Download - Substitucion Nucleofilica Bimolecular
GERMÁN FERNÁNDEZ
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Germán Fernández
Aprovecho la ocasión para enviarte un saludo, deseando que este material
sea de interés y ayude a preparar de modo más eficaz la asignatura.
CONTENIDOS ii
1. CARACTERÍSTICAS GENERALES
2. MECANISMO
3. DIAGRAMA DE ENERGÍA
4. ESTEREOQUÍMICA
5. GRUPO SALIENTE
6. NUCLEÓFILO
7. SUSTRATO
8. SUSTRATOS CÍCLICOS
9. DISOLVENTE
(c) Germán Fernández
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Cl
Solvatación del nucleófilo
SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - CARACTERÍSTICAS GENERALES
(c) Germán Fernández
En las reacciones de sustitución nucleófila se cambia un grupo, llamado grupo saliente, por otro, llamado
nucleófilo.
H3C I + OH H3C OH + I
[1] [2] [3] [4]
[1] Sustrato - Especie que contiene el grupo saliente
[2] Nucleófilo - Base de Lewis capaz de atacar a átomos con polaridad (o carga) positiva
[3] Producto de la reacción
[4] Grupo saliente - Especie que abandona el sustrato, siendo sustituida por el nucleófilo
Las reacciones de sustitución nucleófila permiten obtener numerosos compuestos orgánicos a partir de
haluros de alquilo. Veamos algunos ejemplos:
CH3CH2 Br + NaOH CH3CH2 OH + NaBr
a) La reacción de bromoetano con hidróxido de sodio produce etanol.
b) La reacción del cloruro de isopropilo con cianuro de sodio produce un nitrilo
H3CCH
CH3
Cl
+ NaCNH3C
CHCH3
CN
+ NaCl
c) La reacción de yodometano con metóxido de sodio produce un éter (dimetil éter)
H3C I + NaOCH3 H3C OCH3 + NaI
d) Se pueden obtener aminas por reacción de amoniaco con haloalcanos
Br + NH3NH2 + HBr
En estos ejemplos se representa el grupo saliente en rojo y el nucleófilo en azul.
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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - MECANISMO
La SN2 (sustitución nucleófila bimolecular) es una reacción concertada, es decir, transcurre en una única
etapa.
H3C I + OH H3C OH + I
El mecanismo consiste en el ataque del nucleófilo al carbono que contiene el grupo saliente. Este
carbono presenta una polaridad positiva importante, debida a la electronegatividad del halógeno. Al
mismo tiempo que ataca el nucleófilo se produce la ruptura del enlace carbono-halógeno, obteniéndose el
producto final.
El estado de transición de la SN2 tiene la siguiente forma:
C
H
IHH
OH C
H
H H
IHO C
H
HO H
H
+ I-
La velocidad de una reacción elemental es proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos
elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos. A la constante de proporcionalidad se le
denomina constante cinética.
Asi, la velocidad de la SN2 depende de la concentración del sustrato (CH3I) y del nucleófilo (OH-). Es por
ello una reacción bimolecular.
v=k[CH3I][OH-]
(c) Germán Fernández
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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - DIAGRAMA DE ENERGÍA
En el diagrama de energía se representa la energía potencial frente a la coordenada de reacción, y nos da
el cambio energético que sufren los reactivos al transformarse en los productos correspondientes.
H3C I + OH H3C OH + I
C
H
IHH
OH C
H
H H
IHO C
H
HO H
H
+ I-
C
H
H H
IHO
C
H
IHH
OH
C
H
HO H
H
+ I-
Durante el transcurso de la reacción los reactivos aumentan su energía hasta alcanzar el estado de
transición, formándose el complejo activado. En ese punto el enlace carbono-nucleófilo se encuentra
medio formado y el carbono-grupo saliente medio roto.
Complejo activado
El diagrama de energía para esta reacción es el que sigue.
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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - ESTEREOQUÍMICA
El ataque del nucleófilo al carbono que contiene el grupo saliente puede ocurrir de dos formas distintas.
En el primer caso el nucleófilo puede aproximarse al sustrato por el lado en que se encuentra el grupo
saliente. Esta aproximación se denomina ataque frontal, en ella el nucleófilo ocupa el lugar del grupo
saliente, produciéndose retención en la configuración.
C Br
CH3CH2
HH3C
+ OH- C OH
CH3CH2
HH3C
+ Br-
ataque frontal
La segunda posibilidad supone el ataque del nucleófilo por el lado opuesto al grupo saliente. Este tipo de
aproximación recibe el nombre de ataque dorsal, produciendo inversión en la configuración
C Br
CH3CH2
HH3COH- + Br-
ataque dorsal
CHO
CH2CH3
H
CH3
Hughes e Ingold observaron que el ión hidróxido atacaba al sustrato por el lado opuesto al grupo saliente,
produciendo inversión de configuración. La razón de que el ataque dorsal sea más favorable que el frontal
radica en las repulsiones entre el nucleófilo y el grupo saliente. La cara opuesta al grupo saliente es más
accesible para el nucleófilo.
