Reacciones De Sustitucion

Reacciones de nucleofílica en hidrocarburos saturado

1.2.1.- Reactividad de los haluros

Hay tres clases principales de compuestos orgánicos halogenados: los haluros de alquilo, los haluros de vinilo y los haluros de arilo. Un haluro de alquilo tiene simplemente un átomo de halógeno enlazado a uno de los átomos de carbono de un grupo alquilo con hibridación sp3. Un haluro de vinilo tiene un átomo de halógeno enlazado a uno de los átomos de carbono de un alqueno con hibridación sp2. Un haluro de arilo tiene un átomo de halógeno enlazado a un átomo de carbono de un anillo aromático con hibridación sp2.

Los haluros de alquilo se clasifican de acuerdo con la naturaleza del átomo de carbono enlazado al halógeno. Si el carbono que soporta el halógeno va enlazado a un átomo de carbono, es un carbono primario (l º) y el haluro de alquilo es un haluro primario. Si dos átomos de carbono están enlazados al carbono que soporta el halógeno, éste es secundario (2º) y el compuesto es un haluro secundario. Un haluro terciario (3º) tiene tres átomos de carbono enlazados al carbono que soporta el halógeno: si el átomo de carbono que soporta el halógeno es un grupo metilo (sin enlazar a átomos de carbono), este compuesto es un haluro de metilo.

Un dihaluro geminal (del latín geminus, «gemelos») tiene los dos átomos de halógenos enlazados al mismo átomo de carbono. Un dihaluro vecinal (del latín vicinus, «vecinos ») tiene los dos átomos de halógeno enlazados a átomos de carbono adyacentes.

Entre los halogenuros de alquilo, los yoduros de alquilo experimentan sustitución nucleofílica a la velocidad más rápida, los fluoruros de alquilo a la más lenta.

Los haluros de alquilo se convierten fácilmente en otros grupos funcionales. El átomo de halógeno puede salir con su par de electrones de enlace para formar un ión haluro estable; se dice que un haluro es un buen grupo saliente. Cuando otro átomo reemplaza al ión haluro, la reacción es una sustitución. Si el ión haluro abandona la molécula junto con otro átomo o ión (con frecuencia el H+), la reacción es una eliminación.

En una sustitución nucleofílica, un nucleófilo (Nuc:-) reemplaza a un grupo saliente (:X:-) de un átomo de carbono, utilizando un par solitario de electrones para formar un nuevo enlace con el átomo de carbono.

1.2.2.- Esterioquímica de la reacción SN1 y SN2

Sustitución nucleofílica bimolecular: reacción SN2

El ión hidróxido es un nucleófilo fuerte (donante de un par de electrones) porque el átomo de oxígeno tiene pares de electrones no compartidos y una carga negativa. Al bromometano se le denomina sustrato, es decir, el compuesto que es atacado por el reactivo. El átomo de carbono del bromometano es electrofílico ya que va unido a un átomo de bromo electronegativo.

El ión hidróxido ataca al átomo de carbono electrofílico, cediendo un par de electrones para formar un nuevo enlace (en general, se dice que los nucleófilos atacan a los electrófilos, no al contrario). Observe que las flechas que se usan para mostrar el movimiento del par de electrones van desde el nucleófilo rico en electrones hasta el átomo de carbono pobre en electrones, electrófilo. El carbono sólo puede alojar ocho electrones en su capa de valencia, por lo que el enlace carbono-bromo debe comenzar a romperse cuando el enlace carbono-oxigeno comience a formarse. El ión bromuro es el grupo saliente y se desprende con el par de electrones con el que estaba enlazado al átomo de carbono.

Los estudios cinéticos miden la velocidad de una reacción, en especial, con respecto a la forma en que la concentración de los reactivos (y catalizadores, si es que hay alguno) afecta a la velocidad de reacción. Habiendo visto ya que la velocidad de la sustitución nucleofílica depende del grupo saliente (I > Br > Cl >> F), se sabe que el enlace carbono-halógeno debe romperse en el paso lento de la reacción. En consecuencia, se espera que la velocidad de la reacción también dependa de la concentración del halogenuro de alquilo. Esto es confirmado por los estudios cinéticos de la reacción:

La cual sigue la ley de la velocidad:

La velocidad de la reacción es directamente proporcional a la concentración de bromuro de metilo y de ion hidróxido. Es de primer orden en cada reactivo, o de segundo orden en general. La conclusión más razonable es que tanto el ion hidróxido como el bromuro de metilo reaccionan juntos en un paso elemental bimolecular y que este paso es determinante de la velocidad.

