UNIDAD IV: REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Y ELIMINACIÓN PRIMERA PARTE: MECANISMOS Química Orgánica I USAC Primer Semestre 2017 Sección D
Familias de compuestos que sufren reacciones de Sustitución Nucleofílica Halogenuros de alquilo Alcoholes Éteres alifáticos
El enlace C-X y C-O- El enlace C-X y C-O- es un enlace polar. El carbono es un sitio deficiente en electrones y reaccionará con reactivos nucleofílicos (bases de Lewis)
Reacción de sustitución: ecuación general C-G + :Nu C-Nu + :G Carbono sp3 deficiente en electrones (ᵟ+). Es el sitio reactivo de la molécula Reactivo nucleofílico (base de Lewis) neutro o aniónico Producto de sustitución Grupo saliente: es una base de Lewis MAS DÉBIL que :Nu Además debemos considerar el disolvente con el cual se trabaja y la temperatura de reacción, es decir, las condiciones de reacción
(En casos como los anteriores, cuando el nucleófilo presenta carga negativa, se sobreentiende que hay un catión en el medio para balancear las cargas,(p.ej. Na +, K + ) pero puesto que la identidad del mismo no tiene consecuencias, generalmente se omite en el momento de escribir las ecuaciones.)
Los nucleófilos Nucleófilos y bases son estructuralmente similares: poseen pares de electrones libres para compartir. Se diferencian en los átomos a los que atacan preferentemente. Las bases atacan protones. Los nucleófilos atacan otros átomos deficientes en electrones, por lo general átomos de carbono.
Basicidad y nucleofilia Basicidad es una medida de la facilidad con la que un átomo dona su par de electrones a un protón. Se puede medir mediante Ka, una constante de equilibrio en una reacción ácido base, por lo que se puede considerar una propiedad termodinámica. Nucleofilia es una medida de la facilidad con la que un átomo dona su par de electrones a otro átomo (distinto del protón). Se caracteriza por su constante de velocidad, k, por lo que se considera una propiedad cinética.
Fuente: McMurry, J. (2000) Organic Chemistry. 5th. Ed. Thomson
Nucleofilia y basicidad La nucleofilia va paralela con la basicidad en tres situaciones: Dos nucleófilos diferentes pero que tienen el mismo átomo nucleofílico: la base mas fuerte será mejor nucleófilo: Si comparamos HO - (pka de H 2 O 15.7)y CH 3 COO - (pka de CH 3 COOH 4.8) vemos que el hidroxilo es una base mas fuerte y será mejor nucleófilo. Un nucleófilo con carga negativa es un nucleófilo más fuerte que su ácido conjugado HO - es una base mas fuerte y mejor nucleófilo que H 2 O
Nucleofilia y basicidad Para elementos del mismo período (fila), la nucleofilia aumenta paralela a la basicidad Para elementos del segundo período con la misma carga
Nucleofilia y basicidad: diferencias El impedimento estérico es un factor importante en algunos casos. Bases voluminosas (impedidas estéricamente) son malos nucleófilos, aunque la fuerza básica no se ve afectada. Se consideran bases no nucleofílicas.
Nucleofilia y basicidad: diferencias El disolvente en el cual se lleva a cabo la reacción afectará la nucleofilia del reactivo. Disolventes polares próticos como el agua y los alcoholes, son aquellos capaces de formar puentes de hidrógeno y de solvatar aniones (y cationes). Disolventes polares apróticos, como la acetona y el dimetilsulfóxido (DMSO), no tienen protones disponibles para formar puentes de hidrógeno y no solvatarán aniones, pero sí pueden solvatar cationes.
Disolventes polares próticos. Afectan la nucleofilia de la siguiente manera: Para elementos de una misma columna Aumento de la nucleofilia en DISOLVENTES POLARES PRÓTICOS. (orden inverso de basicidad) En disolventes polares próticos, la nucleofilia aumenta al aumentar el tamaño del ión (en elementos de la misma columna de la tabla periódica)
Los disolventes polares próticos son capaces de solvatar tanto aniones como cationes.
Disolventes polares apróticos La nucleofilia se mantiene paralela a la basicidad para elementos de la misma comuna: Al no solvatar a los aniones, éstos resultan más disponibles como nucleófilos.
Los aniones quedan sin solvatar, pero los cationes son solvatados por disolventes polares apróticos.
Disolventes polares próticos comunes: Disolventes polares apróticos:
Cuando el nucleófilo inicial es neutro, generalmente el producto de sustitución presenta una carga positiva: Si el nucleófilo inicial es neutro y el producto presenta un H unido a N o a O, generalmente se da una transferencia de protones para dar como resultado un producto neutro.
