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Índice Sustitución nucleofílica bimolecular S N2...............................................................2 Mecanismo........................................................................................................3 Cinética..............................................................................................................4 Estereoquímica de reacción..............................................................................6 Sustitución nucleofílica unimolecular S N1.............................................................7 Mecanismo........................................................................................................7 Cinética..............................................................................................................8 Estereoquímica de reacción..............................................................................8 Transposición......................................................................................................10 Reordenamien-tos...............................................................................................11 Los reordenamientos son imposibles.................................................................11 Los reordenamientos son comunes....................................................................11 SN2 contra SN1....................................................................................................11 Reacciones de eliminación.................................................................................12 Eliminación unimolecular E1...........................................................................12 Mecanismo...................................................................................................12 Cinética de reacción.....................................................................................12 Eliminación bimolecular E2.............................................................................13 Mecanismo...................................................................................................13 .....................................................................................................................14 Cinética de reacción.....................................................................................14 Comparación entre E1 y E2............................................................................14 SN2 vs E2 y SN1 vs E1........................................................................................15 SN2 vs E2.........................................................................................................15 SN1 vs E1.........................................................................................................16 Bibliografía.........................................................................................................17 2

Sustitución nucleofílica bimolecular S N2

Las reacciones de sustitución nucleófila bimolecular (S N2) consisten en el ataque de un grupo con pares solitarios de electrones (nucleófilo) a un carbono polarizado positivamente con pérdida del grupo saliente. Al compuesto que es atacado por el nucleófilo, se le llama sustrato. La velocidad de la reacción depende de la estructura del sustrato, naturaleza del nucleófilo, grupo saliente y disolvente.

Mecanismo

1. El nucleófilo usa su par de electrones sin compartir para atacar al carbono del halogenuro de alquilo, a 180° del halógeno que sale, es decir, por el lado posterior. Esto origina un estado de transición con un enlace C─Nuc:− parcialmente formado y un enlace C─Halógeno semirroto. 2. La estereoquímica en el carbono se invierte cuando se establece por completo el enlace C─Nuc:− y sale el ion halogenuro con el par de electrones del enlace C─Halógeno anterior. La velocidad depende de ambos.

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La abreviatura Sn2 significa Sustitución Nucleófilica Bimolecular. El término bimolecular quiere decir que el estado de transición del paso limitante de la rapidez de la reacción (el único paso de esta reacción) involucra la colisión de dos moléculas. Las reacciones bimoleculares en general tienen ecuaciones de rapidez que son de segundo orden global. La reacción SN2 es una reacción concertada, que ocurre en un solo paso con la ruptura y formación simultanea de enlaces. La estructura de en medio es un estado de transición, un punto máximo de energía, en lugar de un intermediario. En este estado de transición, se forma parcialmente el enlace hacia el nucleófilo, y el enlace hacia el grupo saliente se rompe parcialmente. Recordar que es un estado de transición, no es una molécula discreta que pueda aislarse; esta existe por solo un instante.

Cinética Este mecanismo de un paso está respaldado por información cinética. Uno puede variar las concentraciones de los reactivos y observar los efectos sobre la rapidez de reacción (cuánto producto se forma por segundo). Se observa que la rapidez de reacción se duplica cuando la concentración de cualquier reactivo se duplica. Por lo tanto, la reacción es de primer orden respecto de cada uno de los reactivos, y de segundo orden global. La ecuación de la rapidez tiene la siguiente forma: −¿¿ OH rapidez de segundo orden =k r [ CH 3 I ] ¿

Esta ecuación de rapidez es consistente con un mecanismo que requiere una colisión entre una molécula del sustrato y una molécula del nucleófilo. Estas dos especies están presentes en el estado de transición, y la frecuencia de colisión es proporcional a ambas concentraciones. La constante de rapidez, kr, depende de varios factores, como la energía del estado de transición y la temperatura. El término bimolecular en S N2 quiere decir que el estado de transición del paso limitante de la rapidez de la reacción (el único paso de esta reacción) 4

