bolilla 5 - halogenuros de alquilo

Bolilla N° 5Halogenuros de alquilo

Química orgánica I2014

BOLILLA 5: HALOGENUROS DE ALQUILO

Halogenuros de alquilo. Estructura. Clasificación. Nomenclatura. Propiedades físicas. Radical alilo. Síntesis: halogenación por radicales libres a partir de alcoholes.Sustitución nucleofílica: introducción y perspectiva. Sustitución nucleofílica bimolecular (SN2). Cinética y estereoquímica de la sustitución. Características de la reacción SN2: Sustrato, grupo saliente, nucleófilo, solvente, efectos estéricos.Sustitución nucleofílica unimolecular (SN1): cinética y estereoquímica. Características de la reacción SN1: sustrato, grupo saliente, nucleófilo, solvente.Eliminación unimolecular (E1) y bimolecular (E2).Compuestos organometálicos. Nomenclatura. Estructura. Preparación. Reacciones.

Los halogenuros de alquilo son compuestos que tienen un grupo funcional halógeno.-

ESTRUCTURA:

El enlace carbono-halógeno resulta de la superposición de un orbital de carbono con hibridación sp3 y un orbital del halógeno, por ello la geometría de estos compuestos es aproximadamente tetraédrica, con ángulos de enlace H-C-X cercanos a 109°.

Los halógenos son más electronegativos que el carbono; por lo tanto, el enlace C-X es polar, con el átomo de carbono compartiendo una carga parcialmente positiva y el halógeno una carga parcialmente negativa. La mayor parte de las reacciones de estos compuestos son una consecuencia de la

ruptura de este enlace. Dado que el átomo de carbono posee una carga parcial positiva, estos compuestos son buenos electrófilos y gran parte de la química de los halogenuros de alquilo está determinada por esta característica electrofílica.

CLASIFICACION:

1. Según el tipo de cadena carbonada que este unido el halógeno:

a) Halogenuros de alquilo: el átomo de halógeno está unido a un grupo alquilo, ósea un grupo –R. El halógeno está enlazado a un átomo de carbono saturado con hibridación sp3.-

b) Halogenuros de arilo: tienen un átomo de halógeno enlazado a un átomo de carbono son hibridación sp2 de un anillo aromático.-

c) Halogenuros de vinilo o alquenilo: El halógeno está unido a un átomo de carbono con hibridación sp2 de un alquenilo.-

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2. Según la naturaleza del átomo de carbono enlazado:

a) Halogenuros primarios: El átomo de halógeno está unido a un átomo de carbono primario (primario quiere decir que el átomo de carbono está unido a un solo átomo de carbono).-

b) Halogenuros secundarios: El átomo de halógeno está unido a un átomo de carbono secundario (secundario quiere decir que el átomo de carbono está unido a dos átomos de carbonos más).-

c) Halogenuros terciarios: el átomo de halógeno está unido a un átomo de carbono terciario (un carbono q está unido a tres átomo de carbono).-

PROPIEDADES FISICAS:

1. Puntos de ebullición: las fuerzas de atracción de van der Waals entre moléculas neutras son de tres tipos.

a) Fuerzas dipolo inducido-dipolo inducido (fuerzas de dispersión; fuerzas de London). b) Fuerzas dipolo-dipolo inducido.c) Fuerzas dipolo-dipolo (puntes de Hidrógeno)

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Las fuerzas dipolo inducido-dipolo inducido son las únicas fuerzas de atracción intermoleculares disponibles entre moléculas no polares como los alcanos, y son importantes también en las moléculas polares. Además, las moléculas polares también participan en atracciones dipolo-dipolo y dipolo-dipolo inducido. Las fuerzas de atracción dipolo-dipolo son más fáciles de visualizar y se ilustran en la figura 4.3. Dos moléculas de una sustancia polar experimentan una atracción mutua entre la región polarizada en forma positiva de una molécula y la región polarizada en forma negativa de la otra. Como su nombre lo indica,

las fuerzas dipolo-dipolo inducido combinan características tanto de las fuerzas de atracción dipolo inducido-dipolo inducido como de las atracciones dipolo-dipolo. Una región polar de una molécula altera la distribución electrónica en una región no polar de otra en una dirección que produce una fuerza atractiva entre ellas.

En los halogenuros de alquilo las fuerzas de atracción de London (fuerza dipolo inducido-dipolo inducido) es la principal fuerza que actúa sobre ellos, y la fuerza dipolo-dipolo es una fuerza adicional. Las atracciones dipolo inducido-dipolo inducido son favorecidas cuando la nube electrónica alrededor de un átomo se distorsiona con facilidad. Esta propiedad de un átomo es su polarizabilidad y es más pronunciada cuando los electrones están más lejos del núcleo (yodo) que cuando están más cerca (flúor). Por tanto, las atracciones dipolo inducido-dipolo inducido son más fuertes en el orden:

yoduros de alquilo > bromuro de alquilo > cloruro de alquilo > fluoruros de alquilo.

Cómo la fuerza de London es una atracción “superficial”, las moléculas con mayor área superficial (menor ramificación en la cadena) presentan mayor atracción de London, lo cual origina mayores puntos de ebullición.

Las moléculas con mayores pesos moleculares tienen por lo general mayor punto de ebullición por que tienen más área superficial y son más pesadas. Las áreas superficiales de los halogenuros varian tambien con las áreas superficiales de los halógenos.

Entonces como resumen, dentro del mismo alcano tendra mayor punto de ebullicion el halogenuro deacuerdo al siguiente orden creciente F < Cl < Br < I.

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Los puntos de ebullición de los derivados clorados del metano aumentan con el número de átomos de cloro debido a que las fuerzas de atracción dipolo inducido-dipolo inducido aumentan con cada reemplazo de hidrógeno por cloro.

El flúor es único entre los halógenos en que el número creciente de átomos de flúor no conduce a puntos de ebullición cada vez más altos. La razón de este comportamiento está relacionada con la polarizabilidad muy baja del flúor y la disminución en las fuerzas dipolo inducido-dipolo inducido que acompañan a la incorporación de los sustituyentes flúor en una molécula.-

2. Solubilidad en agua: Todos los halogenuros de alquilo son insolubles en agua debido a que no pueden formar puentes de hidrógeno con las moléculas de ella.-

3. Densidad: Como sus puntos de ebullición, las densidades siguen unja tendencia predecible. Los fluoruros y cloruros (lo que solo tienen un átomo de cloro) son menos densos que el agua (δ=1,00 g/mL), todos los bromuros y yoduros son más densos que el agua. Debido a que los halogenuros de alquilo son insolubles en agua, una mezcla de un halogenuro de alquilo y agua se separa en dos capas. Cuando el halogenuro de alquilo es un fluoruro o un cloruro, se encuentra en la capa superior y el agua en la inferior. La situación se invierte cuando el halogenuro de alquilo es un bromuro o un yoduro. En estos casos el halogenuro de alquilo se encuentra en la capa inferior.

La polihalogenación aumenta la densidad. Los compuestos CH2Cl2, CHCl3 y CCl4, por ejemplo, son todos más densos que el agua.

RADICAL ALILO:

El grupo H2C=CHCH2— es conocido como alilo, que es tanto un nombre común como un nombre aceptado por la IUPAC. Los compuestos que contienen este grupo se conocen mucho mejor por sus nombres de la IUPAC.

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El grupo alilo puede ser un sustituyente en un carbono con carga positiva, es un carbocatión alílico, o en un carbono con carga negativa, es un carbanión alílico, o en un carbono que lleva un electrón no apareado, es un radical libre alílico, o puede ser un sustituyente en un segundo enlace doble, es un dieno conjugado (conjugar es un verbo latino que significa “unir o poner yugo”, y los carbocationes alílicos, los radicales libres alílicos y los dienos conjugados son todos ejemplos de sistemas conjugados).

El término alílico se refiere a una unidad C=C—C. El carbono con enlace sencillo se llama carbono alílico; un sustituyente alílico está unido a un carbono alílico. A la inversa, los carbonos con enlace doble se llaman carbonos vinílicos, y los sustituyentes unidos a uno de ellos se conocen como sustituyentes vinílicos.

Tanto en el carbocatión alílico como el radical alílico las cargas positiva y negativa respectivamente se deslocaliza por resonancia, siendo estas estructuras especialmente estables:

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SINTESIS:

1. Por halogenación por radicales libres: Este no es un buen método para sintetizar la mayor parte de los halogenuros de alquilo por lo que se producen mezclas complejas de productos halogenados debido a que hay diferentes tipos de átomos de hidrógeno que se pueden sustraer. La halogenación rara vez da buena selectividad o rendimiento. Por lo general se necesita de calor o de luz para iniciar la halogenación.

Los radicales son especies con electrones no apareados, y son extremadamente reactivos debido a que carecen de un octeto. Por lo tanto son deficientes en electrones y electrófilos fuertes.

Si bien la mayoría de los radicales son eléctricamente neutros, son muy reactivos debido a que contienen un número impar de electrones (usualmente siete) en su capa más externa. El radical puede adquirir la configuración electrónica de gas noble (esto es un octeto) de varios modos:

Reacción de sustitución por radicales: Cuando un radical sustrae un átomo de otra molécula, dejando un nuevo radical, el resultado es una reacción de sustitución por radicales.-

Reacción de adición por radicales: También llamada reacción de adición electrofílica. Cuando un radical se une a un alqueno, tomando un electrón del doble enlace de este y produciendo un nuevo radical, el resultado es una reacción de adición por radicales.-

Ambos tipos de reacción por radicales normalmente incluyen tres clases te etapas o pasos: un paso de iniciación, un paso de propagación y paso de terminación:

Paso de iniciación: Aquí se genera un intermediario reactivo (una especia con vida corta que nunca está presente en altas concentraciones debido a que se consume tan pronto como reacciona. La formación del radical se lleva a cabo por medio de una ruptura homolítica una molécula.-

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Los pasos de propagación: Aquí los reactivos intermediarios reaccionan con una molécula estable para formar otro reactivo intermediario, permitiendo que continúe la cadena. La propagación se lleva a cabo en dos etapas:

Primer paso de propagación: El radical intermediario (Rad 1), formado en el paso de iniciación, reacciona con la molécula estable ya sea sustrayéndole un átomo (caso de alcano) o adicionándose al enlace múltiple, y forma un nuevo radical (Rad 2).-

Segundo paso de propagación: el nuevo radical (Rad 2) reacciona con la molécula neutra que dio origen al Rad 2.-

Los pasos de terminación: Son reacciones laterales que destruyen los reactivos intermediarios y tienden a frenar o detener la reacción. Si sucede algo que consuma los radicales libres intermediarios sin generar nuevos, la reacción en cadena se detendrá. Los pasos de terminación se hacen importantes al finar de la reacción, cuando hay disponibles relativamente pocas moléculas de reactivo. En este punto es menos probable que los radicales libres encuentre una molécula de reactivo, a que se encuentren entre sí (o con la pared del recipiente). La reacción en cadena se detiene muy rápido. Los pasos de terminación pueden ser:

Combinación de dos radicales libres cualquiera es un paso de terminación por que disminuye su número: (•) es el electrón desapareado, (―) es el enlace:

Rad1 •+• Rad2→Rad1−Rad 2



Reacción de radicales libres con las paredes del recipiente u otros contaminantes:

Rad1 •+Choca con pared→Rad 1−[ PARED ]

Rad2 •+Choca con pared→Rad2−[ PARED ]

a) Halogenación por radicales libres a partir de alcanos : Esta es una reacción de sustitución por radicales. En condiciones adecuadas, los alcanos reaccionan con los halógenos (F2, Cl2, Br2, I2) para formar halogenuros de alquilo. Pero esta síntesis es útil solo en ciertos casos. . La reacción de alcanos con cloro o bromo tiene lugar a una velocidad moderada y se controla con facilidad. Sin embargo, la reacción con flúor es demasiado rápida como para controlarla, mientras que el yodo reacciona muy lentamente o no reacciona.

La halogenación por radicales libres por lo regular se limitan a compuestos especializados que generan un solo producto principal, como los siguientes ejemplos.

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Todos los átomos de hidrógeno en el ciclohexano son equivalentes, y la cloración por radicales libres da un buen rendimiento de clorociclohexano. Es posible que se formen dicloruros y tricloruros, pero estas reacciones colaterales se controlan utilizando sólo una pequeña cantidad de cloro y ciclohexano en exceso. La bromación por radicales libres es muy selectiva, y genera buenos rendimientos de productos que tienen un tipo de átomos de hidrógeno más reactivos que otros. El isobutano sólo tiene un átomo de hidrógeno terciario, y este átomo es preferentemente abstraído para dar un radical libre terciario.-

CLORACION DEL METANO

En el caso del metano, los cuatro átomos de hidrógeno son idénticos, y no importa qué hidrógeno se reemplaza. En los alcanos superiores, el reemplazo de distintos átomos de hidrógeno puede generar productos diferentes.

Reacción total:

Mecanismo de reacción:

1. Paso de iniciación: La irradiación con luz ultravioleta inicia la reacción al romper el enlace (ruptura homolítica) relativamente débil Cl―Cl de un número pequeño de moléculas de Cl2 para dar unos cuantos radicales de cloro reactivos.

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2. Paso de propagación:

Primer paso de propagación: Un radical cloro choca con una molécula de metano quitándole un átomo de hidrógeno, uno de los electrones del enlace C―H permanece en el carbono, mientras que el otro se combina con el electrón impar del átomo de cloro para formar el enlace H—Cl. Este paso solo forma uno de los productos finales HCl. Un paso posterior debe forma al cloro metano. Este es el paso limitante de la velocidad.

Segundo paso de propagación: el radical metilo reacciona con una molécula de cloro para formar clorometano. El electrón impar del radical metilo se combina con uno de los dos electrones del enlace Cl—Cl para dar el enlace Cl—CH3, y se vuelve a producir el radical cloro, el cual puede reaccionar con otra molécula de metano para dar HCl y un radical metilo, que luego reaccionará con Cl2 y así sucesivamente.

3. Paso de terminación: La combinación de dos radicales libres cualesquiera disminuye su número y por ende es un paso de terminación, por otro lado los radicales pueden chocar con las paredes del recipiente o con contaminantes.

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La cloración de metano no se no se detienen en la monocloración, si no que continúa para formar una mezcla de productos diclorados, triclorados e incluso tetraclorados. Pero la situación es peor para alcanos superiores:

CLORACION DE ALCANOS SUPERIORES: EJEMPLO CLORACION DEL PROPANO

En el caso del metano, los cuatro átomos de hidrógeno son idénticos, y no importa qué hidrógeno se reemplaza. En los alcanos superiores, el reemplazo de distintos átomos de hidrógeno puede generar productos diferentes. En la cloración del propano, es posible generar dos productos monoclorados (con sólo un átomo de cloro). Uno tiene el átomo de cloro en un átomo de carbono primario, y el otro lo tiene en uno secundario.-

Reacción total:

La proporción de los productos muestra que el reemplazo de los átomos de hidrógeno por el del cloro, no es aleatoria. El propano tiene seis hidrógenos primarios (hidrógenos unidos a carbonos primarios) y sólo dos hidrógenos secundarios (unidos al carbono secundario), aunque el producto principal resulta de la sustitución de un hidrógeno secundario. Al reemplazar a cualquiera de los dos hidrógenos secundarios, se forma el 60% del producto, y al reemplazar a cualquiera de los seis hidrógenos primarios, se forma el 40% del producto.-

Cuando un átomo de cloro reacciona con propano, la abstracción de un átomo de hidrógeno puede generar un radical primario o uno secundario. La estructura del radical formado en este paso determina la estructura del producto observado, ya sea 1 -cloropropano o 2-cloropropano. La proporción del producto muestra que la preferencia es la formación del radical secundario. Esta preferencia por reaccionar en la posición secundaria se debe a que el radical libre secundario es más estable y a que el estado de transición permite llegar hasta él.-

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Los radicales libres son más estables entre más sustituidos estén. Los siguientes radicales libres aparecen en orden creciente de estabilidad. Esto explica porque se forma en mayor proporción el 2-cloropropano que el 1-cloropropano.-


1. Paso de iniciación: Ruptura de la molécula de cloro.


Primer paso de propagación: Se remueve un hidrogeno ya sea primario o secundario de la molécula de propano.-

Segundo paso de propagación: El radical primario o el radical secundario reacciona con una molécula de cloro para formar ya sea un halogenuro primario o un halogenuro secundario respectivamente.-

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BROMACION DE ALCANOS: EJEMPLO BROMACION DEL PROPANO

Esta reacción se debe calentara 125 °C y se debe irradiar con luz para lograr una rapidez moderada. Al contrario de la cloración de alcanos, la bromación de alcanos es por lo general mucho más selectiva. Para explicar esta selectividad mejorada, debemos considerar los estados de transición (siempre es el punto de máxima energía en el perfil) y las energías de activación del paso limitante de la rapidez (el primer paso de propagación), así como el postulado de Hammond.-

Postulado de Hammond: En una reacción endotérmica, el estado de transición se acerca más a los productos, tanto en energía como en estructura. En una reacción exotérmica, el estado de transición se acerca más a los reactivos, tanto en energía como en estructura. El postulado de Hammond dice entonces que las especies similares que tienen una energía similar también son similares en su estructura.-

Veamos los perfiles de energía para la bromación como para la cloración:

El perfil de energía de la bromación muestra una diferencia mucho mayor en las energías de activación para los hidrógenos primarios y secundarios, en comparación con el perfil de la cloración. Por lo tanto en la bromación es más conveniente que se forme en

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mayor proporción el producto secundario (2-bromopropano) ya que posee mucha menor energía que el producto primario (1-bromopropano). En el caso de la cloración la diferencia de energía entre ambos productos (primario y secundario) es mucho menor, por ende es muy factible que se forme en proporciones muy cercanas ambos productos clorados.-

En el siguiente diagrama se comparan los estados de transición de la bromación y cloración:

En el estado de transición parecido a los productos de la bromación, el enlace C—H está casi roto y el átomo de carbono ya es prácticamente un radical. La energía de este estado de transición refleja casi toda la diferencia de energía entre los radicales como productos. En la cloración, el estado de transición es parecido a los reactivos, el enlace C—H apenas comienza a romperse, y el átomo de carbono se parece muy poco a un radical. Este estado de transición refleja sólo una pequeña parte (aproximadamente un tercio) de la diferencia entre las energías de tos radicales como productos. Por lo tanto, la cloración es menos selectiva.-

Cuando se comparan con las sustracciones de un hidrógeno de alcano por los radicales Cl· y Br·, la reacción con Br· es menos exotérmico (es más endotérmica). Como resultado de esto, el estado de transición para la bromación se parece más al radical alquilo que al estado de transición para la cloración y, por lo tanto, la estabilidad del radical es más importante para la bromación que para la cloración.-

b) Halogenación por radicales libres a partir de alquenos y alquinos: Sigue el mecanismo de reacción de adición electrofílica por radicales libres. Este tipo de reacción se da en alquenos y alquinos. Hay dos tipos de reacciones de adición: Adición Markovnikov (que no sigue el mecanismo de reacción por radicales y no necesita de la ayuda de un catalizador), y la adición anti-Markovnikov (que sigue el mecanismo de reacción por radicales libres y necesita la ayuda de un catalizador). En ambas reacciones solo se observa un solo producto halogenado, distinto de las reacciones anteriores de sustitución por radicales libres en las que se observaban mezclas de productos. Se puede adicionar al enlace múltiple halogenuro de

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hidrógeno y halógenos (Cl2, Br2, I2) pero esta última es una adición que se lleva a cabo por el mecanismo polar (o sea no es una adición radicalaria) -

Debido a que el programa solo pide halogenación por radicales libres, se explicará ambos tipos de mecanismo, tanto la adición Markovnikov como la adición anti-Markovnikov, pero solo se estudiara la adición anti-Markovnikov.-

Adición Markovnikov de alquenos: Este tipo de reacción también se le llama adición iónica. Los halogenuros de hidrógeno como HBr, HCl, HI pueden reaccionar con el doble enlace de

un alqueno. Debido a que los electrones del enlace pi de un alqueno están colocados más lejos de los núcleos de carbono y unidos con menor fuerza, un electrófilo fuerte tienen afinidad hacia estos electrones unidos con menor intensidad, y puede jalarlos para formar un nuevo enlace. La reacción con un electrófilo

deja uno de los átomos de carbono del doble enlace con solo tres enlaces y una carga positiva ya que se trata de un carbocatión.

