Reacciones de Sustitución.
Sustitución vía radicales libres. Halogenación. Halogenación alílica Oxidación. Sustitución nucleofílica. Unimolecular. Procesos de transposición. Bimolecular. Efectos del medio. Sustitución nucleofílica intramolecular. Competencia entre los procesos de eliminación y sustitución. Formación de halogenuros de alquilo, alcoholes, ésteres, aminas, ácidos carboxílicos. Aplicaciones sintéticas. Sustitución vía radicales libres: Halogenación, una de las pocas reacciones de los alcanos es la halogenación a través de radicales libres, donde un hidrógeno es sustituído por un halógeno, se requiere calor o luz ultravioleta y tanto su reactividad como distribución de productos depende de la
estructura del alcano H Br 2
+
CH3
H H
Br
h ν
CH3
125°C h ν
+
Cl2
25°C
+
HBr
H Cl
+
HCl
Puesto que la halogenación frecuentemente da lugar a más de un producto debido a la isom isomer ería ía estr estruc uctu tura rall y a la poli poliha halo loge gena naci ción ón,, rara rara vez vez se util utiliz iza a como como proc proces eso o de laboratorio, sin embargo industrialmente es útil pues los diversos isomeros se pueden separar mediante una destilación fraccionada. El mecanismo por el cual se obtiene haluros de alquilo partiendo de un alcano es el de halogenación vía radicales libres o también llamado reacción en cadena por radicales libres y consta de los cuatro pasos siguientes:
paso 1 iniciacion
calor Cl
paso 2 propagación
Cl
.
H
H
H
2 Cl
.
Cl
H
.
+
paso 4 finalización Cl
H
H
+
H
H Cl
H
H sp3
+
.
Cl H
H
H
.
Cl
+
Cl
.
H
H
lento
H H H
H H
.
+
.
Cl
H
Cl
H
X X rápido
H
H
HH
H X
H
Cl
Cl
.
H
X
H
HCl
H
H
H
H
Cl
H
H
.
+
H
H
.
H
H
paso 3 propagación
H
.
H
H
H
X
H
sp2
Como se observa en el mecanismo de reacción se produce un radical que de forma similar a los iones carbonio puede ser más o menos estable de acuerdo a las caracteristicas estereoelectronicas, por lo cuál existen de igual forma radicales primarios, secundarios terciarios étc. que tienen igual estabilidad que sus análogos iones carbonio. Sin embargo a nivel laboratorio se requiere de un buen rendimiento de un producto determinado y debido a que esta reacción es difícil que se obtenga una buena selectividad y rendimiento es muy raro que se utilice y por tanto limitada a compuestos que dan lugar a un solo producto como en : H
l.u.v.
H
+
Cl2
Cl H
50%
l.u.v. H isobutano
+
Br 2
Br 90%
Halogenación alílica, en adecuadas condiciones la bromación radicalaria de ciclohexeno da un buen redimiento de 3-bromo ciclohexeno sustituyendo un átomo de hidrógeno alilíco, esta bromación es selectiva ya que el radical intermediario alílico se puede estabilizar por resonancia.
HH
H Br u.v.
+
H
+
Br 2
Br
80%
HH
H H Br .
H Br
H
.
Br
Br
+
H
Br
+
Br .
.
