Haluros de alquilo: sustitucin nucleoflica y eliminacin

Polarizacin del enlace en el haluro de alquilo.En un haluro de alquilo el tomo de halgeno est enlazado a un tomo de carbono con hibridacin sp3. El halgeno es ms electronegativo que el carbono, y el enlace C-X est polarizado con una carga parcial positiva en el carbono y una carga parcial negativa en el halgenoCuanto ms electronegativo es el tomo de halgeno, mayor es la polarizacin entre el enlace carbono-halgeno.

Representaciones con modelos CPK de los haluros de alquilo.Representaciones con modelos CPK de los haluros de alquilo. Los halgenos ms pesados son ms voluminosos, con reas superficiales mucho ms grandesLa electronegatividad aumenta hacia la derecha y hacia arriba en la tabla peridica. El tamao aumenta hacia la derecha y hacia abajo, por lo que el tamao de los halgenos incrementa en el orden de F < Cl < Br < I.

Halogenacin allica.La bromacin del ciclohexano da lugar a un buen rendimiento de 3-bromociclohexano, donde el bromo ha sustituido a un hidrgeno allico del tomo de carbono prximo al doble enlace.Cuando se utilizan bajas concentraciones de bromo, las posiciones allicas son bromuradas selectivamente.

Mecanismo de bromacin allica.Esta bromacin allica selectiva se produce porque el intermedio allico est estabilizado por resonancia. La abstraccin de un tomo de hidrgeno allico da lugar a un radical allico estabilizado por resonancia. Este radical reacciona con Br2, regenerando un radical bromo.La bromacin allica se produce a travs de un mecanismo radical que da lugar a un radical allico. Los radicales allicos estn estabilizados por resonancia con el enlace pi prximo a ellos.

Reaccin total: bromacin allicaEsta bromacin allica selectiva se produce porque el intermedio allico est estabilizado por resonancia. La abstraccin de un tomo de hidrgeno allico da lugar a un radical allico estabilizado por resonancia. Este radical reacciona con Br2, regenerando un radical bromo.Cuando se utilizan bajas concentraciones de bromo, las posiciones allicas son bromuradas selectivamente.

N-bromosuccinimida (NBS)Se debe evitar una concentracin grande de bromo, ya que el bromo se puede adicionar al doble enlace . Con frecuencia se utiliza la N-bromosuccinimida como fuente de bromo en la bromacin radicalica, ya que se combina con el subproducto HBr y genera una baja concentracin de bromo.NBS es una forma sencilla de asegurarse una baja concentracin de bromo

Sustitucin nucleoflica y reacciones de eliminacin.Los haluros de alquilo se convierten fcilmente en otros grupos funcionales. El tomo de halgeno puede salir con su par de electrones de enlace para formar un in haluro estable; se dice que un haluro es un buen grupo saliente. Cuando otro tomo reemplaza al in haluro, la reaccin es una sustitucin. Si el in haluro abandona la molcula junto con otro tomo o in (con frecuencia el H+), la reaccin es una eliminacinEn una reaccin de sustitucin nucleoflica, el tomo de haluro se sustituye por un nuclefilo. En una reaccin de eliminacin, el haluro se "elimina" de la molcula despus de la abstraccin de un hidrgeno por medio de una base fuerte. Las reacciones de eliminacin producen alquenos.

Sustitucin nucleoflica y reacciones de eliminacin.

Sustitucin nucleoflica del yodometano con in hidrxido.El in hidrxido es un nuclefilo fuerte (donante de un par de electrones) porque el tomo de oxgeno tiene pares de electrones no compartidos y una carga negativa. Al yodometano se le denomina sustrato, es decir, el compuesto que es atacado por el reactivo. El tomo de carbono del yodometano es electroflico, ya que va unido a un tomo de yodo electronegativo. La densidad electrnica se representa alejada del carbono debido a la induccin ejercida por el tomo de halgeno, lo que hace que el tomo de carbono tenga una cierta carga positiva parcial. La carga negativa del in hidrxido es atrada hacia esta carga positiva parcial.El in hidrxido ataca a la molcula de yodometano desplazando al in yoduro y formando un enlace de carbono-oxgeno

Mecanismo SN2.El mecanismo siguiente muestra el ataque por el nuclefilo (in hidrxido), el estado de transicin y el desprendimiento del grupo saliente (in yoduro).El in hidrxido ataca al carbono de la molcula de yodometano. En el estado de transicin, existe un enlace que comienza a formarse entre el carbono y el oxgeno, y el enlace carbono-yoduro se rompe. La reaccin produce un alcohol. ste es un mecanismo concertado en el que todo pasa en un nico paso.

