substitucion nucleofilica bimolecular

GERMÁN FERNÁNDEZ

Versión: 1.0

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Germán Fernández

Aprovecho la ocasión para enviarte un saludo, deseando que este material

sea de interés y ayude a preparar de modo más eficaz la asignatura.

CONTENIDOS ii

1. CARACTERÍSTICAS GENERALES

2. MECANISMO

3. DIAGRAMA DE ENERGÍA

4. ESTEREOQUÍMICA

5. GRUPO SALIENTE

6. NUCLEÓFILO

7. SUSTRATO

8. SUSTRATOS CÍCLICOS

9. DISOLVENTE

(c) Germán Fernández

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Cl

Solvatación del nucleófilo

SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - CARACTERÍSTICAS GENERALES


En las reacciones de sustitución nucleófila se cambia un grupo, llamado grupo saliente, por otro, llamado

nucleófilo.

H3C I + OH H3C OH + I

[1] [2] [3] [4]

[1] Sustrato - Especie que contiene el grupo saliente

[2] Nucleófilo - Base de Lewis capaz de atacar a átomos con polaridad (o carga) positiva

[3] Producto de la reacción

[4] Grupo saliente - Especie que abandona el sustrato, siendo sustituida por el nucleófilo

Las reacciones de sustitución nucleófila permiten obtener numerosos compuestos orgánicos a partir de

haluros de alquilo. Veamos algunos ejemplos:

CH3CH2 Br + NaOH CH3CH2 OH + NaBr

a) La reacción de bromoetano con hidróxido de sodio produce etanol.

b) La reacción del cloruro de isopropilo con cianuro de sodio produce un nitrilo

H3CCH

CH3

Cl

+ NaCNH3C

CHCH3

CN

+ NaCl

c) La reacción de yodometano con metóxido de sodio produce un éter (dimetil éter)

H3C I + NaOCH3 H3C OCH3 + NaI

d) Se pueden obtener aminas por reacción de amoniaco con haloalcanos

Br + NH3NH2 + HBr

En estos ejemplos se representa el grupo saliente en rojo y el nucleófilo en azul.

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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - MECANISMO

La SN2 (sustitución nucleófila bimolecular) es una reacción concertada, es decir, transcurre en una única

etapa.


El mecanismo consiste en el ataque del nucleófilo al carbono que contiene el grupo saliente. Este

carbono presenta una polaridad positiva importante, debida a la electronegatividad del halógeno. Al

mismo tiempo que ataca el nucleófilo se produce la ruptura del enlace carbono-halógeno, obteniéndose el

producto final.

El estado de transición de la SN2 tiene la siguiente forma:

C

H

IHH

OH C

H

H H

IHO C

H

HO H

H

+ I-

La velocidad de una reacción elemental es proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos

elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos. A la constante de proporcionalidad se le

denomina constante cinética.

Asi, la velocidad de la SN2 depende de la concentración del sustrato (CH3I) y del nucleófilo (OH-). Es por

ello una reacción bimolecular.

v=k[CH3I][OH-]




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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - DIAGRAMA DE ENERGÍA

En el diagrama de energía se representa la energía potencial frente a la coordenada de reacción, y nos da

el cambio energético que sufren los reactivos al transformarse en los productos correspondientes.


C

H

IHH

OH C

H

H H

IHO C

H

HO H

H

+ I-

C

H

H H

IHO

C

H

IHH

OH

C

H

HO H

H

+ I-

Durante el transcurso de la reacción los reactivos aumentan su energía hasta alcanzar el estado de

transición, formándose el complejo activado. En ese punto el enlace carbono-nucleófilo se encuentra

medio formado y el carbono-grupo saliente medio roto.

Complejo activado

El diagrama de energía para esta reacción es el que sigue.




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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - ESTEREOQUÍMICA

El ataque del nucleófilo al carbono que contiene el grupo saliente puede ocurrir de dos formas distintas.

En el primer caso el nucleófilo puede aproximarse al sustrato por el lado en que se encuentra el grupo

saliente. Esta aproximación se denomina ataque frontal, en ella el nucleófilo ocupa el lugar del grupo

saliente, produciéndose retención en la configuración.

C Br

CH3CH2

HH3C

+ OH- C OH

CH3CH2

HH3C

+ Br-

ataque frontal

La segunda posibilidad supone el ataque del nucleófilo por el lado opuesto al grupo saliente. Este tipo de

aproximación recibe el nombre de ataque dorsal, produciendo inversión en la configuración

C Br

CH3CH2

HH3COH- + Br-

ataque dorsal

CHO

CH2CH3

H

CH3

Hughes e Ingold observaron que el ión hidróxido atacaba al sustrato por el lado opuesto al grupo saliente,

produciendo inversión de configuración. La razón de que el ataque dorsal sea más favorable que el frontal

radica en las repulsiones entre el nucleófilo y el grupo saliente. La cara opuesta al grupo saliente es más

accesible para el nucleófilo.

