4.1: Introducción a la Sustitución Nucleofílica Alifática

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La sustitución nucleofílica alifática es un bocado, pero cada pieza te dice algo importante sobre este tipo de reacción.

En las reacciones de sustitución, una pieza de una molécula es reemplazada por otra. Por ejemplo, los ligandos pueden reemplazarse en complejos de metales de transición. Los átomos de oxígeno en los compuestos orgánicos de carbonilo pueden ser reemplazados por átomos de nitrógeno o átomos de azufre, en una variación particular de las reacciones de adición de carbonilo.

Todas estas reacciones implican la adición de un nucleófilo a un átomo o ion electrófilo. Todas son reacciones de sustitución nucleofílica.

Los sistemas alifáticos involucran cadenas de hidrocarburos saturados, en los cuales los carbonos se unen entre sí solo a través de enlaces simples. La sustitución nucleofílica alifática es la sustitución de un nucleófilo en un carbono tetraédrico o sp ³.

Las sustituciones nucleofílicas alifáticas no juegan un papel central y glamuroso en el mundo de la química. No ocurren en todos los procesos importantes, la forma en que las adiciones de carbonilo y las sustituciones de carboxiloides aparecen en la bioquímica. En cambio, son pequeñas reacciones ubicuas que juegan papeles importantes, pequeños en todo tipo de lugares.

Por ejemplo, el polietileno gloycol (PEG) es un polímero de uso común en muchas aplicaciones biomédicas. El PEG frecuentemente tiene grupos hidroxilo en cada extremo del polímero. El tapado de los extremos del polímero a través de la reacción con otro grupo puede conducir a propiedades físicas muy diferentes.

Para otro ejemplo, muchos procesos bioquímicos requieren prenilación de proteínas. Eso implicaría una sustitución nucleofílica en la que un azufre en un residuo de cisteína se suma a un carbono tetraédrico en un grupo prenilo, reemplazando a un grupo fosfato.

Para ser un electrófilo, ese carbono tetraédrico debe tener al menos alguna carga positiva parcial sobre él. En los casos más simples, este carbono electrófilo se une a un halógeno: cloro, bromo o yodo. Estos compuestos se denominan haluros de alquilo (o cloruros de alquilo, bromuros de alquilo y yoduros de alquilo).

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Dibujar estructuras de los siguientes haluros de alquilo.

a) 2-bromopentano b) 2-metil-2-clorobutano c) yoduro de bencilo d) cloruro de alilo

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Muchas cosas pueden ser nucleófilos en estas reacciones. En ocasiones, el nucleófilo es un compuesto neutro con un par solitario, como el amoníaco o el agua (o, por extensión, una amina o un alcohol).

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

En ocasiones, la adición de una base suave es útil en las reacciones de nucleófilos neutros. Mostrar, con flechas mecanicistas, cómo el carbonato de sodio (K ₂ CO ₃) desempeñaría un papel en la reacción.

Contestar

Los análogos de la tercera fila de estos nucleófilos, en los que el átomo nucleoflico es un fósforo o un azufre, también son buenos nucleófilos en estas reacciones.

A veces, el nucleófilo es un anión. El anión cianuro es un buen nucleófilo, al igual que los acetiluros estructuralmente similares.

Los enoles, enolatos y enaminas también son muy buenos nucleófilos en este tipo de reacciones.

Los nucleófilos semianiónicos como los reactivos de Grignard (u organomagnesio) y los reactivos de alquil litio a veces pueden actuar como nucleófilos en estas reacciones, pero no son muy confiables. Las complicaciones a menudo conducen a otras reacciones en su lugar. Los reactivos Gilman (u organocobre), en los que un átomo de carbono está unido a un átomo de cobre, generalmente pueden reaccionar con haluros de alquilo. Sin embargo, probablemente actúen a través de un mecanismo diferente a los descritos en este capítulo.

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

Ponga una caja alrededor de la porción nucleofílica de las siguientes moléculas. Nota: los pares solitarios no han sido sorteados.