Página principal http://organica1.org

12 Sustitución nucleofílica alifática: dualidad de mecanismos

En la década de 1930 se realizaron estudios cinéticos de la sustitución nucleofílica con diversos sustratos, detectándose los siguiente: como el metilo, los sustratos primarios reaccionan con una cinética de segundo orden, mientras que sustratos terciarios, como el t-butilo, lo hacen con una cinética de primer orden. Los sustratos secundarios exhiben un comportamiento intermedio: a veces de segundo orden; otras, de primer orden, y a menudo, una mezcla de ambos.

Aparte del orden cinético, los estudios de la velocidad revelaron algo más sobre la sustitución: las reactividades relativas de los diversos sustratos. A una concentración dada de un nucleófilo, como el OH^-, se observó que la reactividad variaba aproximadamente como sigue:

Esto es, a medida que se avanza a lo largo de la serie CH₃, 1º, 2º, 3º, la reactividad decrece en un comienzo, pasa por un mínimo (por lo general en el 2º), y finalmente aumenta (véase Fig. 5.1). Es significativo que el mínimo ocurre justamente en el punto de la serie donde la cinética cambia de segundo a primer orden.

E. D. Hughes y sir Chistopher (University College, Londres) utilizaron en 1935 estos dos conjuntos de hechos orden cinético y reactividad relativa para elaborar una teoría amplia de la sustitución nucleofílica alifática. La piedra angular de su teoría fue que la sustitución nucleofílica alifática puede proceder por dos mecanismos distintos, a los que denominaron, por razones que se aclaran luego, S_N2 y S_N1. Sustratos diferentes reaccionan con órdenes cinéticos distintos porque están reaccionando por mecanismos diferentes: algunos, como el metilo, por el S_N2; otros, como el t-butilo, por el S_N1.

Debido a que el mecanismo cambia en este punto, de S_N2 a S_N1, la reactividad pasa por un mínimo con sustratos secundarios. A medida que se procede a lo largo de una serie lógica, la aparición de un mínimo o un máximo en una propiedad reactividad, acidez, actividad antibacteriana sugiere que operan dos factores opuestos. Para este caso, Hughes e Ingold propusieron que los factores serían las secuencias de reactividad opuestas en ambos mecanismos distintos. A medida que se avanza en la serie, decrece la reactividad del mecanismo S_N2 de CH₃ a 1º, y en 2º es tan baja que comienza a contribuir la reacción SN1 de forma significativa; la reactividad aumenta fuertemente, ahora por S_N1, a 3º (Fig. 5.1).

En las siguientes secciones, veremos lo que son estos dos mecanismos, los hechos en los que se basan y cómo explican estos hechos. Por ejemplo, veremos como explican la diferencia en el orden cinético y, en particular, el hecho desconcertante de que la velocidad de la reacción del bromuro de t-butilo es independiente de la [OH^-]. Estudiaremos los factores considerados como responsables del esquema de las secuencias de reactividad opuesta para los dos mecanismos. Finalmente, veremos cómo este patrón de mecanismo diseñado en 1935 ha resistido la prueba del tiempo.