GRUPO SALIENTE La basicidad del elemento disminuye de izquierda a derecha en una fila o período de la tabla periódica, así, aumenta la estabilidad del grupo saliente La basicidad del elemento disminuye hacia abajo en una columna de la tabla periódica, así, aumenta la estabilidad del grupo saliente.
El grupo saliente Podemos definirlo como el átomo o grupo de átomos que son desplazados por el nucleófilo. Este grupo desplazado, partirá con su par de electrones ya que las reacciones que veremos se llevan a cabo mediante rupturas de enlace heterolíticas. El grupo saliente debe ser capaz de estabilizar la densidad electrónica resultante de esa ruptura heterolítica. El grupo saliente será una especie estable.
Grupo saliente Un mal grupo saliente puede transformarse en un buen grupo saliente mediante una reacción previa. Esto es de utilidad sobre todo en el caso de los alcoholes, ya que el HO - es un mal grupo saliente:
Otra alternativa es trabajar en medio ácido, de esta manera el alcohol se protona y el grupo saliente sería agua, pero no se puede emplear nucleófilos cargados negativamente en esas condiciones.
Los datos anteriores nos indican que se trata de una reacción compleja, puesto que se han obtenido productos tanto de sustitución (alcohol) como de eliminación (alquenos) Los datos de actividad óptica indican que el alcohol en realidad es una mezcla de enantiómeros, uno en mucha mayor proporción que otro. La concentración del nucleófilo determina la velocidad de reacción, por lo que debe estar involucrado en el paso determinante de la reacción
Un análisis detallado de los productos de la reacción da los siguientes resultados
Formación del producto mayoritario S-2- octanol La única explicación para el hecho de obtener un producto con inversión de la configuración implica que el nucleófilo debe aproximarse al sitio reactivo del lado opuesto a donde se encuentra el grupo saliente. La reacción es estereoespecífica. La cinética de la reacción debe tener esta expresiön: Velocidad = k[ C 8 H 17 Br ][ OH - ] mol L-1 s-1 Puesto que la concentración del nucleófilo afecta la velocidad de reacción
Estereoquímica de la reacción SN2
Sustitución Nucleofílica Bimolecular En el estado de transición de SN2 el carbono que sufre el ataque está momentáneamente pentacoordinado, en hibridación sp 2
Efecto estérico en SN2
Reactividad del sustrato en SN2
Perfil de energía de una SN2
Efecto del disolvente en SN2 O C H 3 C CH 3 Acetone H 3 C N CH 3 O C H DMF Dimethylformamide H 3 C O S CH 3 DMSO Dimethyl Sulfoxide (H 3 C) 2 N O P N(CH 3 ) 2 N(CH 3 ) 2 HMPA Hexamethylphosphoramide
Características del sustrato: grupo saliente. Los grupos salientes deben cumplir las siguientes características: Electronegativos, porque así polarizan el enlace con el carbono. Polarizables, porque así estabilizan el estado de transición. Bases débiles (estables) una vez que se liberan.
Características de una reacción SN2 Característica Estereoquímica Cinética Sustrato Grupo saliente Disolvente Resultado Ocurre con inversión de la configuración De segundo orden, la velocidad se ve afectada por la concentración de reactivo y de sustrato Sin impedimento estérico. Los factores electrónicos no son importantes Debe ser un buen grupo saliente (base débil) Polar aprótico favorece la reacción
Por qué se forman los otros productos en nuestro experimento? Debe haber otros mecanismos de reacción que justifican la aparición de otros productos. Estos mecanismos compiten entre sí por el sustrato, que en este caso es un halogenuro de alquilo secundario.
La reacción S N 1 En esta reacción, se forma un intermediario reactivo (un carbocatión) Sigue una cinética de primer orden v=k[sustrato] Ocurre con racemización del centro reactivo.
Racemización en la S N 1
El sustrato Los efectos electrónicos son importantes, porque se trata de estabilizar al intermediario reactivo (un carbocatión). Por lo tanto, la reactividad del sustrato será la inversa de la que corresponde a una S N 2:
Estabilidad de los carbocationes
Grupos alílicos y bencílicos Son igualmente reactivos frente a reacciones S N 2 y S N 1. Se muestra la energía necesaria para romper el enlace C-halógeno.
El disolvente: polar prótico Al solvatar el carbocatión, lo estabilizan.
