SUSTITUCION NUCLEOFILICA

Un compuesto orgánico que tiene un átomo o grupo electronegativo unido a un carbono con hibridación sp3, puede sufrir reacciones de sustitución o eliminación.

En la reacción de sustitución, el elemento o grupo electronegativo es sustituido por otro grupo y en la elimnación este es eliminado junto con un hidrógeno que se encuentra en un átomo de carbono vecino.

El átomo o grupo que se sustituye o elimina se llama “grupo saliente”

Definición de nucleófilo: es un compuesto con alta densidad electrónica. Reacciona con centros de baja densidad electrónica (electrófilo).

SUSTITUCION NUCLEOFILICA

Grupos salientes más comunes: halógenos en los haluros de alquilo.

R-F R-Cl R-Br R-I

La causa de que ocurra la sustitución nucleofílica es que el enlace carbono-halógeno está polarizado

1- Un nucleófilo es atraído por el carbono deficiente de electrones (electrófilo). A medida que se va formando el enlace entre el nucleófilo y el carbono, se va rompiendo el enlace carbono grupo saliente. El grupo saliente se lleva los electrones del enlace.(SN2)

MECANISMOS POR LOS CUALES OCURRE LA SUSTITUCION NUCLEOFILICA

2- El enlace entre el carbono y el grupo saliente se rompe heterolíticamente, formándose un carbocatión. Entonces el carbocatión (electrófilo) reacciona con el nucleófilo dando lugar al nuevo producto. (SN1)

La reacción de sustitución nucleofílica ocurrirá por uno u otro mecanismo, dependiendo de los siguientes factores:

-estructura del haluro de alquilo-reactividad del nucléofilo-concentración del nucleófilo-solvente donde se lleva a cabo la reacción.

MECANISMO SN2

Observaciones experimentales:

1-La velocidad de la reacción depende de la concentración del haluro de alquilo y de el nucleófilo. Esto significa que ambos reactantes están involucrados en el paso lento de la reacción. (mecanismo bimolecularbimolecular)

2-Cuando los hidrógenos del haluro de alquilo son sustituidos sucesivamente por grupos metilo, la velocidad de la reacción decrece.

3-Cuando la reacción ocurre en un carbono asimétrico, esta da lugar a un solo estereoisómero el cual tendrá la configuración invertida respecto al compuesto de partida.

La reacción de sutitución por SN2 es un proceso concertado, es decir, ocurre en un solo paso.

EFECTOS ESTERICOS EN LAS REACCIONES SN2

CH3X > RCH2X > R2CHX > R3CX

Disminución d la velocidad de reacción SN2

Efecto del grupo saliente sobre la velocidad de la reacción:

En este caso el mejor grupo saliente será aquel que tiene un enlace más débil con el carbono.

Nucleofilicidad y nucleófilos:Cuando comparamos átomos o grupos del mismo tamaño, la mejor base es el mejor nucleófilo.Cuando comparamos átomo de diferente tamaño, cuanto más grande, mejor nucleófilo.

MECANISMO SN1

Evidencias experimentales:1- La velocidad dela reacción depende solo de la concentración del haluro de alquilo.2-Cuando los grupos metilos se sustituyen sucesivamente por hidrógenos la velocidad de la reacción SN1 decrece.3- La reacción con un haluro de alquilo donde el carbono unido al halógeno es quiral, da lugar a dos estereoisómeros: uno con la misma configuración que el haluro de alquilo de partida y otra con la configuración contraria.

En la reacción SN1, se produce una ruptura heterolítica del enlace carbono – halógeno, dando lugar a un carbocatión. (paso lento). Posteriormente, el nucleófilo ataca al carbocatión, dando lugar al producto.

La estabilidad del carbocatión es fundamental para que ocurra la reacción SN1.

ESTEREOQUÍMICA EN REACCIONES SN1

Por lo general, se obtienen mezcla racémica, es decir 50% de un isómero y 50% del otro.

EFECTO DEL GRUPO SALIENTE

Facilidad con la que se disocia el enlace entre el carbono y el grupo saliente:

El enlace más débil se rompe más fácil.

El nucleófilo no afecta la velocidad de la reacción, ya que no está involucrado en el paso lento

REORDENAMIENTO DEL CARBOCATION

El carbocatión que se forma por la disociación del enlace carbono – halógeno, puede reordenarse para dar lugar a otro carbocatión más estable.

SHIFT DE HIDRURO

SHIFT DE METILO

INFLUENCIA DEL SOLVENTE EN EL MECANISMO SN1.

