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REACCIONES DE SUSTITUCIN NUCLEFILA Y ELIMINACIN
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1. Introduccin
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IntroduccinResultado del ataque con NaOH al (R)-2-Bromooctano
puro
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IntroduccinEstos resultados permiten hacer las siguientes
deducciones :El halgeno se ha sustituido por un grupo OH en su
mayor parte. El halgeno se ha eliminado en una pequea parte. Este
proceso parece complejo porque se forma una mezcla de varios
alquenos u olefinas. La configuracin del alcohol es
mayoritariamente S, la contraria del haluro de alquilo de partida.
Por tanto, la reaccin de sustitucin se ha producido
mayoritariamente con inversin de la configuracin. Se ha obtenido
una pequea cantidad de alcohol R, lo que sugiere que ha ocurrido un
pequeo porcentaje de racemizacin. La velocidad de reaccin depende
de los dos reactivos, haluro de alquilo y nuclefilo. Ambos deben
intervenir en la etapa limitante de la velocidad.
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2. Reacciones de sustitucin
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Las reacciones de sustitucin nuclefila transcurren generalmente
sobre los haluros de alquilo. Estos compuestos estn polarizados en
el enlace del halgeno generando un carbono electrfilo. Los que
sustituyen el halgeno en el enlace C-X son los nuclefilos (Reaccin
tipo base de Lewis).
Ejemplo:
2.1. Reacciones de Sustitucin Nuclefila
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2.1. Reacciones de Sustitucin NuclefilaUn nuclefilo puede ser
neutro Nu (una molcula con un par libre de electrones) o un anin
(Nu-).X es el grupo saliente, los buenos grupos salientes
son:Ejemplo:
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2.1. Reacciones de Sustitucin NuclefilaLos principales
nuclefilos biolgicos son lo grupos funcionales -NH2 (lisina), -OH
(serina), -SH (cisteina), -COO- , el nitrgeno pirimidnico del
imidazol.
Ejemplos :
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2.1. Reacciones de Sustitucin NuclefilaUna sustitucin requiere
un acercamiento de los reactivos. El impedimento estrico, tanto en
el nuclefilo como en el carbono donde se realiza la sustitucin,
disminuye la velocidad de reaccin.
Una sustitucin requiere que un grupo saliente que es tambin una
base de Lewis abandone la molcula.Principalmente existen dos
mecanismos de sustitucin: El mecanismo SN1 y el mecanismo SN2.No
conduce prcticamente a reaccin de sustitucin
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2.2. Sustitucin Nuclefila de primer orden SN1Mecanismo de
reaccin SN1El mecanismo de substitucin nucleoflica de primer orden
(SN1) es un mecanismo en dos etapas, una lenta y una rpida.
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La velocidad de reaccin depende slo de la etapa lenta y por lo
tanto slo de la concentracin del sustrato RX y no de la del
nuclefilo Nu-. v = k[RX]La ecuacin de velocidad es de primer orden:
primer orden respecto a la concentracin del haluro de alquilo y de
orden cero respecto a la concentracin del nuclefilo.
2.2. Sustitucin Nuclefila de primer orden SN1
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2.2. Sustitucin Nucleoflica de primer orden (SN1)Factores
determinantes en una SN1 Naturaleza del sustrato:La etapa lenta es
la formacin del carbocatin, por lo tanto todo derivado orgnico que
pueda dar lugar a un carbocatin estabilizado por el efecto (+I)
conducir a un mecanismo SN1.
Tertiobutanol
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Naturaleza del sustrato:2.2. Sustitucin Nuclefila de primer
orden SN1
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Carbocatin benclicoAlcohol benclico2.2. Sustitucin Nuclefila de
primer orden SN1
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Naturaleza del grupo saliente:Cuanto ms dbil sea el enlace C-X
ms favorecida est la formacin del carbocatin (X debe atraer los
electrones ).La SN1 depende del grupo saliente. Los mejores grupos
salientes son bases dbiles.Los mejores grupos salientes son los
iones ms voluminosos o capaces de estabilizar la carga negativa.En
medio cido el OH de un alcohol se protona y el grupo saliente es el
H2O, que es mejor grupo saliente que el halgeno.El para-tolueno
sulfonato (tosilato) es un excelente grupo saliente (TsO-).
