6 nucleofilo

7/29/2019 6 nucleofilo

1/63

D R . C A R L O S A N T O N I O R I U S A L O N S O

D E P T O . D E Q U I M I C A O R G A N I C A

F A C U L T A D D E Q U I M I C A

U N A M

S E P T I E M B R E 2 0 0 7

Haluros de alquilo:sustitucin nucleoflica y

eliminacin


2/63

Polarizacin del enlace en el haluro dealquilo.

En un haluro de alquilo el tomo de halgeno est enlazado aun tomo de carbono con hibridacin sp3. El halgeno es mselectronegativo que el carbono, y el enlace C-X est polarizadocon una carga parcial positiva en el carbono y una carga

parcial negativa en el halgeno

Cuanto ms electronegativo es el tomo de halgeno, mayor esla polarizacin entre el enlace carbono-halgeno.


3/63

Representaciones con modelos CPK de los haluros de

alquilo.

Representaciones conmodelos CPK de los halurosde alquilo. Los halgenosms pesados son msvoluminosos, con reas

superficiales mucho msgrandesLa electronegatividadaumenta hacia la derecha yhacia arriba en la tabla

peridica. El tamaoaumenta hacia la derecha yhacia abajo, por lo que eltamao de los halgenosincrementa en el orden de F

< Cl < Br < I.


4/63

Halogenacin allica.

La bromacin del ciclohexano da lugar a un buen rendimientode 3-bromociclohexano, donde el bromo ha sustituido a unhidrgeno allico del tomo de carbono prximo al dobleenlace.

Cuando se utilizan bajas concentraciones de bromo, lasposiciones allicas son bromuradas selectivamente.


5/63

Mecanismo de bromacin allica.

Esta bromacin allica selectiva se produce porque elintermedio allico est estabilizado por resonancia. Laabstraccin de un tomo de hidrgeno allico da lugar a unradical allico estabilizado por resonancia. Este radical

reacciona con Br2, regenerando un radical bromo.

La bromacin allica se produce a travs de un mecanismoradical que da lugar a un radical allico. Los radicales allicosestn estabilizados por resonancia con el enlace pi prximo a

ellos.


6/63

Reaccin total: bromacin allica

Esta bromacin allica selectiva se produce porque elintermedio allico est estabilizado por resonancia. Laabstraccin de un tomo de hidrgeno allico da lugar a unradical allico estabilizado por resonancia. Este radical

reacciona con Br2, regenerando un radical bromo.

Cuando se utilizan bajas concentraciones de bromo, las posiciones allicasson bromuradas selectivamente.


7/63

N-bromosuccinimida (NBS)

Se debe evitar una concentracin grande de bromo, ya que elbromo se puede adicionar al doble enlace . Con frecuencia seutiliza laN-bromosuccinimida como fuente de bromo en labromacin radicalica, ya que se combina con el

subproducto HBr y genera una baja concentracin de bromo.

NBS es una forma sencilla de asegurarse una baja concentracin de bromo


8/63

Sustitucin nucleoflica y reacciones de eliminacin.

Los haluros de alquilo se convierten fcilmente en otrosgrupos funcionales. El tomo de halgeno puede salir con supar de electrones de enlace para formar un in haluro estable;se dice que un haluro es un buen grupo saliente.

Cuando otro tomo reemplaza al in haluro, la reaccin es una

sustitucin. Si el in haluro abandona la molcula junto con otro tomo o

in (con frecuencia el H+), la reaccin es una eliminacin En una reaccin de sustitucin nucleoflica, el tomo de

haluro se sustituye por un nuclefilo.

En una reaccin de eliminacin, el haluro se "elimina" de lamolcula despus de la abstraccin de un hidrgeno pormedio de una base fuerte. Las reacciones de eliminacinproducen alquenos.


9/63

Sustitucin nucleoflica y reacciones de eliminacin.


10/63

Sustitucin nucleoflica del yodometano con inhidrxido.

