1. Reacciones.

2. Sustitución nucleófila. Mecanismos.

3. Mecanismo SN2.

4. Reacciones estereoespecíficas y estereoselectivas.

5. Factores que afectan a la facilidad de la SN2.

6. Mecanismo SN1. Carbocationes: estabilidad relativa.

Transposición de carbocationes.

7. SN2 versus SN1.

Lección 10: HALUROS DE

ALQUILO II

� El enlace C-X está muy polarizado y,

por ello, el carbono unido al halógeno

en un haluro de alquilo es un punto

importante de reactividad.

� El átomo de halógeno del haruro de

alquilo es capaz de salir fácilmente

como ión halogenuro.

Reactividad de los haluros de alquilo

TABLA 10.1

R - X + Nu R - Nu + X

sustrato nucleófilo producto gruposaliente

Sustitución nucleófila. Mecanismos

La velocidad de la reacción depende tanto de [OH-] como de [CH3Br], y viene expresada por

� En la reacción del bromuro de metilo con ión hidróxido para generar metanol:

CH3Br + OH CH3OH + Br

Velocidad = k [CH3Br] [OH-]

� En la reacción del bromuro de terc-butilo con ión hidróxido para dar terc-butanol:

La velocidad de la reacción del bromuro de t-butilo depende sólo [RBr]. Esto se indica por

(CH3)3CBr + OH (CH3)3COH + Br

Velocidad = k [(CH3)3CBr]

Se dice que la reacción del bromuro de

metilo sigue una cinética de segundo

orden. La del bromuro de t-butilo, en cambio,

sigue una cinética de primer orden

Sustratos diferentes reaccionan con

órdenes cinéticos distintos porque

están reaccionando por mecanismos

diferentes: algunos, como el metilo, por

el SN2; otros, como el t-butilo, por el SN1.

SN2

SN1

disolvente

Sustitución nucleófila bimolecular SN2

La cinética es de segundo orden.

Velocidad = k [ RBr ] [ HO- ]

� La cinética es de segundo orden: r. bimolecular.

� La reacción SN2 es un proceso concertado: tiene

lugar en una sola etapa elemental.

�El nucleófilo ataca al carbono desde la parte

posterior, opuesto al grupo saliente: se da una

inversión de la configuración del carbono atacado.

-

-‡

1

C sp3

C sp3C sp3C sp2

Reacciones estereoespecíficas y estereoselectivas

La reacción SN2 es estereoespecífica y estereoselectiva

1. Una reacción estereoespecífica es una reacción química en la que reactivos

estereoquímicamente (enantioméricamente o diastereoisoméricamente) diferentes dan

productos estereoquímicamente distintos. Toda reacción estereoespecífica es estereoselectiva.

2. Una reacción estereoselectiva origina preferentemente un estereoisómero de entre los dos o

más posibles.

SN2

(R)-2-bromobutano + HO- (S)-2-butanol + Br-SN2

SN2

trans-1-bromo-3-metilciclopentano + HO- cis-3-metilciclopentanol + Br-SN2

Sustitución nucleófila bimolecular SN22

1. Estructura del grupo alquilo del sustrato.

2. Naturaleza del grupo saliente.

3. Naturaleza del nucleófilo y efecto del disolvente.

http://www.ugr.es/~quiored/qc/mecanismos/sn2.swf

La velocidad de una reacción SN2 se

afecta por distintos factores:

Para ver una animación del mecanismo SN2 visita:

La velocidad de la reacción SN2 varía en el orden:

RCH3 > RX 1os > RX 2os > RX 3os

Esto se debe a que: a medida que aumenta el número de

grupos alquilo sobre el carbono que sufre el ataque del

nucleófilo, aumenta el impedimento estérico en el ET

pentacoordinado y aumenta su Ea, con lo que la velocidad

del proceso disminuye.

1. Efecto de la estructura del grupo alquilo en la

velocidad de reacción SN2

TABLA 10.2

El ataque SN2 en un haluro

de alquilo primario sencillo

no está impedido, en un

haluro de alquilo

secundario está impedido,

y en un haluro de alquilo

terciario es imposible.

