Sustitución nucleofílica - Nucleophilic substitution
Una sustitución nucleofílica es una clase de reacciones químicas en las que una especie química rica en electrones (conocida como nucleófilo ) reemplaza un grupo funcional dentro de otra molécula deficiente en electrones (conocida como electrófilo ). La molécula que contiene el electrófilo y el grupo funcional saliente se llama sustrato .
La forma más general de reacción se puede dar como sigue:
- Nuc : + R-LG → R-Nuc + LG :
El par de electrones ( : ) del nucleófilo (Nuc) ataca el substrato (R-LG) y enlaces con él. Simultáneamente, el grupo saliente (LG) sale con un par de electrones. El producto principal en este caso es R-Nuc. El nucleófilo puede ser eléctricamente neutro o cargado negativamente, mientras que el sustrato es típicamente neutro o cargado positivamente.
Un ejemplo de sustitución nucleofílica es la hidrólisis de un bromuro de alquilo , R-Br, en condiciones básicas, donde el nucleófilo atacante es OH - y el grupo saliente es Br - .
- R-Br + OH - → R-OH + Br -
Las reacciones de sustitución nucleofílica son comunes en la química orgánica . Los nucleófilos a menudo atacan un carbono alifático saturado . Con menos frecuencia, pueden atacar un carbono aromático o insaturado.
Centros de carbono saturado
Reacciones S N 1 y S N 2
En 1935, Edward D. Hughes y Sir Christopher Ingold estudiaron reacciones de sustitución nucleofílica de haluros de alquilo y compuestos relacionados. Propusieron que había dos mecanismos principales en funcionamiento, ambos compitiendo entre sí. Los dos mecanismos principales fueron la reacción S N 1 y la reacción S N 2 , donde S significa sustitución, N significa nucleofílico y el número representa el orden cinético de la reacción.
En la reacción S N 2, la adición del nucleófilo y la eliminación del grupo saliente tienen lugar simultáneamente (es decir, una reacción concertada ). S N 2 ocurre cuando el átomo de carbono central es fácilmente accesible para el nucleófilo.
Sustitución nucleofílica en carbono | |
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Mecanismo S N 2 |
En las reacciones S N 2, hay algunas condiciones que afectan la velocidad de la reacción. En primer lugar, el 2 en S N 2 implica que hay dos concentraciones de sustancias que afectan la velocidad de reacción: sustrato (Sub) y nucleófilo. La ecuación de velocidad para esta reacción sería Rate = k [Sub] [Nuc]. Para una reacción S N 2, lo mejor es un disolvente aprótico , como acetona, DMF o DMSO. Los disolventes apróticos no añaden protones ( iones H + ) a la solución; si los protones estuvieran presentes en las reacciones S N 2, reaccionarían con el nucleófilo y limitarían severamente la velocidad de reacción. Dado que esta reacción ocurre en un solo paso, los efectos estéricos impulsan la velocidad de reacción. En el paso intermedio, el nucleófilo está a 185 grados del grupo saliente y la estereoquímica se invierte como los enlaces nucleófilos para hacer el producto. Además, debido a que el intermedio está parcialmente unido al nucleófilo y al grupo saliente, no hay tiempo para que el sustrato se reorganice: el nucleófilo se unirá al mismo carbono al que estaba unido el grupo saliente. Un último factor que afecta la velocidad de reacción es la nucleofilia; el nucleófilo debe atacar a un átomo que no sea hidrógeno.
Por el contrario, la reacción S N 1 implica dos pasos. Las reacciones S N 1 tienden a ser importantes cuando el átomo de carbono central del sustrato está rodeado por grupos voluminosos, tanto porque dichos grupos interfieren estéricamente con la reacción S N 2 (discutida anteriormente) como porque un carbono altamente sustituido forma un carbocatión estable .
Sustitución nucleofílica en carbono | |
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Mecanismo S N 1 |
Al igual que las reacciones S N 2, hay bastantes factores que afectan la velocidad de reacción de las reacciones S N 1. En lugar de tener dos concentraciones que afectan la velocidad de reacción, solo hay un sustrato. La ecuación de tasa para esto sería Tasa = k [Sub]. Dado que la velocidad de una reacción sólo está determinada por su paso más lento, la velocidad a la que el grupo saliente "se va" determina la velocidad de la reacción. Esto significa que cuanto mejor sea el grupo saliente, más rápida será la velocidad de reacción. Una regla general para lo que constituye un buen grupo saliente es que cuanto más débil sea la base conjugada, mejor será el grupo saliente. En este caso, los halógenos serán los mejores grupos salientes, mientras que compuestos como aminas, hidrógeno y alcanos serán grupos salientes bastante pobres. Como las reacciones S N 2 se vieron afectadas por las reacciones estéricas, las reacciones S N 1 están determinadas por grupos voluminosos unidos al carbocatión. Dado que hay un intermedio que en realidad contiene una carga positiva, los grupos voluminosos adjuntos ayudarán a estabilizar la carga en el carbocatión a través de la resonancia y la distribución de la carga. En este caso, el carbocatión terciario reaccionará más rápido que un secundario que reaccionará mucho más rápido que un primario. También es debido a este carbocatión intermedio que el producto no tiene que tener inversión. El nucleófilo puede atacar desde arriba o desde abajo y, por lo tanto, crear un producto racémico. Es importante utilizar un solvente prótico, agua y alcoholes, ya que un solvente aprótico podría atacar el intermedio y causar un producto no deseado. No importa si los hidrógenos del disolvente prótico reaccionan con el nucleófilo, ya que el nucleófilo no participa en el paso de determinación de la velocidad.