C Br

CH3CH2

HH3COH-

ataque dorsalOH-

ataque frontal

S S

S R

La SN2 es una reacción estereoespecífica, forma un sólo estereoisómero, debido a que el ataque del

nucleòfilo es exclusivamente dorsal.

Cl

CH3

NaCN

CN

CH3

+ NaCl

El ataque del cianuro se produce por el lado opuesto al cloro (desde el fondo ) y sólo se observa la

formación del diastereoisómero dibujado.


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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - GRUPO SALIENTE

El grupo saliente tiene la misión de abandonar el sustrato al mismo tiempo que ataca el nucleófilo. Los

mejores grupos salientes son las especies menos básicas, puesto que se enlazan débilmente al carbono.

En la tabla periódica los mejores grupos salientes se encuentran a la derecha y abajo.

H3C I + OH- H3C OH + I-rápida

H3C Cl + OH- H3C OH + Cl-lenta

El yoduro es mejor grupo saliente que el cloruro por estar más abajo en la tabla periódica. Los buenos

grupos salientes aumentan la velocidad de la sustitución nucleófila.

Existen grupos salientes que actúan a través del oxígeno, átomo mucho más básico que los halógenos,

aprovenchando la resonacia, que disminuye considerablemente la basicidad del grupo. Un ejemplo de este

tipo es el ión tosilato.

H3C S

O

O

O

ion tosilato (TsO-)

H3C S

O

O

O

ion mesilato

F3C S

O

O

O

ion triflato

OTs

Ts

+ OH- OH+ TsO- (rápida)

Br+ OH- OH

+ Br- (lenta)

La primera reacción es más rápida que la segunda ya que el tosilato es mejor grupo saliente que el

bromuro.

El -OH no se comporta como grupo saliente por se muy básico, pero al protonarlo se transforma en agua,

que si tiene aptitud como grupo saliente.

OH + Br- No se observa reacción

OH + HBr Br + H2O




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La primera reacción no tiene lugar debido a que el -OH no se comporta como grupo saliente. La segunda

reacción ocurre sin problema gracias a la protonación del grupo -OH en el medio ácido, que lo transforma

en agua, un buen grupo saliente.

OH H+OH2 Br- Br + H2O

Para terminar incluyo una lista con los mejores grupos salientes:

TsO- > I- > Br- > H2O > Cl-

Mejor Grupo Saliente

Ejemplo - Ordena según velocidad las siguientes reacciones de sustitución

Cl

Br

OTs

NaCN

NaCN

NaCN

[1]

[2]

[3]

Solución - [3] > [2] > [1]. El tosilato es el mejor grupo saliente de los tres, después va el bromuro y el

cloruro es el peor.




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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - NUCLEOFILIA Y NUCLEÓFILO

Los nucleófilos son bases de Lewis que atacan a un carbono desplazando al grupo saliente. Es frecuente

encontrar nucleófilos iónicos, pero también existen numerosos ejemplos de nucleófilos neutros. La

característica general de todo nucleófilo es la presencia de pares solitarios sobre el átomo que ataca.

H3C Br + NH3 H3C NH2 + HBr

H3C Br + OH- H3C OH + Br-

(lenta)

(rápida)

En la primera reacción el amoniaco actúa como nucleófilo -especie neutra, pero con pares solitarios sobre

el nitrógeno- desplazando al bromo del carbono y formando una amina.

En la segunda reacción el ión hidróxido actúa como nucleófilo desplazando al bromo y formando un

alcohol. Se observa que la primera reacción es más lenta que la segunda, en conclusión el amoniaco es

peor nucleófilo que el ión hidróxido.

Se conoce como nucleofília a la capacidad de un nucleófilo para atacar a un sustrato, La nucleofilia

depende de varios factores: posición del átomo atacante en la tabla periódica, carga y resonancia.

Carga - Las especies cargadas son mejores nucleófilos que las neutras

OH- >> H2O ión hidróxido (especie con carga) mejor nucleófilo que el agua (especie neutra)

NH2- >> NH3 ión amiduro (especie cargada) mejor nucleófilo que el amoniaco (especie neutra)

PH2- >> PH3 ión fosfuro (especie cargada) mejor nucleófilo que la fosfina (especie neutra)

Posición en la tabla periódica - La nucleofília aumenta al bajar en la tabla periódica y al movernos ala izquierda.

