1.24: Sustitución nucleofílica, SN2, SN1
- Page ID
- 74309
Recordar ejemplos de sustitución nucleofílica
El tema de hoy nos lleva de vuelta a un importante mecanismo de reacción orgánica. Hemos estudiado algunas reacciones que proceden por este mecanismo. Ahora es el momento de examinarlo a detalle.
Comencemos recordando un par de reacciones que ocurren con haluros de alquilo, pero solo funcionan bien cuando el haluro de alquilo es primario (el halógeno está unido a un carbono que está unido directamente a solo otro carbono). Una de tales reacciones implicó ión cianuro y dio como resultado un nitrilo que luego se convirtió en un ácido carboxílico:
Otra reacción similar utilizó un alcóxido (la base conjugada de un alcohol) y resultó en un éter. Tal vez recuerde esto como la síntesis de éter de Williamson:
En ambos ejemplos el enlace entre el carbono y el halógeno (generalmente bromo o cloro) se ha roto y su par de electrones se ha mantenido con el haluro. Si comparamos lo que sucede aquí con lo que ocurrió con el cloro en un cloruro de acilo, reconocemos que en ambas situaciones el haluro se ha comportado como grupo de salida.
De igual manera, podemos centrar nuestra atención en el nuevo vínculo que se está haciendo. Los electrones que forman este enlace en el producto provienen del reactivo de ataque: el cianuro en la fabricación de un nitrilo y el alcóxido en la síntesis de éter de Williamson. Reconocemos este comportamiento como el de un nucleófilo, un átomo o grupo que suministra un par de electrones para formar un nuevo enlace covalente. Hemos visto nucleófilos añadir a los carbonos de carbonilo tanto en cetonas como aldehídos y en derivados de ácido carboxílico.
Estas reacciones se conocen como Reacciones de Sustitución Nucleofílica, reacciones de sustitución porque un átomo o grupo ha sido sustituido por otro, y nucleófilas porque el átomo o grupo sustitutivo ha suministrado los electrones para el nuevo enlace.
Posibles Mecanismos
Las reacciones típicas de los derivados de ácido carboxílico también son reacciones de sustitución nucleofílica, pero estas son diferentes. Recuerde que en las reacciones de los derivados de ácido carboxílico primero hubo una adición a un grupo carbonilo en el que se rompió el enlace carbono-oxígeno pi. Esta etapa fue seguida por una en la que el grupo saliente partió y se volvió a formar el enlace pi carbono-oxígeno:
En haluros de alquilo este mecanismo no está disponible ya que no hay enlace carbono-oxígeno pi para romper y reformar. Esto nos deja con dos posibilidades:
- El enlace entre el átomo de carbono y el grupo de salida se rompe primero. El carbono queda con seis electrones de unión, un orbital vacío y una carga positiva.
En un segundo paso, el nucleófilo reacciona para formar un enlace, al igual que el patrón que vimos en las reacciones catalizadas por ácido de los grupos carbonilo. Estudiaremos estas reacciones la próxima vez.
- El enlace entre el átomo de carbono y el grupo lápida se rompe al mismo tiempo que se forma el enlace entre el nucleófilo y el átomo de carbono.
Solo hay un paso y requiere que el nucleófilo y el haluro de alquilo (también llamado sustrato) colisionen para que tenga lugar.
(Una tercera posibilidad, que el nucleófilo ataca primero para formar un intermedio que luego pierde el grupo de salida, no es posible porque el carbono en el intermedio tendría diez electrones de unión y cinco enlaces —una situación energética muy alta).
Hoy consideraremos la segunda de estas posibilidades. Este mecanismo se denomina mecanismo S N 2; S para sustitución, N para nucleófilo y 2 porque dos moléculas chocan en el punto crítico de la reacción.
Mecanismo S N 2
Primero, veamos lo que sucede con un poco más de detalle. Esta es una reacción de un solo paso. Para que se lleve a cabo, el nucleófilo debe acercarse lo suficiente como para que comience a ocurrir la unión, pero esto también significa que el enlace carbono-halógeno debe comenzar a romperse. Ambas acciones aumentan la energía de la combinación: la ruptura del enlace requiere energía al igual que superar la repulsión que resulta de mover el par de electrones del nucleófilo en estrecho contacto con los electrones en la capa de unión del carbono.
A medida que avanza el proceso de reacción, la energía aumenta hasta que comienza a ocurrir un enlace significativo entre el nucleófilo y el carbono. Esto libera suficiente energía para equilibrar la energía requerida para romper el enlace carbono-halógeno. En este punto. llamado estado de transición, la energía está en un máximo. Hay aproximadamente un medio enlace entre el nucleófilo y el carbono y un medio enlace entre el carbono y el halógeno. Dado que la energía está en un máximo, cualquier ligero movimiento hará que disminuya, ya sea para volver a los reactivos o para continuar con los productos. Esta imagen del estado de transición es la clave para comprender las características del mecanismo S N 2.
La energía requerida para impulsar el nucleófilo y el haluro de alquilo al nivel de energía del estado de transición se denomina energía de activación. Proviene de la energía con la que chocan las moléculas. Si la energía de activación es baja, muchas colisiones proporcionarán suficiente energía y la reacción será rápida. Si la energía de activación es alta, pocas colisiones proporcionarán suficiente energía y la reacción será lenta. Otra forma de decir esto es que las reacciones lentas tienen altas energías de activación (y estados de transición de alta energía) y las reacciones rápidas tienen bajas energías de activación (y estados de transición de baja energía). Para entender qué hace que una reacción vaya lenta o rápida, examinamos el estado de transición para ver qué cambios aumentarán o disminuirán su energía.