El in hidrxido es un nuclefilo fuerte (donante de un par de electrones) porque eltomo de oxgeno tiene pares de electrones no compartidos y una carga negativa. Alyodometano se le denomina sustrato, es decir, el compuesto que es atacado por elreactivo. El tomo de carbono del yodometano es electroflico, ya que va unido a untomo de yodo electronegativo. La densidad electrnica se representa alejada delcarbono debido a la induccin ejercida por el tomo de halgeno, lo que hace que el

tomo de carbono tenga una cierta carga positiva parcial. La carga negativa del inhidrxido es atrada hacia esta carga positiva parcial.

El in hidrxido ataca a la molcula de yodometano desplazando al in yoduro yformando un enlace de carbono-oxgeno


11/63

Mecanismo SN2.

El mecanismo siguiente muestra el ataque por el nuclefilo(in hidrxido), el estado de transicin y el desprendimientodel grupo saliente (in yoduro).

El in hidrxido ataca al carbono de la molcula de yodometano. En elestado de transicin, existe un enlace que comienza a formarse entre elcarbono y el oxgeno, y el enlace carbono-yoduro se rompe. La reaccinproduce un alcohol. ste es un mecanismo concertado en el que todopasa en un nico paso.


12/63

Diagrama de energa de reaccin.

El diagrama de energa dereaccin para la reaccin delyoduro de metilo con el inhidrxido muestra slo unmximo de energa, el estado detransicin; no hay intermedios

El mecanismo SN2 es un ejemplode reaccin concertada. Laformacin de enlaces y la roturade enlaces tiene lugar al mismotiempo. Solamente hay unestado de transicin formadopor las dos molculas (el inhidrxido y el yodometano). Nohay intermedios en esta reaccin


13/63

Reacciones de intercambio de halgenos.

El yoduro es un buen nuclefilo y muchos cloruros de alquilo reaccionan conyoduro de sodio para obtener yoduros de alquilo. Los fluoruros de alquilo sondifciles de sintetizar directamente, por lo que con frecuencia se obtienen tratandocloruros o bromuros de alquilo con KF; utilizando un ter y un disolvente aprticoque aumente la nucleofilia normalmente dbil del in fluoruro (vase Seccin 6.10).

El haluro de un haluro de alquilo se pueden intercambiar por un haluro diferente.Esta reaccin de intercambio a menudo se utiliza para sintetizar los fluoruros dealquilo. El in fluoruro no es un buen nuclefilo, pero su nucleofilicidad se puedeaumentar llevando a cabo la reaccin en disolventes aprticos y utilizando un tercorona para "apartar" al catin del fluoruro.


14/63

Estados de transicin para ataques del nuclefilofuerte y dbil.


15/63

Basicidad y nucleofilicidad.

Podramos pensar que el metxido es mucho mejornuclefilo porque es mucho ms bsico. Esto sera un error,ya que la basicidad y la nucleofilicidad son propiedadesdiferentes. La basicidad viene determinada por la constante

de equilibrio para abstraer un protn. La nucleofilicidad sedefine por la velocidad de ataque sobre un tomo decarbono electroflico para dar sustituciones o adiciones. Enambos casos, el nuclefilo (o base) forma un nuevo enlace;

si el nuevo enlace lo forma un protn, ha reaccionado comouna base, si el nuevo enlace lo forma con el carbono, hareaccionado como un nuclefilo.


16/63

Basicidad y nucleofilicidad.

Predecir de qu forma puede reaccionar unaespecie podra ser difcil. La mayora de los buenosnuclefilos (pero no todos) tambin son bases

fuertes, y viceversa. Observando el producto formado podemos decidir si

la base conjugada ha actuado como una base o comoun nuclefilo. Si el nuevo enlace es un protn, ha

reaccionado como una base; si el nuevo enlace loforma con el carbono, ha reaccionado como unnuclefilo.


17/63

Basicidad y nucleofilia.


18/63

Nuclefilos comunes.

Una base es un nuclefilo ms fuerte que su cido conjugado. En general, cuantoms electronegativo es el tomo, menos nucleoflico es.


19/63

Efecto de la polarizabilidad del nuclefilo enlas reacciones SN2.

