Halogenuros de Alquilo

Halogenuros de Alquilo y Sustitución Nucleofílica.

Halogenuros de Alquilo y Reacciones de Sustitución Nucleofílica

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Aspectos generales : Reac Reacci cion ones es de Sust Sustit ituc ució ión n Nucl Nucleo eofí fíli lica ca ( SN SN ):

R R

C

R Y + Nu

-

R

R

C

Nu + Y

-

R

- debe ser más fuerte que el Requ Requis isit ito o fund fundam amen enta tal l : El nucleofílico entrante ( Nu: Nu: )

saliente. Ejemplo: Síntesis de alcoholes a partir de haluros de alquilo.

R R

C R

R X + OH -

R

C

OH +

X-

R

Como ya ha sido mencionado, existe una relación entre fortaleza del nucleófilo (nucleofilidad o nucleofilicidad) y basicidad. 2


Nucleofilidad vs Basicidad : Generalmente la nucleofilidad va de la mano con la basicidad: Usualmente mientras más básica es una especie química más fuerte será como nucleófilo. Un ejemplo de ello es que una base es siempre un nucleófilo más fuerte que su ácido conjugado. La mayoría de los buenos nucleófilos también son bases fuertes, y viceversa. No obstante, asumir que esta relación siempre se cumple de manera tan simple sería un error, ya que basicidad y nucleofilidad son propiedades diferentes. La basicidad viene determinada por la constante de equilibrio para abstraer un protón. La nucleofilidad se define por la velocidad de ataque sobre un átomo de carbono electrofílico para dar sustituciones o adiciones.

Basicidad

Nucleofilidad

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Nucleofilidad vs Basicidad : En ambos casos, el nucleófilo (o base) forma un nuevo enlace: si el nuevo enlace lo forma con un protón, ha reaccionado como una base, si el nuevo enlace lo forma con el carbono, ha reaccionado como un nucleófilo. Como ya fue expresado:

Basicidad es un concepto termodinámico (constante de equilibrio) y Nucleofilidad es un concepto cinético (reactividad). -

H3C CH2 O

+

HCl

-

H3C CH2 OH + Cl

Etóxido

CH3 -

H3C C O Terbutóxido

CH3

Bases

CH3 +

HCl

-

H3C C OH + Cl CH3

El anión etóxido es la base más débil, ya que el etanol es el ácido más fuerte por ser un alcohol primario. Esto significa que el anión terbutóxido es la base más fuerte. Sin embargo, la nucleofilidad puede variar de forma diferente, como veremos a continuación. 4


Nucleofilidad vs Basicidad : H3C

-

H3C CH2 O

+

Etóxido

CHCl

H3C CH2 O HC

H3C

CH3 H3C C O

+

-

+ Cl

CH3

H3C

-

Terbutóxido CH 3

CH3

CHCl H3C

CH3

CH3

H3C C O HC CH3

Nucleófilos -

+ Cl

CH3

En estas reacciones, el etóxido se comporta como un nucleófilo más fuerte que el terbutóxido, ya que este último tiene dificultades estéricas para atacar al cloruro de isopropilo. Se cumplen las siguientes tendencias en relación con la nucleofilidad: a) Una especie negativa es siempre más nucleofílica (y básica) que su especie similar neutra. De esa manera, se cumple en relación con la nucleofilidad que: HO- > H 2 O , HS- > H 2 S, H 2 N - > H 3N y CH3 O- > CH 3OH. 5


Nucleofilidad vs Basicidad : b) En un período de la tabla periódica: Se cumplen la misma tendencia que respecto a la basicidad (contraria a la acidez): A medida que se desplaza de izquierda a derecha disminuye la nucleofilidad por aumentar la electronegatividad. Así, en el segundo período se cumple en relación con la nucleofilidad que:

Z E D I C A

CH 4

↔

H +

+

CH 3-

H +

+

NH 2 -

↔

H +

+

OH -

↔

H +

+

F -

NH 3

↔

H 2 O HF

D A D I C I S A B

Nucleoficidad:

CH 3- > H 2 N - > HO- > F H 3N > H 2 O (CH 3 )3P > (CH 3 )2 S 6


Nucleofilidad vs Basicidad : c) En un grupo de la tabla periódica: Se cumple la misma tendencia que respecto a la acidez: A medida que se desplaza de arriba hacia abajo aumenta la nucleofilidad. Esto se debe a que aumenta la polarizabilidad de los átomos por su mayor tamaño y menor electronegatividad.

