REACTIVIDAD Y SÍNTESIS

PREPARACIÓN Y REACTIVIDAD DE GRUPOS FUNCIONALES

La nucleofilia se relaciona con la tendencia de una especie rica en electrones a atraer hacia sí la carga nuclear positiva de otra especie pobre en electrones (electrófilo).

Nucleofilia

Basicidad

En ambas reacciones la especie nucleófila ataca al carbono electrófilo

En ambas reacciones la especie básica ataca al hidrógeno electrofílico

No debe extrañarnos que la nucleofilia y la basicidad sean propiedades relacionadas, sin embargo, es conveniente diferenciarlas porque se expresan con resultados muy diferentes:

Sustitución

Eliminación

Cuando el anión atacante actúa como nucleófilo da lugar a una reacción de sustitución

Cuando el anión atacante actúa como base da lugar a una reacción de eliminación


En general la nucleofilia de una especie se puede valorar en función de la disponibilidad de sus electrones. Cuanto más disponibles estén los electrones más nucleófila será.

Las especies nucleófilas pueden estar cargadas negativamente o no

A lo largo de un periodo del sistema periódico la nucleofilia aumenta hacia la izquierda (igual que la basicidad), ya que en ese sentido disminuye la electronegatividad y, por tanto, la atracción electrónica (electrones más disponibles)

C- > N- > O- > F-

Para especies con el mismo átomo central, la nucleofilia crece con la densidad electrónica (igual que la basicidad)

HO- > H2O

A lo largo de un grupo del sistema periódico la nucleofilia aumenta hacia abajo (al contrario que la basicidad), ya que en ese sentido aumenta la polarización del nucleófilo (aumenta el tamaño y por tanto lo electrones están más alejados del núcleo)

I- > Br- > Cl- > F-


Muy Buenos

I-, HS-, RS-

Buenos

Br-, HO-, RO-, NC-, N3-


NH3, Cl-, F-, RCO2-

Débiles

H2O, ROH

Muy Débiles

RCO2H


En todas las reacciones de sustitución un grupo unido al centro reactivo se separa de él, es el grupo saliente. No todos los grupos son buenos grupos salientes.

Un buen grupo saliente es la base conjugada de un ácido fuerte

Cuanto más estable sea el grupo LG- más favorecido estará el proceso

Excelente

TsO-, NH3

Muy Bueno

I-, H2O

Bueno

Br-


Cl-

Malo

F-

Muy malo

HO-, NH2-, RO-

El ión hidroxilo es un mal grupo saliente porque su ácido conjugado es el agua (ácido muy débil), sin embargo, la molécula de agua es un buen grupo saliente porque su ácido conjugado H3O+ es fuerte

El disolvente en que tiene lugar la reacción de sustitución puede tener efectos sobre su desarrollo

Disolvente polar prótico (H2O y ROH)

Disolvente polar aprótico (acetona, DMSO, DMF, acetonitrilo)

Tienen dipolos por los enlaces polares

Tienen átomos de H para formar puentes de hidrógeno

Solvatan los aniones disminuyendo su nucleofilia

Tienen dipolos por los enlaces polares

No tienen átomos de H que puedan formar puentes de hidrógeno

No solvatan los aniones y no apantallan su nucleofilia

En las reacciones SN1 la capacidad del disolvente para estabilizar el carbocatión intermedio tiene mucha influencia

En las reacciones SN2 el efecto de la polaridad del disolvente es menor, pero la posibilidad de que el disolvente solvate al nucleófilo si es significativa


Las reacciones de sustitución nucleofíca se pueden producir por dos mecanismos diferentes

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA DE PRIMER ORDEN

SN1

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA DE SEGUNDO ORDEN

SN2



La etapa determinante de la velocidad es la formación del carbocatión. En consecuencia, la cinética del proceso es unimolecular (de primer orden). La velocidad de reacción sólo depende de la concentración del haluro. La concentración del nucleófilo no afecta a la velocidad de reacción.