Diagrama de energa de reaccin.El diagrama de energa de reaccin para la reaccin del yoduro de metilo con el in hidrxido muestra slo un mximo de energa, el estado de transicin; no hay intermediosEl mecanismo SN2 es un ejemplo de reaccin concertada. La formacin de enlaces y la rotura de enlaces tiene lugar al mismo tiempo. Solamente hay un estado de transicin formado por las dos molculas (el in hidrxido y el yodometano). No hay intermedios en esta reaccin

Reacciones de intercambio de halgenos.El yoduro es un buen nuclefilo y muchos cloruros de alquilo reaccionan con yoduro de sodio para obtener yoduros de alquilo. Los fluoruros de alquilo son difciles de sintetizar directamente, por lo que con frecuencia se obtienen tratando cloruros o bromuros de alquilo con KF; utilizando un ter y un disolvente aprtico que aumente la nucleofilia normalmente dbil del in fluoruro (vase Seccin 6.10).El haluro de un haluro de alquilo se pueden intercambiar por un haluro diferente. Esta reaccin de intercambio a menudo se utiliza para sintetizar los fluoruros de alquilo. El in fluoruro no es un buen nuclefilo, pero su nucleofilicidad se puede aumentar llevando a cabo la reaccin en disolventes aprticos y utilizando un ter corona para "apartar" al catin del fluoruro.

Estados de transicin para ataques del nuclefilo fuerte y dbil.

Basicidad y nucleofilicidad.Podramos pensar que el metxido es mucho mejor nuclefilo porque es mucho ms bsico. Esto sera un error, ya que la basicidad y la nucleofilicidad son propiedades diferentes. La basicidad viene determinada por la constante de equilibrio para abstraer un protn. La nucleofilicidad se define por la velocidad de ataque sobre un tomo de carbono electroflico para dar sustituciones o adiciones. En ambos casos, el nuclefilo (o base) forma un nuevo enlace; si el nuevo enlace lo forma un protn, ha reaccionado como una base, si el nuevo enlace lo forma con el carbono, ha reaccionado como un nuclefilo.

Basicidad y nucleofilicidad.Predecir de qu forma puede reaccionar una especie podra ser difcil. La mayora de los buenos nuclefilos (pero no todos) tambin son bases fuertes, y viceversa.Observando el producto formado podemos decidir si la base conjugada ha actuado como una base o como un nuclefilo. Si el nuevo enlace es un protn, ha reaccionado como una base; si el nuevo enlace lo forma con el carbono, ha reaccionado como un nuclefilo.

Basicidad y nucleofilia.

Nuclefilos comunes.Una base es un nuclefilo ms fuerte que su cido conjugado. En general, cuanto ms electronegativo es el tomo, menos nucleoflico es.

Efecto de la polarizabilidad del nuclefilo en las reacciones SN2.Comparacin de los iones fluoruro y yoduro como nuclefilos en las reacciones SN2. El fluoruro retiene fuertemente los electrones, que no pueden formar enlace C-F hasta que los tomos estn prximos. El yoduro retiene los electrones externos con menos fuerza, por lo que es ms fcil que se forme un enlace en la reaccin

Influencia del disolvente en la nucleofilicidad.En un disolvente prtico, los aniones pequeos se solvatan ms fuertemente que los grandes, ya que el disolvente se aproxima ms a un in pequeo y forma enlaces de hidrgeno ms fuertes. Cuando un anin reacciona como nuclefilo, se requiere energa para retirar alguna de las molculas de disolvente, rompiendo alguno de los enlaces de hidrgeno que estabilizaban al anin solvatado.

Influencia del disolvente en la nucleofilicidad.. Si el in es ms pequeo, como el fluoruro, se requiere ms energa para poder separar el disolvente de este in que est fuertemente solvatado que de otro in ms grande, que est ms dbilmente solvatado, como el yoduroLos disolventes prticos polares rodearn al nuclefilo y reducirn su nucleofilia. Cuanto ms pequeo sea el tomo, ms solvatado estar y mayor ser la reduccin de la reactividad.

Influencia del disolvente en la nucleofilicidad.

Grupos salientes comunes.Los sulfonatos, los sulfatos y los fosfatos son buenos grupos salientes porque pueden deslocalizar la carga negativa sobre los tomos de oxgeno. Las molculas neutrales son grupos salientes cuando la reaccin se lleva a cabo en medios cidos.

