REACCIONES DE SUBSTITUCIN NUCLEOFLICA

Q. A Aguirre G. Q Orgnica III

REACCIONES DE SUSTITUCIN NUCLEOFLICA

SUBSTITUCIN NUCLEOFLICA BIMOLECULAR

Qu es la substitucin nucleoflica aliftica? La substitucin nucleoflica es aquella reaccin en la que el reactivo atacante, el nucleofilo, dona un par de electrones al substrato, formando un nuevo enlace con ste, desplazando a otro nucleofilo, el nucleofugo, (GRUPO SALIENTE) que sale con un par electrnico. Se clasifica como aliftica para distinguirla de la aromtica. La reaccin general se puede ilustrar como sigue:

En esta ecuacin qumica no se reflejan las cargas. El nucleofilo ''Y'' puede ser neutro o portar carga negativa (anin); el substrato ''RX'' puede ser neutro o portar una carga positiva (catin). En todo caso, el nucleofilo ''Y'' tiene que poseer un par solitario (par de electrones no enlazantes). De aqu que todos los nucleofilos son bases de Lewis.

La reaccin se conoce como solvlisis cuando el disolvente acta como nucleofilo.

Se sigue el mismo mecanismo en todas las reacciones de substitucin nucleoflica? No; varios diferentes mecanismos son posibles en las reacciones de substitucin nucleoflica aliftica. Estos van a depender del substrato, nucleofilo, grupo saliente y las condiciones de reaccin. Pero en todos ellos, el reactivo atacante (nucleofilo) siempre porta un par solitario. La substitucin de nucleofilos puede ocurrir en carbonos saturados o insaturados.

Cules son los mecanismos ms comunes en carbonos saturadosLos mecanismos ms comunes en la substitucin de nucleofilos en carbonos saturados son:(a) Substitucin Nucleoflica Unimolecular (SN-1)(b) Substitucin Nucleoflica Bimolecular (SN-2)

Cmo es el mecanismo de una reaccin SN-2 El siguiente diagrama ilustra el mecanismo:

En este mecanismo se produce un ataque dorsal (trasero; por la "espalda"): el nucleofilo (Y) se acerca al substrato (RX) desde una posicin a 180 del grupo saliente (nucleofugo).

La reaccin es concertada, es decir, ocurre en un slo paso, sin intermediarios. Se forma el enlace C-Y segn se rompe el enlace C-X.

La energa necesaria para romper el enlace C-X es suplida por la formacin simultnea del enlace C-Y. El estado de transicin representa el punto de mxima energa en la curva de energa libre de activacin:

Obviamente, la reaccin no termina en el estado de transicin. El grupo ''X'' sale segn el grupo ''Y'' entra, pues en ningn instante el carbono pude tener ms de ocho electrones en su capa de valencia.

Aplicando la teora de orbitales moleculares, el estado de transicin se puede describir como aquel punto en que el orbital sin compartir del nucleofilo "Y" se solapa con un lbulo del orbital sp3 del carbono en el substrato "RX" en la misma extensin en que se va formando el orbital sin compartir de "X"

Cuando se alcanza el estado de transicin, el carbono central ha alterado su hibridacin original sp3 a un estado sp2 con un orbital "p" prcticamente perpendicular al plano. Un lbulo del orbital "p" se solapa con el nucleofilo (Y) y el otro con el nucleofugo o grupo saliente (X)

Al pasar a los productos, el carbono central rehibridiza sp3, el enlace C-Y se forma totalmente por el solapamiento total de los orbitales y el grupo X sale con un orbital sin compartir:

Es totalmente plana la estructura en el estado de transicin?En el estado de transicin los tres grupos no reactivos y el tomo de carbono central son aproximadamente coplanares. Estos sern exactamente coplanares si ambos grupos, el entrante y el saliente, son iguales. De otra manera, habr un leve desvo de planaridad dependiendo de cual efecto es ms importante en el estado de transicin: la formacin o la ruptura del enlace.

Es posible un ataque frontal por parte del nucleofilo? No se conoce ningn mecanismo de una SN-2 en la que el ataque por parte del nucleofilo sea frontal. De hecho, en el estado de transicin de esta reaccin hipottica, tanto el nucleofilo como el nucleofugo tendran que solapar con el mismo lbulo del orbital "p", lo que implica un mnimo de interaccin entre orbitales.

