Sustitución nucleófila
En química, una sustitución nucleófila es una clase de reacciones químicas en las que una especie química rica en electrones (conocida como nucleófilo) reemplaza un grupo funcional dentro de otra molécula deficiente en electrones (conocida como electrófilo). La molécula que contiene el electrófilo y el grupo funcional saliente se denomina sustrato.
La forma más general de la reacción se puede dar como sigue:
El par de electrones (:) del nucleófilo (Nuc) ataca al sustrato (R−LG) y se une a él. Simultáneamente, el grupo saliente (LG) sale con un par de electrones. El producto principal en este caso es R−Nuc. El nucleófilo puede 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 el hidroxilo (OH) y el grupo saliente es el bromuro (Br).
Las reacciones de sustitución nucleófila son comunes en química orgánica. Los nucleófilos a menudo atacan un carbono alifático saturado. Con menos frecuencia, pueden atacar un carbono aromático o insaturado.
Centros de carbono saturado
Reacciones S N 1 y S N 2
En 1935, Edward D. Hughes y Sir Christopher Ingold estudiaron las reacciones de sustitución nucleófila de haluros de alquilo y compuestos relacionados. Propusieron que había dos mecanismos principales en el trabajo, ambos compitiendo entre sí. Los dos mecanismos principales fueron la reacción S N 1 y la reacción S N 2, donde S significa sustitución, N significa nucleófilo y el número representa el orden cinético de la reacción.
En la reacción S N 2, la adición del nucleófilo y la eliminación del grupo saliente tienen lugar simultáneamente (es decir, una reacción concertada). S N 2 ocurre cuando el átomo de carbono central es fácilmente accesible para el nucleófilo.
| Sustitución nucleófila en el carbono |
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| mecanismo S N 2 |
En las reacciones S N 2, hay algunas condiciones que afectan la velocidad de la reacción. En primer lugar, el 2 en S N 2 implica que hay dos concentraciones de sustancias que afectan la velocidad de reacción: sustrato (Sub) y nucleófilo. La ecuación de velocidad para esta reacción sería Rate=k[Sub][Nuc]. Para una reacción de S N 2, lo mejor es un disolvente aprótico, como acetona, DMF o DMSO. Los solventes apróticos no agregan protones (iones H) a la solución; si los protones estuvieran presentes en S N2 reacciones, reaccionarían con el nucleófilo y limitarían severamente la velocidad de reacción. Dado que esta reacción ocurre en un solo paso, los efectos estéricos impulsan la velocidad de reacción. En el paso intermedio, el nucleófilo está a 185 grados del grupo saliente y la estereoquímica se invierte a medida que el nucleófilo se une para formar el producto. Además, debido a que el intermedio está parcialmente unido al nucleófilo y al grupo saliente, no hay tiempo para que el sustrato se reorganice: el nucleófilo se unirá al mismo carbono al que estaba unido el grupo saliente. Un último factor que afecta la velocidad de reacción es la nucleofilicidad; el nucleófilo debe atacar a un átomo que no sea hidrógeno.
Por el contrario, la reacción S N 1 consta de dos pasos. Las reacciones S N 1 tienden a ser importantes cuando el átomo de carbono central del sustrato está rodeado por grupos voluminosos, tanto porque tales grupos interfieren estéricamente con la reacción S N 2 (discutida anteriormente) como porque un carbono altamente sustituido forma un carbocatión estable.
| Sustitución nucleófila en el carbono |
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| mecanismo S N 1 |
Al igual que las reacciones S N 2, existen bastantes factores que afectan la velocidad de reacción de las reacciones S N 1. En lugar de tener dos concentraciones que afectan la velocidad de reacción, solo hay un sustrato. La ecuación de velocidad para esto sería Rate=k[Sub]. Dado que la velocidad de una reacción solo está determinada por su paso más lento, la velocidad a la que el grupo saliente "sale" determina la velocidad de la reacción. Esto significa que cuanto mejor sea el grupo saliente, más rápida será la velocidad de reacción. Una regla general de lo que constituye un buen grupo saliente es que cuanto más débil sea la base conjugada, mejor será el grupo saliente. En este caso, los halógenos serán los mejores grupos salientes, mientras que los compuestos como las aminas, el hidrógeno y los alcanos serán grupos salientes bastante deficientes. como S N2 reacciones fueron afectadas por estéricos, S NLas reacciones 1 están determinadas por grupos voluminosos unidos al carbocatión. Dado que hay un intermedio que en realidad contiene una carga positiva, los grupos voluminosos adjuntos ayudarán a estabilizar la carga en el carbocatión a través de la resonancia y la distribución de la carga. En este caso, el carbocatión terciario reaccionará más rápido que el secundario, que reaccionará mucho más rápido que el primario. También es debido a este carbocatión intermedio que el producto no tiene que tener inversión. El nucleófilo puede atacar desde arriba o desde abajo y por lo tanto crear un producto racémico. Es importante utilizar un solvente prótico, agua y alcoholes, ya que un solvente aprótico podría atacar al intermedio y producir un producto no deseado.