De esa manera, se cumple en relación con la nucleofilidad que: I - > Br - > Cl - > F - ; HSe > HS > HO

(CH ) P > (CH ) N.


Nucleofilidad vs Basicidad : En la siguiente tabla se muestra como varía la nucleofilidad de diversos nucleófilos:

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Nucleofilidad vs Basicidad : Sobre la base de lo anterior: ¿Es posible la siguiente reacción?

R R

R

C

OH

+

X-

R

C

R

X

+ OH

(X : Br – ó Cl – )

R

Acorde a la tabla anterior, el HO – es un nucleófilo más fuerte que Br – y Cl –. Esto significa que sería imposible sintetizar un cloruro o bromuro de alquilo a partir de un alcohol. Entonces…¿qué se debería hacer si se desea realizar esta síntesis?

R H

R R

C OH

+

+

H

R

R

+

C O H R

Adicionando un ácido se protonaría el OH del alcohol posibilitando que en la reacción SN saliera H 2 O (nucleófilo débil) en vez del OH – (nucleófilo fuerte). Esto haría que la reacción SN fuera posible.

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Mecanismos S N : Las reacciones SN 1 se producen en dos etapas, según el esquema siguiente:

La primera etapa es lenta y determina la velocidad global de la reacción por lo que la reacción se considera Unimolecular , de ahí su denominación SN 1. De esta manera, la expresión global de la velocidad de reacción queda como v = k [ RX ]. La segunda etapa es rápida. Dada la significativa reactividad de los carbocationes, el nucleófilo entrante no requiere ser extremadamente fuerte, es suficiente que sea más fuerte que el saliente. Veamos a continuación el ejemplo de la reacción del bromuro de terbutilo con metanol. 10


Mecanismos S N :

El tercer paso, aquí planteado, no se produce en todas las reacciones y no forma parte del mecanismo SN 1. Este es un paso adicional cuya finalidad es justificar, en este caso particular, la obtención del producto final como una molécula neutra. 11


Mecanismos S N : Por otro lado, el mecanismo S N 2 ocurre en una sola etapa como se muestra a continuación:

+

-

-

+

-

La molécula orgánica que recibe el ataque nucleofílico se denomina “sustrato”. En la misma hay un nucleófilo que será sustituido. Entre dicho nucleófilo y el carbono al cual está unido existe una diferencia de electronegatividad que motiva la aparición de cargas parciales, por lo que el carbono se convierte en el centro electrofílico que recibe el ataque nucleofílico. 12


Mecanismos S N : Como la reacción ocurre en un solo paso, la velocidad de la misma depende de la concentración de ambos reactivos: sustrato y nucleófilo. Esto significa que la expresión de la velocidad de reacción en este caso es: v = k [ CH 3I ] [OH ].

Simultáneamente el nucleófilo entrante ataca al sustrato por un lado y el nucleófilo saliente sale por el lado opuesto. Así, se produce un estado de transición en el que el nucleófilo entrante y el saliente se encuentran a medio camino de concluir el proceso. En la siguiente figura se muestra el diagrama de energía de reacción para ambos mecanismos. Se puede

apreciar

la

diferencia en relación con el número de etapas de ambos casos.


