12.4.4: El mecanismo de base conjugada

La reacción de sustitución de complejos octaédricos ácidos (con ligandos que pueden donar un protón) se puede catalizar en presencia de ion hidróxido (\(\ce{OH^-}\). A través de una reacción inicial ácido-base, el complejo metálico se puede desprotonar a su base conjugada. La desprotonación aumenta la densidad de electrones en el centro metálico, facilitando la pérdida del ligando del grupo saliente, especialmente cuando el ligando saliente es trans al sitio de desprotonación. Este mecanismo se conoce como el mecanismo conjugado-base o el mecanismo \({\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}\mathrm{1CB}\)(S ubstitución, N nucleofílico, de primer orden en el mecanismo C onyugado B asa). Aunque implica un paso disociativo limitante de la velocidad, la ley de velocidad es consistente con la cinética de segundo orden porque la velocidad también depende de la reacción inicial de la base con el complejo metálico. En este mecanismo, el primer paso es la formación de la base conjugada del complejo metálico por desprotonación de uno de sus ligandos. Se trata de un caso en el que son necesarias numerosas líneas de evidencia para establecer el mecanismo.

Los complejos de pentamina de cobalto,\(\ce{Co(NH3)5X^{n+}}\), han sido ampliamente estudiados y se ha encontrado que reaccionan a través del mecanismo conjugado-base. A continuación se describe la manera en que se determinó el mecanismo real y cómo se descartó otro mecanismo posible.

Evidencia en condiciones acuosas ácidas

En soluciones acuosas ácidas, la reacción

\[\ce{ [Co(NH3)_5X]^{2+} + Y^{-} -> [Co(NH3)_5Y]^{2+} + X^{-}} \nonumber \]

se encontró que procedía a través de un compuesto intermedio de aquo complejo\(\ce{[Co(NH3)_5{OH_2}]^{3+}}\), que también es el producto dominante a pesar de la identidad del ligando entrante. En otras palabras, para formar el producto de la reacción anterior, hay dos etapas de sustitución necesarias (que se muestran a continuación).

\[\begin{align*} \ce{[Co(NH3)_5X]^{2+} + H2O} &\rightleftharpoons \ce{[Co(NH3)_5(OH2)]^{3+} + X^{-}} \tag{step 1, form aquo intermediate}\\[4pt] \ce{[Co(NH3)5(OH2)]^{3+} + Y^{-}} &\rightleftharpoons \ce{[Co(NH3)5Y]^{2+} + H2O } \tag{step 2, form final product} \end{align*} \]

El primer paso en la reacción es la ruptura de un\(\ce{Co \bond{-} X}\) enlace y la formación de un\(\ce{Co \bond{-} OH2}\) enlace (etapa 1). Posteriormente,\(\ce{Y^{-}}\) puede sustituir al grupo aquo (paso 2).

En solución acuosa, el agua siempre está presente a una concentración mucho mayor que los diversos grupos de entrada posibles\(\ce{Y^{-}}\), por lo que es razonable que el complejo aquo se vea favorecido en la competencia para formar el nuevo enlace a\(\ce{Co(III)}\). Sin embargo, la fuerza del\(\ce{Co \bond{-} Y}\) enlace debe depender de la nucleofilia de\(\ce{Y^{-}}\) estas reacciones de sustitución. Por lo tanto, la cantidad de\(\ce{[Co(NH3)_5Y]^{2+}}\) producto debe aumentar con el aumento de la nucleofilia de\(\ce{Y^{-}}\). El hecho de que el complejo aquo sea el producto de reacción predominante a pesar de la identidad de sugiere\(\ce{Y^{-}}\) fuertemente que la ruptura del\(\ce{Co \bond{-} X}\) enlace es más importante en el resultado de la reacción que la formación del nuevo enlace al entrante\(\ce{Y^{-}}\).

Esta evidencia indica carácter disociativo en la reacción. Pero la naturaleza del mecanismo de sustitución aún no está clara. Por ejemplo, ¿se rompe completamente el\(\ce{Co \bond{-}X}\) vínculo original antes de que el nuevo\(\ce{Co \bond{-} OH2}\) vínculo haya comenzado a formarse así que ese\(\ce{Co(NH3)_5^{3+}}\) es un verdadero intermedio? ¿El mecanismo involucra un intermedio transitorio donde los vínculos se rompen y se forman de manera concertada?

Evidencia en condiciones acuosas básicas

La evidencia del mecanismo de reacción en condiciones básicas es aparentemente contradictoria con lo descrito anteriormente. Cuando el grupo entrante,\(Y^{-}\), es el ion hidróxido, la reacción es

\[\ce{ Co(NH3)_5X^{n+} + OH^{-} \to Co(NH3)_5OH^{2+} + X^{q-}} \nonumber \]

La sustitución por ión hidróxido es cinéticamente más rápida que por el ligando aquo en soluciones ácidas, y la tasa se encuentra que la ley es de segundo orden:

\[\frac{d\left[\ce{Co(NH3)_5OH^{2+}}\right]}{dt}=k\ \left[\ce{Co(NH3)_5X^{n+}}\right]\left[\ce{OH^{-}}\right] \nonumber \]

Esta ley de velocidad es consistente con una reacción asociativa que implica ataque nucleofílico por el ion hidróxido en el centro de cobalto. En un mecanismo de intercambio asociativo, la formación del\(\ce{Co \bond{-} OH}\) enlace ocurre simultáneamente con la ruptura del\(\ce{Co \bond{-} X}\) enlace. Sin embargo, al igual que en el caso anterior, el complejo hidroxo domina incluso en presencia de\(\ce{Y^{-}}\). Así, el ion hidróxido parece ser un nucleófilo excepcionalmente efectivo hacia el cobalto (III). Sin embargo, los desplazamientos nucleofílicos han sido investigados en muchos otros electrófilos, y en general, el hidróxido no es un nucleófilo particularmente efectivo hacia otros centros electrófilos. Entonces, la asignación de un mecanismo asociativo a esta reacción es razonable solo si podemos explicar por qué el hidróxido es singularmente reactivo en este caso y no en otros.