2.2. Sustitucin Nuclefila de primer orden SN1
OH-,NH2-, OR-F-Cl-Br-I-TosO-Reactividad Relativa
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Naturaleza del nuclefilo:La adicin del nuclefilo ocurre despus
de la formacin del carbocatin, lo que significa que la velocidad de
la reaccin no se afecta ni por la naturaleza ni por la concentracin
del nuclefilo.
2-MetilpropanolLa misma tasa para X= Cl, Br, I2.2. Sustitucin
Nuclefila de primer orden SN1
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Naturaleza del disolvente:El disolvente es crtico en el
mecanismo SN1Los disolventes prticos aceleran la reaccin, ya que
tiene lugar la formacin de enlaces de hidrgeno que producen una
polarizacin y debilitamiento del enlace C-X. Los disolventes
prticos polares estabilizan el carbocatin.
Solvatacin de un carbocatin por el aguaEnlace de hidrgeno2.2.
Sustitucin Nuclefila de primer orden SN1
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Naturaleza del disolvente:Cuanto ms polar es el disolvente ms
fcil es la formacin del carbocatin, lo que aumenta la velocidad de
reaccin.
2.2. Sustitucin Nuclefila de primer orden SN1
Etanol40% Agua/60% Etanol80% Agua/20% EtanolAguaReactividad
Relativa110014,000100,000
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Naturaleza del disolvente:En un disolvente polar, la energa de
activacin asociada a la formacin del carbocatin disminuye.
2.2. Sustitucin Nuclefila de primer orden SN1
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Mecanismo general:El mecanismo SN1 produce la racemizacin, si el
sustrato de partida es un compuesto que presenta actividad ptica
(posee un carbono asimtrico).
El ataque del nuclefilo al carbocatin desde la parte frontal
(donde esta el grupo saliente) conduce a molculas que muestran
retencin de configuracin.El ataque desde la parte posterior da
lugar a molculas con inversin de configuracin.c)Estereoqumica en
una SN12.2. Sustitucin Nuclefila de primer orden SN1
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Ejemplo: 2-bromoetano al butan-2-ol 2.2. Sustitucin Nuclefila de
primer orden SN1
Br
C
CH
3
C
CH
3
O
H
Et
1
2
H
Et
2 bromo-butane (S)
OH
C
CH
3
H
Et
butan-2-ol (S)
O
H
H
1
2
C
CH
3
Et
H
OH
butan-2-ol (R)
+ Br
H
H
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SN1 con transposicin2.2. Sustitucin Nuclefila de primer orden
SN1
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Ejemplo:
Puede ocurrir una transposicin
Carbocatin ms estable2.2. Sustitucin Nuclefila de primer orden
SN1
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Resumen de SN1Sustrato: alquilo terciario > benclico ~ allico
~ alquilo secundario > alquilo primario
Nuclefilo: no afecta la reaccin
Grupos salientes: Los buenos grupos salientes (bases dbiles)
favorecen la reaccin
Disolvente: Los disolventes polares favorecen la reaccin por
estabilizacin del carbocatin.
Estereoqumica: racemizacin2.2. Sustitucin Nuclefila de primer
orden SN1
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2.3. Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2Mecanismo de
reaccin SN2El mecanismo de sustitucin nucleoflica del segundo orden
(SN2) es un mecanismo concertado que se efecta en una nica
etapa.
Nu- se acerca del lado opuesto al enlace C-X, as las cargas
negativas van a estar ms alejadas.En el estado de transicin (ET)
Nu- y X- son casi colineales y los tres sustituyentes son
coplanares. Como consecuencia en el estado final hay una inversin
(como la inversin de un paraguas por el viento), lo que tendr un
papel muy importante en la estereoqumica.