involucra la colisión de dos moléculas. Las reacciones bimoleculares en general tienen ecuaciones de rapidez que son de segundo orden global. La reacción SN2 es una reacción concertada, que ocurre en un solo paso con la ruptura y formación simultánea de los enlaces. La estructura de en medio es un estado de transición, un punto máximo de energía, en vez de un intermediario. En este estado de transición se forma parcialmente el enlace hacia el nucleófilo, y el enlace hacia el grupo saliente se rompe parcialmente. En un estado de transición no es una molécula discreta que pueda aislarse: ésta existe sólo por un instante. El diagrama de energía de reacción para esta sustitución nucleófilica sólo muestra un estado de transición sin intermediarios sobre los reactivos y los productos. Los reactivos aparecen con un poco más de energía que los productos, ya que se sabe esta reacción es exotérmica. El estado de transición tiene mucho más energía debido a que involucra a un átomo de carbono pentacoordinado con dos enlaces parciales.

Rapidez relativa para SN2: CH3X>1°>2°>>3°

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Estereoquímica de reacción

Como se ha mencionado, la reacción S N2 necesita el ataque de un nucleófilo a la parte posterior de un átomo de carbono electrofílico. Un átomo de carbono solo puede tener cuatro orbitales de enlace lleno (un octeto), por lo que el grupo saliente debe irse cuando el nucleófilo se une al átomo de carbono. Los electrones del nucleófilo entran en el lóbulo posterior del orbital con hibridación sp3 del carbono, en su combinación de anti enlace con el orbital del grupo saliente (ya que el OM de enlace ya está lleno). Los electrones en el OM de anti enlace ayudan a debilitar el enlace C─Halógeno cuando el halógeno sale. El estado de transición muestra los enlaces parciales con el nucleófilo y con el grupo saliente. El ataque por la parte posterior literalmente pone al revés el tetraedro del átomo de carbono, como una sombrilla sorprendida por el viento. En el producto, el nucleófilo asume una posición estereoquímica opuesta a la posición del grupo saliente originalmente ocupado. A este resultado se le conoce como inversión de la configuración del átomo de carbono. En el caso de un átomo de carbono asimétrico, el ataque a la parte posterior genera la configuración opuesta del átomo de carbono. El desplazamiento S N2 es el ejemplo más común de una inversión de Walden, un paso donde un átomo de carbono asimétrico experimenta una inversión de configuración.

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Sustitución nucleofílica unimolecular S N1

En la sustitución nucleófila unimolecular (S N1) el sustrato se ioniza, formando un carbocatión, que es atacado en la siguiente etapa por el nucleófilo. La reacción sólo tiene lugar con sustratos secundarios o terciarios y requiere un buen grupo saliente, aunque no depende su velocidad del nucleófilo.

Mecanismo El mecanismo S N1 es un proceso de varios pasos. El primer paso es una ionización lenta para formar un carbocatión. El segundo es un ataque rápido sobre el carbocatión por parte del nucleófilo. El carbocatión es un electrófilo fuerte; reacciona muy rápido con los nucleófilos, incluso con los nucleófilos débiles. En reacciones S N1, el nucleófilo por lo general es débil, ya que sería más probable que un nucleófilo fuerte atacara al sustrato y formara algún tipo de reacción de segundo orden. Si el nucleófilo es una molécula sin carga, como el agua o un alcohol, el producto con carga positiva debe perder un protón para dar el producto final sin carga.

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Cinética Su rapidez no depende de la concentración del nucleófilo. La rapidez sólo depende de la concentración del sustrato. rapidez de primer orden=k r [ ( CH 3 )3 C− X ] Esta ecuación de rapidez es de primer orden global: de primer orden respecto de la concentración del haluro de alquilo y de orden cero respecto de la concentración del nucleófilo. Debido a que la rapidez no depende de la concentración del nucleófilo, se deduce que el nucleófilo no está presente en el estado de transición del paso limitante de la rapidez. El nucleófilo debe reaccionar después del paso lento. El término unimolecular en SN1 significa que solo hay una molécula involucrada en el estado de transición del paso limitante de la rapidez. Como

se

dijo

anteriormente,

la

rapidez de la reacción no depende de la fuerza ni de la concentración del nucleófilo. La

ionización

(primer

paso)

es

muy

endotérmica, y su gran energía de activación determina la rapidez de la reacción global. El ataque nucleofílico (segundo paso) es muy exotérmico, con un estado de transición de menor energía. En efecto, un nucleófilo reacciona con el carbocatión casi tan pronto como se forma. El orden de estabilidad y reactividad de los carbocationes de alquilo es: 3°>2°>1°>CH3X