El mecanismo de base conjugada

Un mecanismo alternativo, denominado mecanismo conjugado-base o mecanismo \({\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}\mathrm{1CB}\)(S ubstitución, N nucleofílico, de primer orden en el mecanismo C onyugado B asa), también es consistente con la ley de tasas de segundo orden. En este mecanismo, el primer paso es la formación de la base conjugada del complejo metálico por desprotonación de uno de sus ligandos. Un requisito importante de este mecanismo es la presencia de un ligando unido a metal con protones ácidos (incluyendo ligandos amina, amina o aquo). Bajo condiciones básicas el mecahnismo es catalizado por el ion hidróxido.

En el caso de\(\ce{[Co(NH3)_5{OH_2}]^{3+}}\) reaccionar en condiciones básicas, el hidróxido elimina un protón de uno de los ligandos de amina para dar un intermedio de base conjugada de seis coordenadas (paso 1 a continuación). Este intermedio de base conjugada contiene un ligando amido (\(\ce{NH^{-}_2}\)) que es un ligando\(\pi\) donante, permitiendo la disociación facilitada de uno de los otros ligandos (particularmente el ligando en la posición trans). Este intermedio pierde el grupo saliente\(X^{-}\) en el paso determinante de la velocidad para formar un intermedio de cinco coordenadas,\(\ce{Co(NH3)4NH^{2+}}\) (paso 2 a continuación). Este intermedio de cinco coordenadas recoge rápidamente una molécula de agua de la solución a granel para dar el complejo aquo (paso 3 a continuación). En una serie de transferencias de protones hacia (etapa 4) y desde (etapa 5) el disolvente acuoso, el complejo aquo se reorganiza al producto final. El mecanismo se muestra a continuación para\(\ce{[Co(NH3)_5{OH_2}]^{3+}}\) reaccionar con\(\ce{Cl^{-}}\):

\[\begin{align*} \ce{[Co(NH3)_5{Cl}^{2+}+OH]^{-}} &\rightleftharpoons \ce{[Co(NH3)_4(NH2){Cl}]^{+} + H_2O} \tag{step 1, conjugate base}\\[4pt] \ce{[Co(NH3)_4(NH2){Cl}]^{+}} &\rightleftharpoons \ce{[Co(NH3)_4{(NH2)}]^{2+} + {Cl}^{-}} \tag{step 2, dissociation} \\[4pt] \ce{Co(NH3)_4{(NH2)}^{2+} + H_2O} &\rightleftharpoons \ce{Co(NH3)_4{(NH2)(OH2)}^{2+}} \tag{step 3, association} \\[4pt] \ce{Co(NH3)_4{(NH2)(OH2)}^{2+} + OH^{-}} &\rightleftharpoons \ce{Co(NH3)_4{(NH2)OH}^{+} + H_2O} \tag{step 4, proton transfer} \\[4pt] \ce{Co(NH3)_4{(NH2)OH}^{+} + H_2O} &\rightleftharpoons \ce{Co(NH3)_5{OH}^{2+} + OH^{-}} \tag{step 5, proton transfer} \end{align*} \]

La evidencia a favor del\({\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}\mathrm{1CB}\) mecanismo es persuasiva. Requiere que los protones de la amina sean ácidos, para que puedan sufrir la reacción ácido-base en el primer paso. Que esta reacción se produce se demuestra mediante experimentos de intercambio de protones. En básico\(\ce{D_2O}\), los protones de la munición se someten a\(\ce{H-D}\) intercambio según

\[\ce{[Co(NH3)5Cl]^{2+} + D2O \rightleftharpoons [Co(ND3)5Cl]^{2+} + HDO} \nonumber \]

Los protones de amina también son necesarios; la reacción no ocurre para compuestos similares, como\(\ce{Co(2,2^'-bipyridine)_2(O_2CCH_3)^{+}_2}\), que carecen de protones ácidos en los átomos de nitrógeno que están unidos al cobalto (es decir, no hay\(\ce{H-N-Co}\) restos).

La evidencia de que\(\ce{Co(NH3)_4{(NH2)}^{2+}}\) es un intermedio también es persuasiva. Cuando la reacción de hidrólisis básica se lleva a cabo en presencia de otros posibles grupos de entrada,\(Y^{p-}\), la velocidad a la que\(\ce{[Co(NH3)_5X]^{n+}}\) se consume no cambia, pero el producto es una mezcla de\(\ce{[Co(NH3)_5{OH}]^{2+}}\) y\(\ce{[Co(NH3)5Y]^{n+}}\). Si este experimento se realiza con una variedad de grupos salientes,\(X^{q-}\), las proporciones de\(\ce{[Co(NH3)_5{OH}^{2+}]}\) y\(\ce{[Co(NH3)5Y]^{n+}}\) son constantes a pesar de qué grupo saliente existe en el complejo reactivo. Estas observaciones son consistentes con la hipótesis de que todos los reactivos,\(\ce{[Co(NH3)_5X]^{n+}}\), dan el mismo intermedio,\(\ce{[Co(NH3)_4{(NH2)}]^{2+}}\). La distribución del producto es siempre la misma, porque siempre es la misma especie sometida a la reacción formadora de producto.