Reacción total general:

Mecanismo de reacción general: El mecanismo se lleva a cabo en dos pasos.

1. Primer paso: Ataque del enlace pi al electrófilo H+ (protonación del doble enlace y generación de un carbocatión). Este es el paso determinante de la velocidad.

2. Segundo paso: Ataque del nucleófilo X- al carbocatión, generando el producto de adición.

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Ejemplo: Adición electrofílica de HBr al 2-metil-2-buteno (alqueno asimétrico)

Esta reacción podría dar dos productos de acuerdo a lo esperado, el 2-bromo-2-metilbutano (que es el único producto que se observa en este tipo de adiciones) y el 2-bromo-3-metilbutano (pero este producto no se observa).

Reacción total:


1. Primer paso: El primer paso es la protonación del enlace doble. Si el protón se adiciona al carbono secundario, el producto es diferente al que se forma si el protón se adiciona al carbono terciario.

Cuando el protón se adiciona al carbono secundario, el resultado es un carbocatión terciario. Si el protón se adiciona al átomo de carbono terciario, el resultado es un carbocatión secundario. El carbocatión terciario es más estable, por lo que se favorece la primera reacción.

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2. Segundo paso: La segunda mitad del mecanismo genera el producto final de la adición del HBr al 2-metil-2-buteno. Observe que la protonación de un átomo de carbono de un enlace doble genera un carbocatión en el átomo de carbono que no fue protonado. Por lo tanto, el protón se adiciona al extremo del enlace doble que esté menos sustituido, para generar el carbocatión más sustituido (el más estable).

Las reacciones en las que el protón se adiciona al átomo de carbono menos sustituido del doble enlace para producir el carbocatión más sustituido. Se dice que la adición haluros de hidrógeno) es una reacción regioespecífica o regioselectiva porque, en cada caso, una de las dos orientaciones de adición posibles resulta preferentemente sobre la otra.

Una reacción en la que se pueden obtener como productos dos o más isómeros estructurales, en donde predomina uno de ellos, se denomina reacción regioselectiva o regioespecífica.

Regla de Markovnikov: En 1869, un químico ruso, Vladimir Markovnikov estableció la adición de un protón ácido al enlace doble de un alqueno da como resultado un producto con el protón ácido enlazado al átomo de carbono que ya tiene el mayor número de átomos de hidrógeno.

Regla de Markovnikov ampliada: En una adición electrofílica a un alqueno, el electrófilo se adiciona de tal forma que se genere el intermediario más estable.

Se dice que las reacciones que siguen esta regla siguen la orientación Markovnikov y generan el producto Markovnikov.-

Cuando en ambos lados del doble enlace tienen el mismo lado de sustitución (alqueno simétrico) se observa una mezcla de productos:

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Adición anti-Markovnikov de alquenos: Este tipo de reacciones sigue el mecanismo de reacción por radicales libres. Se forman productos anti-Markovnikov por adición de HBr (pero no de HCl ni HI), en presencia de peróxidos (tienen enlaces —O—O—) que producen radicales libres que actúan como catalizadores para acelerar la adición. El enlace oxígeno-oxígeno de los peróxidos es bastante débil, ya que se puede romper para dar dos radicales alcoxi (R—O•).

Reacción general total:

Mecanismo de reacción general:

1. Paso de iniciación: Se produce la ruptura homolítica de un peróxido inducida térmicamente, produciendo dos radicales alcoxi, los cuales luego sustraen un radical hidrógeno del HBr, produciendo un radical bromo que luego se une por adición

a)

b)


a) Primer paso de propagación: El radical bromo se uno al doble enlace del alqueno formando un nuevo radical libre con el electrón impar en el átomo de carbono.

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b) Segundo paso de propagación: El nuevo radical libre reacciona con HBr para generar otro radical bromo y así continuar la cadena.

3. Pasos de terminación:

Ejemplo: Adición electrofílica por radicales libres de HBr al 2-metil-2-buteno (alqueno asimétrico)

Esta reacción debe dar un producto anti-Markovnikov. Cuando el alqueno es asimétrico, el radical bromo se agrega al extremo secundario del doble enlace, resultando un radical terciario (más estable). En cambio la adición del radical bromo al extremo terciario genera un radical secundario (menos estable).

Reacción total:

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1. Paso de iniciación:

a)

b)

2. Pasos de propagación:

a)

b)

Notar que ambos mecanismo para adición de HBr a un alqueno (con y sin peróxido, o sea la adición Markovnikov y anti-Markovnikov respectivamente) siguen el enunciado generalizado de la regla de Markovnikov: en ambos casos el electrófilo se agrega al extremo menos sustituido del doble enlace para dar el carbocatión o radical libre más estable. En la reacción iónica (adición Markovnikov) el electrófilo es H+, en la reacción catalizada con peróxido el electrófilo es el radical bromo.

Muchos estudiantes se preguntan por qué la reacción con orientación de Markovnikov no ocurre en presencia de peróxidos, junto con la reacción en cadena por radicales libres. En realidad sí ocurre, pero la reacción catalizada por el peróxido es más rápida. Si sólo una

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cantidad mínima de peróxido está presente, el resultado es una mezcla de productos de Markovnikov y anti-Markovnikov. Con una cantidad mayor de peróxido, como la reacción en cadena por radicales es mucho más rápida que la reacción iónica no catalizada, sólo se observa el producto anti-Markovnikov.

La inversión de la orientación en presencia de peróxidos se conoce como efecto peróxido.

Éste ocurre sólo con la adición de HBr a alquenos. El efecto peróxido no se ve con HCl ni HI porque la reacción de un radical alquilo con HCl o HI es muy endotérmica. Sólo el HBr tiene la reactividad adecuada para que ocurra cada paso de la reacción en cadena por radicales libres.

Adición Markovnikov de alquinos: Los haluros de hidrógeno se adicionan a través del enlace triple de un alquino, de manera muy similar ha como lo hacen a través del enlace doble de los alquenos. El producto inicial es un haluro de vinilo. Cuando un haluro de hidrógeno se adiciona a un alquino terminal como el 1-pentino, el producto tiene la orientación predicha por la regla de Markovnikov (no sigue el mecanismo de adición por radicales libres, sino más bien es una reacción iónica). Una segunda molécula de HX puede adicionarse, por lo general con la misma orientación que la primera. Sin embargo, en el caso de un alquino interno como el 2-pentino, los átomos de carbono acetilénicos están igualmente sustituidos y el resultado es una mezcla de productos. La adición de un halogenuro de hidrógeno a un alquino interno genera dos productos, porque la adición inicial del protón se presenta con igual facilidad en cualquiera de los carbonos sp.

Cuando se añade un reactivo al triple enlace de un alquino, se considera la posibilidad de una doble adición. Algunas condiciones pueden permitir que la reacción se acabe después de una adición simple. Mientras que otras condiciones darán lugar a una adición doble.

Cuando se adicionan dos moles de un haluro de hidrógeno a un alquino, el segundo mol generalmente se adiciona con la misma orientación que el primero (orientación Markovnikov). Esta orientación da lugar a dihaluro geminal (dos haluros en el mismo átomo de carbono).

Cuando los dos átomos de carbono del alquino están igualmente sustituidos el resultado es una mezcla de productos.

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Ecuación general total:


1. Protonación del triple enlace

2. Ataque nucleofílico del anión halogenuro al carbocatión vinílico

3. El halogenuro de alquenilo formado reaccionaría adicionando el segundo HX por un mecanismo similar al anterior. Primero se protona el doble enlace.

4. Ataque nucleofílico del anión halogenuro al carbocatión alquilo

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Ejemplo: Adición doble de HBr a 1-pentino con orientación Markovnikov

Ecuación total:


1. Protonación del triple enlace

2. Ataque nucleofílico del anión bromuro al carbocatión vinílico

3. El halogenuro de alquenilo formado reaccionaría adicionando el segundo mol de HBr por un mecanismo similar al anterior. Primero se protona el doble enlace.

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4. Ataque nucleofílico del anión bromuro al carbocatión alquilo

Adición anti-Markovnikov de alquinos: Este tipo de reacciones sigue el mecanismo de reacción por radicales libres. No hay información en bibliografía ni en material de internet sobre que a partir de alquinos se pueden obtener halogenuros del alquilo, solo hablan de obtención de halogenuros de alquenilo.-

2. A partir de alcoholes: El mejor método para producir halogenuros de alquilo es la síntesis a partir de alcoholes. Un método común es tratar el alcohol con un hidrácido, por lo general HI, HCl o HBr. En disolución ácida, un alcohol está en equilibrio con su forma protonada. La protonación convierte al grupo hidroxilo, de un mal grupo saliente (-OH) en un buen grupo saliente (H2O). Es necesaria la presencia de un ácido adicional distinto del halogenuro de hidrógeno a pesar de que estos halogenuros de hidrógeno son ácidos fuertes. Una vez que el alcohol se protona, todas las reacciones usuales de sustitución y eliminación son factibles, de acuerdo con la estructura del alcohol (1°, 2°, 3°).-

El orden de reactividad de los halogenuros de alquilo es paralela a su acidez: HI>> HBr>> HCl>> HF. Sin embargo, el yoduro de hidrógeno se usa con poca frecuencia, y la reacción de los alcoholes con el fluoruro de hidrógeno no es un método útil para la preparación de fluoruros de alquilo.-

Un alcohol no puede experimentar una reacción de sustitución nucleofílica porque tiene un grupo saliente fuertemente básico (HO−) que no se puede desplazar por un nucleófilo.-

Sin embargo, un alcohol puede experimentar una reacción de sustitución nucleofílica si su grupo OH se convierte en un grupo que es una base más débil (es decir, un mejor grupo

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saliente). Una forma de convertir un grupo OH en una base más débil es protonarlo. La protonación cambia al grupo saliente de HO− a H2O, que es una base suficientemente débil como para ser desplazado mediante un nucleófilo. La reacción de sustitución es lenta y requiere la intervención de calor en un periodo razonable.-

Puesto que el grupo OH del alcohol tiene que protonarse antes de ser desplazado por un nucleófilo, sólo pueden usarse nucleófilos débilmente básicos (I−, Br−, Cl−) en la reacción de sustitución. Los nucleófilos moderada y fuertemente básicos (NH3, RNH2, CH3O−) no se pueden usar porque también se protonarían en la solución ácida y, una vez protonados, ya no serían nucleófilos (+NH4, RNH3

+) o serían nucleófilos débiles. (CH3OH).-

La mayoría de los buenos nucleófilos son básicos, ya que se protonan y pierden su carácter nucleófilo en disoluciones ácidas. Sin embargo, los iones haluro son excepciones. Los haluros son aniones de ácidos fuertes, por lo que son bases débiles. Las disoluciones de HBr, HCl y HI contienen iones nucleofílicos Br− y Cl−. Estos ácidos se utilizan con frecuencia para transformar alcoholes en los haluros de alquilo correspondientes.-

Los alcoholes primarios, secundarios y terciarios experimentan reacciones de sustitución nucleofílica con HI, HBr y HCl para formar halogenuros de alquilo.-

El mecanismo de la reacción de sustitución depende de la estructura del alcohol. Los alcoholes secundarios y terciarios experimentan reacciones SN1. El intermediario carbocatión que se forma en la reacción SN1 tiene dos posibles destinos: puede reaccionar con un nucleófilo y formar un producto de sustitución, o puede perder un protón y formar un producto de eliminación. Sin embargo, en realidad sólo se obtiene el producto de sustitución, pues cualquier alqueno formado en una reacción de eliminación experimentará una reacción de adición subsecuente con HBr para formar más del producto de sustitución.-

Los alcoholes terciarios experimentan reacciones de sustitución con halogenuros de hidrógeno más rápido que los alcoholes secundarios porque los carbocationes terciarios son más fáciles de formar que los secundarios. Por lo tanto, la reacción de un alcohol terciario con un halogenuro de hidrógeno procede fácilmente a temperatura ambiente, mientras que la reacción de un alcohol secundario con un halogenuro de hidrógeno debe calentarse para que ocurra a la misma velocidad.-

Los alcoholes primarios no pueden experimentar reacciones SN1 porque los carbocationes primarios son demasiado inestables para formarse. En consecuencia, cuando un alcohol primario reacciona con un halogenuro de hidrógeno, debe hacerlo en una reacción SN2: el nucleófilo ataca por la parte posterior del carbono y desplaza al grupo saliente.-

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Reacción de alcoholes primarios (mecanismo SN2): Esta reacción ocurre en un solo paso (reacción concertada, ya que los enlaces se rompen y forman al mismo tiempo). Se observa inversión de la configuración.-

Ejemplo reacción del 1-butanol (alcohol 1°) con HBr:

Reacción de alcoholes secundario y terciarios (mecanismo SN1):



Paso 1: Protonación del alcohol para formar un ion alquiloxonio

Paso 2: Disociación del ion alquiloxonio para formar el carbocatión

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Paso 3: Ataque del nucleófilo al carbocatión

Ejemplo: Reacción del alcohol ter-butílico (2-metil-2-propanol, alcohol 3°) con HCl

Ecuación total:


1. Protonación del alcohol ter-butílico para formar un ion alquiloxonio

2. Disociación del ion ter-butiloxonio para formar un carbocatión

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3. Ataque del ion cloruro al catión ter-butilo

REACCIONES DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO: SUSTITUCION NUCLEOFILICA Y ELEMINACION

Los compuestos orgánicos que tienen un átomo electronegativo o un grupo electroatractor unido a un carbono con hibridación sp3 experimentan reacciones de sustitución y/o reacciones de eliminación.

Los haluros de alquilo se convierten fácilmente en muchos otros grupos funcionales. El átomo del halógeno puede salir con su par de electrones de enlace para formar un ion haluro estable; decimos que un haluro es un buen grupo saliente. Cuando otro átomo reemplaza al ion haluro, la reacción es de sustitución nucleofílica. Cuando el ion haluro parte junto con otro átomo o ion (con frecuencia H+), la reacción es de eliminación. En muchas eliminaciones, se pierde una molécula de H—X del haluro de alquilo para generar un alqueno. Estas eliminaciones se conocen como deshidrogenaciones, ya que se elimina un haluro de hidrógeno del haluro de alquilo. Las reacciones de sustitución nucleofílica y eliminación con frecuencia compiten entre sí.

En una sustitución nucleofílica, un nucleófilo (Nuc:-) reemplaza a un grupo saliente (X−) de un átomo de carbono, utilizando un par de electrones no enlazados para formar un nuevo enlace con el átomo de carbono.

En una eliminación, se pierde un ion haluro y otro sustituyente, formándose un nuevo enlace π.

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En la eliminación (una deshidrohalogenación), el reactivo (B:−) reacciona como una base, abstrayendo un protón del haluro de alquilo. La mayoría de los nucleófilos también son básicos y pueden participar en una sustitución nucleofílica o eliminación, dependiendo del haluro de alquilo y las condiciones de la reacción.

En una reacción de sustitución o eliminación podemos distinguir los siguientes términos:

Sustrato o substrato: Molécula (o compuesto) que contiene al grupo saliente y en la cual se produce la reacción. Es el compuesto al cual ataca el reactivo. Puede tener carga positiva o ser neutro.-

Grupo saliente: Es el átomo o grupo se átomos (la especie) que abandona el sustrato (pudiendo ser sustituida por el nucleófilo, o eliminado).-

Nucleófilo (reactivo): Es el átomo o grupo de átomos (la especie) que ataca al sustrato. Es una base de Lewis y es rico en electrones. Puede tener carga negativa o ser neutro.-

Electrófilo (reactivo): Especie que puede aceptar un par de electrones de un nucleófilo para formar un enlace. Ácido de Lewis es deficiente en electrones.-

Reactivo: Compuesto que sirve como especie atacante en una reacción. Cuando el reactivo es un nucleófilo se produce una sustitución nucleofílica.-

Existen cuatro tipos de reacciones:

1. Sustitución nucleofílica bimolecular (SN2)2. Sustitución nucleofílica unimolecular (SN1)3. Eliminación unimolecular (E1)4. Eliminación bimolecular (E2)

En una sustitución exciten cuatro forman en las que el nucleófilo (Nuc:−) y el sustrato (R-L) se pueden combinar de acuerdo a si ambos poseen carga o son neutros. Recordemos que los nucleófilos pueden ser negativos o neutros, y que el sustrato puede ser positivo o neutro, entonces tenemos:

Nucleófilo aniónico y sustrato neutro(SN2):

Nuc :−¿+R ― X→Nuc― R+:X−¿¿ ¿

Nucleófilo neutro y sustrato neutro (SN2):

Nuc :+R ― X → [ Nuc ―R ]+¿+: X−¿¿¿

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Nucleófilo aniónico y sustrato catiónico:

Nuc :−¿+R ― X+¿→ [ Nuc― R ]+¿+: X ¿¿¿

Nucleófilo neutro y sustrato catiónico:

Nuc :+R ― X+¿→ [ Nuc―R ]+¿+ : X¿¿

Si el nucleófilo es negativo, el producto es neutro. Si el nucleófilo es neutro, el producto es positivo.