Comparacin de los ionesfluoruro y yoduro como

nuclefilos en las

reacciones SN2. El

fluoruro retiene

fuertemente loselectrones, que no

pueden formar enlace C-

F hasta que los tomos

estn prximos. El yoduro

retiene los electrones

externos con menos

fuerza, por lo que es ms

fcil que se forme un

enlace en la reaccin


20/63

Influencia del disolvente en lanucleofilicidad.

En un disolvente prtico, los aniones pequeos sesolvatan ms fuertemente que los grandes, ya que eldisolvente se aproxima ms a un in pequeo yforma enlaces de hidrgeno ms fuertes. Cuando unanin reacciona como nuclefilo, se requiere energapara retirar alguna de las molculas de disolvente,rompiendo alguno de los enlaces de hidrgeno que

estabilizaban al anin solvatado.


21/63


. Si el in es ms pequeo, como el fluoruro, serequiere ms energa para poder separar eldisolvente de este in que est fuertemente solvatadoque de otro in ms grande, que est ms dbilmentesolvatado, como el yoduro

Los disolventes prticos polares rodearn alnuclefilo y reducirn su nucleofilia. Cuanto ms

pequeo sea el tomo, ms solvatado estar y mayorser la reduccin de la reactividad.


22/63



23/63

Grupos salientes comunes.

Los sulfonatos, los sulfatos y los fosfatos son buenos grupos salientes porquepueden deslocalizar la carga negativa sobre los tomos de oxgeno. Las

molculas neutrales son grupos salientes cuando la reaccin se lleva a cabo en

medios cidos.


24/63

Influencia estrica del sustrato sobre lasreacciones SN2.

El ataque SN2 en un haluro de alquilo primario sencillo no est impedido; el ataqueen un haluro de alquilo secundario est impedido, y el ataque en un haluro de

alquilo terciario es imposible.


25/63

Influencia estrica del sustrato sobre lasreacciones SN2.

Para formar un enlace, el nuclefilo tiene queencontrarse dentro de la distancia enlazante delcarbono. Un haluro de alquilo estricamenteimpedido evitar que el nuclefilo se acerque losuficiente como para reaccionar.


26/63

Vista molecular de un ataque SN2.

La reaccin SN2 tiene lugar a travs del ataque del nuclefilo sobre el lbuloposterior del OM antienlazante del enlace C-Br. El ataque posterior o dorsal

invierte el tetraedro del tomo de carbono, de forma similar a como el viento

invierte un paraguas.

El nuclefilo ataca al carbono desde la parte posterior, opuesto al grupo saliente.

Las reacciones SN2 siempre tendrn como resultado una inversin de la

configuracin del carbono que est siendo atacado. Los estereocentros que no

estn involucrados en la reaccin no se invertirn


27/63

Mecanismo de inversin.

El estado de transicin de la reaccin SN2 tiene una

geometra bipiramidal trigonal con el nuclefilo y el grupo

saliente a 180 de cada uno.


28/63

Inversin de la configuracin.

En algunos casos, la inversin de la configuracin es muy clara; porejemplo, cuando el cis-1-bromo-3-metilciclopentano experimenta un

desplazamiento SN2 por el in hidrxido, la inversin de la configuracin

da lugar al trans-3-metilciclopentanol

La inversin de la configuracin no slo puede cambiar la configuracin

absoluta, en el caso de los compuestos cclicos tambin cambiar la

geometra del cis al trans o viceversa. Las reacciones SN2 son

estereoespecficas


29/63

Mecanismo de una reaccin SN1.

Este tipo de sustitucin se denomina reaccin SN1(sustitucin nucleoflica unimolecular). El trminounimolecular quiere decir que slo una molcula estimplicada en el estado de transicin del pasolimitante de la velocidad de reaccin. El mecanismode la reaccin SN1 del bromuro de ter-butilo conmetanol se muestra a continuacin. La ionizacin delhaluro de alquilo (primer paso) es el paso limitantede la velocidad.


30/63

Mecanismo de una reaccin SN1.

El primer paso del mecanismo es la formacin del carbocatin. Es paso es lento yes el paso limitante de la velocidad. El segundo paso es el ataque nucleoflico del

nuclefilo en el carbocatin. Si el nuclefilo fuera una molcula de agua o alcohol,

se tendra que perder un protn con objeto de obtener un producto neutro


31/63

Pasos clave del mecanismo SN1.