Qu puede decirse de la cintica de una reaccin?En este tipo de reaccin tanto el nucleofilo (Y) como el substrato (RX) estn involucrados en el paso determinante que, como se indic, es el nico paso en este caso. La evidencia indica que la reaccin debe ser de primer orden en cada componente, segundo orden total, y satisface la siguiente expresin de rapidez:

r=k[RX][Y]

Tienen relacin alguna el orden total con la molecularidad en una reaccin? No. El nmero 2 en el smbolo SN-2 se refiere a la molecularidad: la reaccin es bimolecular (se requieren dos molculas para formar el estado de transicin). Aunque el nmero coincide con el orden total, no siempre es as y tampoco existe relacin directa entre ambos parmetros. Por ejemplo, en una solvlisis, donde el nucleofilo es el disolvente y, por tanto, se encuentra en exceso, la molecularidad es la misma (bimolecular), pero la cintica de la reaccin es de primer orden, con la siguiente espresin de velocidad:

r=k[RX]

Esta cintica se conoce como pseudo primer orden.

Qu puede decirse de la estereoqumica de una SN-2?El mecanismo de esta reaccin predice una inversin en la configuracin cuando el substrato es pticamente activo. Esta inversin en la configuracin se conoce como inversin de Walden.

Qu efecto en la reactividad tiene la estructura del substrato en una reaccin? La reactividad de una reaccin SN-2 se ve afectada por la estructura del substrato RX. En trminos generales, la reaccin es ms fcil con substratos poco abultados, es decir, que enlacen grupos pequeos. As, la reactividad, en trminos de la estructura del substrato, sigue la secuencia:

metlico>primario>secundario>terciario

No es de esperar que un sistema terciario reaccione por un mecanismo SN-2; y puede haber sistemas primarios que tampoco sean efectivos, como por ejemplo, el sistema neopentilo:

Se dice, entonces, que la reactividad de la reaccin de substitucin nucleoflica bimolecular est a condicionada por los efectos estricos: impedimentos debidos a la interferencia de grupos abultados cuando estos se acercan a posiciones en que sus nubes electrnicas comienzan a repelerse.

Cuando el nucleofilo se acerca por detrs del carbono electroflico del substrato, debe hacerlo dentro de los lmites de la adecuada distancia de enlace.

Si hay grupos abultados enlazados al carbono, stos impediran la entrada del nucleofilo. Por otro lado, en el estado de transicin se generan grandes repulsiones entre los grupos, lo que implica un sistema de alta energa, una mayor energa de activacin y un decenso en la velocidad. La siguiente figura ilustra este fenmeno:

Qu efecto en la reactividad tiene el nucleofilo atacante?El ataque del nucleofilo es esencial en toda reaccin SN-2, pues como se indic, su presencia es necesaria para la generacin del estado de transicin. Mientras ms efectivo como nucleofilo, mayor la reactividad.

Para una reaccin de substitucin nucleoflica bimolecular hay cuatro principios bsicos que gobiernan el efecto del nucleofilo en la velocidad de reaccin o reactividad. Estos son:

1- Un nucleofilo con una carga negativa siempre es ms fuerte que su cido conjugado (asumiendo que este ltimo es un nucleofilo) As, OH- es ms fuerte que H2O, NH2- ms fuerte que NH3,etc.

2- Al comparar nucleofilos cuyos tomo atacantes estn en el mismo periodo en la Carta Periodica, la nucleofilicidad compara con la basicidad. As, un orden de nucleofilicidad es: NH2->RO->OH->R2NH>NH3>F->H2O

Otro orden es el siguiente: R3C->R2N->RO->F- Este tipo de correlacin funciona mejor cuando las estructuras de los nucleofilos a compararse son similares.

3- Al movernos de arriba hacia abajo en la carta periodica la nucleofilicidad aumenta y la basicidad disminuye. De aqu que el orden de nucleofilicidad de los halgenos es: I-> Br-> Cl-> F-

De forma similar, cualquier nucleofilo de azufre es ms fuerte que su anlogo de oxgeno, y lo mismo aplica para fsforo vs nitrgeno.