Tabla 1. Sustituciones nucleófilas en RX (un haluro de alquilo o equivalente) | |||||||
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Factor | S N 1 | S N 2 | Comentarios | ||||
Cinética | Tarifa = k [RX] | Tasa = k [RX] [Nuc] | |||||
Alquilo primario | Nunca a menos que estén presentes grupos estabilizadores adicionales | Bueno a menos que se use un nucleófilo impedido | |||||
Alquilo secundario | Moderar | Moderar | |||||
Alquilo terciario | Excelente | Nunca | Es probable que se elimine si se calienta o si se usa una base fuerte | ||||
Saliendo del grupo | Importante | Importante | Para halógenos, I> Br> Cl >> F |
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Nucleofilia | Sin importancia | Importante | |||||
Disolvente preferido | Prótico polar | Aprótico polar | |||||
Estereoquímica | Racemización (+ posible inversión parcial ) | Inversión | |||||
Reordenamientos | Común | Raro | Reacción secundaria | ||||
Eliminaciones | Común, especialmente con nucleófilos básicos | Solo con calor y nucleófilos básicos | Reacción secundaria esp. si se calienta |
Reacciones
Hay muchas reacciones en la química orgánica que involucran este tipo de mecanismo. Los ejemplos comunes incluyen:
- Reducciones orgánicas con hidruros , por ejemplo
- Reacciones de hidrólisis como
- La síntesis de Wenker , una reacción de cierre de anillo de aminoalcoholes.
- La reacción de Finkelstein , una reacción de intercambio de haluros. Los nucleófilos del fósforo aparecen en la reacción de Perkow y en la reacción de Michaelis-Arbuzov .
- La síntesis de nitrilo de Kolbe , la reacción de haluros de alquilo con cianuros.
Mecanismo límite
Un ejemplo de una reacción de sustitución que tiene lugar mediante un mecanismo llamado límite, como lo estudiaron originalmente Hughes e Ingold, es la reacción de cloruro de 1-feniletilo con metóxido de sodio en metanol.
La velocidad de reacción se calcula con la suma de los componentes S N 1 y S N 2, teniendo lugar el 61% (3,5 M, 70 ° C) por este último.
Otros mecanismos
Además de S N 1 y S N 2, se conocen otros mecanismos, aunque son menos comunes. El mecanismo S N i se observa en las reacciones del cloruro de tionilo con alcoholes , y es similar al S N 1 excepto que el nucleófilo se libera del mismo lado que el grupo saliente.
Las sustituciones nucleofílicas pueden ir acompañadas de un reordenamiento alílico como se ve en reacciones como el reordenamiento de Ferrier . Este tipo de mecanismo se denomina reacción S N 1 'o S N 2' (dependiendo de la cinética). Con haluros o sulfonatos alílicos , por ejemplo, el nucleófilo puede atacar al carbono γ insaturado en lugar del carbono que lleva el grupo saliente. Esto se puede ver en la reacción de 1-cloro-2-buteno con hidróxido de sodio para dar una mezcla de 2-buten-1-ol y 1-buten-3-ol:
- CH 3 CH = CH-CH 2 -Cl → CH 3 CH = CH-CH 2 -OH + CH 3 CH (OH) -CH = CH 2
El mecanismo Sn1CB aparece en la química inorgánica . Existen mecanismos en competencia.
En la química organometálica, la reacción de abstracción nucleofílica ocurre con un mecanismo de sustitución nucleofílica.
Centros de carbono insaturado
La sustitución nucleófila a través del mecanismo S N 1 o S N 2 generalmente no ocurre con haluros de vinilo o arilo o compuestos relacionados. En determinadas condiciones, pueden producirse sustituciones nucleofílicas, mediante otros mecanismos tales como los descritos en el artículo de sustitución aromática nucleofílica .
Cuando la sustitución se produce en el grupo carbonilo , el grupo acilo puede sufrir una sustitución acilo nucleófila . Este es el modo normal de sustitución con derivados de ácidos carboxílicos como cloruros de acilo , ésteres y amidas .