unidad iv: reacciones de sustitución nucleofílica y ... · reacción ácido base, por lo que se...
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UNIDAD IV: REACCIONES DE
SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Y
ELIMINACIÓN
PRIMERA PARTE: MECANISMOS
Química Orgánica I
USAC
Primer Semestre 2017
Sección D
Familias de compuestos que sufren
reacciones de Sustitución Nucleofílica
Halogenuros de alquilo
Alcoholes
Éteres alifáticos
El enlace C-X y C-O-
• El enlace C-X y C-O- es un enlace polar.
• El carbono es un sitio deficiente en electrones y
reaccionará con reactivos nucleofílicos (bases de Lewis)
Reacción de sustitución: ecuación general
C-G + :Nu C-Nu + :G
Carbono sp3
deficiente en
electrones (ᵟ+). Es el
sitio reactivo de la
molécula Reactivo
nucleofílico
(base de
Lewis) neutro
o aniónico
Producto
de
sustitución
Grupo saliente:
es una base de
Lewis MAS
DÉBIL que :Nu
Además debemos considerar el disolvente
con el cual se trabaja y la temperatura de
reacción, es decir, las condiciones de
reacción
(En casos como los anteriores, cuando el nucleófilo presenta carga negativa,
se sobreentiende que hay un catión en el medio para balancear las
cargas,(p.ej. Na+, K+) pero puesto que la identidad del mismo no tiene
consecuencias, generalmente se omite en el momento de escribir las
ecuaciones.)
Los nucleófilos Nucleófilos y bases son estructuralmente similares: poseen pares de electrones
libres para compartir. Se diferencian en los átomos a los que atacan
preferentemente.
Las bases atacan protones. Los nucleófilos atacan otros átomos deficientes
en electrones, por lo general átomos de carbono.
Basicidad y nucleofilia
• Basicidad es una medida de la facilidad con la que un
átomo dona su par de electrones a un protón. Se puede
medir mediante Ka, una constante de equilibrio en una
reacción ácido base, por lo que se puede considerar una
propiedad termodinámica.
• Nucleofilia es una medida de la facilidad con la que un
átomo dona su par de electrones a otro átomo (distinto
del protón). Se caracteriza por su constante de velocidad,
k, por lo que se considera una propiedad cinética.
Fuente: McMurry, J. (2000) Organic Chemistry. 5th. Ed.
Thomson
Nucleofilia y basicidad
La nucleofilia va paralela con la basicidad en tres
situaciones:
• Dos nucleófilos diferentes pero que tienen el mismo
átomo nucleofílico: la base mas fuerte será mejor
nucleófilo:
Si comparamos HO- (pKa de H2O 15.7)y CH3COO- (pKa
de CH3COOH 4.8) vemos que el hidroxilo es una base
mas fuerte y será mejor nucleófilo.
• Un nucleófilo con carga negativa es un nucleófilo
más fuerte que su ácido conjugado
HO- es una base mas fuerte y mejor nucleófilo que H2O
Nucleofilia y basicidad
• Para elementos del mismo período (fila), la nucleofilia
aumenta paralela a la basicidad
Para elementos del segundo
período con la misma carga
Nucleofilia y basicidad: diferencias
• El impedimento estérico es un factor importante en
algunos casos.
• Bases voluminosas (impedidas estéricamente) son malos
nucleófilos, aunque la fuerza básica no se ve afectada.
Se consideran bases no nucleofílicas.
Nucleofilia y basicidad: diferencias
• El disolvente en el cual se lleva a cabo la reacción
afectará la nucleofilia del reactivo.
• Disolventes polares próticos como el agua y los
alcoholes, son aquellos capaces de formar puentes de
hidrógeno y de solvatar aniones (y cationes).
• Disolventes polares apróticos, como la acetona y el
dimetilsulfóxido (DMSO), no tienen protones disponibles
para formar puentes de hidrógeno y no solvatarán
aniones, pero sí pueden solvatar cationes.
Disolventes polares próticos. • Afectan la nucleofilia de la siguiente manera:
Para elementos de
una misma columna
Aumento de la nucleofilia en
DISOLVENTES POLARES
PRÓTICOS.
(orden inverso de basicidad)
En disolventes polares próticos, la nucleofilia aumenta al
aumentar el tamaño del ión (en elementos de la misma
columna de la tabla periódica)
Los disolventes polares próticos son
capaces de solvatar tanto aniones como
cationes.
Disolventes polares apróticos
• La nucleofilia se mantiene paralela a la basicidad para
elementos de la misma comuna:
• Al no solvatar a los aniones, éstos resultan más
disponibles como nucleófilos.
Los aniones quedan sin solvatar, pero los cationes
son solvatados por disolventes polares apróticos.