El nucleófilo Los nucleófilos neutros (sin carga neta) favorecen la reacción S N 1. Nucleófilos como agua, alcoholes, aminas o amoniaco además tendrán la función de disolventes polares próticos y la reacción será una solvólisis. Los efectos del nucleófilo son mas evidentes en sustratos secundarios, ya que éstos pueden reaccionar por cualquiera de los dos mecanismos, y las condiciones de reacción favorecerán uno u otro.
Grupo saliente Debe cumplir las mismas características que para la S N 1
S N 1 S N 2 Buenos grupos salientes (bases débiles) favorecen la reacción. El efecto electrónico es determinantes en la velocidad de reacción: sustratos más sustituidos reaccionarán más rápido porque el carbocatión formado es más estable. El carbocatión puede sufrir reordenamientos si con eso incrementa su estabilidad. Buenos grupos salientes (bases débiles) favorecen la reacción. El efecto estérico es determinante en la velocidad de reacción: sustratos poco sustituidos reaccionarán más rápido, porque no impiden el ataque del nucleófilo.
S N 1 S N 2 El nucleófilo debe ser una base de Lewis. Los nucleófilos neutros son efectivos. La concentración del nucleófilo no afecta la velocidad de reacción, porque se sigue una cinética de primer orden: V=k[sustrato] El nucleófilo debe ser una base de Lewis. Los nucleófilos neutros son menos efectivos que los cargados. La concentración del nucleófilo sí afecta la velocidad de reacción, porque se sigue una cinética de segundo orden: v=k[sustrato][:nu]
S N 1 S N 2 Los disolventes polares próticos favorecen la reacción, pudiendo funcionar también como nucleófilos en reacciones de solvólisis. El disolvente polar prótico estabilizará al estado intermediario y al carbocatión. Los disolventes polares apróticos favorecen la reacción. Al no formarse cargas netas, no hay necesidad de estabilizar cationes. Un disolvente prótico puede enmascarar al nucleófilo y disminuir la velocidad de la reacción
S N 1 S N 2 La reacción sigue un mecanismo de dos pasos Puesto que el intermediario reactivo es plano, se produce con racemización del producto. La reacción sigue un mecanismo de un paso. Como el ataque del nucleófilo se da del lado opuesto a donde se encuentra el grupo saliente, se produce con inversión de la configuración en el producto.
Sustrato S N 1 S N 2 metil primario secundario terciario Nunca se da en disolución. Nunca se da en disolución. Lenta. Se acelera con un buen grupo saliente y en disolventes próticos. Muy rápida, sobre todo en disolventes polares próticos y con buenos grupos salientes. Muy rápida con buenos nucleófilos y buenos grupos salientes. Igual al anterior. Difícil cuando el carbono contiguo está ramificado. Lenta. Se acelera con una concentración alta de un buen nucleófilo y en disolventes apróticos. Extremadamente lenta.
Reacciones de eliminación. Darán como producto un compuesto con un doble enlace carbono-carbono. Eliminarán una molécula pequeña, neutra (sin carga), como HX, H 2 O, ROH. Compiten con las sustituciones. Se ven favorecidas por temperaturas elevadas.
Los carbocationes pueden a. Reaccionar con el Grupo Saliente y regenerar el sustrato. b. Reaccionar con el Nucleófilo y formar el producto de sustitución. c. Reordenarse para dar un carbocatión más estable y luego, seguir reaccionando como en a o b. d. Perder un protón y formar un producto de eliminación E1 (eliminación unimolecular): En la E1 se pierde tanto el Grupo Saliente como un protón. El nucleófilo actúa también como una base. Se forman tanto los productos de sustitución como los de eliminación.
Mecanismo de la E1 Primer paso: formación del carbocatión. Segundo paso: la base abstrae un protón del carbocatión y se forma un doble enlace.
Qué tipo de alqueno se forma? Se forma el alqueno más estable (más sustituido) como producto mayoritario (Regla de Zaitzev).
Eliminación bimolecular E2 Es un ejemplo de una reacción concertada. Requiere de una base fuerte y con impedimento estérico, para disminuir la nucleofilicidad. La reactividad de los sustratos es 3 >2 >1 El producto mayoritario sigue la regla de Zaitzev.
Consideraciones de estereoquímica El grupo saliente y el protón deben formar un ángulo de 180 entre sí, para que la reacción pueda darse. Este arreglo anti-coplanar disminuye cualquier impedimento estérico entre el grupo saliente y la base y Alinea los orbitales del hidrógeno y el grupo saliente para que se pueda formar el doble enlace.
Referencias Ver los libros de texto recomendados en el programa.