UNIDAD 2

REACCIONES DE REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA

EN CARBONO SATURADO

Reacciones de los haluros de alquilo:

SUSTITUCIÓNSUSTITUCIÓNY

ELIMINACIÓN

HALUROS DE ALQUILO

� R-X� Se convierten fácilmente en otros grupos

funcionales:funcionales:� El átomo de halógeno puede salir con su par de e-

de enlace para formar un ión haluro estable:

X:-

� Se dice que un haluro es un buen grupo saliente.

� Cuando otro átomo reemplaza al ión haluro:� Reacción de sustitución

� Si el ión haluro abandona la molécula junto con otro átomo o ión (con frecuencia H+):� Reacción de eliminación� Reacción de eliminación� En muchas eliminaciones se pierde una

molécula de H-X del haluro de alquilo y se forma un alqueno: deshidrohalogenaciones

� Porque se elimina un haluro de hidrógeno del halogenuro de alquilo.

- Unimolecular� Sustitución

Nucleofílica - Bimolecular

- Unimolecular� Eliminación

- Bimolecular

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA

Unimolecular (SN1) yUnimolecular (SN1) yBimolecular (SN2)

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA

Un nucleofílo Nu:- reemplaza a un gruposaliente ( x:- ) de un átomo de carbono,Utilizando un par solitario de e- para formarun nuevo enlace con el átomo de carbono:un nuevo enlace con el átomo de carbono:

ELIMINACIÓN (deshidrohalogenación)

� Se pierde un ión haluro y otro sustituyente,formándose un nuevo enlace π:

� La mayoría de los nucleófilos también sonbásicos,

� Y pueden participar en la sustitución o en laeliminación,� Dependiendo del haluro de alquilo� Dependiendo del haluro de alquilo� Y de las condiciones de reacción

� Otros tipos de compuestos puedenexperimentar reacciones de sustitución yeliminación.

Ejercicio 1

Ejercicio 2

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA BIMOLECULAR

La reacción S N2La reacción S N2

� Forma general de una sustitución nucleofílica:

Nu:- Nucleófilo� Nu:- Nucleófilo� X:- Ión haluro saliente� Ejemplo:

Se dice que los nucleófilos atacan a los� Se dice que los nucleófilos atacan a loselectrófilos, NO al contrario.

� El carbono sólo puede alojar ocho e- en sucapa de valencia, por lo que el enlace C-Idebe comenzar a romperse cuando el enlaceC-O se comience a formar.

� Reacción concertada :� En un solo paso se rompen y forman los enlaces.

� Estructura de transición: *Estado de transición *

� Punto de máxima energía� NO es un intermediario de reacción,� Por lo tanto, NO es una molécula discreta que

pueda ser aislada,pueda ser aislada,� Especie asociada: Complejo activado� Sólo existe un instante,� EL ENLACE CON EL NUCLEÓFILO ( -:OH) SE

FORMA PARCIALMENTE Y EL ENLACE CON EL GRUPO SALIENTE (I: -) SE ROMPE PARCIALMENTE.

� Reactivos con una E ligeramente más alta� Reactivos con una E ligeramente más altaque los productos,

� Reacción exotérmica� Edo. de transición mucho más alto en

energía: está implicado un átomo de Cpentacoordinado con dos enlaces parciales.

� El mecanismo en un solo paso sesustenta en información cinética (relación directa entre la rapidez de reacción y las concentraciones de los reactivos).

� Rapidez de reacción: velocidad exacta con que se convierte un reactivo en un producto.que se convierte un reactivo en un producto.� Variando las [ ]´s de los reactivos y observando

los efectos en la rapidez de reacción, p. ej.,cuánto MeOH se forma por segundo,

� Si se DUPLICA la [ ] de cualquiera de losreactivos, la velocidad de reacción se DUPLICA.

� Esto quiere decir que la reacción esde primer orden con respecto a cada unode los reactivos, y globalmente de SEGUNDO ORDEN:

Velocidad = kr [CH3I] [-:OH]� Ecuación de velocidad coherente con el� Ecuación de velocidad coherente con el

mecanismo de un solo paso:

Mecanismo:

� Requiere una colisión entre una molécula del sustrato y una del Nu:-

� Estas dos especies están presentes en elestado de transición y la frecuencia deestado de transición y la frecuencia decolisión es proporcional a ambasconcentraciones.

� kr depende de varios factores, incluyendo laenergía del edo. de transición y de la Tº.