Disolventes polares próticos comunes:
Disolventes polares apróticos:
Cuando el nucleófilo inicial es neutro, generalmente el producto de
sustitución presenta una carga positiva:
Si el nucleófilo inicial es neutro y el producto presenta un –H unido a –N o
a –O, generalmente se da una transferencia de protones para dar como
resultado un producto neutro.
La basicidad del elemento disminuye de izquierda a derecha en una fila o período
de la tabla periódica, así, aumenta la estabilidad del grupo saliente
La basicidad del elemento disminuye hacia abajo en una columna de la tabla
periódica, así, aumenta la estabilidad del grupo saliente.
GRUPO SALIENTE
El grupo saliente
• Podemos definirlo como el átomo o grupo de átomos que
son desplazados por el nucleófilo.
• Este grupo desplazado, partirá con su par de electrones
ya que las reacciones que veremos se llevan a cabo
mediante rupturas de enlace heterolíticas.
• El grupo saliente debe ser capaz de estabilizar la
densidad electrónica resultante de esa ruptura
heterolítica.
• El grupo saliente será una especie estable.
Grupo saliente • Un mal grupo saliente puede transformarse en un buen
grupo saliente mediante una reacción previa. Esto es de
utilidad sobre todo en el caso de los alcoholes, ya que el
HO- es un mal grupo saliente:
Otra alternativa es trabajar en medio ácido, de esta manera el alcohol
se protona y el grupo saliente sería agua, pero no se puede emplear
nucleófilos cargados negativamente en esas condiciones.
• Los datos anteriores nos indican que se trata de una
reacción compleja, puesto que se han obtenido
productos tanto de sustitución (alcohol) como de
eliminación (alquenos)
• Los datos de actividad óptica indican que el alcohol en
realidad es una mezcla de enantiómeros, uno en
mucha mayor proporción que otro.
• La concentración del nucleófilo determina la velocidad
de reacción, por lo que debe estar involucrado en el
paso determinante de la reacción
Un análisis detallado de los productos de la reacción da
los siguientes resultados
Formación del producto mayoritario
S-2-
octanol
La única explicación para el hecho de obtener un producto con inversión de
la configuración implica que el nucleófilo debe aproximarse al sitio reactivo
del lado opuesto a donde se encuentra el grupo saliente.
La reacción es estereoespecífica.
La cinética de la reacción debe tener esta expresiön:
Velocidad = k[ C8H17Br ][ OH- ] mol·L-1·s-1
Puesto que la concentración del nucleófilo afecta la velocidad de reacción
Estereoquímica de la reacción SN2
Sustitución Nucleofílica Bimolecular
En el estado de transición de SN2 el
carbono que sufre el ataque está
momentáneamente pentacoordinado, en
hibridación sp2
Efecto estérico en SN2
Reactividad del sustrato en SN2
Perfil de energía de una SN2
Efecto del disolvente en SN2
S
O
CH3H3C
DMSODimethyl Sulfoxide
P
O
(H3C)2NN(CH3)2
N(CH3)2
HMPAHexamethylphosphoramide
C
O
HN
H3C
CH3
DMFDimethylformamide
C
O
CH3H3C
Acetone
Características del sustrato: grupo
saliente. • Los grupos salientes deben cumplir las siguientes
características:
Electronegativos, porque así polarizan el enlace con el
carbono.
Polarizables, porque así estabilizan el estado de
transición.
Bases débiles (estables) una vez que se liberan.
Características de una reacción SN2 Característica Resultado
Estereoquímica Ocurre con inversión de la
configuración
Cinética De segundo orden, la
velocidad se ve afectada
por la concentración de
reactivo y de sustrato
Sustrato Sin impedimento estérico.
Los factores electrónicos no
son importantes
Grupo saliente Debe ser un buen grupo
saliente (base débil)
Disolvente Polar aprótico favorece la
reacción
¿Por qué se forman los otros productos
en nuestro experimento? • Debe haber otros mecanismos de reacción que justifican
la aparición de otros productos.
• Estos mecanismos compiten entre sí por el sustrato, que
en este caso es un halogenuro de alquilo secundario.
La reacción SN1
• En esta reacción, se forma
un intermediario reactivo
(un carbocatión)
• Sigue una cinética de
primer orden v=k[sustrato]
• Ocurre con racemización
del centro reactivo.
Racemización en la SN1
El sustrato
• Los efectos electrónicos son importantes, porque se trata
de estabilizar al intermediario reactivo (un carbocatión).
• Por lo tanto, la reactividad del sustrato será la inversa de
la que corresponde a una SN2:
Estabilidad de los carbocationes
Grupos alílicos y bencílicos
• Son igualmente reactivos frente a reacciones SN2 y SN1.
Se muestra la energía necesaria para romper el enlace
C-halógeno.
El disolvente: polar prótico
• Al solvatar el carbocatión, lo estabilizan.
El nucleófilo
• Los nucleófilos neutros (sin carga neta) favorecen la
reacción SN1.