Influencia estrica del sustrato sobre las reacciones SN2.El ataque SN2 en un haluro de alquilo primario sencillo no est impedido; el ataque en un haluro de alquilo secundario est impedido, y el ataque en un haluro de alquilo terciario es imposible.

Influencia estrica del sustrato sobre las reacciones SN2.Para formar un enlace, el nuclefilo tiene que encontrarse dentro de la distancia enlazante del carbono. Un haluro de alquilo estricamente impedido evitar que el nuclefilo se acerque lo suficiente como para reaccionar.

Vista molecular de un ataque SN2.La reaccin SN2 tiene lugar a travs del ataque del nuclefilo sobre el lbulo posterior del OM antienlazante del enlace C-Br. El ataque posterior o dorsal invierte el tetraedro del tomo de carbono, de forma similar a como el viento invierte un paraguas.El nuclefilo ataca al carbono desde la parte posterior, opuesto al grupo saliente. Las reacciones SN2 siempre tendrn como resultado una inversin de la configuracin del carbono que est siendo atacado. Los estereocentros que no estn involucrados en la reaccin no se invertirn

Mecanismo de inversin.El estado de transicin de la reaccin SN2 tiene una geometra bipiramidal trigonal con el nuclefilo y el grupo saliente a 180 de cada uno.

Inversin de la configuracin.En algunos casos, la inversin de la configuracin es muy clara; por ejemplo, cuando el cis-1-bromo-3-metilciclopentano experimenta un desplazamiento SN2 por el in hidrxido, la inversin de la configuracin da lugar al trans-3-metilciclopentanolLa 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

Mecanismo de una reaccin SN1.Este tipo de sustitucin se denomina reaccin SN1 (sustitucin nucleoflica unimolecular). El trmino unimolecular quiere decir que slo una molcula est implicada en el estado de transicin del paso limitante de la velocidad de reaccin. El mecanismo de la reaccin SN1 del bromuro de ter-butilo con metanol se muestra a continuacin. La ionizacin del haluro de alquilo (primer paso) es el paso limitante de la velocidad.

Mecanismo de una reaccin SN1.El primer paso del mecanismo es la formacin del carbocatin. Es paso es lento y es el paso limitante de la velocidad. El segundo paso es el ataque nucleoflico del nuclefilo en el carbocatin. Si el nuclefilo fuera una molcula de agua o alcohol, se tendra que perder un protn con objeto de obtener un producto neutro

Pasos clave del mecanismo SN1.El mecanismo SN1 es un proceso de mltiples pasos. El primer paso es una ionizacin lenta para formar un carbocatin. El segundo paso es un ataque rpido de un nuclefilo al carbocatin. El carbocatin es un electrfilo fuerte y reacciona rpidamente tanto con un nuclefilo fuerte como con uno dbil. En el caso de ataque de una molcula de alcohol o de agua (como nuclefilos), la prdida de un protn da lugar al producto neutro final. A continuacin se presenta el mecanismo general para la reaccin SN1.El mecanismo principal est formado por dos pasos: formacin de un carbocatin y ataque nucleoflico. Dependiendo del nuclefilo se puede necesitar un tercer paso. Si acta una molcula de alcohol o agua como un nuclefilo, se tendr que perder un protn con objeto de obtener un producto neutro.

Diagramas de energa de las reacciones SN1 y SN2.Diagramas de energa de las reacciones SN1 y SN2. La reaccin SN1 tiene un mecanismo que consta de dos pasos, con dos estados de transicin (1 y 2) y un carbocatin intermedio. La reaccin SN2 slo tiene un estado de transicin y no tiene intermedios.La reaccin SN1 tiene un carbocatin intermedio y proporcionar una mezcla de enantimeros. La reaccin SN2 tendr como resultado una inversin de la configuracin.

Diagramas de energa de las reacciones SN1 y SN2.

Efecto inductivo e hiperconjugacin.El paso limitante de la velocidad de la reaccin SN1 es la ionizacin para formar un carbocatin, proceso fuertemente endotrmico. El estado de transicin para este proceso endotrmico se asemeja al carbocatin (postulado de Hammond), por lo que las velocidades de las reacciones SN1 tienen una dependencia de la estabilidad del carbocatin.

