sustitucion nucleofilica (1)

Reacciones de Sustitucin

Nucleoflica y Alcoholes

Reacciones de Sustitucin Nucleoflica (SN) y Alcoholes


Aspectos generales:

Reacciones de Sustitucin Nucleoflica (SN):

C Y

R

R

R

+ Nu - + Y -C NuR

R

R

Requisito fundamental: El nucleoflico entrante (Nu:-) debe ser ms fuerte que el

saliente. Ejemplo: Sntesis de alcoholes a partir de haluros de alquilo.

C X

R

R

R

+ OH - + X-C OHR

R

R

Como ya ha sido mencionado, existe una relacin entre fortaleza del nuclefilo

(nucleofilidad o nucleofilicidad) y basicidad.


Nucleofilidad vs Basicidad:

Generalmente la nucleofilidad va de la mano con la basicidad: Usualmente mientras

ms bsica es una especie qumica ms fuerte ser como nuclefilo. Un ejemplo de

ello es que una base es siempre un nuclefilo ms fuerte que su cido conjugado.

La mayora de los buenos nuclefilos tambin son bases fuertes, y viceversa.

No obstante, asumir que esta relacin siempre se cumple de manera tan simple

sera un error, ya que basicidad y nucleofilidad son propiedades diferentes. La

basicidad viene determinada por la constante de equilibrio para abstraer un protn.

La nucleofilidad se define por la velocidad de ataque sobre un tomo de carbono

electroflico para dar sustituciones o adiciones.

Basicidad

Nucleofilidad



En ambos casos, el nuclefilo (o base) forma un nuevo enlace: si el nuevo enlace lo

forma con un protn, ha reaccionado como una base, si el nuevo enlace lo forma

con el carbono, ha reaccionado como un nuclefilo. Como ya fue expresado:

Basicidad es un concepto termodinmico (constante de equilibrio) y Nucleofilidad

es un concepto cintico (reactividad).

C

CH3

CH3

CH3 O-

CH2CH3 O-

C

CH3

CH3

CH3 OH

CH2CH3 OH+

+

ClH

ClH + Cl-

+ Cl-

Bases Etxido

Terbutxido

El anin etxido es la base ms dbil, ya que el etanol es el cido ms fuerte por ser

un alcohol primario. Esto significa que el anin terbutxido es la base ms fuerte.

Sin embargo, la nucleofilidad puede variar de forma diferente, como veremos a

continuacin.



En estas reacciones, el etxido se comporta como un nuclefilo ms fuerte que el

terbutxido, ya que este ltimo tiene dificultades estricas para atacar al cloruro de

isopropilo.

Se cumplen las siguientes tendencias en relacin con la nucleofilidad:

a) Una especie negativa es siempre ms nucleoflica que su especie similar neutra.

De esa manera, se cumple en relacin con la nucleofilidad que: HO- > H2O ,

HS- > H2S y H2N- > H3N.

CH

CH3

CH3

Cl

CH

CH3

CH3

ClC

CH3

CH3

CH3 O-

CH2CH3 O-

+

+ CCH3

CH3

CH3 O CH

CH3

CH3

CH2CH3 O CH

CH3

CH3

+ Cl-

+ Cl-

Nuclefilos

Etxido

Terbutxido



b) En un perodo de la tabla peridica:

Se cumplen la misma tendencia que respecto a la basicidad (contrario a la acidez):

A medida que se desplaza de izquierda a derecha disminuye la nucleofilidad por

aumentar la electronegatividad. As, en el segundo perodo se cumple en relacin

con la nucleofilidad que: CH3- > H2N

- > HO- > F- ; H3N > H2O y (CH3)3P > (CH3)2S.

c) En un grupo de la tabla peridica:

Se cumple la misma tendencia que respecto a la

acidez: A medida que se desplaza de arriba hacia

debajo aumenta la nucleofilidad. Esto se debe a

que aumenta la polarizabilidad de los tomos por su

mayor tamao y menor electronegatividad. De esa

manera, se cumple en relacin con la nucleofilidad

que: I - > Br - > Cl - > F - ; HSe- > HS- > HO- y

(CH3)3P > (CH3)3N.



En la siguiente tabla se muestra como vara la nucleofilidad de diversos nuclefilos:



Sobre la base de lo anterior: Es posible la siguiente reaccin?

C OH

R

R

R

+ OH -+X- C XR

R

R

(X : Br Cl )

Acorde a la tabla anterior, el HO es un nuclefilo ms fuerte que Br y Cl . Esto

significa que sera imposible sintetizar un cloruro o bromuro de alquilo a partir de un

alcohol. Entoncesqu se debera hacer si se desea realizar esta sntesis?