Estereoquímica de reacción La reacción SN1 no es estereoespecífica. En el mecanismo S N1, el carbocatión intermediario tiene una hibridación sp2 y es plano. Un nucleófilo puede atacar al carbocatión por cualquier cara. El ataque por ambas caras 8

genera los dos enantiómeros del producto (aunque estos no se produzcan en la misma cantidad), se les conoce como racemización. El producto es racémico o al menos es menos ópticamente puro que la materia prima. Suponiendo que un nucleófilo ataca al carbocatión por la parte frontal (la parte que dejó salir al grupo saliente), la molécula del producto presenta una retención de la configuración. El ataque por la parte posterior genera una molécula de producto que presenta una inversión de la configuración. La racemización es simplemente una combinación de retención e inversión de la configuración. Sin embargo, cuando ocurre una racemización, rara vez el producto es racémico; con frecuencia hay más inversión que retención de la configuración. Cuando el grupo saliente parte, bloquea de manera parcial la parte frontal del carbocatión. La parte posterior no está impedida, de manera que es más probable que el ataque ocurra ahí.

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Transposición Los carbocationes frecuentemente presentan cambios estructurales, conocidos como reordenamientos, para formar iones más estables. Puede presentarse un reordenamiento luego de que se haya formado un carbocatión, o bien, 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. Un carbocatión se suele reordenar sólo una vez. La mayoría de los reordenamientos convierten al carbocatión en un carbocatión más estable, normalmente: 2°3° o 2°carbocatión estabilizado por resonancia o 3°carbocatión estabilizado por resonancia Un ejemplo de una reacción con reordenamiento es la reacción S N1 del 2-bromo-3-metilbutano en etanol a temperatura de ebullición. Se forma una mezcla de 2-etoxi-3-metilbutano (no reordenado) y 2-etoxi-2-metilbutano (reordenado).

El

producto

reordenado,

2-etoxi-2-metilbutano,

resulta

ser

un

desplazamiento de hidruro, el movimiento de un átomo de hidrógeno con su par de electrones de enlace. Un desplazamiento de hidruro de representa con el símbolo H. en este caso, el desplazamiento del hidruro convierte al carbocatión secundario en un carbocatión terciario más estable. El ataque del disolvente general el producto reordenado.

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S N2

La fuerza del nucleófilo

Efecto del

Se necesitan nucleófilos

nucleófilo

fuertes.

Efecto del

CH3X>1°2° (los 1° y el CH3X

sustrato

adecuados).

son improbables).

Factores promotores

S N1

no es importante (por lo generales débil).

Puede ocurrir más rápido en Efecto del

un disolvente menos polar o

Se necesita un buen

disolvente

en un disolvente polar

disolvente ionizable.

aprótico. Efecto del grupo saliente

Se necesita uno bueno.

Se necesita uno bueno.

rapidez S N 2=¿ Cinética

Características

−¿ ¿ Nuc : k r [ R− X ] ¿

rapidez S N 2=¿ k r [ R− X ] Mezcla de retención e

Estereoquímica

Inversión total.

inversión; racemización.

Reordenamien-

Los reordenamientos son

tos

imposibles.

Los reordenamientos son comunes.

SN2 contra SN1 A continuación se presenta una tabla para ver las diferencias entre algunos factores que intervienen en las sustituciones y algunas características.

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Reacciones de eliminación Eliminación unimolecular E1 Las reacciones de eliminación unimolecular, transcurren al igual que la SN1 mediante la formación de un carbocatión. Requieren bases débiles y pueden dar lugar a transposición de carbocationes.

Mecanismo La abreviatura E1 significa eliminación unimolecular. El mecanismo se conoce como unimolecular porque el estado de transición limitante de la rapidez involucra a una sola molécula, en vez de una colisión entre dos moléculas. El paso lento de una reacción E1es el mismo que el de la reacción SN1: la ionización unimolecular para formar un carbocatión. En un segundo paso rápido, una base abstrae un protón del átomo de carbono adyacente al C+. los electrones que una vez formaron el enlace carbono-hidrógeno ahora forman un enlace pi entre dos átomos de carbono.