1. Sustitución nucleofílica bimolecular (SN2)

Una sustitución nucleofílica tiene la forma general:

La reacción es concertada: es una reacción que ocurre en un solo paso ya que los enlaces se forman y se rompen al mismo tiempo.-

Ejemplo: Reacción entre yoduro de metilo (sustrato) e hidróxido (nucleófilo).

¿Qué ocurre con moléculas con más de un centro quiral? Las reacciones de estas moléculas son, a menudo, predecibles. Tendrá lugar la inversión de configuración en todos los carbonos primarios y secundarios que reaccionan con el nucleófilo entrante. Ejemplo: reacción del (2S, 4R)-2-bromo-4-cloropentano con exceso de ion cianuro:

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Reacción del (2S, 3R)-2-bromo-3-metilpentano con ion yoduro, se obtiene inversión en la configuración solo en carbono 2:

A. Cinética de la reacción SN2: Se encuentra que la velocidad de la reacción se duplica cuando la concentración de cualquiera de los dos reactivos se duplica y se mantiene constante uno, y cuando se duplican ambas concentraciones simultáneamente la velocidad de la reacción se cuadruplica. Por lo tanto la reacción es de primer orden con respecto a cada uno de los reactivos y de segundo orden general. La ecuación de velocidad para la reacción SN2 tiene la siguiente forma:

V ∝ [halogenuro dealquilo ] [nucleófilo ]

El signo de proporcionalidad (α) se puede sustituir por un signo igual y una constante de proporcionalidad. La constante de proporcionalidad, en este caso kr, se llama constante de velocidad. La magnitud de la constante de velocidad describe la facilidad para superar la barrera de energía de la reacción: cuán difícil es alcanzar el estado de transición. Cuanto mayor sea la constante de velocidad, menor será la barrera de energía y, por tanto, más fácil es alcanzar el estado de transición.-

V=K r [halogenurodealquilo ] . [nucleófilo ]

La ecuación de velocidad dice cuáles moléculas participan en el paso determinante de la velocidad de la reacción.-

El término bimolecular significa que el estado de transición del paso que determina la velocidad (en esta reacción el único paso) implica la colisión de dos moléculas.-

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Arriba se en enseña el perfil de energía potencial para una reacción que se lleva a cabo por el mecanismo SN2. Puede verse sólo un máximo de energía, el estado de transición. Y que no hay intermediarios. Los reactivos aparecen con un poco más de energía que los productos, ya que se sabe que esta reacción es exotérmica. El estado de transición tiene mucha más energía debido a que involucra a un átomo de carbono pentacoordinado con dos enlaces parciales.

B. Estereoquímica de la sustitución SN2: El nucleófilo debe atacar al carbono del lado opuesto a la posición del grupo saliente. El nucleófilo debe comenzar a formar un enlace con el mismo orbital que enlaza con el grupo saliente. Como el átomo del grupo saliente bloquea el lado de la molécula donde se encuentra la única parte disponible del orbital sp3, entonces el nucleófilo debe atacar al pequeño lóbulo trasero del orbital sp3 (que es la parte que por lo general no dibujamos). El ataque del nucleófilo al lóbulo pequeño trasero se llama ataque

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posterior o dorsal. Este ataque posterior invierte el tetraedro del átomo de carbono, como un paraguas al que “voltea” el viento.-

El ataque posterior invierte la configuración del átomo de carbono (en el caso de que el átomo de carbono posea cuatro sustituyentes distintos).

La inversión de la configuración es la formación de un producto con la configuración opuesta a la del reactivo, si es S cambiará a R y viceversa, si es cis cambiará a trans y viceversa.-

Ejemplo: La reacción del (S)-(+)-2-bromobutano ópticamente activo con ion hidróxido, formó (R)-(-)-2-butanol, teniendo la configuración opuesta en el centro de quiralidad:

Es más fácil visualizar la inversión en un compuesto cíclico cuando se dibuja como anillos planos, por ejemplo, cuando el cis-1-bromo-4-metilciclohexano experimenta una reacción SN2 se obtiene un producto trans:

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Se dice que la reacción SN2 es estereoespecífica: una reacción que conduce de forma exclusiva a un solo estereoisómero concreto, en lugar de dar una mezcla de los estereoisómeros. Es una reacción en la que los materiales estereoisoméricos de partida forman productos estereoisoméricos. Es aquella que sucede para los dos enantiómeros, aunque tiene preferencia para que suceda con alguno de ellos, y por lo tanto produce una cantidad mayor del producto a partir del enantiómero seleccionado.-

Debemos diferenciar algunos términos como estereoselectiva, estereoespecífica, regioselectiva, regioespecífica, regioquímica. Estereoselectiva y regioselectiva se usan como sinónimos, estereoespecífica y regioespecífica también se usan como sinónimos, regioquímica es un concepto aparte.-

REACCIÓN ESTEREOSELECTIVA: Es una reacción en la que solo un material de partida tiene la capacidad de formar dos o más productos estereoisómeros, pero forma uno de ellos en mayor cantidad que sus demás estereoisómeros. Términos como "adición por el lado menos impedido" describen la estereoselectividad. Ejemplo la reacción E2 ya que genera mayoritariamente alquenos trans frente a los cis.-

REGIOSELECTIVA: Término que describe una reacción que puede producir dos o más isómeros constitucionales, pero que produce uno de ellos en mayores cantidades que los demás. Es aquella reacción que sucede solo con uno de los dos enantiómeros como reactivo. Una reacción que es 100% regioselectiva se llama regioespecífica.-

REACCIÓN ESTEREOESPECÍFICA: Es una reacción en la que los materiales estereoisoméricos de partida forman un solo productos estereoisoméricos, en vez de una mezcla. Las reacciones estereoespecíficas se describen con términos como adición sin, eliminación anti e inversión de la configuración. Ejemplo la reacción SN2. Es aquella que sucede para los dos enantiómeros, aunque tiene preferencia para que suceda con alguno de ellos, y por lo tanto produce una cantidad mayor del producto a partir del enantiómero seleccionado.-

REGIOESPECÍFICO: Calificativo que describe una reacción que ocurre con regioquímica específica para formar un producto único, en vez de una mezcla de productos.-

REGIOQUÍMICA: Término que describe la orientación de una reacción que ocurre en un sustrato asimétrico.-

Un concepto erróneo común es que una reacción estereoespecífica es una reacción que es 100% estereoselectiva. Sin embargo, los dos términos no son sinónimos. Una reacción estereoespecífica es aquella en la que, cuando es llevada a cabo con materiales iniciales estereoisoméricos, se forma un producto, a partir de un reactivo, que es un estereoisómero del producto que se forma a partir del otro reactivo. Una reacción

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estereoselectiva es aquella en que un solo material inicial forma de manera predominante un solo estereoisómero cuando son posibles dos o más. El término estereoespecífica está conectado más de cerca con las características de la reacción que con el reactivo. Por tanto, términos como adición sin y eliminación anti describen la estereoespecificidad de las reacciones. El término estereoselectiva se conecta más de cerca con los efectos estructurales del reactivo, como lo expresan los términos como adición en el lado menos impedido. Una reacción estereoespecífica también puede ser estereoselectiva. Por ejemplo, la adición sin describe la estereoespecificidad en la hidrogenación catalítica de los alquenos, mientras que la preferencia por la adición en la cara menos impedida del enlace doble describe la estereoselectividad.-

Observe que los términos regioselectivo y regioespecífico, sin embargo, se definen uno en función del otro. Una reacción regioespecífica es 100% regioselectiva.-

Para determinar qué tipo de mecanismo se lleva a cabo en una reacción, se recurre a detectar si hubo inversión de configuración. Si la reacción presenta inversión de configuración, entonces se trata de una reacción que procede bajo el mecanismo SN2. Pero en muchos casos esto es difícil o imposible de detectar, entonces se recurre a la cinética u otras evidencias en la reacción.-

C. Sustrato y efectos estéricos: La velocidad de la reacción depende de varios factores, un factor importante es la estructura del halogenuro de alquilo que se va a sustituir. La reacción SN2 procede más rápidamente con los halogenuros de metilo y la mayor parte de los halogenuros de alquilo primarios. La reacción en más lenta con los halogenuros secundarios, y los terciarios no reaccionan bajo este mecanismo.

Todos los compuestos que reaccionan con lentitud tienen el lado posterior del átomo de carbono electrofílico impedido por la presencia de grupos voluminosos. Los halogenuros terciarios están más impedidos que los secundarios, y estos a su vez que los primarios. Entonces el volumen de los grupos alquilos es el que origina la variación en la reactividad de los halogenuros de alquilo más que el efecto electrónico. Entonces decimos que la velocidad de los halogenuros de alquilo se debe al impedimento estérico que aportan los grupos alquilos enlazados al carbono electrofílico. Debido a que el nucleófilo debe aproximarse del lado opuesto al grupo saliente, esta aproximación esta obstaculizada para aquellos halogenuros impedidos estéricamente.-

Cuando el nucleófilo se acerca al lado posterior del átomo de carbono, debe llegar a la distancia de enlazamiento del pequeño lóbulo posterior del orbital sp3. Si hay dos grupos alquilos enlazados al átomo de carbono esto se hace difícil. Tres grupos alquilos lo hacen imposible. Solo un grupo alquilo ya produce gran cantidad de impedimento estérico si es muy voluminoso como el grupo t-butilo o neopentilo.

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Por ejemplo, las velocidades de la sustitución nucleofílica de una serie de bromuros de alquilo difieren por un factor de más de 106 cuando se compara el miembro más reactivo del grupo (bromuro de metilo) y el miembro menos reactivo (bromuro de ter-butilo):

Los grupos alquilo en el átomo de carbono adyacente al punto de ataque nucleofílico también disminuyen la velocidad de la reacción SN2. Compare las velocidades de sustitución nucleofílica en la serie de bromuros de alquilo primarios que se muestra en la tabla. Tomando el bromuro de etilo como el estándar y reemplazando de manera sucesiva sus hidrógenos en C-2 por grupos metilo, se observa que cada grupo metilo adicional disminuye la velocidad de desplazamiento del bromuro por yoduro. El efecto es ligeramente más pequeño para los grupos alquilo que están unidos en forma directa al carbono que lleva el grupo saliente, no obstante, aún es considerable. Cuando C-2 es sustituido por completo por grupos metilo, como en el bromuro de neopentilo [(CH3)3CCH2Br], se observa el caso inusual de un halogenuro de alquilo primario que es prácticamente inerte a la sustitución por el mecanismo SN2 debido al impedimento estérico:

La longitud de la cadena carbonada principal no tiene efectos adicionales debido a que el átomo de carbono adicional puede formar parte de conformaciones de menos energía que no interfieren en el nucleófilo entrante. O sea que en la reacción ya sea de un halometilo o un haloetano con un nucleófilo determinado no habrá mucha diferencia entre la velocidad de ambas reacciones debido a que estos haloalcanos pueden rotar sus enlaces y adoptar distintas conformaciones pasando por la de menos energía.-

A mayor impedimento estérico mayor energía de activación y menor será la velocidad de la reacción. Por ejemplo, en la siguiente figura se muestran los perfiles de energía potencial para la reacción SN2 de bromuro de metilo no impedido y un bromuro de alquilo secundario impedido estéricamente, muestran que el impedimento estérico eleva la energía del estado de transición, lo que frena la reacción:

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D. Grupo saliente: Un buen grupo saliente es aquel que su enlace con el grupo alquilo se rompe fácilmente. Para que un nucleófilo ataque a un átomo de carbono y reemplace a un grupo saliente , el grupo saliente debe tener tres características importantes:

I. Un buen grupo saliente debe ser un aceptor de electrones para polarizar al átomo de carbono: El grupo saliente debe ser un aceptor de electrones para generar una carga parcial positiva sobre el átomo de carbono y hacerlo electrofílico. Otro átomo de carbono o de hidrógeno no son buenos grupos salientes, porque ninguno de ellos atrae suficiente densidad electrónica para hacer electrofílico al carbono. Un grupo saliente aceptor de electrones también estabiliza el estado de transición con carga negativa, por lo que cuanto más atrayente de electrones es más estabilizado estará el estado de transición.-

Los halogenuros son más electronegativos que el carbono por lo que el enlace C―halógeno está polarizado. Otros elementos electronegativos como el oxígeno, nitrógeno y azufre, son lo suficientemente electronegativos para crear un átomo de carbono electrofílico. Los elementos que polarizan el enlace C―G (G: grupo saliente) generalmente se encuentran en el lado derecho de la tabla periódica.-

Enlaces no muy polares Enlaces polaresC―H, C―B, C―C C―N, C―O, C―F

C―S, C―Cl C―Br C―I

II. Un buen grupo saliente debe ser estable (no una base fuerte) una vez que ha salido con el par de electrones que lo unían al carbono: Esto implicará estabilidad en el estado de transición. Los buenos grupos salientes deben ser bases débiles, por lo que son las bases conjugadas de ácidos fuertes. Los hidrácidos HCl, HBr y HI son fuertes y sus bases conjugadas (Cl−, Br−, I−) son débiles. Otras bases débiles, como los iones

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sulfato, sulfonato y fosfato, también pueden ser buenos grupos salientes. Los iones hidróxido y alcóxido, y otras bases fuertes, son malos grupos salientes para las reacciones Sn2. Por ejemplo, el grupo —OH de un alcohol es un mal grupo saliente, ya que tendría que salir como ion hidróxido. En la siguiente tabla se pueden ver algunos buenos grupos salientes que son bases débiles:

Grupos salientes pKa del ácido conjugado Clasificaciónp-CH3C2H4SO3

− <0

MUY BUENOS GRUPOS SALIENTES

I− <0 (-5,2)Br− <0 (-4,7)Cl− <0 (-2,2)

H2O <0(CH3)2S <0

CF3COO− 0,2H3PO4

− 2F− 3,2

(Acetato) CH3COO− 4,8CN− 9,1

BUENOS GRUPOS SALIENTESNH3 9,2

C6H5O− 10RNH2 , R3N 10CH3CH2S− 10,6

OH− 15,7MALOS GRUPOS SALIENTES

CH3O− 15

NH2− 36 MUY MALOS GRUPOS

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SALIENTESCH3− 49

Los ácidos orgánicos más comunes son los ácidos carboxílicos, compuestos que tienen un grupo COOH. Los ácidos acético y fórmico son ejemplos de ácidos carboxílicos. Los ácidos carboxílicos tienen valores pKa que oscilan entre 3 y 5 aproximadamente. (Son ácidos débiles). Los alcoholes son compuestos que tienen un grupo OH. Son ácidos mucho más débiles que los ácidos carboxílicos, con valores de pKa cercanos a 16. Un alcohol se puede comportar como ácido y donar un protón, o como base y aceptarlo. Un ácido carboxílico se puede comportar como ácido y donar un protón, o como base y aceptarlo. Una amina se puede comportar como ácido y donar un protón, o como base y aceptarlo. Sin embargo, las aminas tienen valores de pKa tan altos que rara vez se comportan como ácidos. El amoniaco también tiene un valor pKa elevado. Es mucho más probable que las aminas actúen como bases. De hecho, las aminas son las bases orgánicas más comunes. En lugar de hablar de la fuerza de una base en términos de su valor pKb, resulta más sencillo considerar la fuerza de su ácido conjugado indicada por su valor pKa, teniendo en mente que cuanto más fuerte es el ácido, más débil es su base conjugada.-

La razón de que la capacidad como grupo saliente dependa de la basicidad, es porque las bases débiles son más estables. Puesto que las bases débiles no comparten bien sus electrones, una base débil no se une tan fuertemente al carbono como lo haría una base fuerte.-

Las moléculas neutras también pueden ser buenos grupos salientes. Una molécula neutra con frecuencia funciona como grupo saliente de un electrófilo cargado positivamente. Por ejemplo, el grupo ―OH de un alcohol no es un buen grupo saliente por que debería salir como ion hidróxido, si un ion bromuro (nucleófilo) intentara atacar al alcohol, esa reacción no se llevaría a cabo por que el oxhidrilo es un mal grupo saliente:

Sin embargo si se agrega ácido a loa solución que contiene al alcohol, el grupo hidróxido se protona, entonces sale como agua que es un buen grupo saliente:

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Observe que la necesidad de protonar el alcohol (necesidad de un ácido) limita la elección del nucleófilo a sólo aquellos que son bases débiles, como el bromuro y el yoduro. En ácido, un nucleófilo muy básico se protonaría.-

III. Un buen grupo saliente debe ser polarizable para estabilizar el estado de transición: Esto es para mantener el enlace parcial con el átomo de carbono en el estado de transición. Este enlace ayuda a estabilizar el estado de transición y a reducir la energía de activación.-

La polaridad: es la distribución asimétrica de electrones en las moléculas, que resulta cuando un átomo atrae electrones más fuertemente que otras.

