Reacción de sustitución
Una reacción de sustitución (también conocida como reacción de desplazamiento simple o reacción de sustitución simple) es una reacción química durante la cual un grupo funcional en un compuesto químico es reemplazado por otro grupo funcional.Las reacciones de sustitución son de suma importancia en química orgánica. Las reacciones de sustitución en química orgánica se clasifican como electrofílicas o nucleófilas según el reactivo involucrado, si un intermedio reactivo involucrado en la reacción es un carbocatión, un carbanión o un radical libre, y si el sustrato es alifático o aromático. La comprensión detallada de un tipo de reacción ayuda a predecir el resultado del producto en una reacción. También es útil para optimizar una reacción con respecto a variables como la temperatura y la elección del solvente.
Un buen ejemplo de una reacción de sustitución es la halogenación. Cuando se irradia cloro gaseoso (Cl 2), algunas de las moléculas se dividen en dos radicales de cloro (Cl•), cuyos electrones libres son fuertemente nucleofílicos. Uno de ellos rompe un enlace covalente C-H en CH 4 y toma el átomo de hidrógeno para formar el HCl eléctricamente neutro. El otro radical reforma un enlace covalente con el CH 3 • para formar CH 3 Cl (cloruro de metilo).
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| cloración del metano por cloro |
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Sustitución nucleófila
En química orgánica (e inorgánica), la sustitución nucleófila es una clase fundamental de reacciones en las que un nucleófilo se une selectivamente o ataca la carga positiva o parcialmente positiva de un átomo o grupo de átomos. Al hacerlo, reemplaza a un nucleófilo más débil, que luego se convierte en un grupo saliente; el átomo positivo o parcialmente positivo restante se convierte en un electrófilo. La entidad molecular completa de la que forman parte el electrófilo y el grupo saliente suele denominarse sustrato.
La forma más general de la reacción se puede dar comoNuc : + R-LG → R-Nuc + LG :
donde R-LG indica el sustrato. El par de electrones (:) del nucleófilo (Nuc:) ataca al sustrato (R-LG), formando un nuevo enlace covalente Nuc-R-LG. El estado de carga anterior se restaura cuando el grupo saliente (LG) sale con un par de electrones. El producto principal en este caso es R-Nuc. En tales reacciones, el nucleófilo suele ser eléctricamente neutro o con carga negativa, mientras que el sustrato suele ser neutro o con carga positiva.
Un ejemplo de sustitución nucleófila es la hidrólisis de un bromuro de alquilo, R-Br, en condiciones básicas, donde el nucleófilo atacante es la base OH y el grupo saliente es Br:R-Br + OH → R-OH + Br
Las reacciones de sustitución nucleófila son comunes en la química orgánica y pueden clasificarse en términos generales como si tuvieran lugar en un carbono de un carbono compuesto alifático saturado o (con menos frecuencia) en un centro de carbono aromático u otro insaturado.
Mecanismos
Las sustituciones nucleófilas en centros de carbono alifáticos pueden proceder por dos mecanismos diferentes, sustitución nucleófila unimolecular (S N 1) y sustitución nucleófila bimolecular (S N 2).
El mecanismo S N 1 tiene dos pasos. En el primer paso, el grupo saliente se separa y forma un carbocatión C. En el segundo paso, el reactivo nucleofílico (Nuc:) se une al carbocatión y forma un enlace sigma covalente. Si el sustrato tiene un carbono quiral, este mecanismo puede dar como resultado una inversión de la estereoquímica o la retención de la configuración. Por lo general, ambos ocurren sin preferencia. El resultado es la racemización.
El mecanismo S N 2 tiene un solo paso. El ataque del reactivo y la expulsión del grupo saliente ocurren simultáneamente. Este mecanismo siempre da como resultado la inversión de la configuración. Si el sustrato que está bajo ataque nucleofílico es quiral, la reacción conducirá a una inversión de su estereoquímica, llamada inversión de Walden.
El ataque S N 2 puede ocurrir si la ruta de ataque del lado posterior no está estéricamente obstaculizada por los sustituyentes en el sustrato. Por lo tanto, este mecanismo generalmente ocurre en un centro de carbono primario sin obstáculos. Si hay apiñamiento estérico en el sustrato cerca del grupo saliente, como en un centro de carbono terciario, la sustitución implicará un mecanismo S N 1 en lugar de S N 2; un S N 1 también sería más probable en este caso porque podría formarse un carbocatión intermedio suficientemente estable.
Cuando el sustrato es un compuesto aromático, el tipo de reacción es de sustitución aromática nucleófila, que ocurre con varios mecanismos. Los derivados del ácido carboxílico reaccionan con los nucleófilos en sustitución de acilo nucleófilo. Este tipo de reacción puede ser útil para preparar compuestos.
Sustitución electrófila
Los electrófilos están involucrados en las reacciones de sustitución electrofílica, particularmente en las sustituciones aromáticas electrofílicas.
En este ejemplo, la estructura de resonancia de electrones del anillo de benceno es atacada por un electrófilo E. El enlace resonante se rompe y resulta una estructura resonante de carbocatión. Finalmente, se expulsa un protón y se forma un nuevo compuesto aromático.
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| Sustitución aromática electrófila |
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Las reacciones electrofílicas a otros compuestos insaturados distintos de los arenos generalmente conducen a una adición electrofílica en lugar de una sustitución.
Sustitución radical
Una reacción de sustitución radical involucra radicales. Un ejemplo es la reacción de Hunsdiecker.
Sustitución organometálica
Las reacciones de acoplamiento son una clase de reacciones catalizadas por metales que involucran un compuesto organometálico RM y un haluro orgánico R′X que reaccionan juntos para formar un compuesto del tipo RR′ con la formación de un nuevo enlace carbono-carbono. Los ejemplos incluyen la reacción de Heck, la reacción de Ullmann y la reacción de Wurtz-Fittig. Existen muchas variaciones.
Compuestos sustituidos
Los compuestos sustituidos son compuestos químicos en los que uno o más átomos de hidrógeno de una estructura central se han reemplazado con un grupo funcional como alquilo, hidroxi o halógeno, o con grupos sustituyentes más grandes.
Por ejemplo, el benceno es un anillo aromático simple. Los bencenos que han sufrido sustitución son un grupo heterogéneo de sustancias químicas con un amplio espectro de usos y propiedades:
| Ejemplos de compuestos de benceno sustituidos | ||
| compuesto | formula general | estructura general |
| Benceno | C 6 H 6 |  |
| tolueno | C 6 H 5 -CH 3 |  |
| o-xileno | C 6 H 4 (-CH 3) 2 |  |
| mesitileno | C 6 H 3 (-CH 3) 3 |  |
| Fenol | C 6 H 5 -OH |  |
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