Reacciones de Sustitución 26/06/2012

Transcripción

1 Básicas ITESM, campus qro. 1

2 En las reacciones de sustitución dos Reactivos intercambian átomos o grupos de átomos y originan dos productos nuevos Estudiar el mecanismo de dos reacciones de sustitución de importancia: 1. Sustitución nucleofílica alifática. 2. Sustitución electrofílica aromática. Distinguir el tipo de mecanismo que sigue una reacción de sustitución nucleofílica alifática, la Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) y la Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1), mediante la observación del tipo de sustrato, el nucleófilo, el gpo. saliente y el solvente. Predecir el producto o productos de una reacción de sustitución nucleofílica alifática y de una electrofílica aromática Básicas ITESM, campus qro. 2

3 Las reacciones de sustitución nucleofílica alifática son de las reacciones más empleadas y versátiles de la Química Orgánica En el sustrato debe existir un carbono ligado a un gpo. saliente el cual será reemplazado por un nucleófilo. La mayor electronegatividad del grupo saliente con respecto al carbono, polariza el enlace, confiriéndole al carbono una carga parcial positiva (electrófilo) haciéndolo el centro del ataque nucleofílico. Algunos tipos de compuestos que se pueden formar por desplazamiento nucleofílico de los halogenuros de alquilo Los halogenuros de alquilo (R-X), son los grupos salientes comunes, es por ello que sus reacciones características son las sustituciones nucleofílicas. Básicas ITESM, campus qro. 3

4 El CH 3 Br, se ha usado como fumigante de termitas y agente esterilizante del suelo, por su elevada toxicidad. Esta, es debida a su capacidad de transferir ó sustituir un gpo. alquilo a un amino o un sulfhidrilo nucleofílicos de ciertas enzimas, alterando así su desempeño biológico normal. Produce un alcohol Cinética de segundo orden, n=2, bimolecular. La velocidad de la reacción depende tanto del nucléofilo como del sustrato. Si la concentración del nucléofilo ó del sustrato se duplica, también la velocidad. Produce un alcohol Cinética de primer orden n= 1, Unimolecular. La velocidad de la reacción depende sólo del sustrato. Si la conc. del sustrato se duplica, también la velocidad, pero no cambia al aumentar la del nucleófilo. Transcurre por un mecanismo S N 2 Transcurre por un mecanismo S N 1 Básicas ITESM, campus qro. 4

5 Inicia con el ataque nucleofílico al carbono electrofílico, por la parte opuesta al gpo. saliente. El estado de transición inestable, debe desprenderse del gpo. saliente tan pronto se forme el enlace con el Nu -. El ataque posterior, deforma el tetraedro del carbono electrofílico, desde dentro hacia fuera (similar a un paraguas con el viento), en el producto el Nu - tiene una estereoquímica inversa a la del gpo. saliente, inversión de la configuración (inversión de Walden). Especialmente importante si el carbono electrofílico es quiral. Estereoespecifica Reacción concertada, un solo paso, donde la ruptura del enlace con el gpo. saliente y la formación del enlace con el Nu - ocurren simultáneamente. Ocurre en sus tratos 1 y 2 Básicas ITESM, campus qro. 5

6 Algunas reacciones S N 2 ocurren muy rápidamente, mientras que otras muy lentamente. A mayor gpos. alquilo ligados al carbono electrofílico, la velocidad de reacción es más lenta. Factores que influyen en la velocidad de reacción: 1. Tipo de sustrato 2. Nucleófilo 3. Gpo. saliente 4. Solvente Básicas ITESM, campus qro. 6

7 Los factores estéricos son los responsables más importantes de la reactividad del sustrato. El ataque de un haluro de alquilo 1 y 2 no está impedido, ya que están accesibles y en un 3 es prácticamente IMPOSIBLE dado la poca accesibilidad del carbono electrofílico. Reactividad Relativa CH3 X > 1 > 2 Básicas ITESM, campus qro. 7