La polarizabilidad de un átomo se define como la capacidad o facilidad que presenta este de que su distribución electrónica sea distorsionada por un campo eléctrico (como el que produce un ion vecino o el solvente). Los átomos que poseen electrones que se desplazan fácilmente hacia una carga positiva, se dicen que son polarizables, ya que los electrones de las últimas capas por estar lejos del núcleo no son tan retenidos y se pueden mover con facilidad. Podemos decir que cuanto mayor tamaño tenga el grupo saliente halogenuro mayor será su polarizabilidad debido a que los electrones estarán más lejos del núcleo y menos retenido por lo tanto son más fácil de moverse, o sea los halógenos siguen el siguiente orden de menor a mayor como mejores grupos salientes: F<Cl<Br<I.-

Los nucleófilos y grupos salientes polarizables estabilizan el estado de transición al lograr más enlaces a mayores distancias. El ion yoduro, uno de los iones más polarizables, es tanto un buen nucleófilo como un buen grupo saliente. Por el contrario, el ion fluoruro es un ion pequeño “duro”. Éste es un nucleófilo débil (en disolventes próticos) y un mal grupo saliente en reacciones SN2.-

E. Nucleófilo: cuando se habla de átomos o moléculas que tienen pares de electrones no compartidos, a veces se les llama bases y a veces nucleófilos. Pero ¿Cuál es la diferencia entre ambas? La basicidad y la nucleofilicidad son propiedades fundamentalmente diferentes.-

La basicidad es una medida de qué tan bien un compuesto (una base) comparte su par de electrones libres con un protón. La basicidad se define por la constante de equilibrio para la sustracción de un protón Kb.-

La nucleofilicidad es una medida de qué tan fácilmente un compuesto (un nucleófilo) es capaz de atacar a un átomo deficiente en electrones (electrófilo) . La nucleofilicidad también se define como la velocidad de ataque a un átomo de carbono electrofílico. Es la capacidad de un nucleófilo para atacar a un sustrato-

En ambos casos, el nucleófilo o base forma un nuevo enlace. Si el nuevo enlace es hacia un protón, éste ha reaccionado como una base; si el nuevo enlace es hacia un carbono, ha reaccionado como un nucleófilo. Puede resultar difícil predecir la forma en que una especie

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reaccionará (ya sea como base o nucleófilo); casi todos los nucleófilos buenos (aunque no todos) también son bases fuertes, y viceversa.-

La naturaleza del Nucleófilo también afecta la velocidad de la reacción. Un Nucleófilo fuerte es mucho más efectivo para atacar un átomo de carbono electrofílico.-

Los nucleófilos que se encuentran con más frecuencia son aniónicos, los cuales se usan como sus sales de litio, sodio o potasio. La porción aniónica de la sal sustituye al halógeno de un halogenuro de alquilo, y las porción del catión metálico se convierte en un halogenuro de litio, sodio o potasio.-

Para asegurar que la reacción ocurra en una solución homogénea, se eligen sustancias que disuelven tanto el halogenuro de alquilo como la sal iónica. Los sustratos de halogenuro de alquilo son solubles en disolventes orgánicos, pero con frecuencia las sales del Nucleófilo no lo son. Las sales inorgánicas son solubles en agua, pero los halogenuros de alquilo no lo son. Con frecuencia se usan disolventes mixtos como mezclas de etanol-agua que pueden disolver suficientes cantidades tanto del sustrato como del nucleófilo para formar soluciones bastante concentradas.-

Tanto el metanol como el ion metóxido reaccionan por el mecanismo SN2, pero el ion metóxido reacciona 1 millón de veces más rápido que el metanol.-

Algunos nucleófilos comunes:

La nucleofília depende de varios factores: la carga, la posición del átomo atacante en la tabla periódica, interacción con el solvente, resonancia, efectos estéricos en el nucleófilo y naturaleza del sustrato. Pero recordar que estas tendencias de las que se hablará a continuación son generalizaciones que se aplican bajo la mayor parte de las condiciones, pero hay excepciones, especialmente en solventes apróticos (no hidroxílicos):

I. La carga: El incremento de la carga negativa aumenta la nucleofília, las especies con carga negativas son mejores nucleófilos que las especies neutras. O sea, de un par de nucleófilos que contienen el mismo átomo reactivo, la especie que posee la carga negativa es el nucleófilo más potente, o que una base siempre es un nucleófilo más fuerte que si ácido

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conjugado. Por ejemplo, el agua es un nucleófilo débil, pero su ácido conjugado OH− es un nucleófilo fuerte ya que es más básico. Otro ejemplo que se puede tomar es el de un alcohol (un nucleófilo débil) y su ion alcóxido (una base fuerte y nucleófilo fuerte).

Especie química Nombre Nucleofília relativaExcelentes nucleófilos

CN− Cianuro 126.000HS− Tiolato 126.000I− Yoduro 80.000

Buenos nucleófilosOH− Hidróxido 16.000Br− Bromuro 10.000N3− Azida 8.000

NH3 Amoniaco 8.000Nucleófilos moderados

Cl− Cloruro 1.000CH3COO− Acetato 630

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F− Fluoruro 80CH3OH Alcohol metílico 1

H2O Agua 1

Clasificación NucleófilosMuy Buenos I-, HS-, RS-

BuenosBr-, HO-, RO-, -CN, N3

-

NH3, Cl-, F-, RCO2-

Débiles H2O, ROHMuy Débiles RCO2H

II. Posición en la tabla periódica:

Dentro de un grupo (columna): Al bajar por una columna en la tabla periódica, los átomos son más grandes, con más electrones a mayares distancias del núcleo. Los electrones están débilmente sujetos, y el átomo es más polarizable y más básico. Sus electrones pueden moverse con más libertad hacia una carga positiva, resultando un enlace más fuerte. La mayor movilidad de sus electrones aumenta la capacidad del átomo para comenzar a formar un enlace a una distancia relativamente grande. Como conclusión la nucleofília aumenta al bajar en un grupo de la tabla periódica siempre que se comparen especies semejantes. Ejemplo, el yoduro es mejor nucleófilo que el cloruro, la PH3

(fosfina) es mejor nucleófilo que el amoniaco NH3.-

Dentro de un periodo (fila): Por las mismas razones anteriores (aumento de la polarizabilidad y de la basicidad), podemos concluir que la nucleofília aumenta al movernos de derecha a izquierda siempre que se comparen especies semejantes,

siguiendo el aumento en la electronegatividad ya que los elementos más electronegativos tienen los electrones no compartidos sujetos con más fuerza y estos son menos reactivos a la formación de nuevos enlaces. Ejemplo el amoniaco es un

nucleófilo más fuerte que el agua, H2N− es mayor nucleófilo que OH−, el CH3S− es mejor nucleófilo que el Cl−.-

III. Interacción del nucleófilo con el solvente: En solución las moléculas o iones se rodean de moléculas de solvente y se dicen que están solvatados o hidratados. Generalmente la solvatación debilita el nucleófilo por que se forma una especie de caparazón de moléculas de solvente alrededor del nucleófilo que disminuye su habilidad para atacar a un electrófilo. Los aniones pequeños se solvatan más efectivamente que los grandes

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debido a que su carga está más concentrada. En general la solvatación de los iones (en solventes próticos, ya se verá esto más adelante) disminuye al aumentar el número atómico si se comparan especies similares de igual carga. Entonces cunando este anión solvatado reacciona como nucleófilo, se necesita más energía para quitar algunas de las moléculas del solvente que están unidas. Esta energía es mayor para el caso de un ion pequeño que para uno más grande.-

Los disolventes apróticos (disolventes sin grupos O—H o N—H) mejoran la nucleofília de los aniones. Un anión es más reactivo en un disolvente aprótico porque no está demasiado solvatado. No hay enlaces por puente de hidrógeno por romper cuando el disolvente debe abrir paso para que el nucleófilo se aproxime a un átomo de carbono electrofílico. La capacidad de solvatación relativamente débil de los disolventes apróticos también es una desventaja: los reactivos iónicos, más polares, son insolubles en disolventes apróticos simples como los alcanos.-

Ejemplo, si comparamos la solvatación en los iones halogenuros encontramos que el fluoruro se solvata más que el cloruro, este a su vez más que el bromuro, y por último más que el yoduro: (más solvatado) F− > Cl− > Br− > I− (menos solvatado), esto es debido al tamaño de los iones. Del mismo modo encontramos que el OH− es más pequeño, está más solvatado y por ende es menos nucleófilo que el HS−.-

En el siguiente esquema se muestra una representación esquemática y aproximada de la solvatación de (A) un ion pequeño como el fluoruro y (B) un ion grande como el yoduro:

A B

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El cloruro tiene 4 pares de electrones solitarios, que actúan como aceptores de 4 puentes de hidrógeno. Las 4 moléculas unidas directamente al anión forman la primera capa de solvatación, difícil de separar del cloruro. Estas 4 moléculas están, a su vez, unidas a una segunda capa de moléculas de agua, de las que se muestras sólo 5:

IV. Resonancia: La resonancia disminuye la nucleofília. La deslocalización de los pares libres disminuye la capacidad de taque del nucleófilo. Ejemplo, el OH− es mejor nucleófilo que el ion acetato CH3COO− debido a que en este último la carga negativa esta deslocalizada. El NH2− es mejor nucleófilo que el N3−:

V. Efectos estéricos en el nucleófilo: Los grupos voluminosos en el nucleófilo también disminuyen la velocidad de reacción. Por ejemplo, el ion t-butóxido es una base más fuerte

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que el ion etóxido, pero como el t-butóxido es más voluminoso es menos nucleófilo que el etóxido.-

El impedimento estérico tiene poco efecto sobre la basicidad, porque ésta implica el ataque a un protón no impedido. Sin embargo, cuando se trata de un ataque nucleofílico a un átomo de carbono, una base voluminosa es un nucleófilo menos efectivo . Si queremos que una especie actúe como una base, utilizamos un reactivo voluminoso, como el ion t-butóxido; si queremos que reaccione como un nucleófilo, utilizamos un reactivo menos impedido, como el etóxido.-

VI. Naturaleza del sustrato: Para ser un buen sustrato en el ataque de un nucleófilo, una molécula debe tener un átomo de carbono electrofílico con un buen grupo saliente, y el átomo de carbono no debe tener tanto impedimento estérico para que un nucleófilo lo ataque.-

F. Solvente: En solución todos los participantes de una reacción química están solvatados, tanto los reactivos como los productos e incluso el estado de transición. El solvente ejerce efectos en la velocidad de reacción en la SN2. Dentro de los disolventes tenemos los disolventes polares y no polares (o apolares). Los disolventes polares son necesarios en las sustituciones bimoleculares típicas (tanto SN1 como SN2) debido a que las sustancias iónicas usadas como nucleófilos, como las sales de sodio y de potasio citadas anteriormente, no son lo bastante solubles en disolventes no polares para lograr una concentración lo suficientemente alta del nucleófilo que permita que la reacción ocurra a una velocidad rápida.-

¿Pero cómo es el fenómeno de solvatación? Ejemplificaremos con el solvente más común de todos, el agua. Sabemos que la molécula de agua tiene un polo negativo que está en el oxígeno, que es altamente electronegativo y lo que es más importante es que tiene pares de electrones no compartidos. Además el agua tiene dos pequeños átomos de hidrógeno unidos al oxigeno que están bien expuestos. Los oxígenos de varias moléculas de agua pueden agruparse en torno al catión sin amontonarse. Los hidrógenos también se acomodan en torno a un anión y pueden sujetarlos por medio de uniones puentes de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno permiten la solvatación particularmente intensa de los aniones debido a que no solo hay una carga positiva grande concentrada sobre un átomo muy pequeño como el hidrógeno, sino también que el hidrógeno sobresale de la molécula, estando muy bien expuesto. El anión puede estar sujeto por varios puentes de hidrógeno a varias moléculas de agua sin amontonarse.-

Así el gua debe su poder de solvatación a un grupo ―OH: este solvata a los cationes por los pares de electrones no compartidos del oxígeno, y a los aniones por puentes de

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hidrógeno. El metanol se parece al agua ya que tiene un grupo ―OH, y puede disolver a compuesto iónicos como lo hace el agua, sin embargo es inferior al agua ya que es menos polar y el grupo ―CH3 es muy grande y ocasiona impedimento estérico.-

Sin embargo, aparte del requerimiento de que el disolvente sea lo bastante polar para disolver compuestos iónicos, el efecto de la polaridad del disolvente en la velocidad de las reacciones SN2 es pequeño. Lo más importante es si el disolvente es prótico o aprótico. Los solventes polares pueden clasificarse en:

Disolventes polares próticos: son aquellos disolventes polares que poseen grupos funcionales (―OH, ―NH, ―SH) que les permitan formar puentes de hidrógeno con los nucleófilos aniónicos, y solvatan a los iones de la misma manera que el agua (los cationes por medio de pares no compartidos, y los aniones por puentes de hidrógeno. Ejemplos, agua, ácidos carboxílicos, alcoholes, aminas.-

Disolventes polares apróticos: son aquellos solventes polares que carecen de grupos funcionales (OH, NH, SH) que les permitan formar puentes de hidrógeno con los nucleófilos aniónicos. Ejemplos, hidrocarburos (alifáticos, aromáticos, halogenados), éteres, ésteres, halogenuros de alquilo. -

Los solventes apróticos disuelven compuestos iónicos, pero al hacerlo su acción es algo diferente de como lo hacen los solventes próticos ya que son incapaces de formar puentes de hidrógeno con los aniones, pero esto no quiere decir que no los solvaten de ninguna manera; debido a que son solventes polares la solvatación de aniones es producida por esta propiedad ya que pueden formar enlaces ion-dipolo con el anión. La solvatación de cationes se produce de igual manera que en solventes próticos. Como se dijo los solventes apróticos son altamente polares, con momentos dipolares varias veces mayores que el agua, por ejemplo:

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En los ejemplos de arriba, el polo negativo se halla en un átomo de oxígeno que sobresale de la molécula y al estar muy expuestos pueden solvatar cationes muy fuertemente. Por otra parte, el polo positivo de halla sumergido dentro de la molécula y debido a esta carga difusa y protegida solo puede solvatar los aniones débilmente. Por ende, los solventes apróticos disuelven compuestos iónicos principalmente por la solvatación de cationes.-

Los alcoholes, en particular los más simples como el metanol y etanol, ofrecen una salida al uso tradicional del agua como solvente por excelencia. Sus grupos alquílicos son lipófilos, y les ayudan a disolver los reactivos orgánicos no iónicos, sus grupos hidroxilos les permiten disolver reactivos iónicos. De esta manera, el metanol o etanol, proporcionan solos o mezclados con agua, un medio en el cual se realizan sustituciones nucleofílicas alifáticas.-

El agua y los alcoholes solvatan aniones fuertemente mediante uniones puentes de hidrógeno, y resulta generalmente que los aniones son la parte importante de un reactivo iónico. Así los disolventes próticos disuelven el reactivo, poniéndolo en contacto con la molécula orgánica, estabilizan simultáneamente los aniones, disminuyendo de forma radical su reactividad; debilita su basicidad y junto con eso su poder nucleofílico, una propiedad relacionada. Es aquí, donde actúan los disolventes apróticos: mediante sus partes lipófilas, disuelven sustancias orgánicas y también inorgánicas, pero logran esto principalmente por solvatación de sus cationes. Los aniones quedan más o menos libres y muy reactivos, son más básicos y más nucleófilos.-

Al igual que los disolventes difieren en su capacidad para solvatar iones, también los iones se diferencian en su tendencia de ser solvatados. La carga concentrada sobre un ion pequeño conduce a enlaces más fuertes que la carga difusa de un ion más grande. Así en un solvente dado, se solvata más el F− que el Cl−, Li+ que el Na+. Entonces podemos decir que la estabilidad de un sistema cargado aumenta con la dispersión de la carga. Por ejemplo, los extremos positivos de las moléculas de disolvente están dirigidos hacia el anión, neutralizando su carga parcialmente; al suceder esto, se neutralizan parcialmente ellos mismos. Por supuesto los cationes se estabilizan de igual forma por dispersión de su carga positiva sobre el disolvente. Tal estabilización es más importante para la estabilización de un ion pequeño, como el F− o Li+, que para un ion grande como I− o Rb+, donde la carga ya se halla dispersa sobre una superficie considerable. La dispersión de la carga, por solvatación o dentro del propio ion, tiende a estabilizar cationes o aniones tanto orgánicos como inorgánicos.-

Recodemos como dijimos antes, que en solución tanto los reactivos como los productos y el estado de transición están solvatados. Pero ¿cómo es la interacción de un solvente prótico con el sistema de reacción SN2? Por lo general el sustrato es una molécula neutra y el

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nucleófilo un anión. El halogenuro de alquilo tiene un momento dipolar y establece un enlace dipolo-dipolo débil con el solvente, de manera que no hay demasiada diferencia en estabilidad de sustrato antes y después de ser solvatado. El estado de transición tiene una carga negativa neta, pero esta está repartida entre el nucleófilo atacante y el grupo saliente, es decir está dispersa; entonces el enlace entre el solvente y esta carga dispersa es mucho más débil que el enlace entre el solvente y la carga concentrada del nucleófilo aniónico. El nucleófilo, como dijimos por lo general es aniónico y es portado de una carga neta negativa y forma enlaces ion-dipolo muy poderosos con el solvente. Así, el solvente estabiliza mucho más a los reactivos, especialmente al nucleófilo, más que al estado de transición; por lo tanto se eleva la energía de activación y esto a su vez retarda velocidad de la reacción.-

La solvatación del nucleófilo aniónico es el factor preponderante aquí, estabilizándolo y desactivándolo. Por ejemplo, en fase gaseosa el orden de reactividad de los iones halogenuros es el siguiente F− > Cl− > Br− > I−. En cambio en solución metanólica, un solvente prótico, la reactividad como nucleófilos se invierte: I− > Br− > Cl− > F−. Esto es debido a que la solvatación varía de un anión a otro y con ella el grado de desactivación de los nucleófilos. El fluoruro es el ion más pequeño de los halogenuros y posee la carga más concentrada, por lo tanto forma enlaces ion-dipolo (puentes de hidrógeno) más fuertes de todos con el solvente, por lo que el más desactivado como nucleófilo. En cambio, el yoduro es el ion más grande de los halogenuros y posee una carga negativa más dispersa que el fluoruro, por lo tanto es menos fuerte mete solvatado y el menos desactivado como nucleófilo.-

Los solventes más adecuados para la SN2 son por lo tanto, los solventes polares apróticos. Los disolventes polares apróticos consiguen disolver los reactivos, que generalmente son muy polares, pero rodean poco el nucleófilo dejándole libertad para atacar al sustrato. Una SN2 en un disolvente prótico, como agua, alcoholes, es miles de veces más lenta que en disolvente aprótico.-