El mecanismo SN1 es un proceso de mltiples pasos. El primer paso esuna ionizacin lenta para formar un carbocatin. El segundo paso es un

ataque rpido de un nuclefilo al carbocatin. El carbocatin es un

electrfilo fuerte y reacciona rpidamente tanto con un nuclefilo fuerte

como con uno dbil. En el caso de ataque de una molcula de alcohol o de

agua (como nuclefilos), la prdida de un protn da lugar al producto

neutro final. A continuacin se presenta el mecanismo general para la

reaccin SN1.

El mecanismo principal est formado por dos pasos: formacin de un

carbocatin y ataque nucleoflico. Dependiendo del nuclefilo se puede

necesitar un tercer paso. Si acta una molcula de alcohol o agua como

un nuclefilo, se tendr que perder un protn con objeto de obtener un

producto neutro.

Di d d l i S


32/63

Diagramas de energa de las reacciones SN1 ySN2.

Diagramas de energa de las reacciones SN1 y SN2. Lareaccin SN1 tiene un mecanismo que consta de dospasos, con dos estados de transicin (1 y 2) y uncarbocatin intermedio. La reaccin S

N

2 slo tieneun estado de transicin y no tiene intermedios.

La reaccin SN1 tiene un carbocatin intermedio yproporcionar una mezcla de enantimeros. La

reaccin SN2 tendr como resultado una inversin dela configuracin.


33/63

Diagramas de energa de las reacciones SN1 ySN2.


34/63

Efecto inductivo e hiperconjugacin.

El paso limitante de la velocidad de la reaccin SN1 es la ionizacin para formar uncarbocatin, proceso fuertemente endotrmico. El estado de transicin para este

proceso endotrmico se asemeja al carbocatin (postulado de Hammond), por lo

que las velocidades de las reacciones SN1 tienen una dependencia de la estabilidad

del carbocatin.


35/63

Efecto inductivo e hiperconjugacin.

Anteriormente, se vio cmo en los cationes alquilo elcarbocatin estaba estabilizado por la donacin deelectrones a travs de los enlaces sigma (efectoinductivo) mediante el solapamiento de los orbitalesllenos (hiperconjugacin); por tanto, loscarbocationes altamente sustituidos son msestables.


36/63

Estado de transicin de la reaccin SN1.

En el estado de transicin de la ionizacin SN1, el gruposaliente forma parte de la carga negativa. El enlace C-X se

rompe y un grupo saliente polarizable todava puede

mantener un solapamiento sustancial

El estado de transicin se asemeja al carbocatin


37/63

Disolucin de los iones.

La reaccin SN1 est favorecida en disolventes polares, que estabilizan los ionesintermedios. El paso limitante de la velocidad forma dos iones y la ionizacin tiene

lugar en el estado de transicin. Los disolventes polares solvatan estos iones

debido a la interaccin de los dipolos del disolvente con la carga del in. Los

disolventes prticos como los alcoholes y el agua son incluso disolventes ms

efectivos, ya que los aniones forman enlaces de hidrgeno con el tomo de

hidrgeno del grupo -OH y los cationes, complejos con los electrones no enlazantesdel tomo de oxgeno del grupo -OH. Los disolventes polares prticos, como los

alcoholes, pueden solvatar mejor los iones formados durante una reaccin SN1.


38/63

Racemizacin en la reaccin SN1.

Un tomo de carbono asimtrico experimenta racemizacincuando se ioniza y se transforma en un carbocatin aquiral,

plano. Un nuclefilo puede atacar al carbocatin desde

cualquier cara, dando lugar, como producto, a cualquier

enantimero.


39/63

Racemizacin en la reaccin SN1.

Los carbocationes tienen orbitales hbridos sp2 y unorbital vacop. El nuclefilo puede aproximarse alplano del carbocatin desde arriba o desde abajo. Siel nuclefilo ataca por el mismo lado del gruposaliente, habr una retencin de configuracin, perosi el nuclefilo ataca por el lado opuesto del gruposaliente la configuracin se invertir. Las reaccionesS

N1 forman mezclas de enantimeros (racemizacin).


