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Unidad 4 (Parte I)
Reacciones de los Halogenuros de Alquilo
Objetivos:
1. Identifique los sitios de reactivos de halogenuros de
alquilo y arilo, alcoholes, fenoles y éteres.
2. Comprenda el mecanismo general de la sustitución
nucleofílica.
3. Contraste los mecanismos SN2 y SN1
4. Identifique los factores que afectan la reacciones SN
Lic. Walter de la Roca
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¿Por qué esta unidad del programa?
La sustitución nucleofílica y la eliminación inducida por
una base son dos de los tipos de reacciones más
versátiles y que ocurren con más frecuencia en la
química orgánica, tanto en el laboratorio como en las
rutas biológicas. En este capítulo las trataremos con
mayor detalle para ver cómo ocurren, cuáles son sus
características y cómo pueden utilizarse.
En 1896, el químico alemán Paul Walden hizo un
descubrimiento notable. Él encontró que los ácidos
málicos ()- y ()-enantioméricamente puros, pueden
interconvertirse a través de una serie de reacciones de
sustitución sencillas. Reacción que veremos más
adelante en esta presentación.
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Sustitución Nucleofílica
-
:
Nu


C
+
Nu
C
X
-
X
:

Eliminación
H
-
:
Nu

+
C
C
C
C
+
:
Nu H
+
-
X
 X
Nu:- es considerado como B:- pues está extrayendo un
hidrógeno.
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3
:
Reacciones SN1 & SN2
Reacción SN2 (Sustitución Nucleofílica Bimolecular)
SN2 (SN2 ó SN2)
Cinética de la Reacción
Velocidad = k * [RX] [Nu:-]
•Cinética de la reacción es de Segundo Orden.
•La velocidad de reacción depende del sustrato y nucleófilo.
•La velocidad es de Primer orden para cada reactivo.
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Diagrama de energía de SN2:
Energía
Estado de
Transición
Ea
Reactivos
Productos
Avance de la reacción
• Reacción en un Paso
•No hay intermediarios.
•La energía de activación dependerá del sustrato y el nucleófilo.
•Por lo general son exotérmicas.
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Mecanismo de reacción:
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.. HO
..:
H
H3 C
H
C
Br
CH2CH3
(S)-2-Bromobutano
HO
CH3
C
*
Br
CH2CH3
Estado de transición
HO
CH3
H
+
C
CH2CH3
-
Br :
(R)-2-Butanol
•Inversión de la configuración (si es ópticamente activo)
(Inversión de Walden)
•No se forma intermediario.
•El estado de transición esta formado por dos moléculas
(Halogenuro y Nucleófilo)
•El Nucleófilo ataca en la parte opuesta al halógeno.
•La reacción puede ser afectada por el tamaño que rodea
al centro de reacción debido a que los mismos deben
moverse.
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Ejemplo de Inversión de Walden
O
O
OH
PCl5
OH
HO
OH
HO
Cl
Éter
O
O
(+)-Ácido clorosuccinico
(-)-Ácido Málico
[]D = -2.3°
Ag 2O, H 2O
Ag 2O, H 2O
O
Cl
OH
HO
O
(-)-Ácido clorosuccinico
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O
PCl5
Éter
OH
OH
HO
O
(+)-Ácido Málico
[]D = +2.3°
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Factores que pueden afectar la SN2:
El Sustrato:
R Br
C
R Cl
Cl
CH 3
CH 3
H 3C
+
Br
H 3C
C
+
Br
CH 3
CH 2 Br
H 3C C
H
Br
H 3C
C
H
Br
Br
H C
CH 3
CH 3
H
H
Terciario
Neopentilo
Secundario
Primario
Metilo
<1
1
40,000
2,000,000
Menos
Reactivo
500
Reactividad S N 2
H
Más
Reactivo
Los halogenuros de vinilo y arilo no reaccionan
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El nucleófilo atacante:
H3 C
Nu =
..
H 2O
..
1
CH 3
CO -
500
Menos
Reactivo
2
..
Br
+
-
Nu:
H3 C
-
-
Nu
+
-
-
NH 3
:Cl
: OH
CH 3O:
:I
:CN
HS:
700
1000
16,000
25,000
100,000
125,000
125,000
Reactividad nucelofílica
Correlación de basicidad y nucleofilidad
HONucleófilo
CH3OCH3CO2Velocidad de reacción
25
16
0.5
S N 2 con CH 3 Br
pK a del ácido conjugado
15.5
15.7
4.7
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Br
Más
Reactivo
H2O
0.001
-1.7
10
: O:
El grupo saliente:
H 3C
.. S O
..:
: O:
Tosilato (TosO-)
Reactividad
Relativa
OH- NH2 - OR<<1
Menos
Reactivo
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F
1
Cl
200
Br
10,000
I
30,000
Reactividad del grupo saliente
TosO60,000
Más
Reactivo
11
Solvente
-
OR
+
H
+
Solvente
Reactividad
Relativa
RO
H
-
+
Nu:+
H
-
OR
-
H OR
CH 3CH 2CH 2CH 2- Br
+
CH 3OH
H 2O
DMSO
DMF
CH 3CN
HMPA
1
7
1300
2,800
5,000
200,000
Menos
Reactivo
N 3-
CH 3CH 2CH 2CH 2- N 3
Reactividad del solvente
+
Br
Más
Reactivo