No se emplean disolventes apróticos apolares debido a la escasa solubilidad tanto de sustrato como de nucleófilo en este tipo de disolventes. Los solventes polares próticos

solvatan y estabilizan fuertemente al nucleófilo reduciendo su reactividad hacia los electrófilos en la SN2. Los solventes polares apróticos son capaces de disolver a muchas sales de los nucleófilos debido a

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su alta polaridad, y tienden a rodear a los cationes metálicos en vez de hacerlo con los aniones nucleofílicos. Algunos solventes polares apróticos que son usados en la SN2 son: acetonitrilo, cianuro de metilo CH3CN, dimetilformamida (CH3)2NCHO que se abrevia DMF, dimetilsulfóxido (CH3)2SO (abreviado DMSO).-

La capacidad de solvatación de un ion por un solvente se mide por la constante dieléctrica (ε) de este, que es una medida de la polaridad del solvente, o también la capacidad del solvente de actuar como aislante de carga eléctrica. La constante dieléctrica es una medida de la capacidad de un material, en este caso el disolvente, para moderar la fuerza de atracción entre partículas con cargas opuestas comparada con la de un estándar. El estándar dieléctrico es un vacío, al cual se le asigna el valor de exactamente 1. Cuanto mayor es la constante dieléctrica, el medio tiene más capacidad de mantener separadas las especies con cargas positivas y negativas. Los disolventes con constantes dieléctricas altas se clasifican como disolventes polares. La velocidad de una reacción aumente considerablemente conforme aumenta la constante dieléctrica del solvente.-

En la figura de abajo se contrasta el comportamiento de un disolvente no polar y uno polar en la energía del estado de transición. Los disolventes polares y no polares son similares en su interacción con el halogenuro de alquilo inicial, pero difieren marcadamente en la forma en que afectan el estado de transición. Un disolvente con una constante dieléctrica baja tiene poco efecto en la energía del estado de transición, mientras que uno con una constante dieléctrica alta estabiliza el estado de transición, con separación de cargas, disminuye la energía de activación y aumenta la velocidad de la reacción.-

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A continuación se dan las constantes dieléctricas de algunos solventes:

SOLVENTES CONSTANTE DIELECTRICA ε

Agua 78Acido fórmico 58

Dimetilformamida (DMF) 38Acetonitrilo (MeCN) 37

Metanol 33Etanol 24

Acetona 21Propanol 20

Ácido acético 6,2Cloroformo 4,8Éter dietílico 4,3

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Tolueno 2,4Benceno 2,3Hexano 2,0

Los diagramas de energía muestran los efectos en la rapidez de la reacción SN2: (a) del sustrato, (b) del nucleófilo, (c) del grupo saliente y (d) del disolvente. Los efectos del sustrato y del grupo saliente se sienten principalmente en el estado de transición. Los efectos del nucleófilo y del disolvente se sienten principalmente en el estado fundamental en el que se encuentra el reactivo.-

2. Sustitución nucleofílica unimolecular SN1:

Una sustitución nucleofílica unimolecular tiene la siguiente forma general:


Mecanismo de reacción general: Está formado por dos paso, pero si el nucleófilo es agua o un alcohol, se necesita un tercer paso para desprotonar el producto:

I. Mecanismo para nucleófilos distintos del agua y alcohol:

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1. Disociación del sustrato para formar un carbocatión intermediario:

2. Ataque del nucleófilo al carbocatión:

II. Mecanismo para nucleófilos agua y alcohol:

1. El halogenuro de alquilo se disocia para formar el carbocatión y un ion halogenuro. Es el paso lento de la reacción:

2. Ataque del nucleófilo al carbocatión:

3. Nuevo ataque del nucleófilo:

Muchas SN1 reacción ocurre con el disolvente actuando como nucleófilo (cuando el nucleófilo es agua o alcohol), a este tipo de reacciones se las conoce como solvólisis (solvo por “disolvente” y lisis que significa “separación”). Si el solvente es agua se denomina hidrólisis, en cabio si el solvente es alcohol como el metanol, la reacción se denomina metanólisis.-

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El mecanismo SN1 es un mecanismo de ionización. El nucleófilo no participa hasta después que ha tenido lugar el paso determinante de la velocidad.-

Ejemplo 1: Hidrólisis del bromuro de t-butilo (reacciona con el solvente, agua):

Ecuación total:


1. El halogenuro de alquilo se disocia en un carbocatión intermediario y un ion halogenuro:

2. El carbocatión formado reacciona rápido con una molécula de agua. El agua es un nucleófilo. Este paso completa la etapa de sustitución nucleofílica del mecanismo y produce, si la molécula es agua, un ion alquiloxonio:

3. Este paso es una reacción ácido-base rápida que sigue a la sustitución nucleofílica. El agua actúa como una base para eliminar un protón del ion alquiloxonio para formar el producto alcohol ter-butílico:

Ejemplo 2: Reacción del bromuro de ter-butilo con metanol (metanólisis):

Ecuación total:

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1. Disociación (ionización) del sustrato para formar el carbocatión intermediario:

2. Ataque del nucleófilo al carbocatión formado, ya que este últimos es muy electrófilo y reacciona rápidamente tanto con nucleófilos fuertes como débiles, dando un alcohol protonado (o éter protonado), y como este alcohol es un ácido fuerte perderá un protón:

3. Pérdida de un protón (desprotonación) del éter protonado para formar el alcohol:

A. Cinética de la reacción SN1: Se encuentra que la velocidad de la reacción se duplica cuando la concentración del halogenuro de alquilo se duplica, o sea que el nucleófilo no participa es el paso determinante de la velocidad. Por lo tanto la reacción es de primer orden con respecto a este reactivo y de primer orden general. La ecuación de velocidad para la reacción S N1 tiene la siguiente forma:

V ∝ [halogenuro dealquilo ]

El signo de proporcionalidad (α) se puede sustituir por un signo igual y una constante de proporcionalidad. La constante de proporcionalidad, en este caso kr, se llama constante de velocidad.

V=K r [halogenurodealquilo ]

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El término unimolecular significa que el estado de transición del paso que determina la velocidad (en esta reacción es el primer paso del mecanismo, el paso lento) implica una molécula.-

En cuanto al diagrama de energía del mecanismo SN1, tendremos dos diagramas, uno para las reacciones en las que el nucleófilo no es ni agua ni alcohol (mecanismo no iónico), y otro en el que el nucleófilo es agua o alcohol (solvólisis o mecanismo iónico):

El perfil de energía (A) muestra la variación de la energía de una reacción general que se produce bajo el mecanismo no iónico (no actúan como nucleófilo ni el agua ni alcohol).-

A

B

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En los perfiles de energía (B y C) se muestra la variación de energía de la reacción del ejemplo 1 (reacción de bromuro de t-butilo con agua, hidrólisis), esta reacción procede bajo el mecanismo iónico:

C

B. Estereoquímica de la reacción SN1 : Recordemos que la reacción SN2 es estereoespecífica, es decir, el nucleófilo ataca por la parte posterior al átomo de carbono electrofílico, lo que ocasiona una inversión de configuración. Por el contrario, la reacción SN1 no es estereoespecífica. En el mecanismo SN1, el carbocatión intermediario tiene una hibridación sp2 y es plano. Los grupos que están enlazados a este átomo de carbono hibridado sp2, están ordenados en un plano, además el átomo de carbono tiene un orbital p perpendicular a dicho plano. Un nucleófilo puede atacar al carbono en cualquiera de los lóbulos del orbital p vacío, o sea puede atacar al carbono electrofílico por cualquiera de las dos caras del plano.-

El mecanismo propuesto de sustitución nucleófila unimolecular tiene consecuencias estereoquímicas predecibles debido a la estructura del carbocatión intermedio. Para minimizar la repulsión de electrones, el carbono cargado positivamente asume geometría plana trigonal, el resultado de la hibridación sp2. Tal es, por lo tanto, un intermedio aquiral.-

A diferencia de las SN2, donde el ataque posterior siempre da una inversión de la configuración, el carbocatión en la SN1 puede atacaste desde cualquiera de las dos caras. El ataque desde al lado delantero (el lado que dejó el grupo saliente) da un producto con retención de configuración. También es posible el ataque por la parte posterior, lo que resulta en una inversión de la configuración.-

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El hecho de que el nucleófilo pueda atacar de igual manera por cualquiera de las dos caras al carbocatión, debería formar una mezcla de enatiómeros 1:1 (mezcla racémica), sin tener en cuanta si el halogenuro inicial es R, S o racémico. Entonces debemos decir que las reacciones SN1 deberían formar productos racémicos a partir de materiales iniciales ópticamente activos. Pero rara vez lo hacen, en la mayor parte de las reacciones SN1 se presenta un ligero exceso de inversión de configuración. La explicación, a esta preferencia en la inversión de la configuración, se debe al hecho de que cuando se forma el carbocatión no está libre por completo del grupo saliente. Aunque la ionización es completa, el grupo saliente no se ha difundido aún muy lejos del carbono al que estaba unido y bloquea en forma parcial la aproximación del nucleófilo desde esa dirección. El ataque nucleofílico en esta especie, llamada un par iónico, ocurre más rápido desde el lado opuesto del grupo saliente. Dependiendo de qué tan cercana sea la asociación entre los dos iones, el producto se forma con inversión de la configuración predominante o completa. Sin embargo, una vez que el grupo saliente se ha difundido, ambas caras del carbocatión son igualmente accesibles a los nucleófilos y resultan cantidades iguales de productos enantioméricos.-

La estereoquímica de la sustitución SN1 depende de las velocidades relativas de los procesos competidores: ataque del nucleófilo al par iónico frente a la separación de los iones. En consecuencia, la estereoquímica observada varía en forma considerable de acuerdo con el halogenuro de alquilo, el nucleófilo y las condiciones experimentales. Algunas dan inversión de la configuración en forma predominante pero incompleta. Otras forman productos que son racémicos casi por completo.-

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Por ejemplo la hidrólisis del (R)-(-)-2-bromooctano (ópticamente activo) da como producto 2-octanol que solo el 34% esta racemizado, y la inversión de la configuración se produce en mayor porcentaje:

Ejemplo, cuando el cis-1-bromo-4-metilciclohexano experimenta una reacción SN1, se forma tanto el producto cis como el trans:

C. Sustrato y efectos estéricos: Los halogenuros de alquilos más sustituidos son más reactivos hacia la reacción SN1 que los menos sustituidos. El orden de reactividad de los halogenuros hacia la SN1 es: 3º > 2º > 1º > CH3X. Este orden es el inverso que para la reacción SN2, y es igual al orden de estabilidad de los carbocationes. Se necesita de halogenuros de alquilo muy sustituidos para la SN1 debido a que en el paso determinante de la velocidad se forma un carbocatión, y este debe ser lo más estable para aportar estabilidad al sistema . Un halogenuro de alquilo terciario conducirá a un carbocatión terciario muy estable, un halogenuro de alquilo secundario conducirá a un carbocatión secundario menos estable que el anterior y así sucesivamente. Cuanto más estable es el carbocatión más rápida es la SN1-

Los grupos alilos (dan carbocatión alílico) y bencílicos (dan carbocatión bencílico) mejoran las SN1 estabilizando al carbocatión intermediario debido a que se estabilizan por

resonancia. La estabilización por resonancia del carbocatión también puede contribuir a la reacción SN1, debido a que los electrones de los enlaces dobles pueden deslocalizase

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en un sistema de orbitales pi extendido, y así también se deslocaliza la carga positiva del carbocatión dando una estabilidad poco usual. Un carbocatión alílico tiene dos estructuras de resonancia equivalentes, o sea que contribuyen de igual manera al híbrido de resonancia (una de ellas con el doble enlace a la “derecha” y la otra con el doble enlace a la “izquierda”. Y un carbocatión bencílico tiene cuatro estructuras de resonancia, pero estas cuatro no son equivalentes, pero todas contribuyen de manera sustancial al híbrido de resonancia:

Debido a la estabilización por resonancia, un carbocatión alílico o bencílico primario es casi igual de estable que un carbocatión alquilo secundario, y un carbocatión alílico o bencílico secundario es casi igual de estable que un carbocatión alquilo terciario.-

Por ejemplo, el bromuro de alilo es un haluro primario, pero experimenta la reacción

SN1 tan rápidamente como un haluro secundario. El carbocatión formado por ionización es estabilizado por resonancia, con la carga positiva distribuida de manera equitativa sobre los dos átomos de carbono.-

El fenómeno por el que los grupos alquilo estabilizan los carbocationes se denomina hiperconjugación. La hiperconjugación se puede definir como la interacción entre el enlace carbono-hidrógeno de la cadena y el orbital vacío del carbono positivo. Esta interacción supone una cesión de carga hacia el carbocatión que lo estabiliza.-

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Los haluros de vinilo y de arilo no experimentan reacciones SN1 o SN2. Una reacción SN1 necesitaría una ionización para formar un catión vinilo o arilo, los cuales son menos estables que la mayoría de los carbocationes alquilo.-

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D. Grupo saliente: Un buen grupo saliente es aquel que su enlace con el grupo alquilo se rompe fácilmente. Aunque la fuerza del nucleófilo no tiene efecto sobre la velocidad en la reacción SN1, es necesario un buen grupo saliente debido a que este se pierde en la etapa determinante de la velocidad. La reacción SN1 necesita de un buen grupo saliente, por las mismas razones que lo necesita la SN2. Cuando se aleja un buen grupo saliente la energía del estado de transición es menor (la energía de activación es más baja) que cuando el grupo saliente es malo. Un buen grupo saliente ayuda a estabilizar la carga negativa que se desarrolla, y su polarizabilidad permite mucho más traslape de unión en el estado de transición estabilizándolo. Como ya se mencionó antes en las característica de la SN2, un buen grupo saliente debe cumplir con las siguientes cualidades:

I. Un buen grupo saliente debe ser un aceptor de electrones para polarizar al átomo de carbono: El grupo saliente debe ser un aceptor de electrones para generar una carga parcial positiva sobre el átomo de carbono y hacerlo electrofílico. Un grupo saliente aceptor de electrones también estabiliza el estado de transición con carga negativa, por lo que cuanto más atrayente de electrones es más estabilizado estará el estado de transición.-




I. Un buen grupo saliente debe ser estable (no una base fuerte) una vez que ha salido con el par de electrones que lo unían al carbono: Esto implicará estabilidad en el estado de transición. Los buenos grupos salientes deben ser bases débiles, por lo que son las bases conjugadas de ácidos fuertes. Los hidrácidos HCl, HBr y HI son fuertes y sus bases conjugadas (Cl−, Br−, I−) son débiles. Otras bases débiles, como los iones sulfato, sulfonato y fosfato, también pueden ser buenos grupos salientes. Los iones hidróxido y alcóxido, y otras bases fuertes, son malos grupos salientes para las reacciones de sustitución. Por ejemplo, el grupo —OH de un alcohol es un mal grupo saliente, ya que tendría que salir como ion hidróxido. En la siguiente tabla se pueden ver algunos buenos grupos salientes que son bases débiles:

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− <0


I− <0 (-5,2)Br− <0 (-4,7)Cl− <0 (-2,2)

H2O <0(CH3)2S <0

CF3COO− 0,2H3PO4

− 2F− 3,2



C6H5O− 10RNH2 , R3N 10CH3CH2S− 10,6


CH3O− 15


SALIENTESCH3− 49


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Las moléculas neutras también pueden ser buenos grupos salientes. Una molécula neutra con frecuencia funciona como grupo saliente de un electrófilo cargado positivamente.-

I. Un buen grupo saliente debe ser polarizable para estabilizar el estado de transición: Esto es para mantener el enlace parcial con el átomo de carbono en el estado de transición. Este enlace ayuda a estabilizar el estado de transición y a reducir la energía de activación.-

Los nucleófilos y grupos salientes polarizables estabilizan el estado de transición al lograr más enlaces a mayores distancias. El ion yoduro, uno de los iones más polarizables, es tanto un buen nucleófilo como un buen grupo saliente. Por el contrario, el ion fluoruro es un ion pequeño “duro”. Éste es un nucleófilo débil (en disolventes próticos) y un mal grupo saliente en reacciones de sustitución.-

E. Nucleófilo: La naturaleza del nucleófilo atacante es decisiva en la reacción SN2, pero en la SN1 no es de importancia, debido a que por su propia naturaleza, la reacción SN1 procede a través de un paso determinante de la velocidad en el cual el nucleófilo no participa sino hasta después de que ha ocurrido este paso. Pero se requiere de nucleófilos débiles/bases débiles para la SN1.-

F. Solvente: Los disolventes tienen un gran efecto en las reacciones SN1, pero las razones para los efectos en las reacciones SN1 y SN2 no son las mismas. Los efectos del disolvente en la reacción SN2 se deben en gran medida a la estabilización o desestabilización del nucleófilo reactivo. Sin embargo, los efectos del disolvente en la reacción SN1 se deben en gran medida a la estabilización o desestabilización del estado de transición.-

En cualquiera de los dos mecanismos, ya sea SN1 o SN2, se rompe un enlace entre el carbono y el grupo saliente, y la ruptura de un enlace requiere de energía. Pero ¿de dónde proviene esa energía? Para una reacción SN2 como ya se vio, la energía es proporcionada por la formación del enlace con el nucleófilo. En el caso de una reacción SN1 debemos considerar el paso determinante de la velocidad que es la formación del carbocatión, aquí la energía es proporcionada por la formación de enlaces, no de uno solo como en la reacción SN2, sino de muchos enlaces entre los iones generados y el disolvente. En la reacción SN1 la molécula de sustrato no se descompone simplemente sola, sino que se rompe por acción de las moléculas de solvente. Recordemos que los halogenuros de alquilo son moléculas polares y que poseen una carga parcial positiva en el átomo de carbono y una carga parcial negativa en el átomo de halógeno. Aglomerado alrededor de cada parte de la molécula polar del sustrato (la parte catiónica que posee la carga parcial positiva, el átomo de carbono; y la parte aniónica que posee la carga parcial negativa, el átomo de halógeno) hay un grupo de moléculas polares de solvente, orientadas con sus extremos negativos hacia el carbocatión, y con sus extremos positivos hacia el anión. Individualmente, estos enlaces entre el solvente y los iones, son relativamente débiles, pero en conjunto proporcionan una gran cantidad de energía para que el enlace entre el carbono y el grupo saliente se rompa.-