El mecanismo propuesto por Hughes e Ingold, llamado por ellos sustitución nucleofílica bimolecular (SN2),

El diagrama para el estado de transición en el mecanismo anticipa una característica estereoquímica clave del mecanismo SN2. El nucleófilo ataca al carbono desde el lado opuesto del enlace al grupo saliente. Otra forma de expresar el mismo punto, en especial cuando ocurre sustitución en un centro de quiralidad, es que las reacciones SN2 proceden con inversión de la configuración en el carbono que lleva al grupo saliente. El arreglo tetraédrico de los enlaces en el reactivo se convierte en un arreglo tetraédrico invertido en el producto.

Hay diferencias muy grandes en las velocidades a las que las diversas clases de halogenuros de alquilo, de metilo, primarios, secundarios o terciarios, experimentan la sustitución nucleofílica.

La gran diferencia de velocidad entre los bromuros de metilo, etilo, isopropilo y ter-butilo refleja el impedimento estérico que ofrece cada grupo alquilo al ataque nucleofílico. El nucleófilo debe aproximarse al halogenuro de alquilo desde el lado opuesto del enlace con el grupo saliente y, esta aproximación está obstaculizada por sustituyentes alquilo en el carbono que está siendo atacado.

En general, las reacciones SN2 de los halogenuros de alquilo muestran la siguiente dependencia de la velocidad con la estructura:

Sustitución nucleofílica unimolecular: reacción SN1

Los sustratos primarios son más susceptibles a SN2; los sustratos primarios son más susceptibles a SN1, porque los halogenuros de alquilo terciarios son prácticamente inertes a la sustitución por el mecanismo SN2 debido al impedimento estérico.

Hughes e Ingold observaron que la hidrólisis del bromuro de ter-butilo, la cual ocurre con facilidad, se caracteriza por una ley de velocidad de primer orden: Velocidad = k[(CH3)3CBr]. Encontraron que la velocidad de la hidrólisis depende sólo de la concentración del bromuro de ter-butilo. Agregar el ion hidróxido nucleófilo más fuerte, por otra parte, no causa cambio en la velocidad de la sustitución, ni esta velocidad depende de la concentración de hidróxido. Del mismo modo en que la cinética de segundo orden fue interpretada como indicadora de un paso bimolecular determinante de velocidad, la cinética de primer orden fue interpretada como evidencia para un paso unimolecular determinante de velocidad, un paso que implica sólo al halogenuro de alquilo.

La reactividad relativa de los halogenuros de alquilo en reacciones SN1 es exactamente la opuesta de SN2:

Reactividad SN1: metilo < primario < secundario < terciario

Reactividad SN2: terciario < secundario < primario < metilo

Es obvio que el impedimento estérico que influye en la velocidad de reacción SN2 no es importante en las reacciones SN1. El orden de reactividad del halogenuro de alquilo en las reacciones

SN1 es el mismo que el orden de estabilidad del carbocatión: cuanto más estable es el carbocatión, más reactivo es el halogenuro de alquilo.

Aunque las reacciones SN2 son estereoespecíficas y proceden con inversión de la configuración en el carbono, la situación no está tan bien definida para el mecanismo SN1. Cuando el grupo saliente se aparta de un centro de quiralidad en un halogenuro ópticamente activo, el carbono con carga positiva que resulta tiene hibridación sp2 y no puede ser un centro de quiralidad.

Los tres enlaces a ese carbono definen un plano de simetría. Con base en la expectativa razonable de que un nucleófilo puede atacar a un carbocatión de igual manera por cualquier cara del mismo, la sustitución por el mecanismo SN1 debería formar una mezcla de enantiómeros 1:1, sin tener en cuenta si el halogenuro de alquilo inicial es R, S o racémico. Las reacciones SN1 deberían formar productos racémicos a partir de materiales iniciales ópticamente activos.

1.2.3.- Reagrupamientos

Evidencia adicional para la formación de carbocationes intermediarios en ciertas sustituciones nucleofílicas proviene de la observación de rearreglos de la clase asociada, por lo normal, con tales especies. Por ejemplo, la hidrólisis del bromuro de alquilo secundario 2-bromo-3-metilbutano produce el alcohol terciario rearreglado 2-metil-2-butanol como el único producto de sustitución.

1.3.- Mecanismo de la sustitución

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