� Sustitución nucleofílica de UN SOLO PASO ,es un ejemplo de MECANISMO SN2:

� SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA BIMOLECULAR� BIMOLECULAR:

Mecanismo:

� BIMOLECULAR:� Que en el estado de transición del paso limitante

de la velocidad de reacción (único en esta reacción), hay implicadas 2 moléculas que colisionan.

� Las reacciones bimoleculares normalmente tienen ecuaciones de rapidez de segundo orden.

CARACTERÍASTICAS CARACTERÍASTICAS DE LA REACCIÓN S N2

Rapidez de una reacción química:

� ∆G‡

� Diferencia de energía entre el reactivo (estadofundamental) y el estado de transición.fundamental) y el estado de transición.

� Un cambio en las condiciones afectará a ∆G‡

� Ya sea por el cambio de energía de los reactivoso

� Por el cambio de la energía del estado detransición.

• Si se baja la E de los reactivos o se eleva la del edo. detransición, aumenta ∆G‡ y disminuye la rapidez de reacción.

• Al elevar la E de los reactivos o disminuir la del edo. detransición, baja ∆G‡ y aumenta la rapidez de la reacción.

FACTORES QUE CONDICIONAN LAS

REACCIONES SN2

EL SUSTRATO:EL SUSTRATO:Efectos estéricos en la

reacción

Grado de sustitución del sustrato� Diferentes halogenuros de alquilo

experimentan reacciones SN2 con rapidez diferente.

� La estructura del sustrato es el factor más � La estructura del sustrato es el factor más importante que condiciona su reactividad en el desplazamiento SN2.

� Edo. de transición comprende la formación parcial del enlace entre el Nu:- atacante y el átomo de carbono del halogenuro de alquilo:

a) Bromometano

b) Bromoetano (primario)

c) 2-bromopropano (secundario

d) 2-bromo-2-metilpropano (terciario)

� Un sustrato estéricamente impedido yvoluminoso evita el acercamiento del Nu:-voluminoso evita el acercamiento del Nu:

� Dificultando la formación del enlace, es decir,� El edo. de transición para un R-X

estéricamente impedido, (átomo de C menosaccesible), tiene mayor E y se forma con máslentitud que el correspondiente para un R-Xprimario:

� Es más difícil el ataque nucleofílicoa medida que aumenta el tamaño de lostres sustituyentes unidos al átomo de C que soporta al –X.

� Reactividades relativas de algunos sustratos:

� Los halogenuros terciarios NO reaccionan por mecanismo SN2.

� Velocidades relativas en las reacciones SN2:

CH3X > 1º > 2º > 3º

� Los halogenuros vinílicos (R2C=CRX) yde arilo son inertes a la reacción SN2.

� Falta de reactividad debida en parte a factores estéricos,

� El Nu:- atacante tendría que hacerlo aproximándose en el plano del doble enlace C-C para efectuar un desplazamiento desde C-C para efectuar un desplazamiento desde atrás:

Fuerza de los nucleófilosFuerza de los nucleófilos

Naturaleza del Nu: -

� Nu:- cualquier especie, sea neutra o con carga negativa, siempre que tenga un par de e- no compartido (Base de Lewis)de e- no compartido (Base de Lewis)

� Nu:- con carga negativa, producto neutro� Nu:- neutro, producto con carga positiva

� Nucleofilia o nucleofilicidad exacta de una especie en una Rx dada depende del� Sustrato� Disolvente� Concentraciones de los reactivos

� Un Nu:- fuerte es mucho más efectivo que uno débil cuando ataca a un átomo de C electrofílico

� CH3-OH -vs- CH3-O:-

� Generalmente es cierto que una especiecon carga negativa es un Nu:- más fuerte que una especie neutra similar:

• Ión metóxido

• e- no enlazantes fácilmente disponibles para formar un enlace,

• Edo. de transición, carga (-) compartida por el oxígeno del ión metóxido y por el gpo. saliente halogenuro.

� Metanol no tiene carga (-) � El edo. de transición tiene una carga parcial

(-) en el haluro� Pero una carga parcial (+) en el átomo de

oxígeno del metanol,

Generalización:

� Una base es siempre un Nu:- más fuerte que su ácido conjugadofuerte que su ácido conjugado

Basicidad y Nucleofilia

� Basicidad� Determinada por la constante de equilibrio,

habilidad para abstraer un protón.