La razn para esta distincin entre potencia bsica y nucleoflica es que los nucleofilos pequeos y cargados negativamente estn ms solvatados por los disolvente polares usuales: a mayor concentracin de carga en el ion, mayor el nmero de molculas de disolvente que lo rodean. Esto constituye una barrera entre el nucleofilo y el substrato. Este efecto es ms importante para disolventes polares prticos en los que el disolvente puede producir puentes de hidrgeno con los nucleofilos pequeos.

4- A mayor libertad de movimiento del nucleofilo, mayor la reactividad.

Cul es el efecto del nucleofugo (grupo saliente) en la reactividad de una SN-2?El nucleofugo sale con ms facilidad mientras ms estable sea como entidad libre. Esto, usualmente, es lo inverso a su basicidad; as los mejores grupos salientes son las bases ms dbiles. Por eso, el ion yoduro es el mejor grupo saliente entre los halogenuros, siendo el peor el fluoruro.

Por otro lado, como HX es siempre ms dbil como base que X-, la substitucin nucleoflica es siempre ms fcil en un substrato del tipo RXH- que en un RX. Por ejemplo, OH- y OR- no son grupos salientes de alcoholes o teres ordinarios, pero se convierten en buenos nucleofugos cuando se protonan:

A continuacin se presenta un breve listado de grupos salientes comunes, ordenados en orden descendente de habilidad para salir:

Incluye, tambin, sulfatos (-OSO2OH) y sulfonatos (-OSO2OR)

Cmo afecta el disolvente la reactividad de una SN-2?El efecto del disolvente en la substitucin nucleoflica bimolecular va a depender de las cargas elctricas en el substrato y en el estado de transicin. Se pueden identificar cuatro tipos de reaccin de substitucin nucleoflica bimolecular, segn se ilustran en la siguiente tabla:

En las reacciones tipo I y IV la carga inicial se dispersa en el estado de transicin por lo que estas reacciones se ven obstaculizadas por disolventes polares: un aumento en la polaridad del disolvente disminuye en algo la velocidad de reaccin.

En la reaccin tipo III las cargas iniciales "disminuyen", al convertirse en parciales en el estado de transicin. En disolventes polares esta reaccin se ve muy impedida para producirse. Por lo tanto un aumento en la polaridad del disolvente disminuye considerablemente la velocidad de reaccin.

En la reaccin tipo II, los reactivos son neutros y el estado de transicin va formando cargas opuestas. Esta reaccin se ve favorecida por disolventes polares, por lo que un aumento en la polaridad del disolvente aumenta en gran medida la velocidad de reaccin.

Hace diferencia si el disolvente es prtico o aprtico?S; en las reacciones de substitucin nucleoflica bimolecular la diferencia entre disolventes prticos o aprticos debe tomarse en cuenta. En las reacciones del tipo I y tipo III el estado de transicin estar ms solvatado en disolventes polares aprticos que en disolventes prticos, mientras que el nucleofilo aninico (Y ) est menos solvatado en disolventes aprticos. (El segundo factor es ms fuerte que el primero).

Por ejemplo, metanol (CH3OH ) en un disolvente polar prtico, mientras que dimetilsulfxido (CH3SOCH3) es polar pero aprtico. Una reaccin del tipo I III ser ms rpida en dimetilsulfxido que en metanol.

El cambio en velocidad al ir de un disolvente prtico a uno aprtico est tambien condicionado al tamao del nucleofilo aninico.

Los iones pequeos se solvatan mejor en disolvente prticos. Los iones grandes, por su parte, se solvatan mejor en disolventes aprticos. La razn es que los disolventes prticos tienen estructuras sumamente desarrolladas y entrelazadas por puentes de hidrgeno; los disolvente aprticos tienen estructuras ms sueltas en las que pueden acomodar con ms facilidad un ion grande.

Por tanto, la velocidad de ataque de un ion pequeo aumenta cuando se cambia de un disolvente prtico a uno aprtico.

Las reacciones del tipo II y del tipo IV son menos susceptibles a los diferencias entre disolventes prticos y aprticos. En estos casos, en que el nucleofilo es neutro, la solvatacin de ste no vara mucho al ir de un tipo de disolvente a otro. Sin embargo, el estado de transicin estar mejor solvatado por disolventes polares aprticos.

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