Clase3-Reacciones de nucleofilica

Q.F. Tox. César A. Canales M.

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA EN SISTEMAS

ALIFÁTICOSSN1 y SN2


REACCIONES DE SUSTITUCIÓN

Son aquellas en las cuales un grupo reemplaza o sustituye a otro dentro de una molécula.

R:W + -:Z R:Z + -:W

Se debe tener en cuenta lo siguiente: Sustrato : R : W Grupo Saliente : W Reactivo : Nucleófilo y electrófilo


REACCIONES DE SUSTITUCIÓN

De acuerdo a la posición del grupo saliente en un ion carbonio se van a dar dos tipos de reacciones de sustitución:

Reacciones de Sustitución Nucleofílica unimolecular (SN1)

Reaciones de Sustitución Nucleofílica bimolecular (SN2)


SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA BIMOLECULAR (SN2)

En la reacción del (R)-2-bromooctano con hidróxido, la formación del producto mayoritario, (S)-2-octanol, puede explicarse fácilmente pormedio el esquema siguiente:

El OH- (Nu-) ha atacado al carbono que soporta el halógeno ( W ) por el

lado opuesto. Esta es la única manera de producir inversión en la configuración.



Sustrato Nucleófilo Producto G. saliente

Clorometano Hidróxido Metanol cloruro

Iodoetano Metóxido Etil metil éter Ioduro

2-bromobutano Ioduro2-iodobutano

Bromuro

Iodo-2-metilpropano

Cianuro3-metilbutanonitrilo

Ioduro



bromociclohexanometilsulfuro

ciclohexil metil tioéter

bromuro

2-iodo-4-metilpentano

amoníacoIoduro de 2-(4-

metil)pentilamonioioduro

bromometano trimetilfosfinabromuro de tetrametil-

fosfonio

bromuro



MECANISMO DE REACCIÓNLa cinética de la reacción de sustitución nucleófiladel (R)-2-bromooctano con hidróxido sódico es de segundo orden. Velocidad = k[ C8H17Br ][ HO- ] mol·L-1·s-1 Una reacción que sigue tal cinética se dice que es

bimolecular porque sugiere que ambos(sustrato y reactivo nucleófilo), intervienen en el ET de la reacción que da lugar a los productos.



El ataque del nucleófilo y la expulsión del grupo saliente tienen que estar sincronizados (es concertado en un solo paso

Estado de Transición



Inicio del ataque: -El Nu- debe aproximarse por el lado contrario al grupo saliente. -Un orbital del Nu- interacciona con el lóbulo pequeño del orbital sp3 del carbono al que se une el grupo saliente. -Sólo esta aproximación da lugar a un choque efectivo.



Estado de Transición: -Máximo de energía en el curso de la reacción. -El carbono atacado está pentacoordinado, en hibridación sp2. -Su orbital permanente mantiene enlaces transitorios con el Nu- y el W. Los grupos R están en un plano.



-La tensión del ET se libera al desprenderse el W. -El carbono recupera la hibridación sp3 inicial. -La configuración del carbono que ha sufrido la reacción se ha invertido.





La facilidad para llevar a cabo una reacción SN2 depende de: La naturaleza del grupo saliente (W). La reactividad del nucleófilo. Los factores estéricos de los grupos R. Los solventes apróticos. La velocidad de Reacción de los Haluros de alquilo:

CH3 > 1rio > 2rio > 3rio



ACTIVIDAD DEL GRUPO SALIENTE La reacción SN2 será más fácil si se

efectúa sobre un sustrato que contiene un buen grupo saliente.

Un grupo buen saliente debe poseer una basicidad moderada.



Los grupos en verde tienen basicidades moderadas y, por tanto, son buenos grupos salientes. Los grupos en rojo son muy básicos y no serán nunca grupos salientes en una reacción de sustitución nucleófila. Los grupos en amarillo rara vez pueden ser sustituídos, salvo en condiciones muy especiales.

Grupo pKb Grupo pKb

I- 19.2 CN- 4.8

RSO3- 16-19 CH3S

- 4.0

Br- 18.7 CH3O- -1.5

Cl- 16.2 HO- -1.7

H2O 15.7 NH2- -21

F- 10.8 CH3- -36

CH3COO- 9.3



La reacción SN2 será más fácil si se efectúa con un buen nucleófilo atacante. ¿Qué hace que un nucleófilo sea bueno?.

La carga Entre dos nucleófilos que contienen el mismo átomo reactivo, la especie con

carga negativa neta es la más reactiva: La electronegatividad La nucleofilia aumenta al disminuir la electronegatividad del átomo reactivo: La solvatación La solvatación, es decir, la interacción entre el nucleófilo y el disolvente,

modifica e invierte incluso la relación aparente nucleofilia-basicidad.



La naturaleza del disolvente es de primordial importancia en una reacción de sustitución nucleófila.

Hay dos tipos fundamentales de disolventes:

Próticos

Tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por

ello, forman enlaces de hidrógeno con el nucleófilo. Dan

lugar a solvatación fuerte, enmascaran la nucleofilia y las

reacciones se hacen más lentas.

Aproticos

No tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por

ello, no forman enlaces de hidrógeno. La solvatación

es débil y las reacciones se aceleran.



En la reacción veamos cómo varía la velocidad de reacción en función del disolvente:

La reacción se produce mucho más rápidamente en DMF(no contiene H que pueden asociarse con el disolvente).

