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Dr. Carlos Antonio Rius Alonso
Octubre 2007
Facultad de Química, UNAM
La sustitución nucleofílica consiste en reemplazar un grupo por otro
Aquí se muestra la sustitución nucleofílica sobre un carbonilo y sobre
un carbono saturado. Los mecanismos son totalmente diferentes.
Ocurre en varios pasos.
1.- Adición nucleofílica en el carbonilo.
2.- Trasferencia protrónica entre el oxígeno y el nitrógeno.
3.- Eliminación del ión cloruro.
4.- Pérdida del protón del oxígeno.
1
2
3
4
El mecanismo dependiendo de varios factores puede ser
Sustitución Nucleofílica Unimolecular (SN1) o Sustitución NucleofÍlica
Bimolecular (SN2).
1.-El grupo saliente se va primero
2.-Ataca el nucleófilo
3.-El nucleófilo ataca al mismo tiempo que se va el grupo
saliente.
Mecanismo SN1
1
2
Mecanismo SN2
3
Alcoholes que reaccionan rápidamente con HBr
Alcohol terciario
Alcohol alílico
Alcohol bencílico
Carbocationes estables
Primer paso; formación del carbocatión
Segundo paso; captura del carbocatión por el nucleófilo
Bombardeo con
electrones
Bombardeo con
electrones
Carbocationes:Iones carbenium e iones carbonium
Propiedad
Iones Carbenium Iones Carbonium
Número de uniones a el C+
Electrones en la última capa
Orbitales vacios
Deficiente de electrones
ejemplo
3
6
si un orbital p
si
5
8
no
no
Si analizamos los compuestos anteriormente mencionados
que se obtenian por espectrometría de masas y daban cationes
estables, encontramos que el primero el ion acilium la carga se delocaliza entre el O y el C. y en el caso del compuesto con nitrógeno la
carga se puede localizar sobre este, estabilizandolo
Esta es una mejor
representación al
mostrar la forma
real lineal del catión
Esta es una mejor
representación al
mostrar la forma
trigonal del catión
nitrógeno
Es importante el tener solventes que no sean nucleofílicos y para esto se
Usa SO2 líquido a -70°C
Pudiendo generar carbocationes estables en soluciones
podemos medir su espectro de IR y ver si existe una triple
ligadura en el caso del ion acilium, el resultado es que si
Análisis de IR del ión acilium y del monóxido de
carbono
El espectro de RMN de los protones del ión oxonium presenta
los grupos metilos a campo bajo y los metilenos como si fueran
de una doble ligadura
Si hacemos la reacción de bromación del terbutanol en un tubo de
RMN y seguimos la reacción con las señales de los protones, no
detectamos el carbocatión, esto no quiere decir que no se forme, sino
su formación es muy lenta pero una vez formado inmediatamente
reacción con el Bromuro para dar compuesto bromado
Primer etapa se forma el carbocatión
Esta etapa es lenta
2ª etapa captura del carbocatión por el nucleófilo
Esta etapa es rápida
¿Como podemos obtener evidencias de los mecanismos SN1 y SN2?
La mayoría de los trabajos se realizaron en Inglaterra en los años
´30 por Ingold y Hughes, gracias a ellos se establecieron las
bases para los estudios cinéticos y elucidación de mecanismos de
reacción. En la reacción de un alcohol primario con un ión hidróxido
Esta se lleva en un solo paso y la velocidad de reacción está
relacionada con la concentración de los dos reactivos
Mecanismo SN2 de un bromuro primario y un ión hidróxido
Variación de la concentración de los reactivos en la velocidad
de reacción
Si mantenemos constante uno de los reactivos y variamos el
segundo podemos ver que hay un cambio en la velocidad de
reacción, mientras más reactivo esté presente, es más rapida
la reacción. Si ahora mantenemos el segundo reactivo constante
e incrementamos el primero y vemos un cambio en la velocidad
de reacción, podremos decir que se trata de un mecanismo SN2
Si tenemos un haluro terciario el mecanismo irá por SN1
en dos etapas, una lenta (formación del carbocatión) y una
rápida ( ataque del nucleófilo.
Etapa 1 formación del carbocatión
Etapa 2 reacción del carbocatión
Variación de la concentración de los reactivos en la velocidad
de reacción
Si mantenemos constante uno de los reactivos y variamos el
segundo podemos ver que hay un cambio en la velocidad de
reacción, mientras más reactivo esté presente, es más rápida
la reacción. Si ahora mantenemos el segundo reactivo constante
e incrementamos el primero y vemos que no hay cambio en la
velocidad de reacción, podremos decir que se trata de un mecanismo
SN1
Podemos escoger un reactivo que reaccione por SN1 o SN2
dependiendo de la fueza del nucleófilo , en la tabla siguiente
ponemos la velocidad relativa de los 5 nucleófilos, podemos ver
que los 3 primeros tienen la misma velocidad de reacción y los
últmos dos tienen velocidades muy diferentes. Esto es debido a
que los tres primeros van por SN1 y el paso determinante es la
formación del carbocation y los dos últimos van por SN2 y la velocidad dependerá del ataque del nucleófilo.
Nucleofilos
Velocidad 105 k/S
Mecanismo
SN2
Mecanismo
SN1
AcO– Cl–
3.9
4.0
PhO–
3.8
HO–
74
PhS–
107
Paso
determinante
Paso
determinante
RÁPIDO
ESTRUCUTRA DE LOS CARBOCATIONES
La estructura de los carbocationes es planar ya que de
esta forma se reducen las repulsiones y se obtiene un orbital p
vacio con menor energía que si esta hibridizado en sp3
Tetrahedral
Planar
Orbital sp3
vacio
Orbital p
vacio
Correcta
Menor repulsión
De los electrones de
unión
Correcta
Menor repulsión
De los electrones de
unión
Orbital sigma
Orbital vacio p
Hay una estabilización
adicional donante de
electrones del orbital
sigma para el carbocation
planar
El carbocation del metilo no tiene las uniones sigma de la unión C-C
Para estabilizar el carbocatión mediante donación de electrones.
Hay una estabilización
adicional donante de
electrones del orbital
sigma para el carbocation
planar
No hay estabilización
adicional donante de
electrones del orbital
sigma para el carbocation
planar
Cuando tenemos un grupo saliente sobre un carbón cabeza de
Puente que no puede tomar una conformación planar, su formación
Implica una gran cantidad de energía adicional, por lo que no se forma.
Este compuesto no reaccionaría por SN2 debido al impedimento
estérico, y tampoco por SN1 debido a que no se puede formar el
carbocatión planar.
el carbocatión
tendría que ser
tetrahedral
El catión alílico se encuentra estabilizado por la doble
ligadura y la carga positiva se encuentra distribuida a lo
largo de los tres átomos, pero se encuentra en mayor
densidad sobre los carbonos terminales, por lo que aquí es
donde reaccionará
Catión ciclohexadienilo
Unión pi delocalizada
Representación de los orbitales moleculares
Orbitales vacios de
no Unión del catión
alilo
Orbitales llenos de
Unión del catión
alilo
Al hacer reaccionar ciclohexenol con HBr solo da un producto, debido
a que el intermediario formado es simétrico y no importa donde ataque
el nucleófilo, dará el mismo producto.
Formación del mismo producto
Cuando tenemos un catión alílico no simétrico dará un catión que
dependiendo donde sea atacado el producto obtenido será diferente,
En este caso el mismo catión alílico se forma a partir de dos reactivos
Diferentes.
La regioselectividad en el ataque va a estar dada por el
impedimento estérico, se obtendrá mayor proporción del
producto que presente el menor impedimento estérico.
El bromuro de prenilo que se utiliza como materia prima para
la síntesis de terpenos se puede obtener a partir del alcohol
terciario, a pesar que el catión terrciario es el más estable el
nucleófilo ataca al carbono terminal, ya que la doble ligadura en
realidad está delocalizada entre los 3 carbonos y el menos impedido
estéricamente es el terminal.