8 El Nu es neutro o con carga negativa. En la reacción el Nu neutro adquieren carga negativa y el Nu - que es anión se vuelve neutro. Los más básicos son más reactivos. Especies negativas son más reactivas que las especies neutras similares. OH - > H2O La nucleofilia decrece de izq. a derecha y de abajo hacia arriba en la tabla periódica, al contrario que la electronegatividad. OH - > F -. Los mejores Nu - son los que están más abajo en una columna de la tabla periódica. I > Br >Cl > F Su reactividad también está influida por las condiciones de reacción Algunos nucleófilos comunes por orden decreciente en agua y alcoholes Básicas ITESM, campus qro. 8

9 Un buen gpo. saliente debe ser: Aceptor de e - Estable (base débil) una vez que ha salido. Polarizable para estabilizar el estado de transición. Los sulfonatos, sulfatos y fostafos son muy buenos grupos salientes porque deslocalizan la carga entre los átomos de O. Las moléculas neutras son buenos gpos. salientes cuando el medio es ácido. Bases débiles que son grupos salientes comunes Un gpo. muy básico o muy pequeño impide la reacción Básicas ITESM, campus qro. 9

10 Los solventes polares apróticos (no forman puentes de H) forman interacciones débiles con el Nu y aceleran la velocidad de reacción. Los próticos (H 2 O, alcoholes, mezclas agua-alcohol) desaceleran la reacción al solvatar al nucleófilo, lo hacen menos nucleofílico. Básicas ITESM, campus qro. 10

11 Reacción concertada Depende tanto de la concentración de sustrato y de nucleófilo. Los sustratos terciarios no experimentan estas reacciones. Reactividad Relativa:CH3 X > 1 > 2 Debe haber un Nu fuerte. Debe presentar muy buen gpo. saliente. Los R-F, R-OH, R- O-R y R-NH 2, no experimentan este tipo de reacciones. Los solventes polares apróticos aceleran la velocidad de una reacción S N 2 El producto tiene configuración invertida (reacción estereoespecífica) Básicas ITESM, campus qro. 11

12 1. Indicar el orden de reactividad creciente para los siguientes sustratos a. 2-cloro propano b. cloruro de etilo c. cloruro de terbutilo d. cloruro de isobutilo 2. Qué sustancia del par debe ser más reactiva como nucleófilo? a. (CH3)2N - y (CH3)2NH a. H2O y H2Se 3. Indicar el orden de reactividad creciente a. 2-bromo-propano b. 2-cloro-propano c. Yoduro de terbutilo d. 2-yodo-propano qué efecto tendrían el éter dietílico y el benceno (no polares) en la SN2? a. Acelerar b. Desacelerar c. Ninguno Pronosticar si es probable o no que las siguientes reacciones transcurran por S N 2, si es así dar el producto con su configuración (si aplica) Etanol a. Cloruro de terbutilo + KOH DMF b. (R)-2-yodo-butano + HCl CH 3 CN c. Bromuro de metilo + NaI Básicas ITESM, campus qro. 12

13 Reacción concertada Depende tanto de la concentración de sustrato y de nucleófilo. Los sustratos terciarios no experimentan estas reacciones. Reactividad Relativa:CH3 X > 1 > 2 Debe haber un Nu fuerte. Debe presentar muy buen gpo. saliente. Los R-F, R-OH, R- O-R y R-NH 2, no experimentan este tipo de reacciones. Los solventes polares apróticos aceleran la velocidad de una reacción S N 2 El producto tiene configuración invertida (reacción estereoespecífica) Básicas ITESM, campus qro. 13

14 Una de las reacciones biológicas más importantes es la transferencia de un metilo de un donante electrofílico a un nucleofílico. En el laboratorio se escogería CH 3 I, pero los organismos usan S- adenosilmetionina, molécula compleja, donante biológico del gpo. Metilo. El azufre de esta molécula (sustrato) es excelente gpo. saliente para S N 2 en el carbono del metilo. Un ejemplo de esta metilación es la síntesis biológica de adrenalina (droga del pelear o huir) a partir de la norepinefrina en la médula adrenal. Básicas ITESM, campus qro. 14