Los “H” de la formamida, su N-metilderivado y del metanol se asocian fuertemente por enlace de hidrógeno al cloruro, retardando considerablemente la reacción.

Disolvente CarácterVel.

relativa

CH3OH metanol

prótico 1

HCONH2 formamida

prótico 12.5

HCONHCH3 N-metilformamida

prótico 45.3

HCON(CH3)2 N,N-

dimetilformamida(DMF)aprótico 1.2·106



La reacción SN2 es muy sensible a impedimentos estéricos ya que su ET es una bipirámide trigonal y hay, 5 grupos muy próximos entre sí.

El volumen de éstos determinará la energía del ET y, por ello, la velocidad de la reacción.

R1 R2 R3 Krel

H H H 145

H H CH3 1

H CH3 CH3 7.8·10-3

CH3 CH3 CH3 < 5·10-4

H H CH2CH3 0.80

H H CH2CH2CH3 0.82

H H CH(CH3)2 3.6·10-3

H H C(CH3)3 1.3·10-5



El aumento de los sustituyentes en el carbono reaccionante ocasiona una disminución drástica de la velocidad de reacción.

El alargamiento lineal de la cadena de uno de los sustituyentes del carbono reaccionante disminuye sólo ligeramente la velocidad.

La ramificación de una de las cadenas sustituyentes en posición adyacente al centro reactivo disminuye severamente la velocidad de reacción.


REACCION DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA UNIMOLECULAR (SN1)

Las reacciones SN1, como la solvolisis de cloruro de terc-butilo, tienen una cinética de primer orden. Velocidad = k[(CH3)3CCl] mol·L-1·s-1

Esto quiere decir que en la etapa limitante de la velocidad sólo interviene el haluro y no el nucleófilo, al contrario de lo que ocurría en el mecanismo SN2.



La facilidad para llevar a cabo una reacción SN1 depende de:

La naturaleza del grupo saliente. La reactividad del nucleófilo. Los solventes próticos. La velocidad de Reacción de los Haluros de alquilo:

3rio > 2rio > 1rio > CH3



MECANISMO DE REACCIÓN La cinética de la reacción de sustitución nucleófila

unimolecular(SN1) es de primer orden. Por que interviene solo el sustrato y no el reactivo. El mecanismo esta dado en dos etapas: Etapa lenta: formación del carbocatión Etapa rápida: ataque del reactivo nucleófilo Los productos generalmente son mezclas racémicas







Los disolventes polares favorecen el mecanismo SN1

El intermedio carbocatión tiene una carga neta y se estabiliza por solvatación. El ET se parece más al carbocatión que a los reactivos y disfruta de esta estabilización parcialmente.

La presencia de grupos salientes buenos favorece el mecanismo SN1.

La fortaleza del nucleófilo no afecta a la velocidad del mecanismo SN1.

La sustitución en el carbono reaccionante favorece el mecanismo SN1.



Los carbocationes, al igual que los radicales, tienen mayor estabilidad a medida que son más sustituídos.



Los orbitales “s” enlazantes vecinos al orbital “p” vacío pueden dar lugar a un solapamiento lateral distorsionado y deslocalizar así el defecto de densidad electrónica. Cuantos más enlaces “s” haya alrededor del centro carbocatiónico, mayor será la estabilización. De esta forma tan sencilla entendemos por qué un carbocatión terciario es el menos inestable.



La proporción de moléculas que reaccionarán según los mecanismos SN1 ó SN2, con las implicaciones estereoquímicas que ello conlleva (racemización o inversión), depende de su estructura:

R-X SN1 SN2

Metil Nunca se da en disolución.Muy rápida con buenos

nucleófilos y buenos grupos salientes.

Primario Nunca se da en disolución.Igual al anterior. Difícil cuando el carbono contiguo está

ramificado.

Secundario

Lenta. Se acelera con un buen grupo

saliente y en disolventes próticos.

Lenta. Se acelera con una concentración alta de un buen

Nu- y en disolventes apróticos.

Terciario

Muy rápida, sobre todo en disolventes

polares próticos y con buenos grupos

salientes.

Extremadamente lenta.


COMPETENCIA ENTRE SN1 Y SN2

Los disolventes polares favorecen el mecanismo SN1. Los disolventes polares dificultan el mecanismo SN2. SN1 SN2

El intermedio carbocatión tiene una carga neta y se estabiliza

por solvatación. El ET se parece

más al carbocatión que a los reactivos y disfruta de esta estabilización parcialmente.

El ET tiene un desarrollo de cargas mínimo y no se favorece especialmente por la polaridad

del disolvente. Sin embargo, el nucleófilo

puede Estar solvatado por un

disolvente polar y dificultarse el

mecanismo SN2.



Los disolventes polares favorecen el mecanismo SN1. Los disolventes polares dificultan el mecanismo SN2.

SN1 SN2

La presencia de grupos salientesbuenos favorece el

mecanismo SN1.

La presencia de grupos salientes buenos favorece

el mecanismo SN2.




SN1 SN2

La fortaleza del nucleófilo no afecta a la velocidad del

mecanismo SN1.

La fortaleza del nucleófilo aumenta la velocidad del

mecanismo SN2.




SN1 SN2

La sustitución en el carbono reaccionante favorece el

mecanismo SN1.

La sustitución en el carbono reaccionante impide el

mecanismo SN2.




Indique los nombres de los reactantes y los productos, y haga el mecanismo, de reacción química en la siguiente reacción química:

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