S N 1 vs S N 2 : La ocurrencia de una reacción por un mecanismo SN u otro depende de los siguientes factores:

• Tipo de sustrato que recibe el ataque S N . • Solvente en el que se realiza la reacción. • Fortaleza del nucleófilo saliente. • Fortaleza del nucleófilo entrante.. El tipo de sustrato está íntimamente asociado a la estabilidad del carbocatión que se pudiera formar a partir del sustrato. Este es el factor más importante que prácticamente determina el tipo de mecanismo SN que ocurre. Los carbocationes estables favorecen el mecanismo S N 1. Por lo tanto, la reacción será SN 1 cuando el carbocatión que se produzca a partir del sustrato sea terciario, bencílico o alílico. También pueden ocurrir por S N 1 aquellas reacciones que den otro tipo de carbocationes, siempre que los mismos puedan reordenarse para dar lugar a un carbocatión estable. 14


S N 1 vs S N 2 : Como ya fue visto, el reordenamiento de cationes es posible cuando: a) se produce entre átomos de carbono contiguos y b) la especie que se reordena es preferentemente un ion hidruro (H ), ya que el reordenamiento de radicales alquilo

es menos probable por la mayor estabilidad del enlace C-C y la gran energía necesaria para su ruptura, lo que implica la necesidad de condiciones extremas de reacción, tales como altas temperaturas y presiones. Por otro lado, impedimentos estéricos hacen imposible la reacción S N 2 en carbonos terciarios y la dificultan en secundarios, siendo esta factible en carbonos primarios y en grupos metilo, como lo indica la figura que se


S N 1 vs S N 2 : Lo anterior implica que para sustratos con carbonos secundarios no esta claro el mecanismo

SN que

experimentan,

a

menos

que

se

pueda producir

un

reordenamiento que origine un carbocatión más estable. En el caso de sustratos con carbonos secundarios, el tipo de mecanismo dependerá en gran medida del segundo factor en importancia para decidir esto: El solvente . La reacción S N 1 está favorecida en disolventes polares, que estabilizan los iones intermedios. 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 incluso 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. Los disolventes

polares próticos , como los alcoholes y el agua, pueden solvatar mejor los iones formados durante una reacción SN 1. Esto se puede apreciar en la siguiente figura, donde se muestra la solvatación de los iones formados.

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S N 1 vs S N 2 :

Por otro lado, el estado de transición del mecanismo S N 2 es menos polar y se ve menos favorecido por un solvente polar prótico, siendo más favorable para la S N 2 los solventes polares apróticos . Los dos factores antes mencionados (tipo de sustrato y solvente) son los más relevantes en cuanto a la definición del tipo de mecanismo SN , especialmente el tipo de sustrato. Los restantes factores pueden influir en el éxito de la reacción en la medida que coinciden o se oponen a estos dos primeros. 17


S N 1 vs S N 2 : Los nucleófilos salientes débiles favorecen el mecanismo S N 1 ya que favorecen el primer paso de ionización (los nucleófilos débiles son buenos grupos salientes). Esto significa que el mecanismo S N 2 se ve favorecido por los nucleófilos salientes

fuertes . En la tabla a continuación se muestran algunos buenos nucleófilos salientes débiles. Finalmente, como se debe cumplir que la base entrante sea más fuerte que la saliente, el mecanismo SN 1 se ve favorecido por un nucleófilo entrante débil y el SN 2

por

un

nucleófilo

entrante fuerte. 18


Estereoquímica de las reacciones S N 1 y S N 2 : Cuando se produce la ionización (primera etapa del S N 1) se genera un carbocatión con hibridación sp2 y un orbital vacío p, lo que indica que tiene una estructura plana. El nucleófilo entrante puede aproximarse al plano del carbocatión 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. Esto significa que las reacciones SN 1 forman mezclas de enantiómeros (racemización) como indica la figura. Un carbono asimétrico experimenta racemización cuando se ioniza y se transforma en un carbocatión plano aquiral. Un nucleófilo puede atacar al carbocatión desde cualquier cara, dando lugar a


Estereoquímica de las reacciones S N 1 y S N 2 : Sin embargo, el mecanismo SN 2 conlleva a una inversión de la configuración, como se muestra a continuación.

La inversión de la configuración no sólo puede cambiar la configuración absoluta, en el caso de los compuestos cíclicos también cambiará la geometría del cis al trans o viceversa. Las reacciones S 2 son estereoespecíficas

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