Reacción SN1

La reacción S_N1 es una reacción de sustitución en química orgánica, cuyo nombre hace referencia al símbolo de Hughes-Ingold del mecanismo. "S_N" significa "sustitución nucleófila", y el "1" dice que el paso determinante de la velocidad es unimolecular. Por lo tanto, a menudo se muestra que la ecuación de velocidad tiene una dependencia de primer orden del sustrato y una dependencia de orden cero del nucleófilo. Esta relación es válida para situaciones en las que la cantidad de nucleófilo es mucho mayor que la del intermedio. En cambio, la ecuación de velocidad se puede describir con mayor precisión utilizando la cinética de estado estacionario. La reacción involucra un carbocatión intermedio y se ve comúnmente en reacciones de haluros de alquilo secundarios o terciarios en condiciones fuertemente básicas o, en condiciones fuertemente ácidas, con alcoholes secundarios o terciarios. Con haluros de alquilo primarios y secundarios, ocurre la reacción alternativa SN2. En química inorgánica, la reacción S_N1 se conoce a menudo como la sustitución disociativa. Esta vía de disociación está bien descrita por el efecto cis. Un mecanismo de reacción fue propuesto por primera vez por Christopher Ingold et al. en 1940. Esta reacción no depende mucho de la fuerza del nucleófilo, a diferencia del mecanismo S_N2. Este tipo de mecanismo implica dos pasos. El primer paso es la ionización del haluro de alquilo en presencia de acetona acuosa o alcohol etílico. Este paso proporciona un carbocatión como intermediario.

En el primer paso del mecanismo S_N1, se forma un carbocatión que es plano y, por lo tanto, el ataque del nucleófilo (segundo paso) puede ocurrir desde cualquier lado para dar un producto racémico, pero en realidad completo no se produce racemización. Esto se debe a que las especies nucleófilas atacan al carbocatión incluso antes de que el ion haluros que se aleja se haya alejado lo suficiente del carbocatión. El ion haluro con carga negativa protege al carbocatión de ser atacado por el lado frontal, y se prefiere el ataque por el lado posterior, que conduce a la inversión de la configuración. Por lo tanto, el producto real sin duda consiste en una mezcla de enantiómeros, pero los enantiómeros con configuración invertida predominarían y no se produciría una racemización completa.

Mecanismo

Un ejemplo de una reacción que tiene lugar con un mecanismo de reacción S_N1 es la hidrólisis del bromuro de terc-butilo formando terc-butanol:

Esta reacción S_N1 tiene lugar en tres pasos:

• Formación de una carbocación tert-butil por separación de un grupo de salida (un anión bromida) del átomo de carbono: este paso es lento.

Recombination of carbocation with nucleophile

• Ataque nucleófilo: la carbocación reacciona con el nucleófilo. Si el núcleo es una molécula neutra (es decir, un solvente) se requiere un tercer paso para completar la reacción. Cuando el disolvente es agua, el intermedio es un ión de oxonio. Este paso de reacción es rápido.

• Deprotonación: Eliminación de un protón en el núcleo protonado por el agua actuando como base formando el alcohol y un ión de hidronio. Este paso de reacción es rápido.

Ley de tasa

Aunque la ley de velocidad de la reacción S_N1 a menudo se considera de primer orden en los haluros de alquilo y de orden cero en los nucleófilos, esta es una simplificación que se cumple solo bajo ciertas condiciones. Si bien también es una aproximación, la ley de velocidad derivada de la aproximación de estado estacionario (SSA) proporciona más información sobre el comportamiento cinético de la reacción S_N1. Considere el siguiente esquema de reacción para el mecanismo que se muestra arriba:

Aunque es un carbocatión terciario relativamente estable, el catión terc-butilo es una especie de alta energía que está presente solo en concentraciones muy bajas y no se puede observar directamente en condiciones normales. Así, la SSA se puede aplicar a esta especie:

• (1) Hipótesis del Estado: d[tBu⁺]/♪ = 0 = k₁[tBuBr] – k_–1[tBu⁺[Br]^–] k₂[tBu⁺[H]₂O]
• 2) Concentración de t- cation de butilo, basado en la suposición del estado estable: [tBu⁺= k₁[tBuBr]/(k_–1[Br^–+ k₂[HH₂O])
• 3) Tasa general de reacción, asumiendo un paso final rápido: d[tBuOH]/♪ = k₂[tBu⁺[H]₂O]
• (4) Ley de la tasa estatal, enchufar (2) en (3): d[tBuOH]/♪ = k₁k₂[t[H]₂O]/(k_–1[Br^–+ k₂[HH₂O])

En condiciones sintéticas normales, el nucleófilo entrante es más nucleófilo que el grupo saliente y está presente en exceso. Además, los experimentos cinéticos a menudo se realizan en condiciones de velocidad inicial (5 a 10 % de conversión) y sin la adición de bromuro, por lo que [Br^–] es insignificante. Por estas razones, k_–1[Br^–] ≪ k₂[H₂O] a menudo se cumple. En estas condiciones, la ley de tasas de la SSA reduce a

tasa = d[tBuOH]/dt = k₁ k₂[tBuBr][H₂O]/(k₂[H₂O]) = k₁[tBuBr],

la ley de velocidad de primer orden simple descrita en los libros de texto introductorios. En estas condiciones, la concentración del nucleófilo no afecta la velocidad de la reacción y el cambio del nucleófilo (por ejemplo, de H₂O a MeOH) no afecta la velocidad de la reacción, aunque el producto es, por supuesto, diferente. En este régimen, el primer paso (ionización del bromuro de alquilo) es lento, determinante de la velocidad e irreversible, mientras que el segundo paso (adición nucleófila) es rápido y cinéticamente invisible.