Los haluros de alquilo fácilmente se convierten en otros grupos funcionales ya que el átomo de halógeno puede salir con un par de electrones formando haluros estables (buen grupo saliente), cuando otros átomos reemplazan al ión haluro tenemos una reacción de sustitución que como ya lo vimos estará en competencia con una de eliminación, de igual forma que en eliminación en la sustitución también existen dos mecanismos de reacción que en su caso son SN 1 (Sustitución Nucleofílica unimolecular) y SN 2 (Sust. Nucleofílica bimolecular). SN2, un ejemplo es la reacción de yodometano con hidróxido para obtener metanol. -
HO
+
H
H
HO
I
H
HO
-
+
H
I-
H
HH
I HO
H
+
H
H
H
H
I H
HO H
H
+
I
-
El mecanismo de un solo paso de igual forma que con la eliminación se sustenta en la información derivada de la cinética, pudiendo variar las concentraciones de sustrato y reactivo observando los efectos en la velocidad de reacción. Muchas reacciones tiene lugar mediante SN2 como la comentada, otros nucleófilos convierten a los haluros de alquilo en una amplia variedad de grupos funcionales. R-X + Nu Nu-R producto I R-I Haluro de alquilo OH R-OH Alcohol OR ROR Éter SH RSH Tiol (mercaptano) SR RSR Tioéter NH3 RNH2 Amina N=N=N R-N=N=N Azida R-CO2 R-CO2-R Ester + :P(Ph)3 (R-PPh3) X Sal de fosfonio Factores: fuerza de los nucleófilos. La naturaleza de los nucleófilos afecta directamente la velocidad de reacción en SN 2, en general un nucleófilo fuerte es
más efectivo que uno débil, por ejemplo en metanol y ión metóxido el segundo reacciona aproximadamente un millón de veces más rápido que metanol, pudiendo pensar que el metóxido es mejor nucleófilo por se más básico, esto sería un error ya que la basicidad y la nucleofília son propiedades diferentes. Basicidad está determinada por la cte de equilibrio para abstraer un protón. Nucleofília se define por la velocidad de ataque sobre un átomo de carbono electrofílico. Predecir de qué forma puede reaccionar una especie es difícil, la mayoría de buenos nucleófilos (pero no todos) son bases fuertes y a la inversa. Keq -
B:
B :-
H
+
A
X
+
H
Kt
B
B
+ A :
+
X :-
1.- una especie con carga negativa es un nucleófilo más fuerte que una neutra similar, una base es un nucleófilo más fuerte que su ácido conjugado OH>H2O
SH> H2S
NH2> NH3
2.- nucleofília decrece de izq a der de acuerdo con el incremento de electronegatividad, los elementos más electronegativos retienen con mayor fuerza los electrones no enlazados volviendolos menos reactivos al formar enlaces. OH>F
NH3>H2O
(CH3CH2)3P: > (CH3CH2)2S
3.- Nucleofília aumente de arriba hacia abajo en la table periódicoa igual que el aumento en volumen y polarizabilidad de los átomos. I > Br >Cl > F
SeH > SH > OH
Influencia estérica, los nucleófilos voluminosos dificultan la aproximación y disminuyen la velocidad de reacción, en cambio tiene poco efecto en la basicidad ya que implica un ataque sobre protón generalmente accesible, sin embargo en un ataque nucleofilico a un átomo de carbono está implicada una base que si es voluminosa se dificulta su aproximación. O t- butóxido b fte, Nu débil
O etóxido b. débil Nu fte
Influencia del disolvente, otro factor que influye la nucleofília de iones es su solvatación en disolventes próticos, aniones pequeños se solvatan más fuertemente que los grandes, requiriendo de más energía para separar el
disolvente del ión reduciendo la nucleofília. En contraste los disolventes apróticos (sin gpos OH o NH) incrementa la nucleofília de los aniones debido a la ausencia de solvatación sin embargo la mayoría de los reactivos ionicos no son solubles en disolventes apróticos. Los disolventes apróticos polares, a pesar de no tener gpos NH o OH, tienen momentos bipolares grandes que permiten la solubilidad, por ej. Acetonitrilo, dimetilformamida y acetona. Influencia del grupo saliente, el grupo saliente tiene dos objetivos en una reacción SN2, polarizar el enlace C-X y llevarse el par de electrones con el cuál estaba enlazado al átomo de carbono cumpliendo con los requisitos siguientes: 1. Ser aceptor de electrones parea polarizar el carbono haciendolo más electrofílico. 2. Estable una vez que ha salido, los buenos grupos salientes son bases débiles como las bases conjugadas de ácidos fuertes. 3. Deben ser polarizables. O iones
Cl
Br -
-
I-
-
O S R O
haluros
moléculas neutras
H
O
H
O
-
sulfato
R
alcoholes
O P OR O fosfato
R
N R
agua
-
O S OR O
sulfonato
H
O
O
aminas
R
R
P
R
R fosfinas
Influencia estérica del sustrato. La estructura del sustrato es el factor más importante que condiciona la reactividad en una SN 2 , la reacción transcurre con rapidez con los sustratos primarios, con los secundarios es más lenta y los terciarios no reaccionan a través de SN2 .
haluro
velocidad relativa Br
CH3Br CH3CH2Br
>1000 50
Br Br
1
Br
<0.001
(CH3)2CHBr
(CH3)3CBr
Todos los sustratos tiene una propiedad común, el lado posterior al átomo de carbono electrofílico está impedido por la existencia de grupos voluminosos. La reacción de SN2 del ión hidróxido con, bromuro de etilo (1°) , bromuro de isopropilo (2°) y bromuro de ter-butilo (3°) muestra como el impedimento estérico aumenta.