C
R
3
R
2
X
R
1
Nu
C
R
1
X
R
3
R
2
Nu
Nu
C
R
2
R
3
R
1
ET
+ X-
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La velocidad es funcin de RX y de Nu- v = k[RX][Nu-]La reaccin
es del orden 2 (1 respecto a RX y 1 respecto Nu-) SN2 (sustitucin
nucleoflica de segundo orden o bimolecular).
2.3. Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
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Factores determinantes de una SN2 Naturaleza del sustrato:El
impedimento estrico desfavorece la reaccin SN2: Carbono primario
> Carbono segundario > Carbono terciario
La reaccin transcurre con rapidez en los haluros de metilo y con
los sustratos primarios; sin embargo, con los haluros secundarios
es ms lenta. Los haluros terciarios no reaccionan por mecanismos
SN2.
2.3. Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
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Naturaleza del
sustrato:CH3BrCH3CH2Br(CH3)2CHBr(CH3)3CBrReactividad
Decreciente2.3. Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
-
Naturaleza del sustrato:Los haluros de vinilo y del arilo no dan
reacciones de tipo SN2
2.3. Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
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Naturaleza del grupo saliente:X debe ser un buen grupo
saliente.Un buen grupo saliente reduce la energa de activacin de la
reaccin.Los aniones estables (bases dbiles: bases conjugadas de los
cidos fuertes) son generalmente los excelentes grupos salientes
Si un grupo es muy bsico, no da una sustitucin nucleoflica.
2.3. Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
OH-,NH2-, OR-F-Cl-Br-I-TosO-Reactividad Relativa
-
Naturaleza del nuclefilo:Cuanto ms fuerte sea el nuclefilo ms
favorecida estar la reaccin SN2.Los nuclefilos son, en general,
bases de Lewis neutras o cargadas negativamente.
2.3. Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
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Naturaleza del nuclefilo: Reactividad relativa de los
nuclefilos.Los nuclefilos ms bsicos reaccionan ms rpidamente
En la tabla peridica los mejores nuclefilos se sitan en la parte
baja de una columna.Los nuclefilos aninicos son generalmente ms
reactivos que los neutros.
2.3. Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
Correlacin entre Basicidad y
NucleofilaNuclefiloCH3O-HO-CH3CO2-H2OTasa SN2 en la reaccin con
CH3Br25160.50.001pKa del cido conjugado15.515.74.7- 1.7
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Naturaleza del disolvente:En un disolvente prtico el nuclefilo,
por formacin de enlaces de hidrgeno, disminuye su fuerza. En el
estado de transicin hay una dispersin de las cargas negativas, como
consecuencia de ello la solvatacin es inferior a la del estado
inicial lo que ralentiza la reaccin.Enlace de hidrgeno2.3.
Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
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Naturaleza del disolvente:
Reactividad segn el disolventeMenos reactivoMasreactivo2.3.
Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
DisolventeCH3OHH2ODMSODMFCH3CNHMPAReactividad
Relativa171,3002,8005,000200,000
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Efecto del disolventeDisminucin de la nucleoflia en el
metanolAumento de la nucleoflia en la DMF2.3. Sustitucin Nuclefila
de segundo orden SN2
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Estereoqumica una SN2
Mecanismo generalEl mecanismo SN2 conduce a una inversin de
configuracin (inversin llamada de Walden). Si el sustrato de
partida es un compuesto con actividad ptica y contiene un carbono
asimtrico de configuracin R el estado final tendr una configuracin
S (no siempre).
El estado de transicin de la reaccin SN2 es una acomodacin
planar del tomo de carbono con los 3 grupos restantes y donde este
tomo de carbono posee una hibridacin sp2. 2.3. Sustitucin Nuclefila
de segundo orden SN2
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Estereoqumica una SN2Ejemplos:(1-bromoetil)benceno
(1-hidroxietil)benceno
Una reaccin SN2 es estereoespecfica. El ataque del nuclefilo
ocurre por el lado opuesto del grupo saliente.
