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 nucleofílica en carbono insaturado

1.3.1.- Métodos generales para obtención de alcoholes

Una de las razones por la que los alcoholes son intermedios sintéticos importantes es porque se pueden sintetizar directamente a partir de una gran variedad de grupos funcionales.

Sustitución nucleoflílica en un haluro de alquilo

Generalmente vía un mecanismo SN2. Compite con la eliminación..

1.3.2.- Alcohólisis de haluros de alquilo

Se comenzará con la preparación de halogenuros de alquilo a partir de alcoholes por reacción con halogenuros de hidrógeno.

Entre las diversas clases de alcoholes, se observa que los alcoholes terciarios son los más reactivos y los alcoholes primarios los menos reactivos.

La reacción de un alcohol con un halogenuro de hidrógeno es una sustitución.

Con alcoholes primarios, es una reacción SN2 en la que el ion halogenuro, bromuro, por ejemplo, desplaza una molécula de agua del ion alquiloxonio.

Con alcoholes secundarios y terciarios, esta etapa es una reacción SN1 en la que el ion alquiloxonio se disocia en un carbocatión y agua.

1.3.3.- Métodos para la obtención de éteres y amidas

1.3.3.1.- Síntesis de Williamson: éteres

Basado en reacciones SN2 de halogenuros de alquilo. La sustitución nucleofílica de un halogenuro de alquilo con un alcóxido produce el enlace carbono-oxígeno de un éter:

El alcóxido generalmente se obtiene añadiendo Na, K o NaH al alcohol

La preparación de éteres por síntesis de Williamson es más eficaz con los halogenuros de metilo y de alquilo primario.

Los halogenuros de alquilo secundarios y terciarios no son adecuados, porque reaccionan con las bases alcóxido por eliminación E2, más que por sustitución SN2.

1.3.3.2.- Síntesis de Gabriel: aminas

Un método que alcanza el mismo resultado final que la alquilación del amoniaco, pero que evita la formación de aminas secundarias y terciarias como subproductos, es la síntesis de Gabriel.

Los halogenuros de alquilo se convierten en alquilaminas primarias, sin contaminarlas con aminas secundarias o terciarias. El reactivo clave es la sal de potasio de la ftalimida, que se prepara con la reacción:

La ftalimida tiene un valor de pKa de 8.3, y se puede convertir cuantitativamente en su sal de potasio con hidróxido de potasio. Esta sal de potasio de la ftalimida tiene un átomo de nitrógeno con carga negativa, que se comporta como nucleófilo hacia los halogenuros de alquilo primarios, en un proceso de sustitución nucleofílica bimolecular (SN2).

El producto de esta reacción es una imida, un diacil derivado de una amina. Para hidrolizar sus dos enlaces de amida y liberar la amina primaria deseada, se puede usar ya sea un ácido o una base acuosos. Un método más eficaz para romper los dos enlaces de amida es por transferencia del acilo a la hidrazina:

1.3.4.- Métodos de obtención de haluros de alquilo

1.3.4.1.- A partir de alcoholes

La preparación de halogenuros de alquilo a partir de alcoholes por reacción con halogenuros de hidrógeno.

Entre las diversas clases de alcoholes, se observa que los alcoholes terciarios son los más reactivos y los alcoholes primarios los menos reactivos.

1.3.4.2.- A partir de alqueno

1.4.- Reacciones de sustitución Electrofílica

1.4.1.- Efectos del sustituyente en la sustitución aromática

Los reactivos que reaccionan con el anillo aromático del benceno y sus derivados son electrófilos. Los reactivos electrofílicos se adicionan a los alquenos. Cuando los electrófilos reaccionan con arenos tiene lugar una reacción diferente. Se observa sustitución en lugar de adición. Si se representa un areno con la fórmula general ArH, donde Ar representa un grupo arilo, la porción electrofílica del reactivo reemplaza a uno de los hidrógenos en el anillo:

Esta reacción se llama sustitución electrofílica aromática; es uno de los procesos fundamentales de la química orgánica.