El postulado de Hammond dice que cualquier factor que estabiliza al carbocatión intermediario debe incrementar la rapidez de una reacción SN1. La solvatación del

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carbocatión (la interacción del ion con las moléculas del disolvente) tiene tal efecto como se ilustra en la figura de abajo, por lo tanto, se disminuye la energía del ion y se favorece su formación:

En general los cationes se solvatan por medio de pares de electrones no compartidos, mientras que los aniones se solvatan esencialmente por puentes de hidrógeno. Ahora bien, en las SN1 los cationes son carbocationes y debido a la dispersión de sus cargas forman enlaces ion-dipolo más débiles que los cationes metálicos más pequeños. En consecuencia, en la ionización de estos sustratos orgánicos, la solvatación del catión e relativamente débil cualquiera que sea e disolvente; es la

solvatación del anión lo que es especialmente importante. Para ello se necesitan solventes capaces de formar puentes de hidrógeno, es decir solventes próticos. Así las reacciones SN1 se realizan más rápidamente en agua, alcoholes y mezclas de agua y alcoholes, que en solventes apróticos como DMF (dimetilformamida), DMSO (dimetilsulfóxido) y HMPT (hexametilfósforotriamida).-

Las reacciones SN1 son favorecidas en los disolventes polares próticos debido a que la energía en el estado de transición que conduce al carbocatión intermediario es disminuida por la solvatación. Las reacciones SN1 suceden mucho más rápidamente en disolventes fuertemente polares próticos, como el agua y el metanol, que en disolventes menos polares apróticos, como el éter y el cloroformo.-

G. Rearreglos o reordenamientos en la SN1: Los carbocationes frecuentemente experimentan cambios estructurales, conocidos como reordenamientos, para formar iones más estables. Puede presentarse un reordenamiento luego de que se ha formado un carbocatión, o puede ocurrir al momento en que el grupo saliente se va. En las reacciones SN2 no se presentan reordenamientos, ya que no se forman carbocationes y el mecanismo de un solo paso no da oportunidad a reordenamiento alguno. En reacciones diferentes como eliminaciones y adiciones, también se observan trasposiciones similares a las que se presenta aquí, por muy distintos que sean los mecanismos, todos tienen una característica común que es que en alguna etapa se forma el mismo intermediario, el carbocatión. Las trasposiciones siempre se llevan a cabo por el movimiento de ya sea un hidrógeno o un grupo metilo, con el par de electrones respectivamente, desde un carbono adyacente al que es portador de la carga positiva.-

Cuando se desea saber por cuál de los dos mecanismos de sustitución se lleva a cabo una reacción, la evidencia de una trasposición es una herramienta fuerte para descartar el mecanismo SN2.-

Hay dos maneras en las que se pueden producir los reordenamientos, por medio de un desplazamiento de hidruro o por medio de un desplazamiento de metilo:

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I. Desplazamiento de hidruro: Es el movimiento de un átomo de hidrógeno con un par de electrones de un átomo (generalmente carbono) a otro. Un desplazamiento de hidruro se representa mediante el símbolo (~H).-

Veamos el siguiente ejemplo de un rearreglo de los carbocationes en la hidrólisis SN1 del 2-bromo-3-metilbutano:

Ecuación total:


1. Formación del carbocatión: El halogenuro de alquilo se ioniza (disocia) para formar un carbocatión secundario y un ion bromuro. Este es el paso determinante de la velocidad:

2. El carbocatión secundario se rearregla por un desplazamiento de hidruro para formar un carbocatión terciario más estable:

En perspectiva el desplazamiento de hidruro se ilustra así:

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3. El carbocatión terciario es atacado por el agua que actúa como un nucleófilo formando un ion alquiloxonio:

4. El ion alquiloxonio se desprotona:

II. Desplazamiento de metilo o alquilo: es el movimiento de un grupo metilo con un par de electrones de un átomo (generalmente carbono) a otro. Un desplazamiento de metilo (o de cualquier otro grupo alquilo) convierte los carbocationes más estables. Se simboliza como ~CH3 (desplazamiento de metilo) o ~R (desplazamiento de alquilo).-

Ejemplo etanólisis (solvólisis) del bromuro de neopentilo (1-bromo-2,2-dimmetilpropano):

Ecuación total:


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1. El desplazamiento del metilo sucede simultáneamente a la salida del bromuro para dar un carbocatión 3º, de lo contrario si primero sucediera el alejamiento del bromuro daría un carbocatión 1º altamente inestable.-

2. Ataque del etanol al carbocatión terciario:

3. Desprotonación para dar el producto final:

Si al alejarse el grupo saliente produce un carbocatión primario, el desplazamiento de hidruro o alquilo ocurre simultáneamente con el alejamiento del grupo saliente del sustrato. De lo contrario, si al salir el grupo saliente deja un carbocatión secundario, el desplazamiento de hidruro o alquilo se produce después que se forma el carbocatión.-

El hecho de que en una reacción se produzca uno de los desplazamientos sobre el otro, se debe al tipo de carbocatión que se va a producir. En algunas reacciones se lleva a cabo el desplazamiento de metilo en lugar del de hidruro, debido a que es más conveniente el primero ya que va a formar un carbocatión más estable que aquel que se produciría si se llevara a cabo el desplazamiento de hidruro, y viceversa. Por ejemplo, en el gráfico de abajo se muestran la preferencia.-

Aquí se prefiere el desplazamiento de hidruro ya que forma un carbocatión 3º que es más estable que el 2º que se formaría si se llevara a cabo el desplazamiento de metilo:

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Comparación entre la SN1 y la SN2:

COMPARACIÓN DE LOS MECANISMOS SN1 Y SN2 EN LOS HALOGENUROS DE ALQUILOSN1 SN2

Características del mecanismo

Dos pasos elementales (se agrega uno más si es una solvólisis): El paso 1 es el

determinante de la velocidad:

Paso 1: Paso 2:

Paso único:

Estado de transición determ. de la velocidad

Molecularidad Unimolecular Bimolecular

Cinética Primer orden:Velocidad = k.[R―X]

Segundo orden:Velocidad = k.[R―X][Nuc]

Reactividad relativa de los grupos salientes

halogenuros

La naturaleza del grupo saliente tiene poco efecto sobre el tipo de mecanismo:

R―I > R―Br > R―Cl >> R―F R―I > R―Br > R―Cl >> R―F

Efectos de la estructura del sustrato en la velocidad (el

grupo alquilo R)

Es el factor más importante que determina que mecanismos se llevará a cabo:

Solo reaccionan los halogenuros: 3º > 2º

Solo reaccionan los halogenuros: CH3X > 1º > 2º

Efecto del nucleófilo

La velocidad de la sustitución es independiente de la concentración y de la

naturaleza del nucleófilo. El nucleófilo no participa hasta

después del paso determinante de la velocidad. La fuerza del nucleófilo no es importante

(pero por lo general se necesitan nucleófilos débiles).-

La velocidad depende tanto de la naturaleza del nucleófilo

como de su concentración. Se necesitan nucleófilos fuertes.-

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Efecto del solvente

El paso lento involucra la formación de dos iones. La

solvatación de estos iones es crucial para estabilizarlos y

disminuir la energía de activación para su formación. Se necesitan solventes polares

próticos.-

Los disolventes polares apróticos logran velocidades de sustitución más rápidas; la solvatación del Nuc es mínima

y el carácter nucleofílico es mayor. Se necesitan solventes

polares apróticos.-

EstereoquímicaDa una mezcla de retención e inversión; racemización. No es

estereoespecífico.-

Inversión total. Estereoespecífico: El nucleófilo ataca al carbono desde el lado

opuesto del enlace con el grupo saliente.-

Rearreglos Son comunes.- Son imposibles.-Competencia entre la SN1 y la SN2:

Los halogenuros de alquilo secundarios compiten por estas dos reacciones. La vía elegida depende de las condiciones de reacción: el disolvente, el grupo saliente, y el nucleófilo. Los halogenuros secundarios sufren una reacción que tiene características de ambos mecanismos. Pero controlando las condiciones podemos hacer que prepondere uno de los mecanismos sobre el otro, pero no olvidemos que ambos mecanismos suceden simultáneamente, por lo tanto tendremos una mezcla de productos tanto de SN1 como de SN2.-

Si utilizamos un sustrato que lleva un muy buen grupo saliente, un nucleófilo pobre, y un disolvente polar prótico (condiciones SN1), entonces la sustitución unimolecular se ve favorecida. Si emplean una alta concentración de un buen nucleófilo, un disolvente polar aprótico, y un haloalcano que tiene un grupo saliente razonable (condiciones SN2), entonces predomina la sustitución bimolecular.-

De acuerdo a la ley de velocidad, la SN2 depende de la concentración del nucleófilo y la SN1 no lo hace. Entonces si aumentamos la [Nuc] se favorece la reacción SN2. De lo contrario, si disminuimos la [Nuc] favorecemos la SN1. Un nucleófilo fuerte favorece la SN2 y un nucleófilo débil favorece la SN1. El factor que más determina que mecanismo va a suceder es el solvente.-

La tabla resume las observaciones con respecto a la reactividad de haloalcanos hacia nucleófilos:

Reactividad de R―X en la sustitución nucleofílica:R―X + :Nuc− R―Nuc + :X−

R SN1 SN2

CH3No se observa en solución (cationes metilos tienen demasiada alta la energía).-

Frecuente; rápido con buenos nucleófilos y buenos grupos salientes.-

PrimarioNo se observa en solución (carbocationes primarios demasiado altos en energía)a

Frecuente; rápido con buenos nucleófilos y buenos grupos salientes, lento cuando hay ramificación en C2.-

Secundario Relativamente lenta; mejor con buenos grupos salientes

Relativamente lenta; mejor con altas concentraciones de

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en disolventes próticos polares.-

buenos nucleófilos en disolventes apróticos polares.-

Terciario

Frecuente; particularmente rápido en disolventes próticos polares y con buenos grupos salientes.-

Extremadamente lento.-

aLas excepciones son los carbocationes estabilizado por resonancia

Características de las reacciones de eliminación:

Las reacciones de eliminación son regioselectivas (reacción que puede producir dos o más isómeros constitucionales, pero que produce uno de ellos en mayores cantidades que los demás) ya que siguen la regla de Zaitsev; la eliminación predomina en la dirección que conduce al alqueno más sustituido. Además de ser regioselectiva, la deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo es estereoselectiva y favorece la formación del estereoisómero más estable. Por lo general, como en el caso del 5-bromononano, el alqueno trans (o E) se forma en cantidades mayores que su estereoisómero cis (o Z).-

Por otro lado, la deshidrohalogenación de halogenuros de cicloalquilo conduce exclusivamente a cicloalquenos cis cuando el anillo tiene menos de diez carbonos. Conforme el anillo se hace más grande, puede acomodar ya sea un enlace doble cis o uno trans, y los halogenuros de cicloalquilo de anillos grande forman mezclas de cicloalquenos cis y trans. Por ejemplo:

3. Eliminación unimolecular E1:

Recordemos que a las eliminaciones también se las llama deshidrohalogenaciones para indicar que se ha eliminado un halogenuro de hidrógeno del halogenuro de alquilo. Una eliminación involucra la pérdida de dos átomos o grupos del sustrato, generalmente con la formación de un enlace pi. Las reacciones de eliminación y sustitución con frecuencia se llevan al cabo al mismo tiempo y bajo las mismas condiciones, compitiendo entre sí. Al modificar los reactivos y las condiciones podemos modificar una reacción para favorecer una sustitución nucleofílica o una eliminación. Primero estudiaremos las eliminaciones por sí mismas, y luego consideraremos a las sustituciones nucleofílicas y las eliminaciones juntas, para intentar predecir qué productos y qué mecanismos son probables con un conjunto dado de reactivos y condiciones.-

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En las reacciones de eliminación ya sea E1 o E2 hablamos de base en lugar de nucleófilo, porque lo que sucede es que el reactivo sustrae un protón del sustrato entonces esto es una reacción ácido-base en principio y corresponde llamarlo base.-

La formación de alquenos requiere que X y Y (de la figura de abajo) sean sustituyentes en átomos de carbono adyacentes. Al ser X el átomo de referencia (grupo funcional) e identificar el carbono unido a él como el carbono α, se observa que el átomo Y es un sustituyente en el carbono β. En seguida, los carbonos más remotos del átomo de referencia se designan γ, δ, etc. En este capítulo sólo se expondrán las reacciones de eliminación β. Las reacciones de eliminación beta (β) también se conocen como eliminaciones 1,2:

Las reacciones de eliminación son más complejas que las reacciones de sustitución por varias razones. Por ejemplo, existe el problema de la regioquímica. ¿Qué productos resultan por la pérdida del HX de un haluro asimétrico? De hecho, casi siempre las reacciones de eliminación dan mezclas de alquenos como producto, y es usual que lo mejor que podemos hacer es predecir cuál será el producto principal. De acuerdo con la regla de Zaitsev, las reacciones de eliminación inducida por bases dan por lo general (aunque no siempre), como producto, el alqueno más estable, es decir, el alqueno con más sustituyentes alquilo en los carbonos del enlace doble. Esta regla la ampliaremos más adelante.-

Una eliminación E1 tiene un mecanismo similar a la SN1, la E1 tiene la forma general:


Mecanismo general:

1. Disociación (ionización) del sustrato para formar un carbocatión intermediario, este paso es el determinante de la velocidad:

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2. La base (generalmente el solvente) sustrae un protón para da el alqueno. Este paso es rápido:

Ejemplo: Reacción del 3-bromo-3-etilpentano con metanol:

Ecuación total:


1. Ionización para formar el carbocatión:

2. Sustracción de un protón por parte del metanol para dar el alqueno 3-etil-2-penteno:

Ejemplo: Reacción del bromociclohexano con metanol:

Ecuación total:

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1. Formación del carbocatión:

2. Sustracción de un protón por el metanol para dar el ciclohexeno:

A nivel de los orbitales veamos que sucede en el mecanismo E1:

Por ejemplo en la reacción de metanólisis del 2-bromo-2-metilpropano:

En el segundo paso del mecanismo E1, el átomo de carbono adyacente en el carbocatión se debe hibridar a sp2 cuando la base ataca a protón y los electrones fluyan al nuevo enlace pi:

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Competencia de la E1 con la reacción SN1:

La reacción E1 casi siempre está en competencia con la reacción SN1. Siempre que se forma un carbocatión, puede sufrir una sustitución o una eliminación resultando mezclas de productos . Por ejemplo: la reacción del bromuro de t-butilo con etanol hirviente. El producto 2 -metilpropeno es el resultado de una deshidrohalogenación (eliminación). Bajo estas condiciones de primer orden (la ausencia de una base fuerte), la deshidrohalogenación ocurre mediante el mecanismo E1: la ionización del haluro de alquilo genera un carbocatión intermediario, el cual pierde un protón para formar el alqueno. La sustitución nucleofílica es el resultado del ataque nucleofílico sobre el carbocatión. El etanol sirve como base en la eliminación y como nucleófilo en la sustitución nucleofílica. En condiciones ideales, una de estas reacciones de primer orden genera un buen rendimiento de uno u otro producto. Sin embargo, con frecuencia los carbocationes intermediarios reaccionan de dos o más formas y forman mezclas de productos. Por esta razón, las reacciones SN1 y E1 de los haluros de alquilo no se utilizan frecuentemente para la síntesis orgánica, aunque se han estudiado con gran detalle para aprender sobre las propiedades de los carbocationes. El porcentaje de uno u otro producto depende de la basicidad del nucleófilo, a mayor basicidad se obtiene un mayor porcentaje del producto de eliminación.-

Ecuación total:


1. Ionización para formar un carbocatión:

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2. Ataque básico por el solvente para sustraer un protón (E1):

3. O bien puede suceder un ataque nucleofílico por el solvente bajo el mecanismo SN1:

A. Cinética de la reacción E1: Se encuentra que la velocidad de eliminación E1 se duplica solo cuando se duplica la concentración del halogenuro de alquilo, por lo tanto es una reacción unimolecular (solo el halogenuro de alquilo participa en el paso determinante de la velocidad).-

V=K r [halogenurodealquilo ]

El diagrama de energía de reacción del mecanismo E1 de la figura de abajo es parecido al de la reacción SN1. El paso de ionización es muy endotérmico , con un estado de transición limitante de la rapidez. El segundo paso es una desprotonación rápida y exotérmica realizada por una base. La base no se involucra en la reacción hasta después del paso limitante de la rapidez, por lo que la rapidez sólo depende de la concentración del haluro de alquilo. Las bases débiles son comunes en las reacciones E1.-

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B. Estereoquímica de la reacción E1: Esta reacción se inicia con una ionización para dar un carbocatión plano, por lo tanto no requiere de una geometría en particular como la reacción E2 que más adelante se verá, ya que el carbocatión se puede formar desde una conformación ya sea anti o sin, y una vez formados muestran libre rotación de enlaces, por lo que no conserva una conformación específica. Por consiguiente, las reacciones E1 dan productos de eliminación tanto sin cómo anti:

C. Orientación de la E1: Muchos compuestos pueden experimentar eliminaciones de una u otra forma, y generan mezclas de alquenos. En muchos casos podemos predecir cual producto será predominante en la eliminación. Por ejemplo en la etanólisis del 2-bromo-2-metilbutano se forman dos alquenos, pero uno se forma en mayor proporción:

Ecuación total:

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1. El halogenuro de alquilo se disocia para formar el carbocatión:

2. El etanol actúa como base y elimina un protón del carbocatión para formar los alquenos, el carbocatión posee dos protones adyacentes al carbono electrofílico que pueden ser eliminados y de acuerdo a cuál de ellos se elimina se forma uno u otro alqueno:

Protón 1:

Protón 2:

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En la mayoría de las eliminaciones E1 y E2, donde hay dos o más productos posibles de la eliminación, el producto con el enlace doble más sustituido será el predominante . A este principio general se le conoce como regla de Zaitsev, y se dice que las reacciones que producen el alqueno más sustituido siguen la orientación de Zaitsev. Sin embargo al alqueno menos sustituido se le denomina producto de Hofmann.-

REGLA DE ZAITSEV: en las reacciones de eliminación predomina el alqueno más sustituido.