� Nucleofilia� Nucleofilia� Se define por la rapidez de ataque sobre un

átomo de carbono electrofílico para dar sustituciones o adiciones.

� En ambos casos, el nucleófilo (o base) forma un nuevo enlace:

� Con un protón (base ):

� Con un carbono (nucleófilo ):

� La mayoría de los buenos nucleófilos (pero no todos) también son bases fuertes y viceversa.

� Nucleófilos comunes en orden aproximadode reactividad y sus productos de reacción con bromometano:

Reactividad relativa de algunos nucleófilos:

Tendencias en la nucleofilia:

� La nucleofilicidad es más o menos paralela a la basicidad:

� Una especie con una carga negativa es un Nu:- más fuerte que una especie neutra similar.

� En particular, una base es un Nu:- más fuerte que su ácido conjugado:

� La nucleofilicidad suele aumentar al bajar en un grupo de la tabla periódica:� HS- es más nucleofílico que el –OH� Orden de reactividades de los

halogenuros es:halogenuros es:I- > Br - > Cl- ˃˃ F-

� Asunto complicado: el orden de nucleofilicidad puede cambiar, dependiendo del disolvente.

� La nucleofilia decrece de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba en la tabla periódica,

� En consonancia con el incremento de la electronegatividad, de izquierda a derecha,y de abajo hacia arriba.

� Los elementos más electronegativos retienen Los elementos más electronegativos retienen con más fuerza los e- no enlazantes, que son menos reactivos a la hora de formar nuevos enlaces:

� La nucleofilia aumenta de arriba hacia abajo en la tabla periódica,

� Igual que el aumento de volumen y la polarizabilidad de los átomos:

Poca interpenetración

Mayor interpenetración

� En general, los nucleófilos con carganegativa son más reactivos que losneutros :

Consecuencia: las reacciones S 2 se efectúan� Consecuencia: las reacciones SN2 se efectúancon frecuencia en condiciones básicas, y NOen condiciones neutras o ácidas.

Influencia estérica en la nucleofilia:� Para que un ión o una molécula sirvan como

Nu:- deben aproximarse a un átomo decarbono y atacarlo.

� Gpos. voluminosos en los Nu:- dificultan esta� Gpos. voluminosos en los Nu:- dificultan estaaproximación y disminuyen la rapidez de lareacción.

� Al hecho de que grupos voluminososinterfieran en una reacción, debido a sutamaño: impedimento estérico .

• Impedimento estérico poco efecto en la basicidad

•Ya que la basicidad implica el ataque sobre un p+ que generalmente está accesible y no impedido.

� Si en un ataque nucleofílico a un átomo decarbono está implicada una basevoluminosa, no se puede aproximar al átomode carbono tan fácilmente.de carbono tan fácilmente.

� Si se quiere que una especie actúe comobase, se utiliza un reactivo voluminoso comoel ión terbutilo,

� Si se quiere que actúe como Nu:- , se utilizaun reactivo menos impedido, como el iónetóxido.

Estereoquímica de la Estereoquímica de la reacción S N2

� Ataque del Nu:- es por la parte posterior del átomo de C electrofílico,

� Un átomo de carbono sólo puede tener cuatro orbitales enlazantes completos (un octeto),

� Por lo tanto, el grupo saliente debe desprenderse tan pronto como el Nu:- se desprenderse tan pronto como el Nu: se enlace,

� Necesario que el ataque del Nu:- entrante por el lado opuesto sea a 180º del grupo -X que sale,

� Lo que origina que se invierta la esteroquímica del sustrato:

� El ataque posterior deforma al tetraedrodel átomo de carbono electrofílico desde dentro hacia fuera,

� En el producto, el Nu:- asume la posiciónestereoquímica opuesta a la posición que alprincipio ocupaba el grupo saliente: inversión dela configuración , en el átomo de C.

� Reacción SN2, buen ejemplo de reacción estereoespecífica , en la que estereoisómerosen el sustrato reaccionan para obtener esteroisómeros diferentes en el producto.

� Desplazamiento SN2, ejemplo más común de una inversión de Walden , un paso (en una secuencia de reacciones) donde un átomo de C asimétrico sufre la inversión de la configuración:

El grupo salienteEl grupo saliente

Grupo saliente

Grupo desplazado por desplazado por el nucleófiloatacante.

� Un buen grupo saliente reduce la barrera energética de una reacción.