C

R

R

R

OH + H+

C

R

R

R

O+

H

H

Adicionando un cido se protonara el OH del alcohol posibilitando que en la

reaccin SN saliera H2O (nuclefilo dbil) en vez del OH (nuclefilo fuerte). Esto

hara que la reaccin SN fuera posible.


Mecanismos SN:

Las reacciones SN1 se producen en dos etapas, segn el esquema siguiente:

La primera etapa es lenta y determina la velocidad global de la reaccin por lo que la

reaccin se considera Unimolecular, de ah su denominacin SN1. De esta manera,

la expresin global de la velocidad de reaccin queda como v = k [ RX ].

La segunda etapa es rpida. Dada la significativa reactividad de los carbocationes,

el nuclefilo entrante no requiere ser extremadamente fuerte, es suficiente que sea

ms fuerte que el saliente.

Veamos a continuacin el ejemplo de la reaccin del bromuro de terbutilo con

metanol.


Mecanismos SN:

El tercer paso, aqu planteado, no se produce en todas las reacciones y no forma

parte del mecanismo SN1. Este es un paso adicional cuya finalidad es justificar, en

este caso particular, la obtencin del producto final como una molcula neutra.


Mecanismos SN:

La molcula orgnica que recibe el ataque nucleoflico se denomina sustrato. En la

misma hay un nuclefilo que ser sustituido. Entre dicho nuclefilo y el carbono al

cual est unido existe una diferencia de electronegatividad que motiva la aparicin

de cargas parciales, por lo que el carbono se convierte en el centro electroflico que

recibe el ataque nucleoflico.

Por otro lado, el mecanismo SN2 ocurre en una sola etapa como se muestra a

continuacin:

- + - - +


Mecanismos SN:

Simultneamente el nucleoflico entrante ataca al sustrato por un lado y el nuclefilo

saliente sale por el otro. Por eso, esta reaccin recibe el nombre de ataque por la

retaguardia. As, se produce un estado de transicin en el que el nuclefilo entrante

y el saliente se encuentran a medio camino de concluir el proceso.

Como la reaccin ocurre en un solo paso, la velocidad de la misma depende de la

concentracin de ambos reactivos: sustrato y nucleoflico. Esto significa que la

expresin de la velocidad de reaccin en este caso es: v = k [ CH3I ] [OH-].

En la siguiente figura se

muestra el diagrama de

energa de reaccin para

ambos mecanismos. Se

puede apreciar la

diferencia en relacin con

el nmero de etapas de

ambos casos.


SN1 vs SN2:

Tipo de sustrato que recibe el ataque SN .

Solvente en el que se realiza la reaccin.

Fortaleza del nuclefilo saliente.

Fortaleza del nuclefilo entrante..

La ocurrencia de una reaccin por un mecanismo SN u otro depende de los

siguientes factores:

El tipo de sustrato est ntimamente asociado a la estabilidad del carbocatin que

se pudiera formar a partir del sustrato. Este es el factor ms importante que

prcticamente determina el tipo de mecanismo SN que ocurre.

Los carbocationes estables favorecen el mecanismo SN1. Por lo tanto, la reaccin

ser SN1 cuando el carbocatin que se produzca a partir del sustrato sea terciario,

benclico o allico. Tambin pueden ocurrir por SN1 aquellas reacciones que den otro

tipo de carbocationes, siempre que los mismos puedan reordenarse para dar lugar a

un carbocatin estable.


SN1 vs SN2:

Por otro lado, impedi-

mentos estricos hacen

imposible la reaccin SN2

en carbonos terciarios y

la dificultan en secunda-

rios, siendo esta factible

en carbonos primarios y

en grupos metilo, como lo

indica la figura que se

muestra.

Como ya fue visto, el reordenamiento de cationes es posible cuando: a) se produce

entre tomos de carbono contiguos y b) la especie que se reordena es

preferentemente un ion hidruro (H-), ya que el reordenamiento de radicales alquilo

es menos probable por la mayor estabilidad del enlace C-C y la gran energa

necesaria para su ruptura, lo que implica la necesidad de condiciones extremas de

reaccin, tales como altas temperaturas y presiones.


SN1 vs SN2:

En el caso de sustratos con carbonos secundarios, el tipo de mecanismo depender

en gran medida del segundo factor en importancia para decidir esto: El solvente.

Lo anterior implica que para sustratos con carbonos secundarios no esta claro el

mecanismo SN que experimentan, a menos que se pueda producir un

reordenamiento que origine un carbocatin ms estable.