Acetonitrilo CH3CN, Dimetilformamida (DMF) (CH3)2NCHO,
Sulfóxido de dimetilo (DMSO) (CH3)2SO y Hexametil fosforamida
(HMPA) [(CH3)2N]3PO.
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Graficas de los efectos anteriormente vistas:
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Recapitulación de SN2
•No tiene Intermediarios
•Se da en un paso
•En el estado de transición están presentes el nucleófilo y sustrato
formando un complejo (Bimolecular).
•Se produce una inversión de la configuración estereoquímica.
Inversión de Walden
•La cinética es de segundo orden.
•El sustrato que tenga mayores grupos unidos al centro reacción
será mas lenta.
•No pueden producir transposiciones.
•Los nucleófilos con carga negativa son más reactivos que los neutros.
•Los grupos salientes será más de sustituir en cuanto la base que
forme sea más estable. En el caso de los halógenos el grupo saliente
es el Yodo.
•Los solventes próticos no son recomendados para esta reacción.
•Los solventes apróticos son los recomendados para esta reacción.
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Reacción SN1 (Sustitución Nucleofílica
Monomolecular)
SN1 (SN1 ó SN1)
Cinética de la Reacción
Velocidad = k * [RX]
•Cinética de la reacción es de Primer Orden.
•La velocidad de reacción depende del sustrato.
•La velocidad de reacción no depende del nucleófilo.
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Diagrama de energía SN1
•La reacción se da en dos etapas.
•Se forma un intermediario. (Carbocatión)
•La etapa lenta de la reacción es donde tenga Ea mayor valor neto.
•Generalmente la reacción es exotérmica.
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A
B
¿Cuál es el paso lento del diagrama A?
El Primer Paso
¿Cuál es el paso lento del diagrama B?
El Segundo Paso
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Mecanismo de Reacción:
Paso
Lento
CH 3
H 3C
C
Br
CH 3
Paso
Rápido
CH 3
H 3C
C
+
CH 3
Carbocatión
+
Br
CH 3
H 3C
C
O
CH 3
..
OH
.. 2
H
+
..
OH
.. 2
H
CH 3
H 3C
C
O H
+
H 3O +
CH 3
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Estereoquímica de SN1
Nos da una racemización (50% inversión y 50% retención)
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Ejemplo:
H2O
Cl
(R)-6-Cloro-2,6-dimetiloctano
Etanol
OH
40% (R)
(Retención)
+
HO
60% (S)
(Inversión)
Saúl Winstein
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Factores que pueden afectar la SN1:
El sustrato
H
H3C C
H
H
H C+
H
Metilo
<
+
Primario
Menos
Estable
H
<
C
H
H
C
+
+
C
H
Alilo
CH2
H
~
~
Bencilo
Estabilidad del carbocatión
~
~
CH3
H3C C +
H
CH3
H3C C +
CH3
Secundario
<
Terciario
Más
Estable
El sustrato que da un carbocatión más estable es el que
reacciona más rápido.
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Nucleófilo
No tiene influencia en la velocidad de reacción
Grupo saliente:
H 2O
Menos
Reactivo
<
Cl
<
Br
<
I
~
~
Reactividad del grupo saliente
TosOMás
Reactivo
Es el mismo ordenamiento que la SN2, pero para la SN1 es
más importante debido a que se tiene que polarizar el
enlace para formar el carbocatión intermediario
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Solvente:
CH 3
CH 3
H 3C
C
Cl
+
R OH
OR
+
H Cl
CH 3
CH 3
Etanol
Reactividad
Relativa
H 3C C
1
Menos
Reactivo
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40% agua
60% etanol
100
80% agua
20% etanol
14,000
Reactividad del solvente
Agua
100,000
Más
Reactivo
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Recapitulación de SN1
•Si tiene un carbocatión como intermediario.
•Se da en dos pasos.
•En el paso lento de la reacción solo se presenta una molécula (RX).
•Se produce racemización si el compuesto es ópticamente activo.
•La cinética de reacción es de primer orden.
•El sustrato que tenga más grupos alquilo unidos al centro de
reacción dará carbocatión intermediario más estable y lo hará más
reactivo.
•Si se pueden producir transposiciones, para estabilización de
carbocationes intermediarios
•Los nucleófilos con carga negativa son más reactivos que los
neutros.
•Los grupos salientes serán más fácil de formar el carbocatión entre
más estable sea la base conjugada. El halogenuro mejor sería Yodo.
•Los solventes apolares no favorecen la reacción.
•Los solvente polares favorecen la reacción.
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Bibliografía:
Capitulo No. 11 J. McMurry (8ª Edición) Paginas 372-423
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