• Nucleófilos como agua, alcoholes, aminas o amoniaco
además tendrán la función de disolventes polares
próticos y la reacción será una solvólisis.
• Los efectos del nucleófilo son mas evidentes en sustratos
secundarios, ya que éstos pueden reaccionar por
cualquiera de los dos mecanismos, y las condiciones de
reacción favorecerán uno u otro.
Grupo saliente
• Debe cumplir las mismas características que para la SN1
SN1 SN2
• Buenos grupos salientes (bases débiles) favorecen la reacción.
• El efecto electrónico es determinantes en la velocidad de reacción: sustratos más sustituidos reaccionarán más rápido porque el carbocatión formado es más estable.
• El carbocatión puede sufrir reordenamientos si con eso incrementa su estabilidad.
• Buenos grupos salientes (bases débiles) favorecen la reacción.
• El efecto estérico es determinante en la velocidad de reacción: sustratos poco sustituidos reaccionarán más rápido, porque no impiden el ataque del nucleófilo.
SN1 SN2
• El nucleófilo debe ser una base de Lewis.
• Los nucleófilos neutros son efectivos.
• La concentración del nucleófilo no afecta la velocidad de reacción, porque se sigue una cinética de primer orden:
• V=k[sustrato]
• El nucleófilo debe ser una base de Lewis.
• Los nucleófilos neutros son menos efectivos que los cargados.
• La concentración del nucleófilo sí afecta la velocidad de reacción, porque se sigue una cinética de segundo orden: v=k[sustrato][:Nu]
SN1 SN2 • Los disolventes polares
próticos favorecen la
reacción, pudiendo
funcionar también como
nucleófilos en
reacciones de solvólisis.
• El disolvente polar
prótico estabilizará al
estado intermediario y al
carbocatión.
• Los disolventes polares apróticos favorecen la reacción.
• Al no formarse cargas netas, no hay necesidad de estabilizar cationes.
• Un disolvente prótico puede “enmascarar” al nucleófilo y disminuir la velocidad de la reacción
SN1 SN2
• La reacción sigue un
mecanismo de dos
pasos
• Puesto que el
intermediario reactivo es
plano, se produce con
racemización del
producto.
• La reacción sigue un
mecanismo de un paso.
• Como el ataque del
nucleófilo se da del lado
opuesto a donde se
encuentra el grupo
saliente, se produce con
inversión de la
configuración en el
producto.
Sustrato SN1 SN2
metil Nunca se da en
disolución.
Muy rápida con buenos
nucleófilos y buenos
grupos salientes.
primario Nunca se da en
disolución.
Igual al anterior. Difícil
cuando el carbono
contiguo está
ramificado.
secundario
Lenta. Se acelera con un
buen grupo saliente y en
disolventes próticos.
Lenta. Se acelera con
una concentración alta
de un buen nucleófilo y
en disolventes
apróticos.
terciario
Muy rápida, sobre todo
en disolventes polares
próticos y con buenos
grupos salientes.
Extremadamente lenta.
Reacciones de eliminación.
• Darán como producto un compuesto con un doble enlace
carbono-carbono.
• Eliminarán una molécula pequeña, neutra (sin carga),
como HX, H2O, ROH.
• Compiten con las sustituciones.
• Se ven favorecidas por temperaturas elevadas.
Los carbocationes pueden
a. Reaccionar con el Grupo Saliente y regenerar el
sustrato.
b. Reaccionar con el Nucleófilo y formar el producto de
sustitución.
c. Reordenarse para dar un carbocatión más estable y
luego, seguir reaccionando como en a o b.
d. Perder un protón y formar un producto de eliminación
E1 (eliminación unimolecular):
En la E1 se pierde tanto el Grupo Saliente como un protón.
El nucleófilo actúa también como una base.
Se forman tanto los productos de sustitución como los de
eliminación.
Mecanismo de la E1
• Primer paso: formación del carbocatión.
• Segundo paso: la base abstrae un protón del carbocatión
y se forma un doble enlace.
¿Qué tipo de alqueno se forma?
• Se forma el alqueno más estable (más sustituido) como
producto mayoritario (Regla de Zaitzev).
Eliminación bimolecular E2
• Es un ejemplo de una reacción concertada.
• Requiere de una base fuerte y con impedimento estérico,
para disminuir la nucleofilicidad.
• La reactividad de los sustratos es 3°>2°>1°
• El producto mayoritario sigue la regla de Zaitzev.
Consideraciones de estereoquímica
• El grupo saliente y el protón deben formar un ángulo de
180° entre sí, para que la reacción pueda darse.
• Este arreglo anti-coplanar disminuye cualquier
impedimento estérico entre el grupo saliente y la base y
• Alinea los orbitales del hidrógeno y el grupo saliente para
que se pueda formar el doble enlace.
Referencias
• Ver los libros de texto recomendados en el programa.