SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Y REACCIONES DE ELIMNACIÓN

Los haluros de alquilo se convierten fácilmente en otros grupos funcionales. El átomo de halógeno puede salir con su par de electrones de enlace para formar un ión haluro estable; se dice que un haluro es un buen grupo saliente.

Cuando otro átomo reemplaza al ión haluro, la reacción es una sustitución.

Si el ión haluro abandona la molécula junto con otro átomo o ión (con frecuencia el H+), la reacción es una eliminación

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Y REACCIONES DE ELIMINACIÓN

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA BIMOLECULAR

Mecanismo de la SN2 Reacción concertada Es una reacción que transcurre en un sólo

paso (concertada). El nucleófilo ataca al carbono del sustrato expulsando al grupo saliente. La aproximación del nucleófilo al carbono se produce por el lado opuesto al grupo saliente, llamado ataque dorsal.

Mecanismo SN2.El mecanismo siguiente muestra el ataque por el nucleófilo (ión hidróxido), el estado de transición y el desprendimiento del grupo saliente (ión yoduro).

El ión hidróxido ataca al carbono de la molécula de yodometano. En el estado de transición, existe un enlace que comienza a formarse entre el carbono y el oxígeno, y el enlace carbono-yoduro se rompe. La reacción produce un alcohol. Éste es un mecanismo concertado en el que todo pasa en un único paso.

Diagrama de Energía de ReacciónEl diagrama de energía de reacción para la reacción del yoduro de metilo con el ión hidróxido muestra sólo un máximo de energía, el estado de transición; no hay intermediosEl mecanismo SN2 es un ejemplo de reacción concertada. La formación de enlaces y la rotura de enlaces tiene lugar al mismo tiempo. Solamente hay un estado de transición formado por las dos moléculas (el ión hidróxido y el yodometano). No hay intermedios en esta reacción

Estados de transición para ataques del nucleófilo fuerte y débil

Basicidad y Nucleofilicidad

• La basicidad viene determinada por la constante de equilibrio para abstraer un protón. La nucleofilicidad se define por la velocidad de ataque sobre un átomo de carbono electrofílico para dar sustituciones o adiciones. En ambos casos, el nucleófilo (o base) forma un nuevo enlace; si el nuevo enlace lo forma con un protón, ha reaccionado como una base, si el nuevo enlace lo forma con el carbono, ha reaccionado como un nucleófilo.

Basicidad y Nucleofilia

Nucleófilos ComunesUna base es un nucleófilo más fuerte que su ácido conjugado. En general, cuanto más electronegativo es el átomo, menos nucleofílico es.

Efecto de la polarizabilidad del nucleófilo en las reacciones SN2.

Comparación de los iones fluoruro y yoduro como nucleófilos en las reacciones SN2. El fluoruro retiene fuertemente los electrones, que no pueden formar enlace C-F hasta que los átomos están próximos. El yoduro retiene los electrones externos con menos fuerza, por lo que es más fácil que se forme un enlace en la reacción

Influencia del Disolvente en la Nucleofilicidad

• En un disolvente prótico, los aniones pequeños se solvatan más fuertemente que los grandes, ya que el disolvente se aproxima más a un ión pequeño y forma puentes de hidrógeno más fuertes. Cuando un anión reacciona como nucleófilo, se requiere energía para «retirar» alguna de las moléculas de disolvente, rompiendo alguno de los puentes de hidrógeno que estabilizaban al anión solvatado.

Influencia del Disolvente en la Nucleofilicidad

• Si el ión es más pequeño, como el fluoruro, se requiere más energía para poder separar el disolvente de este ión que está fuertemente solvatado que de otro ión más grande, que está más débilmente solvatado, como el yoduro

• Los disolventes próticos polares rodearán al nucleófilo y reducirán su nucleofilia. Cuanto más pequeño sea el átomo, más solvatado estará y mayor será la reducción de la reactividad

Influencia del Disolvente en la Nucleofilicidad

Grupos Salientes ComunesLos sulfonatos, los sulfatos y los fosfatos son buenos grupos salientes porque pueden deslocalizar la carga negativa sobre los átomos de oxígeno. Las moléculas neutrales son grupos salientes cuando la reacción se lleva a cabo en medios ácidos.

Influencia Estérica del Sustrato Sobre las Reacciones SN2.

El ataque SN2 en un haluro de alquilo primario sencillo no está impedido; el ataque en un haluro de alquilo secundario está impedido, y el ataque en un haluro de alquilo terciario es imposible.

Sustrato en la SN2

Importancia del Sustrato

El sustrato influye en la velocidad debido al espacio ocupado por las cadenas carbonadas que impiden la aproximación del nucleófilo.

La ramificación sobre el carbono reactivo reduce de forma importante la velocidad de la reacción, llegando incluso a pararla en el caso de sustratos terciarios (3 cadenas unidas al centro reactivo).