La reaccin SN1 est favorecida en disolventes polares, que estabilizan los iones

intermedios. Los disolventes polares solvatan estos iones debido a la interaccin de

los dipolos del disolvente con la carga del in. Los disolventes prticos como los

alcoholes y el agua son incluso ms efectivos, ya que los aniones forman enlaces de

hidrgeno con el tomo de hidrgeno del grupo -OH y los cationes, complejos con

los electrones no enlazantes del tomo de oxgeno del grupo -OH. Los disolventes

polares prticos, como los alcoholes y el agua, pueden solvatar mejor los iones

formados durante una reaccin SN1.

Esto se puede apreciar en la siguiente figura, donde se muestra la solvatacin de los

iones formados.


SN1 vs SN2:

Por otro lado, el estado de transicin del mecanismo SN2 es menos polar y se ve

menos favorecido por un solvente polar prtico, siendo ms favorable para la SN2

los solventes polares aprticos.

Los dos factores antes mencionados (tipo de sustrato y solvente) son los ms

relevantes en cuanto a la definicin del tipo de mecanismo SN , especialmente el tipo

de sustrato. Los restantes factores pueden influir en el xito de la reaccin en la

medida que coinciden o se oponen a estos dos primeros.


SN1 vs SN2:

Finalmente, como se debe

cumplir que la base entran-

te sea ms fuerte que la

saliente, el mecanismo

SN1 se ve favorecido por

un nuclefilo entrante dbil

y el SN2 por un nuclefilo

entrante fuerte.

Los nuclefilos salientes dbiles favorecen el mecanismo SN1 ya que favorecen

el primer paso de ionizacin. Esto significa que el mecanismo SN2 se ve favorecido

por los nuclefilos fuertes. En la tabla a continuacin se muestran algunos buenos

nuclefilos salientes dbiles.


Estereoqumica de las reacciones SN1 y SN2:

Cuando se produce la ionizacin (primera etapa del SN1) se genera un carbocatin

con hibridacin sp2 y un orbital vaco p, lo que indica que tiene una estructura plana.

El nuclefilo entrante puede aproximarse al plano del carbocatin desde arriba o

desde abajo. Si el nuclefilo ataca por el mismo lado del grupo saliente, habr una

retencin de configuracin, pero si el nuclefilo ataca por el lado opuesto del grupo

saliente la configuracin se invertir. Esto significa que las reacciones SN1 forman

mezclas de enantimeros (racemizacin) como indica la figura.

Un carbono asimtrico

experimenta racemi-

zacin cuando se ioni-

za y se transforma en

un carbocatin plano

aquiral. Un nuclefilo

puede atacar al carbo-

catin desde cualquier

cara, dando lugar a

cualquier enantimero.


Estereoqumica de las reacciones SN1 y SN2:

Sin embargo, el mecanismo SN2 conlleva a una inversin de la configuracin, como

se muestra a continuacin.

La inversin de la configuracin no slo puede cambiar la configuracin absoluta,

en el caso de los compuestos cclicos tambin cambiar la geometra del cis al

trans o viceversa. Las reacciones SN2 son estereoespecficas


Algunas reacciones de los alcoholes :

Los alcoholes normalmente se oxidan, aunque no tan fcilmente como los

aldehdos. El siguiente cuadro resume estas reacciones:

Como agente oxidante se usa normalmente al K2Cr2O7 o al K2CrO4 en medio cido.

Adems se puede utilizar el KMnO4 tambin en medio cido.

Los alcoholes primarios se

oxidan a aldehdos y de ah

a cidos carboxlicos. Las

cetonas no se oxidan

normalmente por la gran

estabilidad del enlace C-C.

La oxidacin de las cetonas

requiere condiciones extre-

mas (altas temperatura y

presin). Los alcoholes

terciarios no se oxidan por

idnticas razones.


Algunas reacciones de los alcoholes :

Una reaccin tpica de los alcoholes, que se usa para su identificacin, es con el

Reactivo de Lucas (ZnCl2 + HCl). Esta reaccin transcurre por un mecanismo SN.

Lo anterior significa que los alcoholes terciarios reaccionan de forma instntanea,

los secundarios demoran unos pocos (2-5) minutos y los primarios no reaccionan o

demoran ms de 10 minutos aun calentando.

La muestra a identificar se hace reaccionar con el reactivo de Lucas (ZnCl2 + HCl)

segn la siguiente reaccin:

Esta reacin transcurre mediante un mecanismo SN1 ya que:

1) El solvente (H2O) es un solvente polar prtico.

2) La base saliente es dbil (H2O).

3) La base entrante es dbil (Cl-).

R OH + ClHZnCl

2

R Cl + OH2Cuando se produce la reaccin se originan dos fases inmiscibles, por la aparicin

del cloruro de alquilo (RCl) que es inmiscible con el H2O.

sustitucion nucleofilica (1)

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