C Br
CH3CH2
HH3COH-
ataque dorsalOH-
ataque frontal
S S
S R
La SN2 es una reacción estereoespecífica, forma un sólo estereoisómero, debido a que el ataque del
nucleòfilo es exclusivamente dorsal.
Cl
CH3
NaCN
CN
CH3
+ NaCl
El ataque del cianuro se produce por el lado opuesto al cloro (desde el fondo ) y sólo se observa la
formación del diastereoisómero dibujado.
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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - GRUPO SALIENTE
El grupo saliente tiene la misión de abandonar el sustrato al mismo tiempo que ataca el nucleófilo. Los
mejores grupos salientes son las especies menos básicas, puesto que se enlazan débilmente al carbono.
En la tabla periódica los mejores grupos salientes se encuentran a la derecha y abajo.
H3C I + OH- H3C OH + I-rápida
H3C Cl + OH- H3C OH + Cl-lenta
El yoduro es mejor grupo saliente que el cloruro por estar más abajo en la tabla periódica. Los buenos
grupos salientes aumentan la velocidad de la sustitución nucleófila.
Existen grupos salientes que actúan a través del oxígeno, átomo mucho más básico que los halógenos,
aprovenchando la resonacia, que disminuye considerablemente la basicidad del grupo. Un ejemplo de este
tipo es el ión tosilato.
H3C S
O
O
O
ion tosilato (TsO-)
H3C S
O
O
O
ion mesilato
F3C S
O
O
O
ion triflato
OTs
Ts
+ OH- OH+ TsO- (rápida)
Br+ OH- OH
+ Br- (lenta)
La primera reacción es más rápida que la segunda ya que el tosilato es mejor grupo saliente que el
bromuro.
El -OH no se comporta como grupo saliente por se muy básico, pero al protonarlo se transforma en agua,
que si tiene aptitud como grupo saliente.
OH + Br- No se observa reacción
OH + HBr Br + H2O
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La primera reacción no tiene lugar debido a que el -OH no se comporta como grupo saliente. La segunda
reacción ocurre sin problema gracias a la protonación del grupo -OH en el medio ácido, que lo transforma
en agua, un buen grupo saliente.
OH H+OH2 Br- Br + H2O
Para terminar incluyo una lista con los mejores grupos salientes:
TsO- > I- > Br- > H2O > Cl-
Mejor Grupo Saliente
Ejemplo - Ordena según velocidad las siguientes reacciones de sustitución
Cl
Br
OTs
NaCN
NaCN
NaCN
[1]
[2]
[3]
Solución - [3] > [2] > [1]. El tosilato es el mejor grupo saliente de los tres, después va el bromuro y el
cloruro es el peor.
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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - NUCLEOFILIA Y NUCLEÓFILO
Los nucleófilos son bases de Lewis que atacan a un carbono desplazando al grupo saliente. Es frecuente
encontrar nucleófilos iónicos, pero también existen numerosos ejemplos de nucleófilos neutros. La
característica general de todo nucleófilo es la presencia de pares solitarios sobre el átomo que ataca.
H3C Br + NH3 H3C NH2 + HBr
H3C Br + OH- H3C OH + Br-
(lenta)
(rápida)
En la primera reacción el amoniaco actúa como nucleófilo -especie neutra, pero con pares solitarios sobre
el nitrógeno- desplazando al bromo del carbono y formando una amina.
En la segunda reacción el ión hidróxido actúa como nucleófilo desplazando al bromo y formando un
alcohol. Se observa que la primera reacción es más lenta que la segunda, en conclusión el amoniaco es
peor nucleófilo que el ión hidróxido.
Se conoce como nucleofília a la capacidad de un nucleófilo para atacar a un sustrato, La nucleofilia
depende de varios factores: posición del átomo atacante en la tabla periódica, carga y resonancia.
Carga - Las especies cargadas son mejores nucleófilos que las neutras
OH- >> H2O ión hidróxido (especie con carga) mejor nucleófilo que el agua (especie neutra)
NH2- >> NH3 ión amiduro (especie cargada) mejor nucleófilo que el amoniaco (especie neutra)
PH2- >> PH3 ión fosfuro (especie cargada) mejor nucleófilo que la fosfina (especie neutra)
Posición en la tabla periódica - La nucleofília aumenta al bajar en la tabla periódica y al movernos ala izquierda.
