TEMA 13.- Derivados halogenados. Reacciones SN. Clasificación y características generales. Sustitución nucleofílica. Mecanismos SN2 y SN1. Estereoquímica de las reacciones SN. Factores con influencia en la velocidad de reacción de las reacciones de SN. Reacciones de SN aromáticas.

DERIVADOS HALOGENADOS Estructura Los derivados halogenados son compuestos orgánicos que contienen uno o más halógenos en su molécula. Se les denomina haluros o halogenuros Los haluros de alquilo son los derivados halogenados de mayor importancia, ya que se utilizan como base para la síntesis de muchos compuestos orgánicos. Uno, o más, enlaces C-H han sido sustituidos por enlaces C-X (X= F, Cl, Br, I).

Propiedades Físicas de los Haluros de Alquilo - Compuestos polares - Los haluros de alquilo presentan densidades y puntos de ebullición más altos que los de sus correspondientes alcanos. CH3-CH2-CH2-CH3 Butano Peso molecular: 58

CH3-CHI-CH2-CH3 2-yodobutano Peso molecular: 183,9

- Solubilidad: Los haluros de alquilo son insolubles en agua y solubles en compuestos orgánicos debido a que no forman puentes de hidrógeno. -Buenos disolventes. -Los halogenuros de alquilo se emplean como disolventes industriales, refrigerantes, plaguicidas.

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Los haloalcanos que tienen un solo átomo de F o Cl son menos densos que el agua. Los haloalcanos que tienen dos o más átomos de F o Cl son más densos que el agua. Los haloalcanos con Br e I son siempre más densos que el agua.

Reactividad Sustitución nucleofílica: SN1 y SN2 Eliminación: E1 y E2

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Sustitución nucleofílica

C C H X

+

Nu

-

C C H Nu

+

X-

Eliminación

C C H X

+

B-

C C

X-

+

+

BH

Sustitución nucleofílica Sustrato: Recibe este nombre la molécula en la cual tiene lugar la sustitución. Reactivo o grupo entrante: Es el átomo o grupo de átomos que ataca al sustrato. Grupo saliente: Es el átomo o grupo de átomos que es expulsado del sustrato. Producto: Es el resultado de la sustitución del grupo saliente por el nucleófilo.

Cuando el reactivo es un nucleófilo se produce una sustitución nucleofílica.

R-X + Sustrato

NuReactivo

R-Nu Producto

+

XGrupo saliente

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NUCLEOFILOS Aniones: Br-, I-, OH-, RS-, Acetiluro -, CN-, R-COO-, RONeutros: H2O, NH3,

R-X + I-

R-NH2,

R-I + X-

R2-NH,

R3-N

(derivados halogenados)

R-X + OH-

R-OH + X-

(alcoholes)

R-X + R’O -

R-OR' + X-

(éteres)

-

-

R-COOR + X-

R-X + RCOO-

R-OH2+ + X-

R-X + H2O

-

R-NH3+ + X

R-X + NH3 R-X + CNR-X +

R’S-

(ésteres) +

-H

+

-H

R-CN + X-

(nitrilos)

R-S-R’ + X-

(sulfuros)

R-OH (alcoholes) R-NH2 (aminas)

GRUPOS SALIENTES Atomos: Cl-, Br-, I- (En orden de mejor grupo saliente) Conjunto de átomos: OH2 (agua) NH3 (amoníaco) Anión Tosilato (p-toluensulfonato, TsO-) ROH +

TsCl

O

Nu

-

O

S

+ RO

Nu-R O

+

S -

O

O

(ROTs)

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Mecanismo SN2

El carbono presenta hibridación sp2 en el ET. Su orbital p remanente mantiene enlaces transitorios con el nucleófilo y el grupo saliente. Los grupos H están en un plano.