15 Reacción en dos pasos elementales. El primer paso inicia con la salida del gpo. saliente por una ruptura heterolítica, produciendo lentamente un carbocatión. Este paso es limitante de la velocidad, explica la ley de velocidad. El segundo paso (más rápido) consiste en la ataque del Nu al carbocatión. Formando dos productos, uno con configuración invertida y el otro con retención. Mezcla racémica si el carbono es quiral. Puede ser que los dos productos sean transpuestos. Básicas ITESM, campus qro. 15

16 Como el carbocatión es planar, el nucleófilo puede atacar ya sea por arriba o debajo del plano, originando una mezcla de dos enantiómeros (racemización). Si el ataque es del mismo lado del gpo. saliente retrendrá la configuración y del lado contrario tendrá configuración invertida. Si el carbocatión formado en el paso lento no es el más estable, experimentará un rearreglo mediante el desplazamiento 1,2 de hidruros o de metilos para formar un carbocatión más estable (transposición). Básicas ITESM, campus qro. 16

17 Algunas reacciones S N 1 ocurren muy rápidamente, mientras que otras muy lentamente. De manera análoga a la S N 2, los factores que influyen son: 1. Tipo de sustrato: Los sustratos 3 son los más reactivos debido a que el paso limitante es la formación del carbocatión. Cuanto más estable es un carbocatión, más rápida es su formación... Un sustrato sufre S N 1 más rápido que otro porque forma el carbocatión más rápido Nucleófilo: Debido a que no participa en el paso limitante, su concentración ni su naturaleza influye en la velocidad. 3. Gpo. Saliente: Similar a la S N 2 4. Solvente: Los solventes polares próticos son los mejores porque estabilizan al carbocatión y aceleran la velocidad. No así los apróticos. Reactividad Relativa 2 <3 Básicas ITESM, campus qro. 17

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20 La sustitución electrofílica aromática, es el mecanismo más importante implicado en las reacciones de los compuestos aromáticos (los cuales representan aprox. el 50% de todos los compuestos orgánicos) Los compuestos aromáticos incluyen al benceno y sus derivados, así como otros compuestos, con anillos de 5,6, 7 ó más carbonos, con electrones pi que son números de Hückel (4n+2) y que resisten las reacciones de adición (debido a la estabilidad del sistema aromático) y experimentan reacciones de sustitución. Pese a que los electrones pi del anillo aromático (como en el benceno) se encuentran en un sistema estable aromático, únicamente están disponibles durante el ataque de un Electrófilo (E), fuerte que sustituye a un átomo de H. Nunca se pierde el núcleo aromático Benceno De esta forma se obtienen numerosos derivados aromáticos como los que se muestran en la figura. Básicas ITESM, campus qro. 20

21 La reacción transcurre en dos pasos elementales. El primer paso consiste en el ataque del Electrófilo para formar un carbocatión en equilbirio donde se encuentra estabilizado por el sistema aromático (complejo sigma). El segundo paso consiste en la pérdida de un protón para formar el producto de la sustitución aromática. Básicas ITESM, campus qro. 21

22 El bromo molecular no es suficientemente electrofílico para reaccionar con el benceno, sin embargo un ácido de Lewis, como el FeBr3 cataliza la reacción. Observar que el primer paso ahora es la formación del electrófilo fuerte. El ataque del benceno por el electrófilo y la salida del protón produce principalmente bromobenceno como producto de la sustitución. Las reacciones globalmente son exotérmicas Básicas ITESM, campus qro. 22

23 El mecanismo es similar a otras deshidrataciones catalizadas por ácidos. El ácido sulfúrico protona el gpo. Hidroxilo del ácido nítrico, formando el ión nitronio (electrófilo fuerte). La pérdida del protón del complejo sigma produce el nitrobenceno. Los compuestos aromáticos nitroderivados son componentes de muchos medicamentos, como el antibiótico cloranfenicol Básicas ITESM, campus qro. 23

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