Reacciones de halogenación

Una reacción de hidrogenación se produce cuando uno o más átomos de flúor, cloro, bromo o yodo sustituyen a los átomos de hidrógeno en un compuesto orgánico. El orden de reactividad es flúor > cloro > bromo > yodo. El flúor es especialmente agresivo y puede reaccionar violentamente con los materiales orgánicos. También tiende a ser el más estable de los organohalógenos y es difícil eliminar un átomo de flúor una vez añadido. Por el contrario, el yodo es más difícil de añadir a una molécula orgánica, pero una vez que se forma un organohalógeno, el átomo de yodo se elimina fácilmente. Así pues, la electronegatividad del átomo de halógeno es una fuerza impulsora de las reacciones de halogenación. Las reacciones también dependen de la naturaleza de la molécula de sustrato que se está halogenando.

Las halogenaciones se producen por varios procesos diferentes en función del sustrato: los hidrocarburos saturados se halogenan mediante un proceso de radicales libres; los orgánicos insaturados se halogenan mediante una reacción de adición; los aromáticos se halogenan mediante sustitución electrofílica.

Las reacciones de halogenación son importantes tanto en síntesis química fina como a granel y los productos e intermedios generados mediante halogenación están bien representados en productos farmacéuticos, polímeros y plásticos, refrigerantes, aditivos para combustibles, retardantes del fuego, agroproductos, etc.

Como ejemplos en productos farmacéuticos, los átomos de flúor o cloro añadidos a una molécula pueden aumentar el potencial de su actividad terapéutica. Además, los organobromuros y organoiodinas son muy útiles como compuestos intermedios, ya que proporcionan un medio para añadir grupos funcionales a un sustrato, además de permitir la síntesis de estructuras más complejas. Como ejemplos, un enlace C-Cl o C-Br puede hidrolizarse a alcoholes que, a su vez, pueden oxidarse para producir cetonas, aldehídos y ácidos. Mediante reacciones de eliminación, pueden formarse dobles enlaces. La bromación de compuestos orgánicos suele ser un paso importante hacia la formación de un reactivo Grignard, ofreciendo una vía sintética para construir enlaces C-C. La alquilación de anillos aromáticos mediante la reacción de Friedel-Crafts es ampliamente aplicable y los halogenuros de alquilo son reactivos críticos para esta reacción.

Algunas sustancias químicas y productos comerciales importantes son el resultado de reacciones de halogenación. En un ejemplo clásico, el cloroformo se fluora para formar clorodifluorometano, que luego se convierte en fluoroetileno y se polimeriza para producir PTFE. Otro ejemplo, es la halogenación por adición de etileno con cloro para formar dicloroetano, que luego se polimeriza para producir PVC.

Las reacciones de halogenación pueden requerir un catalizador para aumentar la electrofilia del halógeno. Por ejemplo, las reacciones de sustitución electrofílica de compuestos aromáticos requieren un catalizador. Dado que el bromo y el cloro no son lo suficientemente electrofílicos por sí mismos para provocar la sustitución del hidrógeno, requieren la presencia de un ácido de Lewis. Así, los catalizadores típicos para la halogenación de anillos aromáticos son, por ejemplo, AlCl3 o AlBr3. En presencia del ácido de Lewis, el enlace del halógeno se vuelve más polarizado y el halógeno con mayor carga positiva es un electrófilo mucho más fuerte.

La fluoración de los aromáticos no requiere catalizador porque el flúor es un electrófilo muy fuerte y esta reacción puede ser muy enérgica. Es difícil controlar la cantidad de sustitución por flúor que se produce y más de un átomo de flúor puede halogenar el anillo aromático. Para que el yodo se sustituya en un anillo aromático, los haluros metálicos no son catalizadores eficaces, pero un oxidante como el ácido nítrico convertirá el yodo en HIO3 y permitirá la yodación del benceno.

Las halogenaciones son reacciones excepcionalmente útiles y abarcan un amplio campo de utilización en química sintética. Algunos ejemplos: La cloración, la bromación y la yodación de aldehídos y cetonas en la posición α son sencillas, aunque la reacción con flúor no es posible. La halogenación del α-hidrógeno de los ácidos carboxílicos con bromo o cloro puede producirse mediante la reacción de Zell-Volhard-Zelinsky, aunque es necesario un catalizador como P o PBr3. Cuanto más fácil sea enolizar un sustrato, más fácil será halogenarlo. Por esta razón, los halogenuros de acilo, los anhídridos y los ésteres malónicos se someten todos a α -halogenación sin necesidad de catalizador. La reacción de reordenación de Hoffman utiliza bromo para convertir amidas en aminas. Los anillos aromáticos pueden bromarse o clorarse pero requieren un catalizador como Fe (en realidad FeCl3) o AlCl3 o AlBr3. El flúor en sí es demasiado agresivo para la fluoración de aromáticos, pero existen reactivos como el ClO3F que pueden utilizarse para fluorar ciertos sustratos como los fenoles. En general, el bromo y el cloro halogenan fácilmente compuestos con enlaces dobles y triples.

Aunque se utiliza la halogenación con X2 o HX, estas moléculas suelen ser tóxicas, corrosivas y difíciles de manejar. Como ejemplos, el flúor y el HF son increíblemente corrosivos, reactivos, causan productos secundarios no deseados y, en general, son difíciles de trabajar y de controlar la exotermicidad de las reacciones. Por esta razón, se han desarrollado compuestos que pueden proporcionar un átomo de flúor pero que son más estables y controlables. Por ejemplo, el trifluoruro de dietilaminosulfuro (DAST) es un sólido estable que convierte alcoholes, aldehídos y cetonas en el organofluoruro correspondiente y es mucho más seguro y cómodo de utilizar que los gases de flúor o tetrafluoruro de azufre. Reactivos como el SOCl2 y el PCl5 se utilizan para producir compuestos organoclorados a partir de los alcoholes correspondientes y, como en el caso del flúor, son más fáciles de utilizar y controlar las reacciones que con el cloro elemental. Como alternativa al bromo, la N-bromosuccinimida (NBS) se utiliza mucho para bromar un alqueno.

Las halogenaciones pueden ser muy energéticas y son sensibles a la humedad y al aire. Además, el rendimiento y la selectividad de la reacción están en función del sustrato, el reactivo halogenante, la temperatura de reacción y otras variables. Esta combinación de requisitos hace que la necesidad de análisis in situ y de un control preciso sea un objetivo importante en las halogenaciones.

Comprender la cinética y la termodinámica de las halogenaciones es importante para alcanzar los objetivos de producto y seguridad, y esto es especialmente cierto cuando se escala una reacción.Los reactores de laboratorio automatizados como EasyMax y RC1 desempeñan un papel importante a la hora de garantizar que se comprenda bien la energética de la reacción y que se modele bien el efecto de las variables en el rendimiento de la reacción. Las tecnologías espectroscópicas in situ ReactIR y ReactRaman son muy útiles para rastrear y monitorizar las especies clave de la reacción, proporcionando información tanto cinética como mecanística. Las halogenaciones suelen generar productos intermedios y subproductos, y conocer el efecto de las variables de reacción sobre la generación de estas especies ayuda a garantizar el rendimiento y la seguridad de la reacción. Ingenieros y químicos utilizan la combinación de reactores de laboratorio automatizados junto con sondas espectroscópicas in situ para garantizar el rendimiento y la seguridad de las halogenaciones.

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