Este orden de preferencia es el mismo que el orden de estabilidad de los alquenos, los alquenos más sustituidos son más estables:

Estabilidad relativa de alquenos:

Los sustituyentes alquilo que están enlazados con los carbonos sp2 de un alqueno tienen un efecto estabilizante en el alqueno. Por lo tanto, podemos establecer la siguiente premisa: cuantos más sustituyentes alquilo están unidos a los carbonos sp2 de un alqueno, mayor es su estabilidad (algunos estudiantes encuentran más fácil observar el número de hidrógenos unidos a los carbonos sp2). En términos de los hidrógenos, se emplea la siguiente regla: cuantos menos hidrógenos están unidos a los carbonos sp2 de un alqueno, mayor es su estabilidad.-

Tanto el trans-2-buteno como el cis-2-buteno tienen dos grupos alquilo unidos a sus carbonos sp2. En el isómero trans, los sustituyentes más voluminosos están más separados, y por lo tanto es más estable que el isómero cis, donde los sustituyentes voluminosos están muy cerca.-

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Cuando los sustituyente voluminosos están del mismo lado de la molécula, sus nubes electrónicas puede interaccionar entre sí, causando repulsiones en la molécula y haciéndola menos estable. Esta clase de tensión se denomina impedimento estérico. Cuando los sustituyentes voluminosos están en lados opuestos de la molécula, sus nubes electrónicas no pueden interactuar; de tal modo, la molécula tiene menos impedimento estérico y es más estable. Entonces, por lo general el alqueno trans (o E) se forma en cantidades mayores que su estereoisómero cis (o Z).-

A. Sustrato y efectos estéricos: Los halogenuros de alquilos más sustituidos son más reactivos hacia la reacción E1 que los menos sustituidos, de igual manera para la SN1. El orden de reactividad de los halogenuros hacia la E1 es: 3º > 2º >> 1º > CH3X. Los halogenuros 1º y halogenuros de metilo no reaccionan por el mecanismo E1. Es igual al orden de estabilidad de los carbocationes. Se necesita de halogenuros de alquilo muy sustituidos para la E1 debido a que en el paso determinante de la velocidad se forma un carbocatión, y este debe ser lo más estable para aportar estabilidad al sistema. Un halogenuro de alquilo terciario conducirá a un carbocatión terciario muy estable, un halogenuro de alquilo secundario conducirá a un carbocatión secundario menos estable que el anterior y así sucesivamente. Cuanto más estable es el carbocatión más rápida es la E1.-

B. Grupo saliente: Un buen grupo saliente es aquel que su enlace con el grupo alquilo se rompe fácilmente. En todas las reacciones tanto de eliminación (E1, E2) como de sustitución (SN1, SN2) se requiere de un buen grupo saliente. Es necesario un buen grupo saliente debido a que este se pierde en la etapa determinante de la velocidad. Cuando se aleja un buen grupo saliente la energía del estado de transición es menor (la energía de activación es más baja) que cuando el grupo saliente es malo. Un buen grupo saliente ayuda a estabilizar la carga negativa que se desarrolla, y su polarizabilidad permite mucho más traslape de unión en el estado de transición estabilizándolo. Como ya se mencionó antes, un buen grupo saliente debe cumplir con las siguientes cualidades:

I. Un buen grupo saliente debe ser un aceptor de electrones para polarizar al átomo de carbono: El grupo saliente debe ser un aceptor de electrones para generar una carga parcial positiva sobre el átomo de carbono y hacerlo electrofílico. Un grupo saliente aceptor de electrones también estabiliza el estado de transición con carga negativa, por lo que cuanto más atrayente de electrones es más estabilizado estará el estado de transición.-

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II. Un buen grupo saliente debe ser estable (no una base fuerte) una vez que ha salido con el par de electrones que lo unían al carbono: Esto implicará estabilidad en el estado de transición. Los buenos grupos salientes deben ser bases débiles, por lo que son las bases conjugadas de ácidos fuertes. Cuanto más débil sea la base mejor será como grupo saliente. Los hidrácidos HCl, HBr y HI son fuertes y sus bases conjugadas (Cl−, Br−, I−) son débiles. Otras bases débiles, como los iones sulfato, sulfonato y fosfato, también pueden ser buenos grupos salientes. Los iones hidróxido y alcóxido, y otras bases fuertes, son malos grupos salientes para las reacciones de sustitución. Por ejemplo, el grupo —OH de un alcohol es un mal grupo saliente, ya que tendría que salir como ion hidróxido. En la siguiente tabla se pueden ver algunos buenos grupos salientes que son bases débiles:


− <0 MUY BUENOS GRUPOS SALIENTESI− <0 (-5,2)

Br− <0 (-4,7)Cl− <0 (-2,2)

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H2O <0(CH3)2S <0

CF3COO− 0,2H3PO4

− 2F− 3,2



C6H5O− 10RNH2 , R3N 10CH3CH2S− 10,6


CH3O− 15


SALIENTESCH3− 49


Las moléculas neutras también pueden ser buenos grupos salientes. Una molécula neutra con frecuencia funciona como grupo saliente de un electrófilo cargado positivamente.-

III. Un buen grupo saliente debe ser polarizable para estabilizar el estado de transición: Esto es para mantener el enlace parcial con el átomo de carbono en el estado de transición. Este enlace ayuda a estabilizar el estado de transición y a reducir la energía de activación.-

Los nucleófilos y grupos salientes polarizables estabilizan el estado de transición al lograr más enlaces a mayores distancias. El ion yoduro, uno de los iones más polarizables, es tanto un buen nucleófilo como un buen grupo saliente. Por el contrario, el ion fluoruro es un ion pequeño “duro”. Éste es un nucleófilo débil (en disolventes próticos) y un mal grupo saliente en reacciones de sustitución.-

C. Base: La naturaleza de la base/nucleófilo atacante es decisiva en la reacción SN2 y E2, pero en la SN1 y E1 no es de importancia, debido a que por su propia naturaleza, la reacción E1 procede a través de un paso determinante de la velocidad en el cual la base no participa sino

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hasta después de que ha ocurrido este etapa. De modo que aumentar la concentración de la base no servirá de nada. Pero se requieren de bases débiles para la reacción E1.-

D. Solvente: La reacción E1 necesita de solventes polares próticos por las mimas razones que los necesita la reacción SN1.-

E. Rearreglos o reordenamientos en la E1: Las reacciones E1 pueden acompañarse por rearreglos de los carbocationes. Las eliminaciones por el mecanismo E2, por otra parte, en general proceden sin rearreglos. Los rearreglos pueden ser ya sea por desplazamiento de hidruro o desplazamiento de alquilo.-

Ejemplo: Desplazamiento de hidruro en la etanólisis del 3-bromo-3-metilbutano:

Ecuación total:


1. Ionización (disociación) del sustrato para formar el carbocatión intermediario. Este es el paso lento:

2. Desplazamiento de hidruro del carbocatión 2º para formar uno más estable (3º):

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3. El disolvente poco básico elimina cualquier protón adyacente al carbono electrofílico, formándose dos productos de acuerdo a los hidrógenos que se sustraen:

4. Eliminación bimolecular E2:

En el mecanismo E2 consta de cuatro elementos clave:

1. Formación del enlace B―H2. Ruptura del enlace C―H3. Formación de enlace π C=C4. Ruptura del enlace C―X

Entre las eliminaciones E1 y E2, la E2 es la reacción más confiable para sintetizar alquenos. Una eliminación bimolecular es un mecanismo concertado (un solo paso), la ruptura y la formación de enlaces tienen lugar al mismo tiempo. Los enlaces carbono-hidrógeno y carbono-halógeno están en el proceso de romperse, la base se está uniendo con el hidrógeno, un enlace π se está formando y la hibridación del carbono está cambiando de sp3 a sp2. La eliminación E2 tiene la siguiente forma general:

Por ejemplo: Reacción del 2-cloro-2-metilpropano con ion hidróxido:

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Por ejemplo: Reacción del 1-bromo-1-metilciclohexano con etóxido:

A nivel de los orbitales veamos que sucede en el mecanismo E2:

En el caso del ejemplo anterior del 2-cloro-2-metilpropano:

Competencia de la E2 con la reacción SN2:

La reacción E2 casi siempre está en competencia con la reacción SN2, de la misma manera que la reacción E1 lo está con la reacción SN1, formando mezclas de productos. La eliminación E2 da productos casi puros solo si se usan sustratos secundario o terciarios voluminosos que son malos sustratos para la SN2. Una base fuerte impulsa la eliminación E2 sustrayendo un protón, lo voluminoso de la molécula estorba la SN2 y por eso resulta un producto de eliminación relativamente puro. -

Las especies cargadas negativamente pueden actuar como nucleófilo y atacar el lado posterior del carbono α para formar el producto de sustitución (SN2), o actuar como base y remover un

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protón de un carbono β para formar el producto de eliminación (E2). En consecuencia, las dos reacciones compiten mutuamente. Observe que ambas reacciones ocurren por la misma razón: el halógeno que es electroatractor proporciona al carbono al que está unido una carga positiva parcial.

Puesto que un halogenuro de alquilo primario es el más reactivo en una reacción SN2 y menos reactivo en una reacción E2, un halogenuro de alquilo primario forma principalmente el producto de sustitución en una reacción que se lleva a cabo bajo condiciones que favorecen reacciones SN2/E2. En otras palabras, se favorece en este caso el producto de la sustitución:

En cambio, un halogenuro de alquilo secundario puede formar tanto productos de sustitución como de eliminación bajo condiciones SN2/E2:

Un halogenuro de alquilo terciario es el menos reactivo de los halogenuros de alquilo en una reacción SN2 y el más reactivo en una reacción E2. En consecuencia, un halogenuro de alquilo terciario sólo forma producto de eliminación en una reacción que se lleva a cabo bajo condiciones que favorecen reacciones SN2/E2:

Empleo de una base voluminosa: Si el sustrato tiende a la sustitución, una base voluminosa puede reducir al mínimo la cantidad de sustitución. Los grupos alquilo grandes sobre una base voluminosa dificultan su acercamiento para que ataque un átomo de carbono (sustitución), aunque puede fácilmente abstraer un protón (eliminación). Algunas de las bases fuertes voluminosas que se utilizan comúnmente para la eliminación son el ion ter-butóxido, la diisopropilamina, la trietilamina y la 2,6-dimetilpiridina:

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Por ejemplo: El bromociclohexano, un haluro de alquilo secundario, puede experimentar tanto sustitución como eliminación. Al utilizar una base voluminosa como la diisopropilamina, la eliminación (E2) se ve favorecida sobre la sustitución (SN2). La diisopropilamina es demasiado voluminosa para ser un buen nucleófilo, pero actúa como una base fuerte para abstraer un protón:

Recordemos que tanto la eliminación E1 como la E2 siguen la regla de Zaitsev (en algunos libros se encuentra como Saytzeff), es decir se forma en alqueno con el doble enlace más sustituido. El uso de una base voluminosa posee impedimento estérico para sustraer el protón que conduce al alqueno más sustituido. En este caso la base toma un protón menos impedido, en general el que genera el producto menos sustituido, conocido como producto de Hofmann. Por ejemplo la reacción del 2-bromo-2-metil-butano con el ion etóxido relativamente no impedido como base genera principalmente el producto de Zaitsev, pero con el voluminoso ion ter-butóxido genera principalmente el producto de Hofmann:

A. Cinética de la reacción E2: Se encuentra que la velocidad de eliminación E2 se cuadruplica cuando se duplica la concentración del halogenuro de alquilo o de la base, por lo tanto es una reacción bimolecular (el halogenuro de alquilo y la base participan en el paso determinante de la velocidad). La reacción es de segundo orden general y de primer orden con respecto a las concentraciones de ambos reactivos.-

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V=K r [halogenurodealquilo ] . [Base ]

El diagrama de energía de reacción del mecanismo E1 de la figura de abajo es parecido al de la reacción SN1. El paso de ionización es muy endotérmico, con un estado de transición limitante de la rapidez. El segundo paso es una desprotonación rápida y exotérmica realizada por una base. La base no se involucra en la reacción hasta después del paso limitante de la rapidez, por lo que la rapidez sólo depende de la concentración del haluro de alquilo. Las bases débiles son comunes en las reacciones E1.-

B. Estereoquímica de la reacción E2 : Los mecanismos concertados requieren arreglos geométricos específicos, para que los orbitales de los enlaces que se están rompiendo puedan traslaparse con aquellos que se están formando y los electrones puedan fluir sin problema de un enlace a otro. El arreglo geométrico que necesita la reacción SN2 es un ataque por la parte posterior, mientras que la reacción E2 necesita un arreglo coplanar de los orbitales.-

La eliminación E2 necesita la formación parcial de un nuevo enlace pi en el estado de transición, con sus orbitales paralelos p. Los electrones que en algún momento formaron un enlace C—H deben comenzar a traslaparse con el orbital que está desocupando el grupo saliente. La formación de este nuevo enlace π implica que estos dos orbitales sp3 deben ser paralelos y el traslape π sea posible cuando el hidrógeno y el halógeno salgan, y los orbitales vuelvan a hibridarse como los orbitales p del nuevo enlace π.-

Hay dos conformaciones que proporcionan la alineación coplanar (en el mismo plano) necesaria del grupo saliente son las conformaciones anticoplanar (o también llamada antiperiplanar, El peri- en periplanar significa “casi”) y la sincoplanar. En la conformación anticoplanar el hidrógeno y el halógeno son anti entre sí (θ = 180°), sus orbitales están alineados. En la conformación sincoplanar el hidrógeno y el halógeno se eclipsan entre sí (θ = 0°), y sus orbitales nuevamente están alineados.-

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De estas conformaciones, el arreglo anti-coplanar es el que se ve con mayor frecuencia en las reacciones E2. El estado de transición del arreglo anti-

coplanar es una conformación alternada con la base alejada del grupo saliente. En la mayoría de los casos este estado de transición tiene menos energía que el correspondiente a la eliminación sin-coplanar. El estado de transición para la eliminación sin-coplanar es una conformación eclipsada. Además de la energía más elevada que resulta de interacciones eclipsantes, el estado de transición sufre por la interferencia entre la base atacante y el grupo saliente. Para abstraer el protón, la base debe acercarse mucho al grupo saliente. En la mayoría de los casos, el grupo saliente es voluminoso y tiene carga negativa, y la repulsión entre la base y el grupo saliente eleva la energía del estado de transición sin-coplanar.-

Algunas moléculas están rígidamente unidas en conformaciones eclipsadas (o casi

eclipsadas), con un átomo de hidrógeno y un grupo saliente en un arreglo sin-coplanar. Es muy probable que tales compuestos experimenten una eliminación E2 mediante un mecanismo concertado sin-coplanar.-

Veamos qué es lo que sucede a nivel de los orbitales en las dos conformaciones anti y sin coplanar en un mecanismo E2:

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La E2 es una reacción estereoespecífica, ya que diferentes estereoisómeros de la materia prima reaccionan para dar estereoisómeros distintos del producto. Esta estereoespecificidad resulta del estado de transición anti-coplanar que generalmente está involucrado en la E2.-

C. Orientación de la E2: Muchos compuestos pueden experimentar eliminaciones de una u otra forma, y generan mezclas de alquenos. En muchos casos podemos predecir cual producto será predominante en la eliminación. En la mayoría de las eliminaciones E1 y E2, donde hay dos o más productos posibles de la eliminación, el producto con el enlace doble más sustituido será el predominante. Es decir siguen la regla de Zaitsev, y se dice que las reacciones que producen el alqueno más sustituido siguen la orientación de Zaitsev, y al alqueno menos sustituido se le denomina producto de Hofmann.