Sin embargo, bajo ciertas condiciones, se pueden observar cinéticas de reacción que no son de primer orden. En particular, cuando está presente una gran concentración de bromuro mientras que la concentración de agua es limitada, lo contrario del primer paso se vuelve importante desde el punto de vista cinético. Como indica la ley de tasas SSA, en estas condiciones existe una dependencia fraccional (entre cero y primer orden) de [H₂O], mientras que existe una dependencia de orden fraccional negativo de [Br ^–]. Por lo tanto, a menudo se observa que las reacciones S_N1 se ralentizan cuando se agrega una fuente exógena del grupo saliente (en este caso, bromuro) a la mezcla de reacción. Esto se conoce como efecto de ion común y la observación de este efecto es evidencia de un mecanismo S_N1 (aunque la ausencia de un efecto de ion común no lo descarta).).

Alcance

El mecanismo S_N1 tiende a dominar cuando el átomo de carbono central está rodeado por grupos voluminosos porque dichos grupos impiden estéricamente la reacción S_N2. Además, los sustituyentes voluminosos en el carbono central aumentan la tasa de formación de carbocationes debido al alivio de la tensión estérica que se produce. El carbocatión resultante también se estabiliza mediante estabilización inductiva e hiperconjugación de grupos alquilo unidos. El postulado de Hammond-Leffler sugiere que esto también aumentará la tasa de formación de carbocationes. Por lo tanto, el mecanismo S_N1 domina en las reacciones en los centros de alquilo terciario.

Un ejemplo de una reacción que se desarrolla en forma de S_N1 es la síntesis de 2,5-dicloro-2,5-dimetilhexano a partir del diol correspondiente con concentrado ácido clorhídrico:

A medida que aumentan las sustituciones alfa y beta con respecto a los grupos salientes, la reacción se desvía de S_N2 a S_N1.

Estereoquímica

El carbocatión intermedio formado en el paso determinante de la velocidad (RDS) de la reacción es un carbono hibridado sp² con geometría molecular plana trigonal. Esto permite dos formas diferentes para el ataque nucleofílico, una a cada lado de la molécula plana. Si no se favorece ninguno de los enfoques, entonces estas dos formas ocurren por igual, produciendo una mezcla racémica de enantiómeros si la reacción tiene lugar en un estereocentro. Esto se ilustra a continuación en la reacción S_N1 de S-3-cloro-3-metilhexano con un ion yoduro, que produce una mezcla racémica de 3-yodo-3-metilhexano:

Sin embargo, se puede observar un exceso de un estereoisómero, ya que el grupo saliente puede permanecer cerca del carbocatión intermedio durante un breve período de tiempo y bloquear el ataque nucleofílico. Esto contrasta con el mecanismo S_N2, que es un mecanismo estereoespecífico en el que la estereoquímica siempre se invierte cuando el nucleófilo entra por la parte trasera del grupo saliente.

Reacciones secundarias

Dos reacciones secundarias comunes son las reacciones de eliminación y el reordenamiento de carbocationes. Si la reacción se realiza en condiciones templadas o calientes (que favorecen un aumento de la entropía), es probable que predomine la eliminación de E1, lo que da lugar a la formación de un alqueno. A temperaturas más bajas, las reacciones S_N1 y E1 son reacciones competitivas y resulta difícil favorecer una sobre la otra. Incluso si la reacción se realiza en frío, se puede formar algo de alqueno. Si se intenta llevar a cabo una reacción S_N1 usando un nucleófilo fuertemente básico como el hidróxido o el ion metóxido, el alqueno se formará nuevamente, esta vez a través de una eliminación de E2. Esto será especialmente cierto si la reacción se calienta. Finalmente, si el carbocatión intermedio puede reorganizarse en un carbocatión más estable, dará un producto derivado del carbocatión más estable en lugar del producto de sustitución simple.

Efectos de disolventes

Dado que la reacción S_N1 implica la formación de un carbocatión intermedio inestable en el paso determinante de la velocidad (RDS), cualquier cosa que pueda facilitar este proceso acelerará la reacción. Los disolventes normales de elección son tanto polares (para estabilizar los intermedios iónicos en general) como disolventes próticos (para solvatar el grupo saliente en particular). Los solventes próticos polares típicos incluyen agua y alcoholes, que también actuarán como nucleófilos, y el proceso se conoce como solvólisis.

La escala Y correlaciona las velocidades de reacción de solvólisis de cualquier disolvente (k) con las de un disolvente estándar (80 % v/v etanol/agua) ( k₀) hasta

log⁡ ⁡ ()kk0)=mY{displaystyle log {left({frac {k}{k_{0}}right)}=m Y,}

con m una constante de reactivo (m = 1 para cloruro de terc-butilo) y Y un parámetro de disolvente. Por ejemplo, etanol al 100 % da Y = −2,3, etanol al 50 % en agua Y = +1,65 y concentración al 15 % Y = +3,2.