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UNIDAD 4 B: SUSTITUCIONES
NUCLEOFÍLICAS
ALIFÁTICAS
Sustituciones nucleofílicas en haluros de alquilo y alcoholes. Cinética.
Orden de reacción y molecularidad. Diagramas de energía. Influencia
de la estructura y la solvatación sobre la reactividad. Reordenamientos
o transposiciones de iones carbonio.
Reacciones de los halogenuros de alquilo
Reacción general
R X
+
Z
R Z
+
Grupo
saliente
Sustrato Reactivo
nucleofílico
H3C Cl
+
-
OH
cloruro de metilo
proceso heterolítico
X
H3C OH
+
metanol
Cl
-
El nucleófilo:
Puede ser neutro o tener carga negativa:




:OHR'COO::OR:I-




:OH2
:NH3
:NH2R’
:NHR’2
Ejemplos:










RX
RX
RX
RX
RX
RX
RX
RX
RX
RX
+ :OH+ H2O
+ :OR+ :I+ :CN+ R'COO+ :NH3
+ :NH2R'
+ :NHR'2
+ :SH-
R:OH + :XAlcohol
R:OH + HX
Alcohol
R:OR' + :XÉter
R:I
+ :X- Ioduro de alquilo
R:CN + :XNitrilo
R'COOR + :XEster
R:NH2 + HX
Amina 1º
R:NHR' + HX
Amina 2º
R:NR'2 + HX
Amina 3º
R:SH
+ :XTiol
Carácter nucleofílico
 Nucleófilo eficaz
densidad electrónica elevada
 Nucleófilo más fuerte ataca más rápidamente al
carbono.
 Un anión es nucleófilo más fuerte que la especie
neutra (HO- > H2O).
 Especies con la misma carga: el átomo menos
electronegativo es más nucleófilo que uno más
electronegativo. (OH- > F- ; NH3 > H2O).
Para especies de diferentes periodos y grupos del
sistema periódico, el carácter nucleofílico se
determina experimentalmente.
Reactividad relativa:
Grupo saliente


Los mejores grupos salientes son los que tienen
enlaces débiles con el carbono y los que pueden
soportar con facilidad una carga negativa.
El cloro, el bromo y el yodo son buenos grupos
salientes.
Sustitución Nucleofílica Bimolecular: SN2
Cinética:
CH3Br + Na OH


CH3OH + NaBr
v = k [CH3Br] . [ NaOH]
Mecanismo de reacción:
sp2
sp3
sp3
H
O

H
H
C
H
Br
HO
H
H
C

Br
H
Estado de transiciуn
-
H
HO
H
H
+
Br
Sustitución Nucleofílica Bimolecular: SN2
SN2
Molecularidad 2
Reactivo atacante nucleófilo
Reacción de sustitución

Estereoquímica: Inversión de la configuración de Walden.
En sustratos quirales:
Sustitución Nucleofílica Bimolecular: SN2

Diagrama de energía:

Reactividad:




Efectos Electrónicos
Efectos Estéricos
Naturaleza del Reactivo Atacante
Características del Solvente
Sustitución Nucleofílica Bimolecular: SN2
Efectos electrónicos:
 La carga neta sobre el carbono del Estado de
Transición es similar a la que posee el carbono del
reactivo.
 La atracción o entrega de electrones por los
sustituyentes afecta al Estado de Transición de la
misma forma que al reactivo, por lo que tiene poca
influencia sobre la velocidad de reacción ya que no
afecta la barrera de Energía de Activación.
Sustitución Nucleofílica Bimolecular: SN2
Efectos estéricos:
H
H
H
C
Z
X
CH3
C
Z
X
H
H
etilo
metilo
H3C
H3C
Z
CH3
C
Z
X
CH3
C
CH3
H
t-butilo
isopropilo
X
Aglomeración
mayor en el
Estado
de
Transición que
en los reactivos,
por lo que se
eleva la energía
del Estado de
Transición
en
mayor grado que
en los reactivos
y la reacción es
más lenta
Sustitución Nucleofílica Bimolecular: SN2
Efectos estéricos:
Bromuro de etilo (1º)
Bromuro de isopropilo (2º)
Bromuro de terbutilo (3º)
Ataque fácil
Ataque posible
Ataque imposible
Reactividad
decreciente
en SN2
Sustitución Nucleofílica Bimolecular: SN2
Naturaleza del reactivo atacante:
 Nucleófilo fuerte.
 En alta concentración.
Característica del solvente:
-
HO
+
R X

HO
R

X
Estado de transiciуn


R OH
+
X
Cargas concentradas en los reactivos y dispersas en ET.
Los reactivos se estabilizan más que el Estado de
Transición por solvatación
Sustitución Nucleofílica Bimolecular: SN2
Característica del solvente:

El aumento de polaridad del Solvente estabiliza más a
Reactivos que a ET, aumenta la barrera de Energía de
Activación y disminuye la velocidad de la reacción.
Sustitución Nucleofílica Unimolecular: SN1
Cinética
(CH3)3Br + Na OH
(CH3)3OH + NaBr
v = k [(CH3)3Br ]
Mecanismo de reacción:
CH3
Primera etapa:
CH3
lenta
C
H3C
CH3
H3C
+
C
CH3
+
Br
-
Br
CH3
CH3
Segunda etapa:
H3C
+
C
CH3
+
-
HO
rápida
H3C
C
OH
CH3
Sustitución Nucleofílica Unimolecular: SN1