La constante dieléctrica del solvente puede afectar la velocidad de la reacción SN1, ya que El paso lento involucra la formación de una especie cargada. Cuanto más polar es el solvente, más estabiliza al carbocatión.

INFLUENCIA DEL SOLVENTE EN EL MECANISMO SN2.

Se requiere solvente polar debido a que debe disolver compuestos polares (sales de sodio y potasio).La caracterísitica más importante del solvente es que debe ser aprótico, es decir, no tener grupos OH, que formen puentes de hidrógeno con nucleófilos aniónicos., ya que disminuirían su reactividad.

Haluros arílicos o vinílicos no son reactivos para SN2. La nube repele al nucléofilo.

Haluros arílicos o vinílicos no son reactivos para SN1. El carbocatión que se forma no es estable, debido a que esta´ra en un carbono con hibridación sp, que es muy electronegativo..El enlace Csp2-X es difícil de romper (es más fuerte que el Csp3-X).

Cuando la estructura del haluro de alquilo permite que ocurra tanto una SN1 como una SN2, hay tres factores que debemos tener en cuenta para definir cuál de las dos predominará:1-concentración del nucleófilo2-reactividad del nucleófilo.3-solvente.

La SN2 se favorece con altas concentraciones de un buen nucleófiloLa SN1 se favorece con bajas concentraciones de un nucleófilo pobre.

La SN2 se favorece en solventes polares (también en apolares) apróticos.La SN1 se favorece en solventes polares.

REACCIONES DE ELIMINACION

DESHIDRATACION DE ALCOHOLES:

MECANISMO DE REACCION. ELIMINACIÓN E1

Se forma carbocatión

Velocidad de la reacción aumenta en el orden: primario< secundario< terciario.

Reordenamientos

Regioselectividad en la deshidratación de alcoholes. Regla de Zaitsev

Siempre se forma el alqueno más sustituido, es decir, el alqueno más estable.

Estereoselectividad:

Se forma preferiblemente el isómero trans.

DESHIDROHALOGENACIÓN DE HALUROS DE ALQUILO POR E1

El mecanismo E1 ocurre típicamente cuando reaccionan haluros de alquilo terciarios y algunos secundarios, en ausencia de bases o cuando la base es débil o está en bajas concentraciones.

También se observan reordenamientos.

MECANISMO DE ELIMINACIÓN E2

DESHIDROHALOGENACIÓN DE HALURO DE ALQUILO

El mecanismo de eliminación E2 tiene tres pasos claves, los cuales tiene lugar en el mismo estado de transición:1-ruptura del enlace C-H2-formación de doble enlace C=C3-ruptura del enlace C-X

DESHIDROHALOGENACION CATALÍTICA DE HALUROS DE ALQUILO

Regioselectividad:Sigue la regla de Zaitsev

EstereoselectividadSe forma preferiblemente el isómero trans.

ELIMINACIÓN ANTI. EFECTOS ESTEREOELECTRÓNICOS

El isómero cis, reacciona 500 veces más rápido que el isómero trans.

En estas reacciones se cumple la regla de Zaitsev: se formará mayoritariamente el alqueno más sustituido

También se formará preferiblemente el isómero trans o E.

Teniendo en cuenta que el halógeno se eliminará con el hidrógeno que esté anti, se cumple además:

Sustitución y eliminación como reacciones competitivas

1- E2 es más rápida que SN2 cuando el haluro de alquilo es secundario y el nucleófilo es una base fuerte.2- A medida que disminuye el impedimento estérico en el carbono que tienen al grupo saliente, la velocidad del ataque nucleofílico por la base de Lewis, aumenta. Por lo tanto, los haluros de alquilo primarios reaccionan preferentemente a través de SN2.3- Si la base es muy impedida, incluso los haluros de alquilo primarios, prefieren reaccionar a través de E2.

Otro factor que va a favor de la sustitución es que el nucleófilo sea una base débil. Los nucleófilos que son menos básicos que el OH reaccionan con haluros de alquilo primarios y secundarios para dar sustitución nucleofílica preferentemente.

Base: etóxido de sodio (CH3CH2ONa)

Aumentar la temperatura favorece más a la E2 que a la SN2.

Los haluros de alquilo terciarios, están tan impedidos estéricamente para un ataque nucleofílico que en presencia de una base aniónica siempre dan eliminación. Si no está presente esta base, entonces puede ocurrir la sustitución.

La reacción SN1 solo ocurre cuando es imposible la eliminación, ya que las reacciones de eliminación están siempre más favorecidas.