Orden de reactividad con base a la estabilidad del carbocatión: 3°>>2°>>1°

Cinética de reacción El paso limitante de la rapidez involucra la ionización del haluro de alquilo. Como el paso en unimolecular (implica sólo una molécula), la ecuación

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de rapidez es de primer orden. La rapidez depende sólo de la concentración del haluro de alquilo y no de la fuerza ni la concentración de la base. rapidez E 1=k r [RX ] La base débil (por lo general el disolvente) participa en el segundo paso rápido de la reacción. La deshidrohalogenación unimolecular (E1) suele tener lugar en un buen disolvente ionizante (tal como un alcohol o agua), sin una base fuerte para forzar una reacción bimolecular (E2). El sustrato para la deshidrohalogenación E1 es generalmente un haluro de alquilo terciario. Si un haluro secundario experimenta una reacción E1, se requieren condiciones más drásticas y reacciones mucho más lentamente.

Eliminación bimolecular E2 En la eliminación bimolecular, la base arranca hidrógenos del carbono contiguo al que tiene el grupo saliente generando alquenos. Se requieren bases fuertes, buenos grupos salientes y disposición anti del hidrógeno con respecto al grupo saliente.

Mecanismo

El mecanismo general de la reacción E2, una base fuerte abstrae un protón de un átomo de carbono adyacente al que tiene el grupo saliente. Cuando la base abstrae un protón, se forma un enlace doble y el grupo saliente se elimina. La reacción E2 es una reacción concertada en la cual se rompen enlaces y, al mismo tiempo, en un solo paso, se forman nuevos.

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Cinética de reacción La rapidez de esta eliminación es proporcional a las concentraciones del haluro de alquilo y de la base, lo cual produce una ecuación de rapidez de segundo orden. Éste es un proceso bimolecular, en el cual la base y el haluro de alquilo participan en el estado de transición, por lo que este mecanismo se abrevia como E2, por eliminación bimolecular. −¿ ¿ B: rapidez E 2=k r [RX ] ¿ El orden de reactividad de los haluros de alquilo en una deshidrohalogenación E2 es: 3°>2°>1°

Comparación entre E1 y E2

Factores que la promueven

Características

E1

E2

Efecto de la base

La fuerza de la base no es importante (generalmente es débil).

Necesita bases fuertes.

Efecto del disolvente

Necesita un buen disolvente ionizante.

Efecto del sustrato

3°>>2°>>1°

Cinética

rapidez E 1=k r [RX ]

Orientación de la eliminación

Por lo general, orientación Zaitsev.

Estereoquímica

No se necesita una geometría específica para el paso lento.

Reordenamiento

Los reordenamientos

La polaridad del disolvente no es tan importante. 3°>2°>1° −¿ ¿ B: rapidez E 1=k r [RX ] ¿ Por lo general, orientación Zaitsev. Se necesita un arreglo coplanario (generalmente anti) para el estado de transición. No hay 14

son comunes.

reordenamientos.

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SN2 vs E2 y SN1 vs E1 SN2 vs E2 En la mayoría de los casos, el orden de un reacción de determina por la fuerza del reactivo que sirve como base o nucleófilo. Los reactivos fuertes sueles atacar el sustrato más rápido de lo que el sustrato se ioniza, de modo que los reactivos fuertes favorecen reacciones bimoleculares de segundo orden: SN2 y E2. Por ejemplo, el metóxido de sodio (NaOCH 3) es tanto una base fuerte como un nucleófilo fuerte. El metóxido de sodio simplifica los mecanismos posibles a sólo dos: S N2 y E2, pero esto no implica cuál de los dos predominará. Los haluros primarios son más reactivos hacia las reacciones S N2, y son menos reactivos hacia las reacciones E2. Los haluros primarios generalmente reaccionan con nucleófilos fuertes para dar una sustitución por el mecanismo SN2. Si el reactivo también es una base fuerte, se puede presentar una pequeña cantidad de eliminación. Los haluros terciarios no pueden experimentar reacciones S N2, por lo que podemos predecir con seguridad que una base fuerte reacciona con un haluro terciario para sólo dar una eliminación usando el mecanismo E2. Los haluros secundarios son muy difíciles de predecir. Reaccionan con bases fuertes por el mecanismo E2 y con nucleófilos fuertes por el mecanismo SN2. Pero la mayoría de los nucleófilos fuertes también son bases fuertes, por lo que las proporciones de sustitución y eliminación pueden ser con...