Efecto inductivo e hiperconjugacin.Anteriormente, se vio cmo en los cationes alquilo el carbocatin estaba estabilizado por la donacin de electrones a travs de los enlaces sigma (efecto inductivo) mediante el solapamiento de los orbitales llenos (hiperconjugacin); por tanto, los carbocationes altamente sustituidos son ms estables.

Estado de transicin de la reaccin SN1.En el estado de transicin de la ionizacin SN1, el grupo saliente forma parte de la carga negativa. El enlace C-X se rompe y un grupo saliente polarizable todava puede mantener un solapamiento sustancialEl estado de transicin se asemeja al carbocatin

Disolucin de los iones.La reaccin SN1 est favorecida en disolventes polares, que estabilizan los iones intermedios. El paso limitante de la velocidad forma dos iones y la ionizacin tiene lugar en el estado de transicin. 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 disolventes 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, pueden solvatar mejor los iones formados durante una reaccin SN1.

Racemizacin en la reaccin SN1.Un tomo de carbono asimtrico experimenta racemizacin cuando se ioniza y se transforma en un carbocatin aquiral, plano. Un nuclefilo puede atacar al carbocatin desde cualquier cara, dando lugar, como producto, a cualquier enantimero.

Racemizacin en la reaccin SN1.Los carbocationes tienen orbitales hbridos sp2 y un orbital vaco p. El nuclefilo 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. Las reacciones SN1 forman mezclas de enantimeros (racemizacin).

Reaccin SN1 sobre un anilloEn la reaccin SN1 del cis-1-bromo-3-deuteriociclopentano con metanol, el carbocatin puede ser atacado por cualquier cara. Como el grupo saliente (bromuro) bloquea parcialmente la cara frontal cuando se desprende, el ataque posterior (inversin de configuracin) est ligeramente favorecido.El tomo de deuterio se utiliza para distinguir las caras del ciclopentano.

Reaccin SN1 sobre un anillo

Transposicin de hidruro en una reaccin SN1.El producto reordenado, 2-etoxi-2-metilbutano, es el resultado de una transposicin de hidruro: movimiento de un tomo de hidrgeno con su par de electrones de enlace. Una transposicin de hidruro se representa por el smbolo ~H. En este caso, la transposicin de hidruro convierte el carbocatin secundario inicialmente formado en un carbocatin terciario ms estable. El ataque del disolvente a este ltimo da lugar al producto de reordenamiento.

Transposicin de hidruro en una reaccin SN1.Una vez se haya formado el carbocatin, un hidrgeno se desplaza (mueve) de uno de los carbonos cercanos al carbocatin para producir un carbocatin ms estable. El mecanismo continuar con el ataque nucleoflico. Puesto que hay dos carbocationes intermedios, habr dos productos

Transposicin del metilo en una reaccin SN1.Cuando se calienta el bromuro de neopentilo con etanol, la reaccin slo da un producto de sustitucin reordenado. Este producto es debido a la transposicin del metilo (representada por el smbolo ~CH3), la migracin de un grupo metilo junto con su par de electrones. Sin reordenamiento, la ionizacin del bromuro de neopentilo dara lugar a un carbocatin primario muy inestable.

Transposicin del metilo en una reaccin SN1.La formacin de un carbocatin primario no es posible, por lo que la transposicin del metilo y la formacin del carbocatin se produce en un nico paso para formar un carbocatin terciario. El ataque por el nuclefilo sobre el carbocatin proporciona el nico producto obtenido de esta reaccin.

Reacciones de eliminacin: E1 y E2.Una eliminacin implica la prdida de dos tomos o grupos del sustrato, generalmente con la formacin de un enlace pi. Dependiendo de los reactivos y de las condiciones en las que se encuentren, una eliminacin debera ser un proceso de primer orden (E1) o de segundo orden (E2). Los siguientes ejemplos ilustran los tipos de eliminacin que se tratarn en este captulo.De la misma forma que existe un SN1 y un SN2, existen dos mecanismos de eliminacin, E1 y E2. Qu eliminacin se producir es una cuestin de las condiciones empleadas durante la reaccin.

Reacciones de eliminacin: E1 y E2.

Mecanismo E1.En un segundo paso rpido, una base abstrae un protn del tomo de carbono adyacente al C+. Los electrones que antes formaban el enlace carbono-hidrgeno ahora forman el enlace pi entre dos tomos de carbono. El mecanismo general de una reaccin E1 es:Al igual que el SN1, la reaccin E1 implica un carbocationes intermedios. El primer paso es la ionizacin de la molcula para formar el carbocatin, seguido de la abstraccin de un protn del carbono cercano. El producto principal de las reacciones de eliminacin son los alquenos.