2.3. Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
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SN2 IntramolecularReacciones intramoleculares:
Formacin del epxido:SN2 intramolecular v= k[HO---CHCl]2.3.
Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
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Resumen de SN2Sustrato: CH3->alquiloprimario> alquilo
segundario > alquilo terciario (efecto estrico)Nuclefilo: La
reaccin se favorece con nuclefilos fuertes y bsicosGrupos
salientes: Los buenos grupos salientes (bases dbiles) favorecen la
reaccinDisolvente: Los disolventes aprticos polares favorecen la
reaccinEstereoqumica: 100% inversin de configuracin
2.3. Sustitucin Nuclefila de segundo orden SN2
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2.4. Comparacin SN1 y SN2
SN1SN2Factores que influyenNuclefiloSon apropiados los
nuclefilos dbilesSe necesitan nuclefilos fuertesSustrato (RX)3 >
2CH3X > 1 > 2DisolventeSe necesitan disolventes ionizantes
buenosAmplia variedad de disolventesGrupo SalienteHa de ser buenoHa
de ser buenoCaractersticasCinticasPrimer orden kr[RX]Segundo orden,
kr[RX][Nu-]EstereoqumicaMezcla de inversin y retencinInversin
completaTransposicionesComnImposible
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3. Tipos de reacciones de sustitucin nuclefila
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3.1. IntroduccinHaluros de alquilo: los haluros se pueden
emplear como nucleofilos en ambas reacciones de sustitucin SN1 y
SN2 para generar los haluros de alquilo. Sin embargo, hay que
mencionar que, en general y como lo muestra el ejemplo, la
protonacin con un cido como HBr es necesaria para tener un buen
grupo saliente.
Oxgeno y sulfuro como nucleofilos: teres, steres. Los haluros de
alquilo reaccionan con el agua o el alcohol (SN1 y SN2) para
producir un alcohol o un ter respectivamente.
Nitrgeno como nuclefilo: sales de amonio, aminas. SN2
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3.2. Aminas como nuclefilos.N-Alquilacin
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Conversin en halogenuros de alquilo3.3. Reacciones de sustitucin
del grupo OH
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3.3. Reacciones de sustitucin del grupo OH
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Mecanismo3.3. Reacciones de sustitucin del grupo OH
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3.4. El carbono como nuclefiloNitrilos
Acetiluros
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Los alquiniluros, obtenidos por accin de una base fuerte sobre
un alquino terminal, son excelentes nuclefilos, que pueden
reaccionar en sustituciones nuclefilas y en adiciones a grupos
carbonilo. 3.4. El carbono como nuclefilo
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4. Reacciones de EliminacinLa reaccin ms conocida es la reaccin
de eliminacin de H-X (o eliminacin) provocada por la accin de una
base B-.
Principalmente existen dos mecanismos en la reaccin de
eliminacin: el mecanismo E1 y el mecanismo E2.
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4.1. Reacciones de Eliminacin de primer orden E1El mecanismo de
primer orden (E1) es un mecanismo en dos etapas, una lenta y una
rpida..
(1) Etapa lenta (2) Etapa rpida
C
C
H
X
C
C
H
C
H
C
C
C
ET
X
+ X
+ BH + X
B
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4.1. Reacciones de Eliminacin de primer orden E1La etapa lenta
es la formacin del carbocatin y la velocidad de reaccin depende
nicamente de la concentracin del sustrato RX. v = k[RX]La reaccin
es de orden 1 por RX E1 (Eliminacin de orden 1 o unimolecular).
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Factores determinantes de una E1Naturaleza del sustrato: La
etapa limitante es la formacin del carbocatin, los ms estables
estarn estabilizados por efectos +I y +M. Todo derivado que
conduzca a un carbocatin estable reaccionara segn un mecanismo
E1.