3

Las bases débiles, que son grupos

salientes comunes (Ej. Haluros, sulfonatos)

son buenos grupos salientes porque

tienen más facilidad para aceptar el par de

electrones o deslocalizar la carga negativa.

Cuanto más pequeña es Kb (izquierda y

arriba en la tabla) mejor grupo saliente es.

Las moléculas neutras son grupos

salientes cuando la reacción se lleva a

cabo en medios ácidos.

2. Efecto de la naturaleza del grupo saliente en la

velocidad de reacción SN2

1.0 x 1036CH3-

1.0 x 1021NH2-

50OH-6.3 x 10-16CH3SO3-

32CH3O-2.0 x 10-16H2O

1.0 x 10-4CH3S-6.3 x 10-17Cl-

1.6 x 10-5CN-2.0 x 10-19Br-

5.0 x 10-10CH3CO2-1.0 x 10-19HSO4

-

1.6 x 10-11F-6.3 x 10-20I-

Malos grupos salientes

(Bases fuertes)

Buenos grupos salientes

(Bases débiles)

KbGrupo saliente

KbGrupo saliente

Tabla 10.3.

Grupos salientes y Kb

4

iones

Mol.

neutras

3. Efecto de la naturaleza del grupo nucleófilo y el

disolvente en la velocidad de reacción SN2

� La SN2 se ve favorecida por una alta concentración del nucleófilo, así como por un aumento de la nucleofilia del reactivo.

� Las reacciones SN en general requieren la existencia de iones, ya sea como Nu, grupo saliente, productos, e incluso ET, por ello se requieren disolventes polares.

� Una base es un nucleófilo más fuerte que su ácido conjugado.

Ej. CH3O- > CH3OH y OH

- > H2O

� En general, cuanto más electronegativo es un átomo, menos nucleofílico es:

1. Comparando nucleófilos cuyos átomos atacantes pertenecen al mismo periodo de la TP, la nucleofilia aumenta, igual que la basicidad, hacia la izquierda.

Ej. R3C- > R2N

- > RO- > F-

2. Comparando nucleófilos con átomos atacantes del mismo grupo de la TP, la nucleofilia aumenta al bajar

Ej. I- < Br- > Cl- > F-

� La nucleofilia aumenta con la polarizabilidad y disminuye con la solvatación.

5

Nucleofilia

aumentando

TABLA 10.5.

En la figura se comparan 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.

En general, la nucleofilia aumenta

con el incremento de la

polarizabilidad del átomo y la

polarizabilidad aumenta a medida

que el tamaño del átomo se

incrementa.

Efecto de la polarizabilidad del nucleófilo en las

reacciones SN2.

6

En un disolvente prótico (Ej. agua, metanol,

etanol), los aniones pequeños se solvatan

más fuertemente que los grandes, ya que el

disolvente se aproxima más a un ión pequeño

y forma enlaces 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 enlaces de hidrógeno que

estabilizaban al anión solvatado. 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.

Influencia del disolvente en la nucleofilia y en la SN2

Los disolventes polares próticos rodearán al nucleófilo y

reducirán su nucleofilia. Cuanto más pequeño sea el átomo,

más solvatado estará y mayor será la reducción de la

reactividad.

Los mejores disolventes para la

SN2 son los polares apróticos

(Ej. DMF, DMSO, acetona). Estos

permiten una mayor

concentración efectiva del anión

(nucleófilo) en el medio, pues

solvatan muy bien a los cationes y

muy mal a los aniones.

TABLA 10.6.

7

Disolventes

Polares Apolares

PróticosEj. Agua, alcoholes

ApróticosEj. Acetona, DMF, DMSO

PróticosEj. AcOH glacial

ApróticosEj. Hexano, benceno

TABLA 10.7.

Favorecen

la reacción

SN2

8

Sustitución nucleófila monomolecular SN1

Debido al impedimento estérico los haluros terciarios (Ej bromuro de t-butilo) no

sufren SN2. Sin embargo cuando se tratan con nucleófilos, especialmente si éstos

son bases débiles como H2O, EtOH o MeOH, originan productos de sustitución.