En el primer paso en la reacción de los reactivos electrofílicos con el benceno Un electrófilo acepta un par de electrones del sistema π del benceno para formar un carbocatión:

El carbocatión formado en este paso es un ion arenio, o catión ciclohexadienilo, también conocido como un complejo σ. Es un carbocatión alílico y es estabilizado por la deslocalización electrónica representada por la resonancia entre las estructuras contribuyentes:

Una vez formado, el catión ciclohexadienilo pierde rápidamente un protón, restableciendo la aromaticidad del anillo y formando el producto de sustitución electrofílica aromática.

Si la base de Lewis (:Y_) hubiera actuado como un nucleófilo enlazándose al carbono, el producto habría sido un derivado del ciclohexadieno no aromático. Los productos de adición y sustitución surgen por rutas de reacción alternativas de un catión ciclohexadienilo. La sustitución ocurre de manera preferencial debido a que hay una fuerza impulsora considerable que favorece la rearomatización.

1.4.2.- Obtención de compuestos aromático halogenados

1.4.3.- Obtención de ácidos sulfónicos

La reacción del benceno con ácido sulfúrico para producir ácido bencenosulfónico es reversible, pero puede completarse por diversas técnicas. Eliminando el agua formada en la reacción, por ejemplo, permite que se obtenga ácido bencenosulfónico con un rendimiento casi cuantitativo.

Cuando se usa una solución de trióxido de azufre en ácido sulfúrico como el agente sulfonante, la velocidad de la sulfonación es mucho más rápida y el equilibrio se desplaza por completo al lado de los productos, de acuerdo con la ecuación

1.4.3.1.- Fenoles a partir de ácidos sulfónicos

1.4.4.- Obtención de compuestos nitro aromáticos

Ya delineado el mecanismo general para la sustitución electrofílica aromática, ahora sólo se necesita identificar el electrófilo específico en la nitración del benceno para tener una idea bastante clara de la forma en que ocurre la reacción.

El electrófilo (E+) en esta reacción es el ion nitronio ( ). La distribución de carga en el ion nitronio es evidente en su estructura de Lewis

El ácido nítrico reacciona con el ácido sulfúrico para formar el ion nitronio de acuerdo con la ecuación:

La nitración por sustitución electrofílica aromática no está limitada sólo al benceno, pues es una reacción general de compuestos que contienen un anillo bencénico.

1.4.5.- Reacción de Friedel-Crafts

Alquilación de friedel-crafts del benceno

Los halogenuros de alquilo reaccionan con el benceno en presencia de cloruro de aluminio para producir alquilbencenos.

Los halogenuros de alquilo por sí mismos no son lo suficientemente electrofílicos para reaccionar con el benceno. El cloruro de aluminio (o hierro) sirve como un ácido de Lewis catalizador para aumentar el carácter electrofílico del agente alquilante.

Un inconveniente de la alquilación de Friedel-Crafts es que pueden ocurrir rearreglos, en especial cuando se usan halogenuros de alquilo primarios.

1.4.6.- Obtencion de cetonas

Acilación de friedel-crafts del benceno

Otra versión de la reacción de Friedel-Crafts usa halogenuros de acilo, en lugar de halogenuros de alquilo, y produce aril cetonas.

El electrófilo en una reacción de acilación de Friedel-Crafts es un catión acilo (también conocido como ion acilio). Los cationes acilo son estabilizados por resonancia. El catión acilo derivado del cloruro de propanoílo se representa con las dos formas de resonancia:

Los cationes acilo se forman por la coordinación de un cloruro de acilo con cloruro de aluminio, seguido por la ruptura del enlace carbono-cloro.

Los cloruros de acilo están disponibles con facilidad. Se preparan a partir de ácidos carboxílicos por reacción con cloruro de tionilo.

Cuando se prepara un compuesto del tipo ArCH2R, se usa una secuencia de dos pasos en la que el primer paso es una acilación de Friedel- Crafts.

El segundo paso es una reducción del grupo carbonilo (CPO) a un grupo metileno (CH2).

El método más usado para reducir una aril cetona a un alquilbenceno, emplea una amalgama de zinc-mercurio en ácido clorhídrico concentrado y se llama reducción de Clemmensen.

El zinc es el agente reductor. La síntesis de butilbenceno ilustra la secuencia de acilación-reducción.

Es útil porque evita la transposición que ocurriría en la alquilación directa.

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