4.1. Reacciones de Eliminacin de primer orden E1
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Naturaleza del grupo saliente:Cuanto ms dbil sea el enlace C-X,
ms fcil es la formacin del carbocatin (X debe ser atractor de
electrones).X debe ser un buen grupo salienteLos iones de gran
tamao son los mejores grupos salientes.
Naturaleza de la base:La base debe ser una base dbil
ROH, H2O4.1. Reacciones de Eliminacin de primer orden E1
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Naturaleza del disolvente: El disolvente es importante en el
mecanismo E1En un disolvente prtico, tenemos formacin de enlaces de
hidrgeno y por lo tanto polarizacin y debilitamiento del enlace C-X
que acelera la reaccin. Un disolvente prtico polar estabiliza el
carbocatin,
4.1. Reacciones de Eliminacin de primer orden E1
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Estereoqumica de una E1
La reaccin de eliminacin E1 no es estereoespecfica
4.1. Reacciones de Eliminacin de primer orden E1
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La reaccin de eliminacin E1 sigue la ley de Saytzeff: en las
reacciones de eliminacin, usualmente predominan los alquenos ms
sustituidos.
4.1. Reacciones de Eliminacin de primer orden E1
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4.2. Reacciones de eliminacin de segundo orden E2El mecanismo de
eliminacin de orden 2 (E2) es un mecanismo en una sola etapa. Es
una mecanismo concertado.Se transfiere un protn a la base mientras
el grupo saliente empieza a alejarse del sustrato.El estado de
transicin combina la partida de X y la transferencia de H.
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4.2. Reacciones de eliminacin de segundo orden E2La velocidad es
funcin de RX y de B- v = k[RX][B-]La reaccin es del orden 2 por RX
et B- E2 (eliminacin de segundo orden o bimolecular).
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Factores determinantes de la E2 Naturaleza del sustrato:El
impedimento estrico del sustrato es perjudicial para una reaccin
E2: Carbono primario > Carbono segundario > Carbono
terciarioLos compuestos con carbono terciario sp3 reaccionan ms
fcilmente ya que la eliminacin conduce a una descompresin del
sistema.
Naturaleza de la base:Cuanto ms fuerte sea la base ms fcil ser
la eliminacin E2.H2N- Na+ (amiduro de sodio)EtO- Na+ (etxido de
sodio)HO- K+ (hidrxido de potasio) ... 4.2. Reacciones de
eliminacin de segundo orden E2
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Naturaleza del disolvente:En un disolvente prtico la fuerza de
la base disminuye, por formacin de enlaces de hidrgeno, por lo que
la E2 est desfavorecida. Adems, en el estado de transicin la
dispersin de las cargas hace que la solvatacin sea menos fuerte. La
eliminacin E2 se ralentiza.
Al contrario, en un disolvente aprtico y polar (DMSO), la fuerza
de la base se refuerza (M+ asociado a B- est mejor solvatado) y la
reaccin E2 se acelera.Dispersin de cargadisolvente4.2. Reacciones
de eliminacin de segundo orden E2
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Estereoqumica de la E2La reaccin de eliminacin E2 es
estereoespecfica H y X deben ser antiperiplanares para tener una
eliminacin anti.
El solapamiento de los orbitales en el estado de transicin
requiere una geometra antiperiplanar.
AntiperiplanarEstado de transicin antiProducto: Alqueno4.2.
Reacciones de eliminacin de segundo orden E2
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La reaccin de eliminacin E2 es estereoespecfica. Ejemplo:
Meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletano(E)-1-Bromo-1,2-difeniletileno4.2.