En el isómero trans, los sustituyentes más voluminosos están más separados, y por lo tanto es más estable que el isómero cis, donde los sustituyentes voluminosos están muy cerca.-

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Cuando los sustituyente voluminosos están del mismo lado de la molécula, sus nubes

electrónicas puede interaccionar entre sí, causando repulsiones en la molécula y haciéndola menos estable. Esta clase de tensión se denomina impedimento estérico. Cuando los sustituyentes voluminosos están en lados opuestos de la molécula, sus nubes electrónicas no pueden interactuar; de tal modo, la molécula tiene menos impedimento estérico y es más estable. Entonces, por lo general el alqueno trans (o E) se forma en cantidades mayores que su estereoisómero cis (o Z).-

Por ejemplo, el 2-bromobutano tiene dos carbono β estructuralmente diferentes de donde se puede remover un hidrógeno. Así que, cuando 2-bromobutano reacciona con una base, se forman dos productos de eliminación: 2-buteno (disustituido) y 1-buteno (monosustituido):

Observe que el alqueno más sustituido se obtiene cuando un hidrógeno se remueve del carbono β que está unido a menos hidrógenos.-

Se determinó que el 2-buteno es el principal producto de eliminación cuando 2-bromobutano reacciona con el ion metóxido. Sin embargo, 2-buteno tiene dos estereoisómeros: (E)-2-buteno y (Z)-2-buteno. ¿Cuál se obtiene en mayor

cantidad? De nuevo, se encuentra que el producto más estable es el que se forma en mayor cantidad. Recuerde que el alqueno más estable es aquel con los grupos más voluminosos en lados opuestos al doble enlace. Por lo tanto, se forma más (E)-2-buteno que (Z)-2-buteno.-

D. Sustrato y efectos estéricos: Los halogenuros de alquilos más sustituidos son más reactivos hacia la reacción E2 que los menos sustituidos, de igual manera para la E1 y SN1. El orden de reactividad de los halogenuros hacia la E2 es: 3º > 2º >> 1º > CH3X.-

E. Grupo saliente: Un buen grupo saliente es aquel que su enlace con el grupo alquilo se rompe fácilmente. En todas las reacciones tanto de eliminación (E1, E2) como de sustitución (SN1, SN2) se requiere de un buen grupo saliente. Es necesario un buen grupo saliente debido a que este se pierde en la etapa determinante de la velocidad. Cuando se aleja un buen grupo saliente la energía del estado de transición es menor (la energía de activación es más baja) que cuando el grupo saliente es malo. Un buen grupo saliente ayuda a estabilizar la carga negativa que se desarrolla, y su polarizabilidad permite mucho más traslape de unión en el estado de transición estabilizándolo. Entonces, un buen grupo saliente debe cumplir con tres características que ya se mencionaron y ampliaron anteriormente:

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I. Un buen grupo saliente debe ser un aceptor de electrones para polarizar al átomo de carbono.-

II. Un buen grupo saliente debe ser estable (no una base fuerte) una vez que ha salido con el par de electrones que lo unían al carbono.-

III. Un buen grupo saliente debe ser polarizable para estabilizar el estado de transición.-


− <0


I− <0 (-5,2)Br− <0 (-4,7)Cl− <0 (-2,2)

H2O <0(CH3)2S <0

CF3COO− 0,2H3PO4

− 2F− 3,2



C6H5O− 10RNH2 , R3N 10CH3CH2S− 10,6


CH3O− 15


SALIENTESCH3− 49

F. Base: La naturaleza de la base es el factor aislado más importante para saber si la reacción se llevará bajo el mecanismo E1 o E2. La reacción E2 es favorecida por altas concentraciones de una base fuerte. Por ejemplo bases como OH⁻, CH3O⁻.-

G. Solvente: La reacción E2 necesita de solventes polares apróticos por las mimas razones que los necesita la reacción SN2.-

H. Rearreglos o reordenamientos en la E2: Las reacciones E2 no pueden acompañarse por rearreglos.-

Reacciones E2 en sistemas con ciclohexano:

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La geometría anti periplanar para las reacciones E2 es particularmente importante en los anillos de ciclohexano, donde la geometría de silla fuerza una relación rígida entre los sustituyentes en los átomos de carbonos vecinos.-

La mayor parte de la reactividad química de los ciclohexanos sustituidos está controlada por su conformación. En la conformación de silla todos los enlaces carbono-carbono están alternados y se puede llevar a cabo una reacción E2 ya que esta conformación es anti-coplanar, el grupo saliente y el hidrógeno son trans diaxiales (es aquella conformación anti-coplanar que permite la E2 de dos sustituyentes adyacentes en un anillo de ciclohexano, los sustituyentes deben ser trans entre si y estar en posiciones axiales en el anillo). Los átomos de carbono adyacentes tienen un enlace axial apuntando hacia arriba y uno apuntando hacia abajo. Estos dos enlaces son trans entre sí y su geometría se llama trans-diaxial. Si el grupo saliente o el hidrógeno son ecuatoriales, no puede ocurrir la eliminación E2. O sea, el grupo saliente o el hidrógeno (ambos son adyacentes) deben ser axiales para que ocurra la E2 anti-coplanar. Esto se ilustra mejor en el siguiente gráfico:

Por ejemplo: La reacción del bromociclohexano con hidróxido de sodio. La conformación más estable del bromociclohexano es la que sitúa al átomo de bromo en posición ecuatorial. Sin embargo, la reacción de eliminación E2 no tiene lugar sobre el confórmero que presenta al bromo

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en posición ecuatorial sino sobre el otro confórmero, que es minoritario en el equilibrio conformacional, pero presenta al bromo en posición axial:

La conformación más estable del bromociclohexano es la que sitúa al átomo de bromo en posición ecuatorial. Sin embargo, la reacción de eliminación E2 no tiene lugar sobre el confórmero que presenta al bromo en posición ecuatorial sino sobre el otro confórmero, que es minoritario en el equilibrio conformacional, pero presenta al bromo en posición axial:

Por ejemplo, veamos el caso de ciclohexanos más sustituidos como el cis-1-cloro-4-tercbutil-ciclohexano posee el siguiente equilibrio:

Reacciona con el butóxido de potasio (KOBu-t) proporcionando 4-tercbutilciclohexeno a través de una conformación (conformación I) en la que el voluminoso terc-butilo se dispone ecuatorialmente. La conformación II no reacciona:

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El isómero trans-1-cloro-4-tercbutil-ciclohexano posee el siguiente equilibrio:

El isómero trans suministra muy lentamente (en la práctica no hay reacción) el mismo alqueno que el cis (4-terc-butilcicohexeno), pues para que la reacción progrese el voluminoso grupo terc-butilo debe situarse axialmente (conformación II). La conformación I no reacciona:

Comparación entre la E1 y E2:

COMPARACIÓN DE LOS MECANISMOS E1 Y E2 EN LOS HALOGENUROS DE ALQUILOE1 E2

Características del mecanismo

Dos pasos elementales (se agrega uno más si es una solvólisis): El paso 1 es el

determinante de la velocidad:Paso 1:

Paso único:

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Paso 2:

Estado de transición

Molecularidad Unimolecular Bimolecular

Cinética Primer orden:Velocidad = k.[R―X]

Segundo orden:Velocidad = k.[R―X][B]

Reactividad relativa de los grupos salientes

halogenuros

La naturaleza del grupo saliente tiene poco efecto sobre el tipo de mecanismo:

R―I > R―Br > R―Cl >> R―F R―I > R―Br > R―Cl >> R―FEfectos de la estructura

del sustrato en la velocidad (el grupo

alquilo R)

Es el factor más importante que determina que mecanismos se llevará a cabo:

Solo reaccionan los halogenuros: 3º > 2º

Reaccionan los halogenuros: 3º > 2º > 1º >> CH3X

Efecto de la base

La velocidad de la eliminación es independiente de la concentración y de la

naturaleza de la base (pero por lo general se necesitan bases débiles para que no

compita con la E2). La base no participa hasta después del

paso determinante de la velocidad.-

La velocidad depende tanto de la naturaleza de la base como de su

concentración. Se necesitan bases fuertes, ya que esta

participa en el paso determinante de la velocidad.-

Efecto del solvente

El paso lento involucra la formación de dos iones. La

solvatación de estos iones es crucial para estabilizarlos y

disminuir la energía de activación para su formación. Se necesitan solventes polares

próticos.-

Los disolventes polares apróticos logran velocidades de

eliminación más rápidas; la solvatación de la base es mínima

y el carácter básico mayor. Se necesitan solventes polares

apróticos.-

Estereoquímica

La reacción El comienza con una ionización para generar un carbocatión plano. No se necesita una geometría en

particular para la ionización.-

Ocurre a través de un mecanismo concertado que requiere un

arreglo coplanar de los enlaces de los átomos que están siendo

eliminados. El estado de transición por lo general es anti-coplanar, aunque puede ser sin-coplanar en el caso de sistemas

rígidos.-

OrientaciónSigue la regla de Saytzeff. Se

forma el alqueno más sustituido.-

Sigue la regla de Saytzeff. Se forma el alqueno más sustituido.-

Rearreglos Son comunes.- Son imposibles.-

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COMPARACIÓN ENTRE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN:

Revisaremos los factores más importantes que determinan la ruta de una reacción y los organizaremos en una secuencia que le permita predecir tanto como sea posible. El primer principio que se debe comprender es que no siempre podemos predecir un producto único o un mecanismo único. Con frecuencia, lo mejor que podemos hacer es eliminar algunas de las posibilidades y hacer algunas buenas predicciones. Recuerde esta limitación, aquí hay algunas pautas generales:

I. La fuerza de la base o nucleófilo determina el orden de la reacción . Si está presente un nucleófilo fuerte (o base), éste forzará una cinética de segundo orden, ya sea SN2 o E2. Si no está presente una base fuerte o nucleófilo, la reacción más rápida será quizá una de primer orden, ya sea SN1 o E1. Adicionar sales de plata a la reacción puede forzar algunas ionizaciones difíciles.-

Si no está presente una base fuerte o nucleófilo, la reacción más rápida será quizá una de primer orden, ya sea SN1 o E l. Adicionar sales de plata a la reacción puede forzar algunas ionizaciones difíciles.-

II. Los haluros primarios experimentan en general la reacción SN2, y ocasionalmente la E2 . Los haluros primarios rara vez experimentan reacciones de primer orden, ya que pocas veces se forman carbocationes primarios. Con buenos nucleófilos, se observan sustituciones nucleofílicas SN2. Con una base fuerte también pueden observarse eliminaciones E2.

Algunas veces se utilizan sales de plata o temperaturas elevadas para forzar a que un haluro primario se ionice, por lo general con reordenamientos para generar un carbocatión más estable. En tal caso, es posible observar reordenamientos SN1 y productos E1.-

III. Los haluros terciarios generalmente experimentan la reacción E2 (base fuerte) o una mezcla de SN1 y El (base débil). Los haluros terciarios no pueden experimentar la reacción

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SN2. Una base fuerte obliga una cinética de segundo orden, lo que resulta en eliminación mediante el mecanismo E2. En ausencia de una base fuerte, los haluros terciarios reaccionan mediante procesos de primer orden, por lo general una mezcla de SN1 y E1. Las condiciones específicas de reacción determinan la proporción de sustitución nucleofílica y eliminación.-

IV. Las reacciones de haluros secundarios son las más difíciles de predecir. Con una base fuerte cualquier reacción SN2 o E2 es posible. Con una base débil y un buen disolvente ionizante, cualquier reacción SN1 o E1 es posible. Las mezclas de productos son comunes.-

V. Algunos nucleófilos y bases favorecen la sustitución nucleofílica o la eliminación. Para promover la eliminación, la base debe abstraer rápidamente un protón pero no debe atacar rápidamente a un átomo de carbono. Una base fuerte voluminosa, como el terc-butóxido (⁻OC(CH3)3), favorece la eliminación. En la mayoría de los casos, temperaturas elevadas también favorecen la eliminación. Para promover la sustitución nucleofílica necesitamos un buen nucleófilo con una basicidad limitada: una especie muy polarizable que sea la base conjugada de un ácido fuerte. El bromuro (Br⁻) y el yoduro (I⁻) son ejemplos de buenos nucleófilos que son bases débiles y favorecen la sustitución nucleofílica.-

Resumen:

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COMPUESTOS ORGANOMETÁLICOS

Definición:

Los compuestos organometálicos con aquellos que tienen un enlace covalente carbono-metal, pueden tener enlaces sencillos, doble o triples. Un ejemplo de un compuesto organometálico, el acetiluro de sodio (NaC≡CH), que tiene un enlace iónico entre el carbono y el sodio. Sin embargo, el que un compuesto contenga un metal y un carbono, no es suficiente para clasificarlo como organometálico. Como el acetiluro de sodio, el metóxido de sodio (NaOCH3) es un compuesto iónico. Sin embargo, a diferencia del acetiluro de sodio, la carga negativa en el metóxido de sodio reside en el oxígeno, no en el carbono. Por lo tanto el metóxido de sodio no es un compuesto organometálico. Es decir no se consideran compuestos organometálicos aquellos que posean un enlace entre el metal y otro átomo distinto del carbono.-

Los reactivos son útiles por que contienen átomos de carbono nucleofílico, muy útil en especial para quien practica la química orgánica sintética y necesita formar enlaces carbono―carbono. Debido a que la mayor parte de los metales son más electropositivos que el carbono, el enlace Metal―Carbono está polarizado con una carga positiva parcial en el metal y una negativa parcial en el carbono:

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Nomenclatura organometálica:

Los compuestos organometálicos se nombran como derivados sustituidos de metales. El metal es la base, y los grupos alquilo unidos se identifican por el prefijo apropiado:

Cuando el metal lleva un sustituyente diferente al carbono, el sustituyente es tratado como si fuera un anión y se nombra por separado:

Una excepción en este tipo de nomenclatura es NaC≡CH, que se nombra regularmente como acetiluro de sodio. Tanto acetiluro de sodio como etinilsodio son nombres de la IUPAC aceptables.-

Estructura:

La naturaleza del enlace carbono-metal depende, en gran medida, del tipo de metal, variando desde los enlaces sustancialmente iónicos a los esencialmente covalentes. En general, cuanto más electropositivo es el metal, más iónico es el enlace C―metal.-

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Propiedades:

Las propiedades de los compuestos organometálicos son muy diferentes de las de otras clases que se han estudiado hasta ahora y difieren entre sí por el metal, su estado de oxidación y los grupos unidos al metal.-

Síntesis:

1. Reactivos de Grignard: Son compuestos organometálicos de litio y magnesio cuya fórmula general es R―Mg―X. Son el resultado de la reacción de halogenuro de alquilo (1º, 2º o 3º, o halogenuros de vinilo y arilo) con magnesio metálico siempre en presencia de éter como solvente para solvatar y estabilizar al reactivo de Grignard a medida que se forma:

Los yoduros son los más reactivos seguido por bromuro y cloruros, los fluoruros no reaccionan. Ejemplos:

2. Reactivos de organolitio: El litio reacciona con los halogenuros de alquilo (1º, 2º o 3º), vinilo y de arilo para formar compuesto organometálicos. En este caso no es necesario emplear éter,

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ya que estos reactivos de organolitio se producen y usan en una amplia variedad de solventes.-

Ejemplos:

3. Otros reactivos organometálicos: Estos reactivos se pueden preparar de la siguiente manera:

Reacciones de reactivos organometálicos:

1. Adición de reactivos organometálicos a compuestos carbonílicos para dar alcoholes: Debido a que los reactivos de grignard y organolitio son parecidos a los carbaniones, son nucleófilos y bases fuertes. En el grupo carbonilo (los que los tienen son los aldehídos y las cetonas) el oxígeno es más electronegativo que el carbono, entonces, el doble enlace C=O está polarizado con una carga parcial positiva en el carbono compensada por una carga parcial negativa en el oxígeno. El carbono cargado positivamente es electrófilo y es atacado por nucleófilos (como el R:⁻ que es el nucleófilo en los reactivos organometálicos).-

El producto del ataque nucleofílico al carbonilo es un ion alcóxido, que es una base fuerte. La adición de agua o un ácido diluido protona al alcóxido y forma un alcohol:

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Por ejemplo:

1º paso: Ataque nucleofílico del reactivo de grignard al carbono electrofílico del carbonilo para formar un alcóxido:

2º paso: Se añade agua o ácido diluido par protonar al alcóxido y obtener el alcohol:

Nos interesan las reacciones de los aldehídos y las cetonas con los reactivos organometálicos. Las cetonas tienen dos grupos alquilos unido al carbono del carbonilo, los aldehídos tienen un grupo alquilo y un hidrógeno unido al carbonilo, y por último el formaldehído tiene dos átomos de

hidrógeno unidos al carbonilo. La reacción del formaldehído con reactivos organometálicos produce alcoholes primarios. La reacción de aldehídos con reactivos organometálicos produce alcoholes secundarios. Y las cetonas generan alcoholes terciarios. Estas reacciones

se llevan a cabo bajo el mecanismo de adición nucleofílica, un mecanismo polar. También nos importan las

adiciones de rvo de grignard a cloruros de ácido y esteres que también posee en grupo carbonilo y son derivados de los ácidos carboxílicos (o derivados de acilo). En los ésteres el grupo hidroxilo esta sustituido por un grupo alcoxi (R―O―), en los cloruros de ácido el grupo hidroxilo esta sustituido por un átomo de cloro. Los cloruros de ácido u los ésteres reaccionan con dos moles de reactivos organometálico para dar después de la protonación alcoholes terciarios.-

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A. Adición de reactivos de Grignard al formaldehído, formación de alcoholes primarios: Si se trata al formaldehído con un reactivo de grignard, seguido por la protonación, se obtiene un alcohol primario con un átomo de carbono más que los que había en el rvo. de grignard:

Por ejemplo:

B. Adición de reactivo de Grignard a aldehídos, formación de alcoholes secundarios: Los reactivos de Grignard se adicionan a los aldehídos para generar, después de la protonación, alcoholes secundarios. Los dos grupos alquilo del alcohol secundario son el grupo alquilo del reactivo de Grignard y el grupo alquilo que estaba unido al grupo carbonilo del aldehído:

Por ejemplo:

C. Adición de reactivos de Grignard a cetonas, formación de alcoholes terciarios: La adición de un reactivo de Grignard, seguida de una protonación, genera un alcohol terciario, con tres grupos alquilo enlazados al átomo de carbono. Dos de los grupos alquilo son los dos que originalmente estaban enlazados al grupo carbonilo de la cetona. El tercer grupo alquilo proviene del reactivo de Grignard:

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Por ejemplo:

D. Adición de reactivos de Grignard a cloruros de ácido, formación de alcoholes terciarios: Recordemos que los cloruros reaccionan con dos equivalentes (o moles) de rvo de grignard, y luego de la protonación dan los alcoholes terciarios.-



I. Adición (o ataque del reactivo de grignard) del primer equivalente del rvo de grignard al carbonilo, produce un intermediario inestable el cual expulsa un ion cloruro, dando un cetona:

II. La cetona formada anteriormente reacciona con el segundo equivalente del rvo de grignard, formando una sal de magnesio de un alcóxido terciario:

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III. La protonación de la sal de magnesio del alcóxido terciario produce un alcohol terciario con uno de sus grupos alquilo proveniente del cloruro de ácido y los otros dos del rvo de grignard:

En resumen el mecanismo es:

Por ejemplo: Adición de reactivo de grignard, bromuro de etilmagnesio, a cloruro de 2-metilpropanoilo:

Ecuación total:

Bromuro de Cloruro de 3-etil-4-metil-3-pentanol etilmagnesio 2-metilpropanoilo alcohol 3º


I. Adición (o ataque del reactivo de grignard) del primer equivalente del rvo de grignard al carbonilo, produce un intermediario inestable el cual expulsa un ion cloruro, dando un cetona:

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E. Adición de reactivos de grignard a ésteres, formación de alcoholes terciarios: los ésteres reaccionan con dos equivalentes (o dos moles) de rvo de grignard y luego de la protonación dan los alcoholes terciarios. El mecanismo es el mismo que para los cloruros de ácido.-



I. Adición (o ataque del reactivo de grignard) del primer equivalente del rvo de grignard al carbonilo, produce un intermediario inestable el cual expulsa un ion alcóxido, dando un cetona:

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Por ejemplo: Adición de reactivo de grignard, bromuro de etilmagnesio, a benzoato de metilo:

Ecuación total:


I. Adición (o ataque del reactivo de grignard) del primer equivalente del rvo de grignard al carbonilo, produce un intermediario inestable el cual expulsa un ion alcóxido, dando un cetona:

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RESUMEN DE REACCIONES DE REACTIVOS DE GRIGNARD:

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bolilla 5 - halogenuros de alquilo

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