REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA

CONSULTA EN BASES BILIOGRÁFICAS

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA

Las reacciones de sustitución implican el intercambio de un grupo funcional por otro:

                                              [pic 1]

En cada reacción de sustitución, hay un electrófilo y un nucleófilo:

                           [pic 2]

Sustrato se refiere al electrófilo en una reacción de sustitución. Para que un electrófilo funcione como sustrato en la reacción de sustitución debe contener un grupo saliente, que es aquel capaz de separarse del sustrato. En el ejemplo mencionado antes el cloruro funciona como grupo saliente. El grupo saliente cumple dos funciones fundamentales:

1. El grupo saliente retira la densidad electrónica a través de la inducción y deja el átomo de carbono electrófilo adyacente.
2. El grupo saliente puede estabilizar cualquier carga negativa que pueda desarrollarse como consecuencia de la separación del grupo saliente del sustrato.

             [pic 3]

        Los halógenos (Cl, Br, I) son grupos salientes muy comunes.

Hay dos mecanismos posibles para una reacción de sustitución:

• En un proceso CONCERTADO, el ataque nucleófilo y la pérdida del grupo saliente suceden de modo simultáneo.
• En un proceso SECUENCIAL, la pérdida del grupo saliente sucede primero, seguido por el ataque nucleófilo

MECANISMO DE UNA REACCIÓN SN2

En la mayoría de las reacciones que investigaron, Ingold y Hughes encontraron que la velocidad de la reacción es dependiente de las concentraciones tanto del sustrato como del nucleófilo:

Velocidad= k[sustrato][nucleófilo]

Específicamente ellos hallaron que cuando se duplicaba la concentración del nucleófilo, la velocidad de la reacción también se duplicaba. De manera similar, al duplicar la concentración del sustrato también se duplicaba la velocidad. La ecuación de la velocidad mencionada se describe como de segundo orden, debido a que la velocidad depende de modo lineal de las concentraciones de dos compuestos diferentes. Basados en sus observaciones, Ingold y Hughes concluyeron que el mecanismo debe mostrar un paso en el cual el sustrato y el nucleófilo colisionan entre sí. Dado que este paso involucra dos entidades químicas, se dice que es bimolecular. Ingold y Hughes acuñaron el término SN2 para denominar a las reacciones de sustitución bimoleculares.

                                         [pic 4]

Las observaciones experimentales para las reacciones SN2 coinciden con un mecanismo concertado, dado que este tipo de mecanismo muestra un solo paso que implica tanto al nucleófilo como al sustrato:

                  [pic 5]

(David, 1988)

[pic 6]

El ion hidroxilo es el nucleófilo y el yoduro de metilo el electrófilo o sustrato en esta sustitución.  El hidróxido es un buen nucleófilo (Donador de un par de electrones) porque el átomo de oxígeno tiene pares no compartidos de electrones y una carga negativa. El átomo de carbono del yoduro de metilo es electrofílico porque está enlazado a un átomo de yodo electronegativo. La densidad electrónica se retira del carbono a causa del átomo de halógeno, dando a ese átomo una carga parcial positiva. La carga negativa del ion hidroxilo es atraída hacia esta carga parcial positiva.

[pic 7]

El ion hidroxilo ataca al átomo de carbono electrofílico donando un par de electrones para formar un nuevo enlace; en general se dice que los nucleófilos atacan a los electrófilos y no a la inversa. Las flechas se emplean para indicar el movimiento de pares de electrones, desde el nucleófilo rico en electrones hasta el átomo de carbono deficiente de electrones del electrófilo. El carbono solo puede admitir ocho electrones en su capa de valencia, y por tanto, el enlace carbono- yodo debe comenzar a romperse cuando el enlace carbono- oxigeno se comience a formar. El ion yoduro es el grupo saliente; sale con el par de electrones que estaban enlazándolo al átomo de carbono.

[pic 8]

La reacción del yoduro de metilo con el ion hidroxilo es una reacción CONCERTADA, que ocurre en un solo paso, pues los enlaces se rompen y forman al mismo tiempo. La estructura entre paréntesis cuadrados es un estado de transición, un punto de máxima energía más que un intermediario. En este estado de transición el enlace con el nucleófilo (hidroxilo) se forma parcialmente, y el enlace con el grupo saliente (yoduro) se rompe parcialmente. El estado de transición no es una molécula discreta que se pueda aislar, sólo existe en un instante.

[pic 9]

Se observa que los reactivos tienen ligeramente más energía que los productos porque se sabe que esta reacción es exotérmica. El estado de transición tiene una energía mucho mayor debido a que implica un átomo de carbono pentacoordinado con dos enlaces parciales.(L.G WADE, n.d.)

FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LAS REACCIONES SN2

La naturaleza del grupo saliente y del nucleófilo afectan a la reacción SN2

1. Grupo saliente en una reacción SN2

Si un yoduro, un bromuro, un cloruro y un fluoruro de alquilo, todos teniendo el mismo grupo alquilo, se dejaran reaccionar con el mismo nucleófilo bajo las mismas condiciones, se comprobaría que el yoduro de alquilo es el más reactivo y el fluoruro de alquilo es el menos reactivo.

[pic 10]

La única diferencia entre esas cuatro reacciones es la naturaleza del grupo saliente. De acuerdo con la rapidez de reacción relativa se puede ver que el ion yoduro es el mejor grupo saliente y que el ion fluoruro es el peor. Lo anterior conduce a una importante regla de la química orgánica: MIENTRAS MÁS DÉBIL SEA LA BASICIDAD DE UN GRUPO MEJOR SERÁ SU CAPACIDAD COMO GRUPO SALIENTE. La razón por la que la capacidad como grupo saliente depende de la basicidad es porque las BASES DÉBILES SON MÁS ESTABLES; con facilidad retienen los electrones que antes compartían con un protón. Como las bases débiles no comparten bien sus electrones, una base débil no está unida con tanta fuerza al carbono como estaría una base fuerte y un enlace más débil se rompe con más facilidad.

[pic 11]

Por consiguiente, los yoduros de alquilo son los más reactivos de los haluros de alquilo y los fluoruros de alquilo son los menos reactivos. De hecho, el ion fluoruro es una base tan fuerte que en esencia los fluoruros de alquino no presentan reacciones SN2.

[pic 12]

1. El nucleófilo en una reacción SN2

La nucleofilicidad es una medida de la facilidad con la que un compuesto (un nucleófilo) puede atacar a un átomo deficiente en electrones. La nucleofilicidad se mide con la contante de rapidez (k). En el caso de una reacción SN2, la nucleofilicidad es una medida de la facilidad con que el nucleófilo ataca a un carbono sp3 unido a un grupo saliente.

Cuando se comparan moléculas que tienen el mismo átomo atacante, se observa que hay una relación directa entre la basicidad y la nucleofilicidad: las bases más fuertes son los mejores nucleófilos. (Yurkanis Bruice Paula, 2008)

MECANISMO DE UNA REACCIÓN SN1

El segundo mecanismo posible para una reacción de sustitución es un proceso secuencial en el que hay (1) pérdida del grupo saliente para formar un carbocatión intermediario seguido por (2) el ataque nucleófilo sobre el carbocatión intermediario:

                    [pic 13]

Muchas reacciones de sustitución no muestran cinética de segundo orden. Por ejemplo:

                       [pic 14]

En esta reacción, la velocidad depende solo de la concentración del sustrato. La ecuación de la velocidad es:

Velocidad=k[sustrato]

El hecho de aumentar o disminuir la concentración del nucleófilo no tiene un efecto mensurable sobre la velocidad. Se dice que la ecuación de la velocidad es de primer orden, porque la velocidad depende en forma lineal de la concentración de un solo compuesto. En estos casos, el mecanismo debe mostrar un paso lento en el cual el nucleófilo no participa. Dado que ese paso implica solo una entidad química, se dice que es unimolecular. Ingold y Hughes acuñaron el término SN1 para denominar las reacciones de sustitución unimoleculares.

                                      [pic 15]

El término unimolecular describe el hecho de que sólo participa una entidad química en el paso de la reacción más lento y, como consecuencia, la velocidad de la reacción no se ve afectado por cuanto nucleófilo esté presente.

                      [pic 16]

El mecanismo tiene dos pasos, por lo que se espera dos elevaciones o dos gibas.

Al comparar la energía de activación (Ea) para los siguientes pasos: El primer paso tiene una Ea mayor y, por lo tanto, este paso es más lento. La velocidad de toda la reacción no puede ser más rápida que la velocidad del paso lento. Por lo tanto, el paso lento se denomina paso limitante de la velocidad (RDS). La velocidad de un proceso SN1 depende sólo de la velocidad del paso lento, la pérdida del grupo saliente. Como resultado, la velocidad de un proceso SN1 sólo se verá afectada por factores que actúan sobre la velocidad en que se separa el grupo saliente. El aumento de la concentración del nucleófilo no tiene repercusiones sobre la velocidad del paso lento. Es cierto que el nucleófilo debe estar presente para obtener el producto, pero un exceso de nucleófilo no acelerará la reacción. (David, 1988)

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