| Tabla 1. Sustituciones nucleófilas en RX (un haluro de alquilo o equivalente) | |||
|---|---|---|---|
| Factor | SN 1 _ | S N 2 | Comentarios |
| Cinética | Tasa = k[RX] | Tasa = k[RX][Nuc] | |
| alquilo primario | Nunca a menos que haya grupos estabilizadores adicionales presentes | Bueno a menos que se use un nucleófilo impedido | |
| alquilo secundario | Moderado | Moderado | |
| alquilo terciario | Excelente | Nunca | Eliminación probable si se calienta o si se usa una base fuerte |
| Dejando el grupo | Importante | Importante | Para halógenos,I > Br > Cl >> F |
| Nucleofilia | Sin importancia | Importante | |
| Disolvente preferido | polar prótico | aprótico polar | |
| Estereoquímica | Racemización (+ inversión parcial posible) | inversión | |
| Reordenamientos | Común | Extraño | reacción secundaria |
| eliminaciones | Común, especialmente con nucleófilos básicos | Solo con calor y nucleófilos básicos | Reacción secundariaesp. si se calienta |
Reacciones
Hay muchas reacciones en química orgánica que involucran este tipo de mecanismo. Los ejemplos comunes incluyen:
- Reducciones orgánicas con hidruros, por ejemplo
R−X → R−H usando LiAlH 4 (S N 2)
- Reacciones de hidrólisis tales como
R−Br + OH → R−OH + Br (S N 2) oR−Br + H 2 O → R−OH + HBr (S N 1)
- Síntesis de éter de Williamson
R−Br + OR' → R−OR' + Br (SN 2)
- La síntesis de Wenker, una reacción de cierre de anillo de aminoalcoholes.
- La reacción de Finkelstein, una reacción de intercambio de haluros. Los nucleófilos de fósforo aparecen en la reacción de Perkow y en la reacción de Michaelis-Arbuzov.
- La síntesis de nitrilo de Kolbe, la reacción de haluros de alquilo con cianuros.
Mecanismo límite
Un ejemplo de una reacción de sustitución que tiene lugar mediante el llamado mecanismo límite, como lo estudiaron originalmente Hughes e Ingold, es la reacción del cloruro de 1-feniletilo con metóxido de sodio en metanol.
La velocidad de reacción se encuentra en la suma de los componentes S N 1 y S N 2 con un 61 % (3,5 M, 70 °C) en este último.
Otros mecanismos
Además de S N 1 y S N 2, se conocen otros mecanismos, aunque menos comunes. El mecanismo S N i se observa en reacciones de cloruro de tionilo con alcoholes, y es similar a S N 1 excepto que el nucleófilo se entrega desde el mismo lado que el grupo saliente.
Las sustituciones nucleófilas pueden ir acompañadas de un reordenamiento alílico como se ve en reacciones como el reordenamiento de Ferrier. Este tipo de mecanismo se denomina reacción S N 1' o S N 2' (dependiendo de la cinética). Con haluros o sulfonatos alílicos, por ejemplo, el nucleófilo puede atacar en el carbono γ insaturado en lugar del carbono que lleva el grupo saliente. Esto se puede ver en la reacción de 1-cloro-2-buteno con hidróxido de sodio para dar una mezcla de 2-buten-1-ol y 1-buten-3-ol:
El mecanismo Sn1CB aparece en química inorgánica. Existen mecanismos competitivos.
En química organometálica, la reacción de abstracción nucleofílica ocurre con un mecanismo de sustitución nucleofílica.
Centros de carbono insaturados
La sustitución nucleófila a través del mecanismo S N 1 o S N 2 generalmente no ocurre con haluros de vinilo o arilo o compuestos relacionados. Bajo ciertas condiciones, pueden ocurrir sustituciones nucleofílicas, a través de otros mecanismos como los descritos en el artículo de sustitución aromática nucleofílica.
Cuando la sustitución ocurre en el grupo carbonilo, el grupo acilo puede sufrir una sustitución de acilo nucleofílica. Este es el modo normal de sustitución con derivados de ácidos carboxílicos como cloruros de acilo, ésteres y amidas.
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