Estereoquímica:
Primera etapa:
sp2
sp3
H3C
H3C
H3C
H3C
C Br
H3C
C
CH3
C
Br
H3C
H3C
+
+
Br
CH3
Segunda etapa:
H3C
H3C
H3C
+
C
OH
H3C
CH3
C
H3C
+
H3C
C OH
Producto sin inversión
de la configuración
H3C
-
HO
CH3
CH3
CH3
HO
C
CH3
CH3
HO C
CH3
CH3
Producto con inversión
de la configuración
-
El carbocatión es atacado por el nucleófilo:
Sustitución Nucleofílica Unimolecular: SN1
SN1
Molecularidad 1
Reactivo atacante nucleófilo
Reacción de sustitución
Sustitución Nucleofílica Unimolecular: SN1

Diagrama de energía:

Reactividad:
 Efectos Electrónicos
 Naturaleza del Reactivo Atacante
 Características del Solvente
Sustitución Nucleofílica Unimolecular: SN1

Efectos electrónicos:
 Factores que estabilicen al carbocatión estabilizan
también al ET (carbocatión en formación) disminuyendo su
energía potencial (Ep) y bajando la Ea, por lo que resulta más
rápida la reacción.
Estabilidad decreciente:
Sustitución Nucleofílica Unimolecular: SN1

Efectos electrónicos:
Reactividad
creciente en
SN1:
Sustitución Nucleofílica Unimolecular: SN1

Naturaleza del reactivo atacante:
El reactivo atacante no interviene en la etapa
determinante de la velocidad de la reacción, por lo que
deberá estar diluido para minimizar la probabilidad de
colisiones con el sustrato.

Característica del solvente:
R
X
Reactivo polar

R

X
+
R
+
X
E T mбs polar que
el reactivo
Cuanto más polar es el solvente, mayores son las fuerzas de
solvatación entre ET-solvente, por lo que disminuye la
Energía de Activación y es más rápida la ionización (primera
etapa).
Sustitución Nucleofílica Unimolecular: SN1

Característica del solvente:

En resumen:
SN1
CH3 X
RX 1°
SN2
RX 2°
RX 3°
¿SN2
o
SN1?
 Para un sustrato dado y un determinado conjunto de condiciones es posible
predecir el mecanismo que seguirá o bien las posibilidades de dirigirla hacia
uno u otro mecanismo

Primario o Metílico

Terciarios
Nucleófilo fuerte


Nucleófilos débiles (puede ser el
solvente)

Solvente Polar Prótico

Solvente Polar Aprótico

Rapidez = k[haluro][Nuc]

Rapidez = k[haluro]
Inversión en el C quiral


Racemización

Transposiciones

No hay transposiciones
Otras sustituciones nucleofílicas alifáticas

Ejemplos:
R OH
+X
H
R X
O
R C OH
O
+X
H
+H
OR'
+ H2O
R C OR'
+ H2O
O
O
R C OH
R C X
O
O
R C OH
+ H2O
+H
NH2
R C NH2
+ H2O
Preparación de haluros de alquilo a partir
de alcoholes
R OH
+
+ H2O
HCl
R Cl
•SN1
R
OH
+
H Cl
Cl
+
OH2
R
-
OH
+ H Cl
H2O
-
R Cl
R
SN1
•SN2
R
+
Cl
Cl
-
R
+
OH2
Cl
-
Cl
R
SN2
+
OH2
R Cl
+ H2O
Preparación de éteres a partir de alcoholes
(deshidratación intermolecular):
R OH
+ R'
OH
H+/
R O
R'
+ H2O
Mecanismo SN
+ H2O
Mecanismo E
Éter
C
C
H
OH
H+/
C
C
Alqueno
Mecanismos de deshidratación intermolecular:
•SN1
H
O
+
R
OH + H B
R
-
B
OH 2
H2O
H
B-
R'
R+
R
O
+
Rґ
R
O
Rґ + HB
SN1
•SN2
H
+
R
OH + H B
R
B-
OH2
O R'
H
H
Rґ O ----- R -----OH2


SN2
Rґ O
+
BR + H2O
Rґ O R + HB
Reacciones de transposición
•Desplazamiento de hidruro:
C C
+
+
+
C
C C
+
C C
C
C
+
H
H
H
•Desplazamiento de metiluro
+
C C
+
C
CH3
+
C C
+
C C
C
CH3
CH3
H
•Resumiendo:
C
+
C C
H
R
+
C C
R
+
H
Si hay H y alquilo, migra
hidruro.
C C
R
+
Ejemplo
CH3
CH3
H2O
CH3
C
CHCH3
H
Br
CH3
C
CH2CH3
(93%)
OH
H2O
CH3
CH3
C
H
CH3
CHCH3
+
CH3
C
+
CHCH3
H