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Estereoquímica de la reacción

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Factores que afectan a la SN2 9 Estructura del sustrato 9 Naturaleza del nucleófilo 9 Naturaleza del grupo saliente 9 Efectos del disolvente

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Efecto de la estructura del sustrato en la reacción SN2

Naturaleza del nucleófilo

Puesto que el nucleófilo interviene en el paso clave de la reacción, la naturaleza del nucleófilo afecta a la velocidad de las reacciones SN2. Lo lógico sería esperar que los buenos nucleófilos fuesen también buenos dadores de electrones, es decir, buenas bases de Lewis. Este razonamiento es válido es muchos casos, sobre todo cuando se comparan especies cuyo átomo nucleofílico es el mismo. Por ejemplo, el CH3OH y su base conjugada, el anión metóxido CH3O-, son nucleófilos y además el ión metóxido,que es más básico que el metanol, es también más nucleofílico.

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Normalmente, la base conjugada de un nucleófilo es más nucleofílica que su ácido conjugado:

La nucleofilia disminuye de izquierda a derecha en la tabla periódica. Los elementos más electronegativos tienen los pares de electrones solitarios sujetos con más fuerza al núcleo, son menos polarizables, y por tanto son menos reactivos en la formación de nuevos enlaces:

Al bajar a lo largo de una columna del sistema periódico disminuye la basicidad pero aumenta la nucleofília. Al aumentar el número atómico los átomos son más grandes y los electrones de valencia están más lejos del núcleo. Los electrones son más fácilmente polarizables. Su nube electrónica de valencia se puede deformar con más facilidad por la acción de una carga externa. La mayor movilidad de los electrones aumenta la capacidad del nucleófilo para comenzar a formar el enlace a una distancia relativamente grande lo que se traduce en un aumento de la velocidad de la reacción.

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Efecto del grupo saliente La reacción SN2 será más fácil si se efectúa sobre un sustrato que contiene un buen grupo saliente.

Las bases débiles son buenos grupos salientes.

Un grupo que sea capaz de acomodar su densidad electrónica será poco básico y, por tanto, buen grupo saliente. Los factores que afectan a la estabilidad electrónica son: El tamaño La electronegatividad La deslocalización por resonancia

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Efectos del disolvente La velocidad de las reacciones SN2 depende del tipo de disolvente utilizado en el proceso. Por ejemplo, la reacción SN2 del yoduro de metilo con el ión acetato para dar acetato de metilo es aproximadamente unas 10 millones de veces más rápida en dimetilformamida (DMF) que en metanol.

En una gran mayoría de las reacciones SN2 participan especies cargadas, ya sea en la parte del nucleófilo o en los productos. Por esta razón la velocidad de una reacción SN2 aumenta, por lo general, al aumentar la polaridad del disolvente.

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Tipos de disolventes

Aumento de polaridad

Próticos: Tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por ello, son capaces de formar puentes de hidrógeno. Los próticos o hidróxilicos: el agua (H2O), los ácidos carboxílicos (RCOOH) y los alcoholes (ROH).

Apróticos: No tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por ello, no forman enlaces de hidrógeno. Los apróticos: el resto de la tabla anterior.

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Si el nucleófilo de una reacción SN2 es un anión, la velocidad de la reacción aumentará al pasar de un disolvente polar prótico (agua, alcoholes) a un disolvente polar aprótico (DMF, DMSO, HMPA). En un disolvente prótico el anión se encontrará solvatado por formación de puentes de hidrógeno. En consecuencia, se necesitará consumir energía adicional para quitar algunas moléculas de disolvente de la esfera de solvatación, a fin de que el anión pueda atacar al sustrato. En el siguiente esquema se describe la esfera de solvatación del ión cloruro en agua y el estado de transición de la reacción SN2 que requiere la separación de alguna molécula de disolvente para que el ión cloruro pueda atacar al sustrato:

Los disolventes polares apróticos (DMSO, DMF) no poseen grupos hidroxilo y por tanto no pueden solvatar a los aniones. Si la misma reacción SN2 se lleva a cabo en un disolvente polar aprótico no se necesitará consumir energía adicional para retirar moléculas de disolvente de la esfera de solvatación y por tanto la reacción será mucho más rápida, en comparación con la misma reacción efectuada en el disolvente prótico.