40/63

Reaccin SN1 sobre un anillo

En la reaccin SN1 del cis-1-bromo-3-deuteriociclopentano con metanol, el carbocatinpuede ser atacado por cualquier cara. Como el gruposaliente (bromuro) bloquea parcialmente la carafrontal cuando se desprende, el ataque posterior(inversin de configuracin) est ligeramentefavorecido.

El tomo de deuterio se utiliza para distinguir lascaras del ciclopentano.


41/63

Reaccin SN1 sobre un anillo

T i i d hid i


42/63

Transposicin de hidruro en una reaccinSN1.

El producto reordenado, 2-etoxi-2-metilbutano, es el resultado de unatransposicin de hidruro: movimiento de un tomo de hidrgeno con su par

de electrones de enlace. Una transposicin de hidruro se representa por el

smbolo ~H. En este caso, la transposicin de hidruro convierte el

carbocatin secundario inicialmente formado en un carbocatin terciario

ms estable. El ataque del disolvente a este ltimo da lugar al producto dereordenamiento.

T i i d hid i


43/63

Transposicin de hidruro en una reaccinSN1.

Una vez se haya formado el carbocatin, unhidrgeno se desplaza (mueve) de uno de loscarbonos cercanos al carbocatin para producir uncarbocatin ms estable. El mecanismo continuarcon el ataque nucleoflico. Puesto que hay doscarbocationes intermedios, habr dos productos


44/63

Transposicin del metilo en una reaccin SN1.

Cuando se calienta el bromuro de neopentilo con etanol, la reaccin slo da unproducto de sustitucin reordenado. Este producto es debido a la transposicin del

metilo (representada por el smbolo ~CH3), la migracin de un grupo metilo junto

con su par de electrones. Sin reordenamiento, la ionizacin del bromuro de

neopentilo dara lugar a un carbocatin primario muy inestable.


45/63

Transposicin del metilo en una reaccin SN1.

La formacin de un carbocatin primario no esposible, por lo que la transposicin del metilo y laformacin del carbocatin se produce en un nicopaso para formar un carbocatin terciario. El ataquepor el nuclefilo sobre el carbocatin proporciona elnico producto obtenido de esta reaccin.


46/63

Reacciones de eliminacin: E1 y E2.

Una eliminacin implica la prdida de dos tomos o gruposdel sustrato, generalmente con la formacin de un enlacepi. Dependiendo de los reactivos y de las condiciones en lasque se encuentren, una eliminacin debera ser un proceso

de primer orden (E1) o de segundo orden (E2). Lossiguientes ejemplos ilustran los tipos de eliminacin que setratarn en este captulo.

De la misma forma que existe un SN1 y un SN2, existen dos

mecanismos de eliminacin, E1 y E2. Qu eliminacin seproducir es una cuestin de las condiciones empleadasdurante la reaccin.


47/63

Reacciones de eliminacin: E1 y E2.


48/63

Mecanismo E1.

En un segundo paso rpido, una base abstrae un protn deltomo de carbono adyacente al C+. Los electrones queantes formaban el enlace carbono-hidrgeno ahora formanel enlace pi entre dos tomos de carbono. El mecanismo

general de una reaccin E1 es: Al igual que el SN1, la reaccin E1 implica un carbocationes

intermedios. El primer paso es la ionizacin de la molculapara formar el carbocatin, seguido de la abstraccin de un

protn del carbono cercano. El producto principal de lasreacciones de eliminacin son los alquenos.


49/63

Mecanismo E1.

En un segundo paso rpido, una base abstrae un protn del tomo de carbonoadyacente al C+. Los electrones que antes formaban el enlace carbono-hidrgeno

ahora forman el enlace pi entre dos tomos de carbono. El mecanismo general de

una reaccin E1 es

Competencia entre las reacciones S 1


50/63

Competencia entre las reacciones SN1y E1

El primer producto (2-metilpropeno) es el resultadode la deshidrohalogenacin, eliminacin dehidrgeno y un tomo de halgeno. Bajo estascondiciones de primer orden (ausencia de basefuerte), se produce la deshidrohalogenacin por unmecanismo E1: la ionizacin del haluro de alquilo daun intermedio carbocatinico, que pierde un protnpara formar un alqueno. El producto de sustitucines el resultado del ataque nucleoflico al carbocatin.El etanol sirve como base para la eliminacin y comonuclefilo en la sustitucin.