Efecto de la estructura de haluro de alquilo
Con estos antecedentes, podemos mirar hacia atrás a la restricción de que nuestros ejemplos de reacciones de S N 2 (síntesis de nitrilo y éter) solo funcionan bien en haluros de alquilo primarios. En la estructura del estado de transición S N 2, hay ángulos de enlace de 90 o entre el enlace de ruptura con el grupo de salida y los tres enlaces que permanecen conectados al carbono, así como entre el enlace que se realiza con el nucleófilo y esos mismos tres enlaces.
Siempre y cuando los dos de los grupos unidos al carbono que se está atacando sean pequeños hidrógenos, las repulsiones que ocurren no requieren de mucha energía. Si los grupos unidos al carbono son más grandes, sin embargo, al igual que los grupos metilo, la energía del estado de transición aumenta, la energía de activación aumenta y la reacción se vuelve mucho más lenta.
Esto significa que el orden de reactividad para los haluros de alquilo en las reacciones de S N 2 es:
metilo > primario > secundario > terciario
El resultado práctico de esto es que las reacciones de S N 2 son generalmente confiables solo cuando el haluro de alquilo es primario.
Inversión estereoquímica
El cuadro estructural del estado de transición S N 2 también explica otra característica de las reacciones de S N 2. Observe que el nucleófilo está llevando sus electrones formadores de enlaces al estado de transición en el lado del carbono opuesto a la posición del grupo lápida. Podemos entender esto si recordamos que el nucleófilo y el grupo de salida son ambos átomos ricos en electrones. Esperaríamos que se repelan entre sí y se mantengan lo más alejados posible mientras permanecen conectados por sus medios enlaces con el átomo de carbono central.
El resultado de esto es que el átomo de carbono está invertido. Si examinamos una imagen tridimensional de esto, podemos ver que los tres grupos que permanecen conectados al carbono a lo largo de la reacción se alejan del nucleófilo entrante y hacia la posición ocupada por el grupo de salida.
Si el nucleófilo y el grupo lápida son ambos altos en el orden de prioridad R/S, esto significa que un haluro de R alquilo da un producto S, y viceversa. El término para esto es inversión de configuración y es una característica inherente y consistente del mecanismo S N 2. Si conocemos la configuración del haluro de alquilo antes de la reacción, sabemos que la configuración del producto será la opuesta. Por el contrario, si determinamos que una reacción de sustitución nucleofílica procede con inversión de configuración, concluimos que su mecanismo es S N 2.
Nuestra imagen de esta reacción comienza con un carbono tetraédrico sp 3 en el haluro de alquilo y termina con un tetraédrico sp 3 en el producto. En el estado de transición los tres enlaces al carbono que no reaccionan son aproximadamente planos, tiene sentido considerar el átomo de carbono como sp 2 hibridado en este punto. Una consecuencia de esto es que el mecanismo S N 2 está restringido a haluros que son sp 3 hibridados en el carbono reactivo. Los carbonos que son sp 2 hibridados en el carbono portador de halógeno no reaccionan por este mecanismo.
Cinética, Halogenuros de Alquílico y Efectos Nucleófilos
Anteriormente vimos que la energía requerida para alcanzar el estado de transición proviene de la energía con la que chocan el nucleófilo y el haluro de alquilo. El requisito para una colisión también significa que la frecuencia con la que colisionan el nucleófilo y el haluro de alquilo es importante. Esta frecuencia se controla principalmente por la concentración.
Si la concentración del haluro de alquilo es alta, entonces habrá muchas oportunidades para que un nucleófilo colisione con una molécula de haluro de alquilo. La velocidad de la reacción aumentará proporcionalmente a medida que la concentración de haluro de alquilo se haga mayor. Cuando este es el caso, se dice que la reacción es de primer orden en haluro de alquilo. De igual manera un incremento en la concentración de nucleófilos dará como resultado un incremento proporcional en la velocidad, por lo que la reacción también es de primer orden en nucleófilos. En general, se dice que la reacción es de segundo orden. Esto se puede resumir en la ecuación de tasa.
Tasa = k [RBr] [Nu -]
Es el comportamiento de segundo orden (requisito para que dos moléculas colisionen en el estado crítico de transición) el que se designa con el “2" en S N 2
Dado que el enlace entre el carbono y el grupo de salida se está rompiendo en el estado de transición, cuanto más débil es este enlace, menor es la energía de activación y más rápida es la reacción. Esto conduce al siguiente orden de reactividad para haluros de alquilo
RI > RBr > RCl > RF
Prácticamente, los fluoruros de alquilo no se utilizan para las reacciones de S N 2 porque el enlace C-F es demasiado fuerte. A menudo, los yoduros de alquilo son lo suficientemente reactivos como para ser difíciles de almacenar, por lo que las opciones comunes para las reacciones son cloruros de alquilo y bromuros de alquilo.
Si recordamos que la función del nucleófilo es proporcionar un par de electrones para hacer un nuevo enlace, podemos ver una similitud entre un nucleófilo y una base. Una base de Lewis crea un nuevo enlace, típicamente al hidrógeno, usando su propio par de electrones. Un nucleófilo hace un nuevo enlace al carbono, utilizando su propio par de electrones. Como esto sugiere, los buenos nucleófilos suelen ser bases fuertes. Hay otros factores, pero este es un buen punto de partida y nos recuerda revisar las fortalezas de base, tal vez revisando la Tabla 2.1 sobre la p p 43 de Brown. Tenga en cuenta que los números altos de pK a significan ácidos débiles que tienen bases conjugadas fuertes.
La próxima vez echaremos un vistazo al otro mecanismo para la sustitución nucleofílica, el mecanismo S N 1. También veremos cómo encajan las reacciones de eliminación en esta imagen.