INFUENCIA DE LA CADENA CARBONADA

El orden de reactividad en la SN1 es:

(CH3)3C-  >  (CH3)2CH-   >  CH3CH2-  >  CH3-



El proceso es una reacción concertada. La entrada del nucleófilo coincide con la separación del grupo saliente. En la etapa determinante de la velocidad intervienen dos especies: el nucleófilo y el sustrato orgánico, por ello la cinética es de segundo orden, o sea, la velocidad de reacción depende tanto de la concentración de nucleófilo como de la concentración del sustrato.

INFUENCIA DE LA CADENA CARBONADA

CH3-  >  CH3CH2-  >  (CH3)2CH-  >  (CH3)3C-

Los haluros metílicos o primarios son los más favorecidos por este mecanismo. La razón es evidente: el intermedio de reacción es una especie pentacoordinada, por tanto estará sujeta a problemas estéricos. Cuanto más voluminoso sea el sustrato, más difícil lo tendrá el nucleófilo para atacar el carbono electrofílico.

Bromuro de metilo



velocidad reacción I- (rel)=221.000

Bromuro de etilo



velocidad reacción I- (rel)=1.350

Bromuro de isopropilo



velocidad reacción I- (rel)=1

Bromuro de tertbutilo



velocidad reacción I- (rel)=0

Bromuro de metilo



velocidad de hidrólisis (rel)=1

Bromuro de etilo



velocidad de hidrólisis (rel)=2

EFECTO DEL GRUPO SALIENTE

El enlace que une al carbono con el grupo saliente se rompe durante el paso controlante de la velocidad, por tanto, su naturaleza sí influye en la SN2. Si el grupo saliente es muy bueno se puede favorecer el mecanismo SN1

NUCLEOFILIA DEL GRUPO ATACANTE

Como el nucleófilo participa del paso controlante del proceso, su naturaleza influye en la velocidad de reacción. Cuanto más fuerte sea su nucleofilia mas favorecido será el mecanismo SN2.

EFECTO DEL DISOLVENTE

Los disolventes polares apróticos favorecen el mecanismo SN2

ESTEREOQUÍMICA

Como el nucleófilo ataca por el lado opuesto al que se encuentra el grupo saliente, se produce inversión de la configuración

Resumen

Este mecanismo es común en sistemas con malos grupos salientes, sustratos metílicos o primarios y nucleófilos fuertes. Un ejemplo típico es la reacción del ión yoduro con haluros de alquilo primarios o tosilatos.



COMPARACIÓN DE LOS MECANISMOS SN1 Y SN2:

Reacción de alcoholes primarios y terciarios con HBr

Bromuro de isopropilo



velocidad de hidrólisis (rel)=43

Bromuro de tertbutilo



velocidad de hidrólisis (rel)=100.000.000

Los carbocationes intermedios que se producen en este mecanismo pueden sufrir procesos de transposición

ver procesos típicos en carbocationes

EFECTO DEL GRUPO SALIENTE

Como el paso controlante de la velocidad es la ruptura del enlace entre el carbono y el grupo saliente, el proceso SN1 depende mucho de la naturaleza del grupo saliente. Cuanto mejor sea más rápido será el proceso.

NUCLEOFILIA DEL GRUPO ATACANTE

El nucleófilo no participa en el paso controlante, en consecuencia no tiene efecto sobre la evolución del proceso SN1

EFECTO DEL DISOLVENTE

Los disolventes polares (H2O, ROH) favorecen este mecanismo porque estabilizan (solvatan) el carbocatión

Ver estabilización de iones

Este proceso estará favorecido por la estabilidad del carbocatión, la naturaleza del nucleófilo atacante no influye

ESTEREOQUÍMICA

Como el carbocatión es una especie plana (hibridación sp2), el ataque del nucleófilo se realiza por ambas caras con la misma probabilidad, en consecuencia se produce una pérdida de la estereoquímica del centro reactivo. Si como consecuencia de la reacción se forma un centro quiral, el producto será una mezcla racémica (racemización), ya que se forman ambos enantiómeros en un 50 %.

ver carbocationes y quiralidad

Resumen

Este mecanismo es el habitual en sistemas con buenos grupos salientes, carbocationes estables y nucleófilos suaves. Un ejemplo típico es la reacción del HBr con alcoholes terciarios o la hidrólisis de los haluros terciarios