Vista Molecular de un Ataque SN2La reacción SN2 tiene lugar a través del ataque del nucleófilo sobre el lóbulo posterior del OM antienlazante del enlace C-Br. El ataque posterior o dorsal invierte el tetraedro del átomo de carbono, de forma similar a como el viento invierte un paraguas.

El nucleófilo ataca al carbono desde la parte posterior, opuesto al grupo saliente. Las reacciones SN2 siempre tendrán como resultado una inversión de la configuración del carbono que está siendo atacado.

En el estado de transición de SN2 el carbono que sufre el ataque está momentáneamente pentacoordinado, en hibridación sp2

Se inicia el ataque. El nucleófilo debe aproximarse por el lado contrario del grupo saliente. Un orbital del nucleófilo interacciona con el lóbulo pequeño del orbital sp3 del carbono al que se une el

grupo saliente. Sólamente esta aproximaxión da lugar a un choque efectivo.

                                                                                            

                             

Se llega al estado de transición (ET), máximo de energía en el curso de la reacción. El carbono atacado está pentacoordinado, en

hibridación sp2. Su orbital p remanente mantiene enlaces transitorios con el nucleófilo y el grupo saliente. Los grupos R están

en un plano.

                                                                                            

                         

La tensión del ET se libera al desprenderse el grupo saliente. El carbono recupera la hibridación sp3 inicial. La configuración del

carbono que ha sufrido la reacción se ha invertido.                                                          

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA UNIMOLECULAR

Mecanismo de la SN1

El mecanismo de la reacción transcurre en dos etapas; la primera supone la perdida del grupo saliente con formación del carbocatión; en la segunda etapa se produce el ataque del nucleófilo.

Mecanismo de una Reacción SN1.

Diagramas de energía de las reacciones SN1 y SN2.

Efecto Inductivo e Hiperconjugación.El paso limitante de la velocidad de la reacción SN1 es la ionización para formar un carbocatión, proceso fuertemente endotérmico. El estado de transición para este proceso endotérmico se asemeja al carbocatión (postulado de Hammond), por lo que las velocidades de las reacciones SN1 tienen una dependencia de la estabilidad del carbocatión.

Disolución de los Iones.La reacción SN1 está favorecida en disolventes polares, que estabilizan los iones intermedios. El paso limitante de la velocidad forma dos iones y la ionización tiene lugar en el estado de transición. Los disolventes polares solvatan estos iones debido a la interacción de los dipolos del disolvente con la carga del ión. Los disolventes próticos como los alcoholes y el agua son incluso disolventes más efectivos, ya que los aniones forman enlaces de hidrógeno con el átomo de hidrógeno del grupo -OH y los cationes, complejos con los electrones no enlazantes del átomo de oxígeno del grupo -OH. Los disolventes polares próticos, como los alcoholes, pueden solvatar mejor los iones formados durante una reacción SN1.

Racemización en la Reacción SN1Un átomo de carbono asimétrico experimenta racemización cuando se ioniza y se transforma en un carbocatión aquiral, plano. Un nucleófilo puede atacar al carbocatión desde cualquier cara, dando lugar, como producto, a cualquier enantiómero.

Reacción SN1 Sobre un Anillo

Transposición de hidruro en una reacción SN1.

Una transposición de hidruro se representa por el símbolo ~H. En este caso, la transposición de hidruro convierte el carbocatión secundario inicialmente formado en un carbocatión terciario más estable. El ataque del disolvente a este último da lugar al producto de reordenamiento.

Transposición del Metilo en una Reacción SN1.

Cuando se calienta el bromuro de neopentilo con etanol, la reacción sólo da un producto de sustitución reordenado. Este producto es debido a la transposición del metilo (representada por el símbolo ~CH3), la migración de un grupo metilo junto con su par de electrones. Sin reordenamiento, la ionización del bromuro de neopentilo daría lugar a un carbocatión primario muy inestable.

Sustrato en la SN1Estabilidad de Carbocationes

La formación del carbocatión es un paso difícil dada la gran inestabilidad de estos intermedios. Los carbocationes son tanto más estables cuanto más sustituido esté el carbono que soporta la carga positiva. Así se clasifican en primarios cuando tienen un sólo sustituyente, secundarios con dos sustituyentes y terciarios con tres.

Nucleófilo en la SN1

Influencia del nucleófilo en la velocidad de la SN1La etapa determinante de la velocidad en esta reacción es la perdida del grupo saliente y en ella no participa el nucleófilo, esto hace que la velocidad no dependa del tipo de nucleófilo ni de su concentración.

Reacción de competenciaCuando dos o más nucleófilos compiten por el ataque a un carbocatión, la concentración y nucleofilia de cada uno determina la distribución final de productos. El mejor nucleófilo da el producto mayoritario y el peor el producto minoritario.