NH3 > H2O el amoniaco es mejor nucleófilo que el agua por estar más a la izquierda el nitrógeno que el
oxígeno
I- > Cl- el yoduro es mejor nucleófilo que el cloruro por estar más abajo.
PH3 > NH3 la fosfina es mejor nucleófilo que el amoniaco por estar el fósforo más abajo que el nitrógeno.
Resonancia - La resonancia disminuye la nucleofilia. La deslocalización de los pares solitariosdisminuyen la capacidad de ataque del nucleófilo.
OH- > H3C C
O
O
El ión acetato es peor nucleófilo que el ión hidróxido debido a la deslocalización
de la carga sobre ambos oxígenos.(c) Germán Fernández
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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - SUSTRATO
Existe una importante diferencia de velocidad entre los sustratos; bromuro de metilo, bromuro de etilo,
bromuro de isopropilo y bromuro de tert-butilo cuando reaccionan con un nucleófilo en las mismas
condiciones.
H3C Br
CH3CH2 Br
H3CCH
CH3
Br
H3CC
CH3
H3C Br
NaCN
DMSOH3C CN + Br-
NaCN
DMSOCH3CH2 CN + Br-
NaCN
DMSO + Br-
H3CCH
CH3
CN
NaCN
DMSO + Br-
H3CC
CH3
CNH3C
SN 2
más
lentaSust. 1º
Sust. 2º
Sust. 3º
El carbono unido al grupo saliente se llama y los sustratos se clasifican en primarios, secundarios o
terciarios dependiendo de que el carbono tenga una, dos o tres cadenas carbonadas.
CH3CH2 Br H3CCH
CH3
Br
H3CC
CH3
H3C Br
Sustrato primario
(una cadena)
Sustrato secundario Sustrato terciario
carbono
(dos cadenas) (tres cadenas)
El mecanismo SN2 supone el ataque del nucleófilo por el lado opuesto al grupo saliente, ataque dorsal.
Las cadenas carbonadas impiden esta cara del sustrato, produciéndose una disminución de velocidad a
medida que aumenta el número de cadenas.
C Br
H
HH
C Br
H3C
HH
C Br
H3C
H3CH
C Br
H3C
H3CH3C
CN CN CN CN
Al aumentar el número de cadenas carbonadas en torno al carbono , resulta más complicado el ataque
del nucleófilo, llegando a ser inviable en el caso del sustrato terciario.(c) Germán Fernández
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C Br
H
HH
CN
C Br
H3C
HH
CN
C Br
H3C
H3CH
CN
C Br
H3C
H3CH3C
CN
En el sustrato terciario los tres metilos que rodean el carbono impiden totalmente la aproximación del
nucleófilo y la SN2 no tiene lugar.
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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - SUSTRATOS CÍCLICOS
Los sustratos cíclicos tensionados reaccionan más lentamente mediante el mecanismo SN2 que los
sustratos acíclicos. Así, el bromuro de isopropilo reacciona más rápido con el ión acetato que el bromuro
de ciclopropilo.
H3CCH
CH3
Br
CH2
CH
H2C
Br
+ H3C C
O
O
H3CCH
CH3
OC
CH3
O
+ H3C C
O
O OC
CH3
O
CH
H2C CH2
rápido
lento
En sustratos cíclicos la SN2 es más lenta cuanto más tensionado sea el ciclo. Los ciclos de tres miembros
reaccionan más lento que los de cuatro y los de cinco lo hacen a una velocidad próxima a lo acíclicos.
Br
+ H3C C
O
O OC
CH3
O
CH
lento
Br
+ H3C C
O
O OC
CH3
O
lento
Br
+ H3C C
O
O OC
CH3
O
lento
S N2
más
rápi
da
(c) Germán Fernández
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SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA SN2 - DISOLVENTE
Los disolventes pueden clasificarse según el esquema siguiente.
Disolvente
Prótico Aprótico(forma puentes de H.) (no forma puentes H.)
agua, alcoholes, ac.
acético
Polar Apolar
Benceno, tolueno,
hexano, octano
Acetona, DMF, DMSO,
THF, éter
Los disolventes mas adecuados para la SN2 son los apróticos polares. Estos disolventes consiguen
disolver los reactivos, que generalmente son muy polares, pero rodean poco el nucleófilo dejándole libertad
para atacar al sustrato. Una SN2 en un disolvente prótico, como agua, alcoholes, es miles de veces más
lenta que en disolvente aprótico.
No se emplean disolventes apróticos apolares debido a la escasa solubilidad tanto de sustato como de
nucleófilo en este tipo de disolventes.
Cl
O
O
O
HHH
H
H
HOH
H
Los puentes de hidrógeno rodean
los iones cloruro disminuyendo su
nucleofilia.
Cl
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