Reacciones de eliminacin de segundo orden E2
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4.2. Reacciones de eliminacin de segundo orden E2
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Efectos conformacionales sobre la estereoqumica4.2. Reacciones
de eliminacin de segundo orden E2
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La reaccin de eliminacin E2 para los cicloalcanos4.2. Reacciones
de eliminacin de segundo orden E2
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La reaccin de eliminacin E2 para los cicloalcanos4.2. Reacciones
de eliminacin de segundo orden E2la reaccin no ocurre a partir de
este confrmero
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La reaccin de eliminacin E2 sigue la ley de Saytzeff cuando hay
un buen grupo saliente.La reaccin de eliminacin E2 sigue la ley de
Hoffmann cuando hay un grupo saliente dbil (no slo)
4.2. Reacciones de eliminacin de segundo orden E2
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La reaccin de eliminacin E2 sigue la ley de Saytzeff cuando hay
un buen grupo saliente: salvo cuando es imposible por el
mecanismo.
4.2. Reacciones de eliminacin de segundo orden E2
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4.3. Deshidratacin de alcoholesAlcoholes secundarios y
terciarios:
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4.3. Deshidratacin de alcoholes
Alcoholes primarios E2
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Alternativa deshidratacin formal con POCl34.2. Reacciones de
eliminacin de segundo orden E2
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4.4. Aminas como grupo saliente. Eliminacin HoffmanMetilacin
exhaustiva
Eliminacin E2
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Regioqumica4.4. Aminas como grupo saliente. Eliminacin
Hoffman
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Factores estricos de la Eliminacin de Hoffman4.4. Aminas como
grupo saliente. Eliminacin Hoffman
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5. Competicin SN1 E1Reglas generalesSi el disolvente es polar y
el nuclefilo es dbilmente bsico la sustitucin SN1 es favorita;A
bajas temperaturas la sustitucin SN1 es favorita;A altas
temperaturas la eliminacin E1 es favorita.
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5. Competicin SN1 E1Evoluciones posibles del carbocatin
La proporcin entre sustitucin y eliminacin no depende del grupo
saliente porque el carbocatin formado es el mismo, pero s de la
relacin basicidad-nucleofilia de la base-nuclefilo atacante.
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5. Competicin SN2 E2Reglas generalesSi R1 y R2 son voluminosos,
la descompresin estrica favorece la eliminacin E2 ;Si R es
atrayentes de electrones, el hidrgeno en posicin a es ms cido (fcil
de arrancar) la eliminacin E2 es favorita;Si la base es fuerte E2
es favorita y al contrario si la base es dbil (o el nuclefilo
fuerte) SN2 es el mecanismo favorito; La dispersin de cargas es ms
importante en E2 que en SN2. El estado de transicin SN2 estar mejor
solvatado con los disolventes polares y por lo tanto
favorecido.
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SN2SN1E2E1SustratoCarbono primario,alilico, benzilicoCarbono
terciario, algunos carbonos segundarios, allico,
benzilicoCualquiere sustrato con un grupo salienteCarbono
terciario, algunos carbonos segundarios, allico,
benzilicoNuclefiloRequiere un buen nuclefiloCualquier NuclefiloBase
fuerte(OH-, OR-, NR2-)Si no hay ni nuclefilo ni base fuertes
Grupo salienteRequiere un buen grupo salienteRequiere un muy
bueno grupo salienteRequiere un grupo saliente (puede que no sea
bueno)Requiere un buen grupo salienteDisolventeMs rpido en
disolvente aprtico polar Requiere disolventes prticos para
estabilizar el carbocationEl disolvente tiene menos efectoRequiere
disolventes prticos para estabilizar el carbocatin.VelocidadRpida
Lenta RpidaMuy lenta (tiene lugar cuando las dems reacciones no
pueden tener lugar).CompeticinE2 si el nuclefilo es muy bsico; SN1
si el sustrato es un carbono segundario o si el nuclefilo es de
fuerza moderada.SN2 si el sustrato es un carbono primario ; E1 si
el nuclefilo es de fuerza moderada o baja.SN2 si la base es un buen
nuclefilo.SN1 si el nuclefilo es de fuerza moderada o baja