El catión benzílico es tan estable como el
alílico pero no presenta la ambigüedad en el
ataque.
Cloruro de tritilo
alcohol
primario
La piridina se usa como solvente en la reacción solo para atrapar el ión
Cloruro formado para evitar que la reacción se vuelva ácida con el HCl
formado
Formación SN1 del eter tritilo
Paso
determinante
rapido
rapido
Velocidad de solvólisis de cloruro de alquilos en etanol acuoso(1:1) a 44.6°C
Compuesto
velocidad relativa
comentario
Cloruro primario casi todo por SN2
Cloruro secundario ; puede ser SN1 pero no muy eficiente
Cloruro secundario; muy eficiente por SN1
Cloruro alílico primario va por SN1
Catión alílico, es secundario en un extremo
Catión alílico, es terciario en un extremo, compare con 2100
del un terciario simple
Primario pero alílico y benzílico
Hay un tipo de carbocatión el que tiene un grupo donador de electrones
En el mismo átomo donde está el grupo saliente . A pesar de que es
Primario y pensaríamos en una reacción SN2, como es catión está estabilizado
Por el grupo electrodonador, este catión es estable y va por SN1
Ion oxonium
Ion carbenium
El Catión Metoximetil
Este catión se puede dibujar de dos
formas como el ion oxonium o como
el carbenium primario
Los iones carbenium primarios no se
conocen en solución , menos como
intermediarios aislables. La mejor
comparación que podemos hacer es
entre el catión isopropílico y el
oxonium para ver su espectro de RMN
en este segundo caso el CH2 aparece
en 9.9 ppm en lugar de 13.0 ppm de
un carbenium normal.
El primer paso en la hidrólisis de los acetales es similar si analizamos
el mecanismo de reacción por el cual se produce. Un grupo alcoxi
es remplazado por agua para dar un hemicetal.
Hidrólisis de acetales, primer etapa
En el paso determinante de la reacción va por SN1 y se forma un ion
Oxonium. Si comparamos este paso con la descomposición del cloroeter
Veremos que es muy similar.
Hidrólisis de acetales, el primer paso va por
SN1
Es muy común hacer el
siguiente error cuando se
escribe el mecanismo de
los acetales, protonando
un alcoxi y después
atacando con agua
mediante una reacción
SN2 y desplazando el
alcoxi. La razón por la
cual va por un
mecanismo SN1 es que el
grupo vecino metoxilo
estabiliza tanto al
carbocation que prefiere
ir por este mecanismo.
Siempre que tengamos un grupo electronegativo en el mismo carbono del
que está el grupo saliente el mecanismo será por SN1
Carbocationes estables como intermediarios en reacciones SN1
TIPO DE CATIÓN
alquilo
Conjugado
EJEMPLO 1
EJEMPLO 2
terciario(bueno)
secundario(no tan bueno)
alílico
Estabilizado por heteroátomo
bencílico
por oxígeno
por nitrógeno