NH3 > H2O el amoniaco es mejor nucleófilo que el agua por estar más a la izquierda el nitrógeno que el

oxígeno

I- > Cl- el yoduro es mejor nucleófilo que el cloruro por estar más abajo.

PH3 > NH3 la fosfina es mejor nucleófilo que el amoniaco por estar el fósforo más abajo que el nitrógeno.

Resonancia - La resonancia disminuye la nucleofilia. La deslocalización de los pares solitariosdisminuyen la capacidad de ataque del nucleófilo.

OH- > H3C C

O

O

El ión acetato es peor nucleófilo que el ión hidróxido debido a la deslocalización

de la carga sobre ambos oxígenos.(c) Germán Fernández



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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - SUSTRATO

Existe una importante diferencia de velocidad entre los sustratos; bromuro de metilo, bromuro de etilo,

bromuro de isopropilo y bromuro de tert-butilo cuando reaccionan con un nucleófilo en las mismas

condiciones.

H3C Br

CH3CH2 Br

H3CCH

CH3

Br

H3CC

CH3

H3C Br

NaCN

DMSOH3C CN + Br-

NaCN

DMSOCH3CH2 CN + Br-

NaCN

DMSO + Br-

H3CCH

CH3

CN

NaCN

DMSO + Br-

H3CC

CH3

CNH3C

SN 2

más

lentaSust. 1º

Sust. 2º

Sust. 3º

El carbono unido al grupo saliente se llama y los sustratos se clasifican en primarios, secundarios o

terciarios dependiendo de que el carbono tenga una, dos o tres cadenas carbonadas.

CH3CH2 Br H3CCH

CH3

Br

H3CC

CH3

H3C Br

Sustrato primario

(una cadena)

Sustrato secundario Sustrato terciario

carbono

(dos cadenas) (tres cadenas)

El mecanismo SN2 supone el ataque del nucleófilo por el lado opuesto al grupo saliente, ataque dorsal.

Las cadenas carbonadas impiden esta cara del sustrato, produciéndose una disminución de velocidad a

medida que aumenta el número de cadenas.

C Br

H

HH

C Br

H3C

HH

C Br

H3C

H3CH

C Br

H3C

H3CH3C

CN CN CN CN

Al aumentar el número de cadenas carbonadas en torno al carbono , resulta más complicado el ataque

del nucleófilo, llegando a ser inviable en el caso del sustrato terciario.(c) Germán Fernández



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C Br

H

HH

CN

C Br

H3C

HH

CN

C Br

H3C

H3CH

CN

C Br

H3C

H3CH3C

CN

En el sustrato terciario los tres metilos que rodean el carbono impiden totalmente la aproximación del

nucleófilo y la SN2 no tiene lugar.




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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - SUSTRATOS CÍCLICOS

Los sustratos cíclicos tensionados reaccionan más lentamente mediante el mecanismo SN2 que los

sustratos acíclicos. Así, el bromuro de isopropilo reacciona más rápido con el ión acetato que el bromuro

de ciclopropilo.

H3CCH

CH3

Br

CH2

CH

H2C

Br

+ H3C C

O

O

H3CCH

CH3

OC

CH3

O

+ H3C C

O

O OC

CH3

O

CH

H2C CH2

rápido

lento

En sustratos cíclicos la SN2 es más lenta cuanto más tensionado sea el ciclo. Los ciclos de tres miembros

reaccionan más lento que los de cuatro y los de cinco lo hacen a una velocidad próxima a lo acíclicos.

Br

+ H3C C

O

O OC

CH3

O

CH

lento

Br

+ H3C C

O

O OC

CH3

O

lento

Br

+ H3C C

O

O OC

CH3

O

lento

S N2

más

rápi

da




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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - DISOLVENTE

Los disolventes pueden clasificarse según el esquema siguiente.

Disolvente

Prótico Aprótico(forma puentes de H.) (no forma puentes H.)

agua, alcoholes, ac.

acético

Polar Apolar

Benceno, tolueno,

hexano, octano

Acetona, DMF, DMSO,

THF, éter

Los disolventes mas adecuados para la SN2 son los apróticos polares. Estos disolventes consiguen

disolver los reactivos, que generalmente son muy polares, pero rodean poco el nucleófilo dejándole libertad

para atacar al sustrato. Una SN2 en un disolvente prótico, como agua, alcoholes, es miles de veces más

lenta que en disolvente aprótico.

No se emplean disolventes apróticos apolares debido a la escasa solubilidad tanto de sustato como de

nucleófilo en este tipo de disolventes.

Cl

O

O

O

HHH

H

H

HOH

H

Los puentes de hidrógeno rodean

los iones cloruro disminuyendo su

nucleofilia.

Cl




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substitucion nucleofilica bimolecular

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