El ión azida es mejor nucleófilo que el metanol y ataca más rápido al carbocatión formado .

                               

ELIMINACIÓN DE PRIMER ORDEN: LA REACCIÓN E1

Una eliminación implica la pérdida de dos átomos o grupos del sustrato, con formación de un enlace pi. En muchos casos, las reacciones de sustitución y eliminación pueden llevarse a cabo al mismo tiempo y bajo las mismas condiciones.

Mecanismos y Cinética de la reacción E1

La abreviatura E1 quiere decir Eliminación Unimolecular. El término unimolecular quiere decir que el estado de transición que determina la velocidad, implica una molécula única en vez de un choque entre dos moléculas. El paso que determina la velocidad de una reacción E1, es el mismo que el primer paso en la reacción SN1: ionización unimolecular de la materia prima para formar un carbocatión

Mecanismo E1.En un segundo paso rápido, una base abstrae un protón del átomo de carbono adyacente al C+. Los electrones que antes formaban el enlace carbono-hidrógeno ahora forman el enlace pi entre dos átomos de carbono. El mecanismo general de una reacción E1 es

Competencia Entre las Reacciones SN1 y E1

Modelo Orbital para la Eliminación E1

Diagrama de Energía para las Reacciones E1.

Reordenamiento en el Mecanismo E1

Como en otras reacciones mediadas por un carbocatión intermedio, en la E1 se pueden producir reordenamientos. Compare la siguiente reacción E1 (con reordenamiento) con la reacción SN1 del mismo sustrato

Cuando la reacción conlleva intermedios carbocatiónicos, habrá una posibilidad de reordenamientos, por lo que se obtendrá la mezcla de productos

ELIMINACIÓN DE SEGUNDO ORDEN:LA REACCIÓN E2

Los halogenuros de alquilo al ser tratados con bases fuertes sufren reacciones de eliminación que generan alquenos. La E2 es la reacción de eliminación más importante en la síntesis de alquenos y consiste en arrancar hidrógenos del carbono contiguo al que posee el grupo saliente, formándose entre ellos un doble enlace.

Las Reacciones E2La eliminación también puede ser bimolecular en presencia de una base fuerte. A manera de ejemplo, considérese la reacción del bromuro de terc-butilo con ión metóxido en metanol

E2 muestra la misma preferencia de sustrato como E1, 3o > 2o > 1o . E2 necesita una base fuerte

Mezcla de Productos en las Reacciones E2

ELIMINACIÓN CON BASES IMPEDIDAS

El tert-butóxido de sodio y el LDA son bases que dan E2 tanto con sustratos primarios, secundarios y terciarios. Esto se debe a su gran tamaño que favorece las eliminaciones frente a las sustituciones.

Regla de Hofmann

Estas bases siguen la regla de Hofmann generando el alqueno menos sustituido mayoritariamente. Debido a su gran tamaño sustraen a mayor velocidad los hidrógenos más accesibles, generando el producto cinético -alqueno menos estable- mayoritariamente.

Regla de Zaytzeff

En la mayor parte de las eliminaciones E1 y E2, donde hay dos o más productos de eliminación, predominará el producto de doble enlace más sustituido

R2C=CR2 > R2C=CRH > R2C=CH2 > RHC=CH2

Estado de Transición para las Reacciones E2

Comparación de los Mecanismos de Eliminación E1 y E2

ELIMINACIÓN E1 La velocidad de la reacción

es proporcional a la concentración del halogenuro de alquilo [R-X], pero no a la concentración del nucleófilo. Obedece a una ecuación cinética de primer orden.

ELIMINACIÓN E2 La velocidad de la reacción

E2 es proporcional a las concentraciones tanto del halogenuro del alquilo [R-X] como de la base [B:]. Obedece a una ecuación cinética de segundo orden

Eliminación E1 Si no hay una base fuerte

presente, es probable que se lleve a cabo una ionización unimolecular, seguida de una sustracción del protón por una base débil, como por ejemplo, el disolvente

Eliminación E2 Si hay una base fuerte, la

velocidad de la reacción bimolecular será mayor que la velocidad de ionización, y la reacción E2 predominará

Eliminación E1 En la reacción E1, el paso

que determina la velocidad es la formación de un carbocatión, y el orden de reactividad refleja la estabilidad de los carbocationes

E1: 3° > 2°

Eliminación E2 En la reacción E2, los

halogenuros más sustituidos forman generalmente alquenos más sustituidos, y por consiguiente más estables

E2: 3° > 2° > 1°

Eliminación E1 El paso lento de la reacción

E1 implica la formación de dos iones. Como la sustitución unimolecular, la reacción E1 depende de disolventes ionizantes muy polares, como agua y los alcoholes

Eliminación E2 En la reacción E2, el estado

de transición reparte la carga negativa de la base sobre toda la molécula. No hay mayor necesidad de solvatación. Por lo tanto es menos sensible al disolvente