cloro sea de moderada a rápida, que con el bromo sea lenta y requiera altos niveles de irradiación UV mientras que la reacción con el yodo sea prácticamente inexistente y termodinámicamente desfavorable.

Un método común en la síntesis orgánica es la reacción de Wohl-Ziegler, que emplea N-bromosuccinimida, que puede sufrir homólisis para producir un radical bromo y es una variante de halogenación de radicales libres.

Control de la halogenación

• La halogenación a menudo no se detiene en la monosustitución. Dependiendo de las condiciones de reacción, la cloración de metano produce diclorometano, cloroformo y tetracloruro de carbono.
• En la mayoría de los hidrocarburos, existe más de un producto posible dependiendo de qué hidrógeno sea reemplazado. Butane (CH₃Č₂Č₂Č₃), por ejemplo, se puede clorar en la posición "1" para dar 1-clorobutano (CH)₃Č₂Č₂Č₂Cl) o en la posición "2" para dar 2-clorobutano (CH)₃Č₂CH−Cl−CH₃). La distribución del producto depende de las tasas de reacción relativas: en este caso la posición "2" del butano reacciona más rápido y 2-clorobutano es el producto principal.
• La cloración es generalmente menos selectiva que la bromación. La fluoración no es sólo menos selectiva que la cloración, sino también altamente exotérmica y se debe cuidar para prevenir una explosión o una reacción fugaz. Esta relación se utiliza a menudo como una demostración del principio de reactividad-selectividad y se puede explicar con la ayuda del postulado Hammond. Un radical de bromo no es muy reactivo y el estado de transición para la abstracción de hidrógeno tiene mucho carácter radical y se alcanza tarde. El radical reactivo del cloro desarrolla un estado de transición parecido al reaccionante con poco carácter radical. Cuando el radical alquilo está completamente formado en el estado de transición, puede beneficiarse plenamente de cualquier estabilización de resonancia presente, lo que maximiza la selectividad.
• Las energías de disociación ósea (BDE) pueden utilizarse para comprender la selectividad de la bromación. El BDE de un vínculo es la energía necesaria para romperlo por el clavage homolítico, y estos valores se pueden utilizar para determinar si una reacción o paso en una reacción es exotérmica o endotérmica. En un paso de reacción en cadena de un radical Br reaccionando con un hidrógeno en un carbono secundario para liberar el vínculo H−C requiere 397 kJ/mol y se forma un H−Br. Podemos ver el BDE de H−Br (366 kJ/mol) y restar este valor de 397 kJ/mol a obtener +31 kJ/mol. Este valor positivo nos dice que este paso en la reacción requiere energía (endotérmica) y los reaccionarios son más estables que los productos. Comparando esto con la misma situación de un radical Cl vemos que este paso es exotérmico (397 − 431 kJ/mol = −34 kJ/mol). De estos valores, podemos concluir que en la brominación es más importante que el radical (teritario) más estable se forme durante este paso y por lo tanto es más selectivo que la cloración. Esto se debe a que la formación de H-Br y el radical terciario es menos endotérmico (380 – 366 kJ/mol = +14 kJ/mol). Este valor es de 17 kJ/mol menos que la formación radical secundaria. El yodo ni siquiera participa en la halogenación libre radical porque toda la reacción es endotérmica.
• Es posible predecir la distribución de productos de diferentes derivados del monocloro resultantes de la cloración de un alcalino con hidrógenos no equivalentes. A partir de la experimentación, se ha determinado que las tasas relativas de cloración a las posiciones primaria, secundaria y terciaria son 1, 3,8 y 5, respectivamente (esta proporción se utiliza en el ejemplo que sigue a este párrafo). Esto corresponde a la estabilidad radical alquil: las especies radicales terciarias son más estables que las especies radicales secundarias, y las especies radicales secundarias son más estables que las especies radicales primarias, ya que cualquier cloración única favorecerá la sustitución en el carbono más sustituido. Debido a esta tendencia, los porcentajes de cada producto formado por el radical padre se pueden estimar con una precisión relativamente alta. Por ejemplo, 2-metilo butano (CH)₃)₂CHCH₂CH₃) muestra los siguientes resultados:-

Para mayor claridad, los hidrógenos únicos se etiquetarán de la siguiente manera:

a =₃)₂ (primario), b = CH (terario), c = CH₂ (secundaria), d = CH₃ (también primario)

Aplicando los ratios de sustitución mencionados en la fórmula: ([número de hidrógenos] × [factor de ratio]) / [(genos primarios × 1) + (genos secundarios × 3.8) + (genos terciarios × 5)]

a: 6 × 1 = 6		a = 6/21.6 = 28%
b: 1 × 5 = 5		b 5/21.6 = 23%
c: 2 × 3.8 = 7.6		c) 7.6/21.6 = 35%
d: 3 × 1 = 3		d 3/21.6 = 14%

Denominador total para esta especie = 6 + 5 + 7.6 + 3 = 21.6

Debido a que los seis "a" hidrógenos, ambos "c" hidrógenos, y los tres "d" hidrógenos son químicamente equivalentes con los otros en sus tres clasificaciones (es decir, cualquier "a" hidrógeno es equivalente con cualquier otro "a" hidrógeno), estas tasas reflejan con precisión donde puede tener lugar una sola cloración para 2-metilbutano. El único hidrógeno terciario "b" es casi tan susceptible como los seis primeros "a" hidrógenos, y casi doblemente susceptibles como cualquiera de los tres, también los hidrógenos "d" primarios, ilustrando las diferencias radicales de estabilidad entre los hidrógenos terciarios y primarios (los hidrógenos "c" secundarios también siguen el orden radical de estabilidad como se mencionó anteriormente).

La yodación por radicales libres generalmente no es posible porque el yodo es demasiado poco reactivo para formar un radical. Para los demás halógenos, la halogenación por radicales se produce generalmente en el siguiente orden:

• Carbons with one or more aryl substituents (benzylic positions) react faster than:
• Carbons with three alkyl substituents (tertiary positions), which react faster than:
• Carbons with two alkyl substituents (secondary positions), which react faster than:
• Carbons with one or zero substituents (primary positions)

El oxígeno es un inhibidor de la halogenación.

A continuación se proporciona un ejemplo de bromación radical del tolueno:

Esta reacción tiene lugar en agua en lugar de un disolvente orgánico y el bromo se obtiene por oxidación del ácido bromhídrico con peróxido de hidrógeno. Para la generación de radicales de bromo es suficiente una bombilla incandescente.