CH3

C

CH3

BrH3C

CH3

C

CH3

OHH3C

CH3

C

CH3

OCH3H3C

H2O

25º

CH3OH

25º

terc-butanol

(70%)

terc-butil metil éter

(80%)

Por tratarse en estos

casos de reacción con el

disolvente se denominan

solvólisis

Estas reacciones presentan cinética de primer orden: Velocidad = k [(CH3)3CBr]

El mecanismo que siguen se denomina SN1 y no es un proceso concertado, sino

que transcurre en varias etapas elementales. El término unimolecular quiere decir

que sólo una molécula está implicada en el estado de transición del paso limitante

de la velocidad de reacción. La etapa limitante es la rotura heterolítica del

haluro de alquilo para dar un carbocatión.

1

TABLA 10. 8.

orbital

vacío p

Los carbocationes alquílicos son

planos y se estabilizan por la donación

de electrones a través de los enlaces

sigma (efecto inductivo) y mediante el

solapamiento frontal de los orbitales σC-Hcontiguos con el orbital p vacío

(hiperconjugación); por tanto, los

carbocationes altamente sustituidos son

más estables.

Estabilid

ad aumentando

Otros carbocationes (Ej. Alilo,

bencilo) se estabilizan por

resonancia

Los carbocationes

experimentan

transposiciones

Sustitución nucleófila SN1. Mecanismo 2

El mecanismo SN1 es un proceso en varias etapas (dos, como mínimo). El primer paso es una

ionización lenta del haluro de alquilo para formar un carbocatión. El segundo paso es un ataque

rápido de un nucleófilo al carbocatión. El carbocatión es un electrófilo fuerte y reacciona

rápidamente tanto con un nucleófilo fuerte como con uno débil. En el caso de ataque de una

molécula de alcohol o de agua (como nucleófilos), se tendría que perder un protón con

objeto de obtener un producto neutro.

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.

Se vio cómo los carbocationes son tanto más

estables cuanto más sustituídos. Por tanto:

3Sustitución nucleófila SN1. Mecanismo

La velocidad de la reacción SN1 varía en el

orden:

RCH3 < RX 1os < RX 2os < RX 3os

La reacción SN1 está favorecida en disolventes polares, que estabilizan los iones

intermedios. El paso limitante de la velocidad forma dos iones. 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 los 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.

Racemización en la reacción SN1. Los carbocationes tienen orbitales híbridos

sp2 y un orbital vacío p. El nucleófilo puede aproximarse carbocatión plano desde

arriba o desde abajo. Si el nucleófilo ataca por el mismo lado del grupo saliente,

habrá una retención de configuración, pero si el nucleófilo ataca por el lado

opuesto del grupo saliente la configuración se invertirá. Las reacciones SN1

forman mezclas de enantiómeros (racemización).

4

Para ver una animación del mecanismo SN1 visita:

http://www.ugr.es/~quiored/qc/mecanismos/sn1.swf

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.

Una vez se haya formado el carbocatión, un hidrógeno se desplaza (mueve)

de uno de los carbonos contiguos al carbocatión para producir un carbocatión

más estable. El mecanismo continuará con el ataque del nucleófilo sobre el

carbocatión. Puesto que hay dos carbocationes intermedios, habrá dos

productos.

Transposición de hidruro en una reacción SN1

Los carbocationes sufren transposiciones para transformarse en otros

carbocationes más estables. Para ello, un átomo de hidrógeno o un grupo

alquilo migra con un par de electrones al carbono deficiente desde uno

contiguo. Así en la etapa limitante de la reacción SN1:

5

Cuando se calienta el bromuro de neopentilo con etanol, la reacción sólo da

un producto de sustitución reordenado, que es el 2-etoxi-2-metilbutano. 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. La formación de un carbocatión primario

no es posible como tal dada su gran inestabilidad, por lo que, de hecho, la

transposición del metilo y la formación del carbocatión se produce en un único

paso para formar un carbocatión terciario. El ataque por el nucleófilo sobre el

carbocatión proporciona el único producto obtenido de esta reacción.

Transposición del metilo en una reacción SN1 6

SN2 versus SN1

TABLA 10. 9.