Mecanismo E1.En un segundo paso rpido, una base abstrae un protn del tomo de carbono adyacente al C+. Los electrones que antes formaban el enlace carbono-hidrgeno ahora forman el enlace pi entre dos tomos de carbono. El mecanismo general de una reaccin E1 es

Competencia entre las reacciones SN1 y E1El primer producto (2-metilpropeno) es el resultado de la deshidrohalogenacin, eliminacin de hidrgeno y un tomo de halgeno. Bajo estas condiciones de primer orden (ausencia de base fuerte), se produce la deshidrohalogenacin por un mecanismo E1: la ionizacin del haluro de alquilo da un intermedio carbocatinico, que pierde un protn para formar un alqueno. El producto de sustitucin es el resultado del ataque nucleoflico al carbocatin. El etanol sirve como base para la eliminacin y como nuclefilo en la sustitucin.

Competencia entre las reacciones SN1 y E1El primer paso de los dos mecanismos es el mismo: formacin del intermedio carbocatinico. El alcohol puede actuar como una base o como un nuclefilo. Si acta como una base, la abstraccin de un protn producir un alqueno. Si el alcohol acta como un nuclefilo, se obtendr el producto de sustitucin.

Competencia entre las reacciones SN1 y E1.

Modelo orbital para la eliminacin E1.En el segundo paso del mecanismo E1, el tomo de carbono adyacente debe rehibridarse a sp2 cuando la base ataca al protn y los electrones fluyen hacia el nuevo enlace pi. Las bases dbiles se pueden utilizar en las reacciones E1, puesto que no se encuentran implicadas en el paso limitante de la velocidad de la reaccin.

Modelo orbital para la eliminacin E1.

Diagrama de energa de reaccin para las reacciones E1.Diagrama de energa de reaccin. El primer paso es una ionizacin limitante de la velocidad de reaccin. Compare este perfil de energa con el de las reacciones SN1.El mecanismo E1 conlleva dos pasos y un intermedio. La formacin del carbocatin intermedio tiene la energa de activacin ms elevada, por lo que ser el paso limitante de la velocidad de la reaccin.

Diagrama de energa de reaccin para las reacciones E1.

Reordenamiento en el mecanismo E1.Como en otras reacciones mediadas por un carbocatin intermedio, en la E1 se pueden producir reordenamientos. Compare la siguiente reaccin E1 (con reordenamiento) con la reaccin SN1 del mismo sustratoCuando la reaccin conlleva intermedios carbocatinicos, habr una posibilidad de reordenamientos, por lo que se obtendr la mezcla de productos

Las reacciones E2.La eliminacin tambin puede ser bimolecular en presencia de una base fuerte. A manera de ejemplo, considrese la reaccin del bromuro de terc-butilo con in metxido en metanolE2 muestra la misma preferencia de sustrato como E1, 3o > 2o > 1o . E2 necesita una base fuerte

Mecanismo E2.La velocidad de esta eliminacin es proporcional a las concentraciones tanto del haluro de alquilo como de la base, dando lugar a una ecuacin de velocidad de segundo orden. Esto es un proceso bimolecular; ya que participan el haluro de alquilo y la base en el estado de transicin, por lo que este mecanismo se expresa como E2, forma abreviada de eliminacin bimolecularLa reaccin tiene lugar en un nico paso, por lo que es una reaccin concertada.

Mezcla de productos en las reacciones E2Las reacciones E2 requieren la abstraccin de un protn de un tomo de carbono prximo al carbono que lleva el halgeno. Si hay dos o ms posibilidades, se obtienen mezclas de productos. Los ejemplos siguientes muestran cmo la abstraccin de protones diferentes puede dar lugar a productos diferentes.En general, el alqueno ms sustituido ser el producto principal de la reaccin

Mezcla de productos en las reacciones E2

Estado de transicin para las reacciones E2Estados de transicin concentrados de la reaccin E2. Los orbitales del tomo de hidrgeno y el haluro deben estar alineados para que puedan comenzar a formar un enlace pi en el estado de transicin.El hidrgeno que se va a abstraer debera ser anti-coplanar al grupo saliente para minimizar cualquier impedimento estrico entre la base y el grupo saliente. Una orientacin sin-coplanar entre el hidrgeno y el grupo saliente crear una interaccin repulsiva y aumentar la energa del estado de transicin.

Estado de transicin para las reacciones E2