� Las bases más débiles, es decir, � Los aniones derivados de los ácidos más � Los aniones derivados de los ácidos más

fuertes,� Son los mejores grupos salientes,� Porque pueden deslocalizar la carga:

� p-toluensulfonato (tosilato) TosO:-

� Una molécula neutra a menudo sirvecomo grupo saliente de un electrófilocargado positivamente,

� P. ej.: si un R-OH se coloca en una soluciónácida, el grupo –OH se protona, por lo que elagua es el grupo saliente.

� La necesidad de protonación del R-OH(requerimiento de un ácido) limita la nucleofilia(requerimiento de un ácido) limita la nucleofiliade estas bases débiles: Br:-, I:-

� Un Nu:- fuertemente básico protonado seconvertiría en ácido.

� Un buen grupo saliente debe ser polarizable ,

� Para mantener un enlace parcial con el átomo de carbono en el estado de transición,átomo de carbono en el estado de transición,

� Este enlace ayuda a estabilizar el edo. de transición y reduce la energía de activación.

� Salida de un grupo saliente, parecida al ataque de un Nu:-, pero el enlace se rompe en vez de formarse.

� Tiene la misma importancia saber cuáles son los grupos salientes malos y cuáles son los buenos,

� Los nucleófilos no desplazan al F-, al –OH, al –OR ni al H2N-,

� En otras palabras, los fluoruros de alquilo, � En otras palabras, los fluoruros de alquilo, los alcoholes, los éteres y las aminas no son sutituidos normalmente en reacciones SN2, son muy malos grupos salientes:

El disolventeEl disolvente

� El disolvente afecta las velocidades de muchas reacciones SN2.

PróticosContienen grupos –OH o-NH

Disolventes� DisolventesPolares apróticosPoseen dipolos grandes y carecen de grupos –OH ó-NH

Disolventes próticos

� P. ej. : MeOH y EtOH� Desaceleran las reacciones SN2:� Rodean al nucleófilo reactivo, en un proceso

llamado solvatación,� Las moléculas del disolvente forman puentes � Las moléculas del disolvente forman puentes

de hidrógeno con el Nu:- orientándose y formando una “jaula” a su alrededor,

� Con lo que disminuyen su energía y reactividad

� -Los peores para efectuar reacciones S N2-

Disolventes polares apróticos

� Aumentan las velocidades de las reaccionesSN2

� Porque elevan la energía del estadofundamental (basal) del nucleófilo.fundamental (basal) del nucleófilo.

� Acetonitrilo CH3CN, la dimetilformamida(CH3)2NCHO o DMF, el sulfóxido de dimetilo odimetilsulfóxido (CH3)2SO o DMSO y lahexametilfosforamida [(CH3)2N)]3PO,

� Disuelven muchas sales debido a su granpolaridad, solvatan a los cationesmetálicos y NO solvatan a los anionesnucleofílicos,

� Por lo tanto, los aniones no solvatados y� Por lo tanto, los aniones no solvatados ydesnudos, tienen mayor nucleofilicidad ylas reacciones se efectúan con mayorvelocidad.

Disolvente

Características de la reacción S N2

RESUMENRESUMEN

Sustrato

� El impedimento estérico aumenta la energía del estado de transición; por consiguiente, incrementa ∆Gⱡ y disminuye la velocidad de reacción.reacción.

� Como consecuencia, las reacciones SN2 son mejores con sustratos con metilo y primarios.

Sustrato

Nucleófilo

� Los nucleófilos más reactivos son menos estables y tienen mayor energía en el estado fundamental (basal),

� Con lo que disminuyen ∆Gⱡ y la velocidad de reacción.

� Los nucleófilos básicos con carga negativa son más eficaces que los neutros.

Nucleófilo

Grupo saliente

� Los buenos grupos salientes (aniones más estables) reducen la energía del estado de transición,transición,

� Con lo que disminuye ∆Gⱡ y aumenta la velocidad de reacción.

Grupo saliente

Disolvente

� Los disolventes polares apróticos rodean al catión acompañante, pero no al anión nucleofílico,

� Con lo que aumenta la energía del estado fundamental del nucleófilo,fundamental del nucleófilo,

� Disminuye ∆Gⱡ y aumenta la velocidad de reacción.� Los disolventes próticos solvatan al nucleófilo; esto

baja su energía de estado basal y aumenta ∆Gⱡ ,� Con lo que disminuye la velocidad de reacción.

Disolvente