Las reacciones SN2 se realizan con grupos alquilos primarios
esto se debe a dos factores, que el carbocatión primario es
inestable y el nucleófilo puede acercarse muy fácilmente por
la parte posterior al grupo saliente ya que los hidrógenos no
presentar impedimento estérico.
Nucleofilo ataca por
la parte posterior
Una forma sencilla de formar éteres es tratando un haluro de alquilo con
un alcóxido. Si el haluro de alquilo es un metilo , podemos estar
seguros que va por SN2. Se requiere una base fuerte cono NaH para
formar el alcóxido.
Alcohol
ión alcóxido
eter metílico
Cuando tenemos un fenol el NaOH es una base suficientemente fuerte y el
fenóxido puede reaccionar con el sulfato de dimetilo (el éster dimetílico del
ácido sulfúrico) . La reacción será SN2 si tenemos un nucléfilo eficiente ( en
este caso el RO-) y un buen grupo saliente ( el anión sulfato)
fenol
Sulfato de
dimetilo
Eter
metílico
El anión Sulfato es un
Buen grupo saliente
Diagrama energénico de la reacción SN2
Reactivos:
Nucleófilo
+ MeX
Estado de transición
Nivel energético mas
Alto en el paso de la
Reacción
Productos
ME-Un + X-
Un estado de transición no es un intermediario, no se puede aislar puede
regresarse a los reactivos o pasar a los productos. Las unión se están
formando y rompiendo
Reactivos
Estado de transición
Productos
Las líneas punteadas indican uniones parciales, en proceso de formación
o en proceso de ruptura. La carga inicial del nuclófilo se reparte entre los
dos grupos. El estado de transición se representa en corchetes cuadrados.
Otra forma es viendo los orbitales involucrados.
Lumo
homo
unión sigma
formándose
orbital p
carbono
unión sigma
rompiéndose
nueva unión sigma
Si partimos de un compuesto que tiene un carbono asimétrico, mediante
una reacción SN1 se obtendría una mezcla racémica, debido a que el
Intermediario es un compuesto planar, y el ataque del nucleófilo puede
ser por la parte superior o inferior, dando lugar a diferentes compuestos
Una forma de invertir la configuración de un centro asimétrico es
introduciendo un grupo que pueda salir fácilmente y la reacción sea
SN2, una forma de lograr esto es cambiando el alcohol por un derivado
Tosilato, que debido a la presencia del azufre y dos oxígenos debilitan
la unión C-O haciendo que esta pueda ser desplazada fácilmente por
un nucleófilo
Al tener un grupo que puede salir facilmente un nucleófilo puede desplazarlo
mediante
e un mecanismo SN2 por lo que habrá una inversión de configuración.

Reacción SN2
DMF
Dimetil formamida
Sec butil acetato
Opticamente activo

Para regenerar el alcohol se hidroliza el acetato y de esta
forma se obtiene una inversión de la configuración
Sec butil acetato
Opticamente activo
Intermediario
tetrahédrico
Dependiendo de las condiciones de reacción podemos obtener una mezcla
racémica a partir de un alcohol ópticamente activo, mediante un mecanismo SN1
o podemos obtener la inversión de la configuración si introducimos un grupo
que pueda salir fácilmente mediante una reacción SN2

racemización
Catión butílico
secundario
Sec-butanol
racémico