51/63

Competencia entre las reacciones SN1 y E1

El primer paso de los dos mecanismos es el mismo:formacin del intermedio carbocatinico. El alcoholpuede actuar como una base o como un nuclefilo. Siacta como una base, la abstraccin de un protnproducir un alqueno. Si el alcohol acta como unnuclefilo, se obtendr el producto de sustitucin.


52/63

Competencia entre las reacciones SN1 y E1.


53/63

Modelo orbital para la eliminacin E1.

En el segundo paso del mecanismo E1, el tomo decarbono adyacente debe rehibridarse a sp2 cuando la

base ataca al protn y los electrones fluyen hacia elnuevo enlace pi.Las bases dbiles se pueden utilizar en las reaccionesE1, puesto que no se encuentran implicadas en elpaso limitante de la velocidad de la reaccin.


54/63

Modelo orbital para la eliminacin E1.

Diagrama de energa de reaccin para las


55/63

Diagrama de energa de reaccin para lasreacciones E1.

Diagrama de energa de reaccin. El primer paso esuna ionizacin limitante de la velocidad de reaccin.Compare este perfil de energa con el de lasreacciones SN1.

El mecanismo E1 conlleva dos pasos y un intermedio.La formacin del carbocatin intermedio tiene laenerga de activacin ms elevada, por lo que ser el

paso limitante de la velocidad de la reaccin.

Diagrama de energa de reaccin para las


56/63

Diagrama de energa de reaccin para lasreacciones E1.


57/63

Reordenamiento en el mecanismo E1.

Como en otras reacciones mediadas por un carbocatin intermedio, en la E1 sepueden producir reordenamientos. Compare la siguiente reaccin E1 (con

reordenamiento) con la reaccin SN1 del mismo sustrato

Cuando la reaccin conlleva intermedios carbocatinicos, habr una posibilidad

de reordenamientos, por lo que se obtendr la mezcla de productos


58/63

Las reacciones E2.

La eliminacin tambin puede ser bimolecular en presencia de una base fuerte. Amanera de ejemplo, considrese la reaccin del bromuro de terc-butilo con in

metxido en metanol

E2 muestra la misma preferencia de sustrato como E1, 3o > 2o > 1o . E2 necesita

una base fuerte


59/63

Mecanismo E2.

La velocidad de esta eliminacin es proporcional a las concentraciones tanto del

haluro de alquilo como de la base, dando lugar a una ecuacin de velocidad de

segundo orden. Esto es un proceso bimolecular; ya que participan el haluro de

alquilo y la base en el estado de transicin, por lo que este mecanismo se expresa

como E2, forma abreviada de eliminacin bimolecular

La reaccin tiene lugar en un nico paso, por lo que es una reaccinconcertada.


60/63

Mezcla de productos en las reacciones E2

Las reacciones E2 requieren la abstraccin de unprotn de un tomo de carbono prximo al carbonoque lleva el halgeno. Si hay dos o ms posibilidades,se obtienen mezclas de productos. Los ejemplos

siguientes muestran cmo la abstraccin de protonesdiferentes puede dar lugar a productos diferentes.

En general, el alqueno ms sustituido ser el

producto principal de la reaccin


61/63

Mezcla de productos en las reacciones E2


62/63

Estado de transicin para las reacciones E2

Estados de transicin concentrados de la reaccinE2. Los orbitales del tomo de hidrgeno y el halurodeben estar alineados para que puedan comenzar aformar un enlace pi en el estado de transicin.

El hidrgeno que se va a abstraer debera ser anti-coplanar al grupo saliente para minimizar cualquierimpedimento estrico entre la base y el grupo

saliente. Una orientacin sin-coplanar entre elhidrgeno y el grupo saliente crear una interaccinrepulsiva y aumentar la energa del estado detransicin.


63/63

Estado de transicin para las reacciones E2

Documents

6 nucleofilo