HO
H H
H H
-
Br
HO
H H
-
Br
H H
H
H H
H H
H H
HO
H
-
Br H H
H
H
H
Estereoquímica: Como se ha visto la reacción SN 2 requiere de un ataque posterior del nucleófilo al carbono electrofílico y el grupo saliente debe desprenderse tan pronto como el nucleófilo se enlace al carbono, dicho ataque posterior deforma el tetraedro del átomo de carbono electrofílico, como cuando un paraguas es invertido por acción del viento de tal forma que el producto de dicha reacción toma la posición estereoquímica opuesta a la del reactivo, nombrándose a este hecho como inversión de la configuración del átomo de carbono electrofílico. H H
HO
-
H H
H
Br
H
HO
Br H H
H H
H H
H H
H
H
ataque posterior ( configuración "S")
H H
estado de transición
H HO H H
H
H
H H
H H
-
Br
producto con inversión de configuración (config. "R")
SN1: Cuando en una reacción ocurre que el disolvente también actúa como nucleófilo, dicha reacción recibe el nombre de solvólisis. reflujo
CH3OH
+
Br
OH
+
HBr
Observando De forma más detallada encontramos que se trata de una reacción de sustitución que no tiene lugar a través de una SN 2 pues esta requiere de un nucleófilo fuerte como metóxido y solo existe metanol uno débil así como un bromuro terciario, pobre como sustrato para SN 2. Una característica de esta reacción es que la velocidad no depende de la concentración de metanol y solo depende de la concentración del sustrato, siendo su ecuación de velocidad de primer orden, puesto que la velocidad no depende de la concentración del nucleófilo, este el nucleófilo no está presente en el paso lento y limitante de la reacción. Este tipo de sustitución se denomina SN 1 con el mecanismo siguiente: velocidad = Kr [ (CH 3)3CBr] 1.- formación del carbocatión (paso limitante)
+
Br 2.- ataque nucleofílico
+
+
H
O
+
Br
(lento)
CH3 O + H
CH3
3.- cesión de protón
CH3
CH3 O + H
+
H
O
CH3
O
+
H
+ CH 3 O
H
Influencia de los sustituyentes, La ionización para la formación de carbocatión es un proceso endotérmico, por lo que la velocidad de reacción tiene una gran dependencia de la estabilidad de este intermediario, este orden es opuesto al de SN2. La estabilización por resonancia del carbocatión también es un factor de importancia Reactividad SN1 : 3° > 2° > 1° > CH 3X carbocatión alilo
H +
H
Nu
-
H Nu
+
H
H
H
Influencia del grupo saliente, cuando rompe su enlace con carbono y se ioniza tenemos el paso limitante, por lo que un grupo saliente altamente ionizable propicia el estado de transición, el grupo saliente deberá ser una base débil y muy estable. Influencia del disolvente, la reacción es favorecida en disolventes polares, que estabilizan los iones intermediarios, pues solvatan a dichos iones debido a la interacción bipolar del disolvente con la carga del ión. Una medida de la facilidad con que un disolvente solvata iones es su cte dieléctrica ( ε) que es una mediad de la polaridad del disolvente. Disolvente Agua Metanol Etanol Acetona Dietil éter Hexano
ε
78 33 24 21 4.3 2.0
Vel relativa de ionizacion cloruro de t-butilo 8000 1000 200 1 0.001 < 0.0001
Estereoquímica. No es estereoespecífica pues da como productos los dos enantiómeros fenómeno conocido como racemización. Los carbocationes experimentan cambios estructurales o reordenamientos para dar lugar a iones más estables, conocido como transposición. Comparación de las reacciones SN1 y SN2: • Influencia del Nucleófilo. • Influencia del sustrato. • Influencia del disolvente. • Cinética. • Esteroequímica. • Reordenamientos.