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Mecanismo SN1 Cuando el bromuro de t-butilo se trata con NaOH no se obtiene el alcohol t-butílico, a pesar de que el ión hidróxido es un buen nucleófilo y por tanto debería sustituir al bromo. Por el contrario, cuando el bromuro de t-butilo se calienta en agua si se obtiene el t-butanol. En este caso, el H2O, nucleófilo mucho más débil que el ión hidróxido, si que es capaz de sustituir al bromo.

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El perfil de energía de una reacción SN1 es:

Estereoquímica de la reacción El átomo de carbono de un carbocatión presenta hibridación sp2, con los grupos enlazados a este átomo ordenados en un plano y con un orbital p vacío perpendicular a dicho plano. El carbocatión puede ser atacado desde el lado que dejó el grupo saliente, lo que produce retención de la configuración, o desde el lado opuesto, lo que produce inversión de la configuración.

mezcla racémica

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Factores que afectan a la SN1

9 Estructura del sustrato 9 Naturaleza del grupo saliente 9 Efectos del disolvente

Efectos de la estructura del sustrato Los halogenuros de alquilo más sustituidos son más reactivos en la reacción SN1 que los menos sustituidos.

El orden de reactividad de los sustratos, en un proceso SN1, es el mismo que el orden de estabilidad de los carbocationes. Esto se debe a que el paso que determina la velocidad de un proceso SN1 es el paso que genera el carbocatión.

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Efectos del grupo saliente En las reacciones SN1 el nucleófilo no participa en la etapa de formación del carbocatión, que es la que determina la velocidad, pero el grupo saliente está siendo desplazado en esta etapa. Por lo tanto, la reacción SN1 necesita de un buen grupo saliente por las mismas razones que lo necesita la reacción SN2. Un buen grupo saliente ayuda a estabilizar la energía del estado de transición, estabilizando la carga negativa que se desarrolla en este punto del mecanismo.

Los buenos grupos salientes son las bases débiles, o sea los mismos grupos que son buenos grupos salientes en los procesos SN2.

Efectos del disolvente La reacción SN1 ocurre más rápidamente en disolventes polares que sean capaces de solvatar a los iones puesto que en el paso determinante de la velocidad de la reacción SN1 se forman iones. Los disolventes polares, como el agua y los alcoholes, solvatan eficazmente a las especies cargadas y por tanto disminuyen la energía de los iones y, en consecuencia, disminuyen también la energía del estado de transición

De la tabla anterior se deduce que la formación del carbocatión t-butilo es muy rápida en los disolventes muy polares (los que tienen mayor constante dieléctrica).

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Transposiciones de carbocationes en las reacciones SN1 Cuando el 2-bromo-3-metilbutano se calienta a reflujo en etanol se obtiene una mezcla de 2-etoxi-3-metilbutano y de 2-etoxi-2-metilbutano:

El 2-etoxi-3-metilbutano es el producto que se espera de un proceso SN1. El mecanismo que explica la formación de este compuesto se da a continuación:

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Comparación entre el mecanismo SN2 y el SN1

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Reacción de Sustitución Nucleofílica Aromática Los nucleófilos pueden efectuar reacciones de sustitución sobre un anillo aromático si el anillo aromático presenta, en posición orto o para, grupos fuertemente electrón-atrayentes. En el siguiente ejemplo, el átomo de cloro del 2,4-dinitroclorobenceno es sustituido por el grupo hidroxilo mediante la reacción del compuesto aromático con hidróxido sódico a elevada temperatura:

Mecanismo de la reacción de Sustitución Nucleofílica Aromática

Adición

Eliminación

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