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15 Reacción SN2: reactividad. Impedimento estérico

Examinemos ahora la reactividad en la sustitución nucleofílica alifática, y veamos cómo la afectan los cambios estructurales del grupo alquilo.

De acuerdo con la teoría del mecanismo en 2º, es sencillamente la mezcla de dos órdenes de reactividad opuestos: uno por S_N2, y el otro por S_N1. Una manera de poner a prueba esta hipótesis es efectuado una sustitución en condiciones tales que todos los miembros de una serie desde metilo hasta 3º reaccionen en gran medida mediante una cinética de segundo orden, y midiendo las constantes de velocidad de segundo orden; a continuación, se repite todo el proceso, seleccionando esta vez condiciones que favorezcan una reacción de primer orden, con la correspondiente determinación de las constantes de velocidad de primer orden.

Observemos resultados obtenidos de esta manera: primero, para la reacción S_N2, y más adelante, en otra sección, para la reacción S_N1.

Las mediciones directas de velocidades S_N2 para una serie de sustratos detectan resultados como los siguientes. (DMF es dimetilformamida, un disolvente que favorece la reacción S_N2, como veremos en la Sec. 6.4.)

Según lo postulado, la reactividad de los sustratos en la reacción S_N2 es:

¿Cómo podemos justificar este orden de reactividades? Para responder a una pregunta de este tipo, debemos observar la reacción específicamente implica en este caso, la reacción S_N2 y comparar la estructura de los reactivos con la del estado de transición esta vez no es intermediaria entre las de los reactivos y la del producto; esta vez, no podemos esperar que los factores que estabilizan el producto también lo haga con el estado de transición.

Durante el desarrollo de muchas reacciones, se produce un cambio en la distribución electrónica tal que se desarrolla una carga negativa o positiva en la molécula acomodada esa carga.

A su vez, el acomodo de la carga depende de los efectos polares de los sustituyentes, es decir, de lo efectivos que sean estos sustituyentes para quitar o proporcionar electrones. Por tanto, examinemos en primer lugar la reacción S_N2 con respecto a cambios en la distribución de los electrones, utilizando nuevamente como ejemplo la reacción de un halogenuro de alquilo con el ión hidróxido. Tal como se describió el estado de transición

(Sec. 5-13), hay un enlace formado parcialmente entre el carbono y el ión hidróxido, y otro parcialmente roto entre el carbono y el halógeno; el ión hidróxido aportó electrones al carbono, mientras que el ión halogenuro se los quitó. Salvo que alguno de estos procesos, la formación o la ruptura del enlace, haya progresado mucho más que el otro, el carbono no es apreciablemente más negativo o positivo que al inicio de la reacción. Si fuera éste el caso, se concluiría que la secuencia de reactividades para la reacción S_N2 no es el resultado de efectos polares de los grupos sustituyentes.

Para comprender la influencia de la estructura en la velocidad, comparemos el estado de transición y los reactivos con respecto a sus formas, comenzando con la reacción del bromuro de metilo. El carbono en el reactivo y en el producto es tetraédrico, mientras que en el estado de transición se halla unido a cinco átomos. Como ya se indicó anteriormente, los enlaces C-H presentan una disposición similar a la de los radios de una rueda, mientras que lso enlaces C-OH y C-Br están en el eje (Fig. 5.3).

Fig. 5.3 Estructura molecular y reactividad: el factor estérico en la reacción S_N2. La aglomeración eleva la energía del estado de transición y reduce la velocidad de la reacción.

¿Cuál sería el efecto de reemplazar sucesivamente los hidrógenos por grupos metilo?

Esto es, ¿cómo diferiría el estado de transición, a medida que avancemos, del bromuro de metilo al de etilo, luego al de isopropilo, y finalmente al bromuro de t-butilo? Con el reemplazo paulatino de átomos de hidrógeno por grupos metilo más voluminosos, va produciéndose una aglomeración creciente en torno al carbono. Como puede apreciarse con los modelos a escala (Fig. 5.4), cada vez resulta más inaccesible la parte de atrás de la molécula, donde debe realizarse el ataque.

Esta aglomeración es particularmente severa en el estado de transición, en el cual los metilos son forzados a acercarse al OH y al Br (Fig. 5.3). Las interacciones sin enlaces elevan la energía del estado de transición aglomerado más que la energía del reactivo, menos congestionado: la Eact es más elevada, y la reacción, más lenta.

Esta interpretación es la que se acepta generalmente ahora: las diferencias en la velocidad de dos reacciones S_N2 se deben principalmente a factores estéricos, y no a factores polares; es decir, las diferencias de velocidad tienen relación con el volumen de los sustituyentes, y no con sus efectos sobre la distribución electrónica. A medida que aumenta el número de sustituyentes unidos al carbono portador del halógeno, disminuye la reactividad con respecto a la sustitución S_N2, como lo demuestran las mediciones para la serie metilo, 1º, 2º, 3º.

Que aquí están operando factores estéricos se ve confirmado por las velocidades relativas de otra serie de sustratos. Esta vez, todos los sustratos son primarios, por lo que tienen el mismo número de sustituyentes uno unidos al carbono que tiene el halógeno.

Pero ahora crece constantemente el tamaño del sustituyente: en el bromuro de etilo, éste es metilo; en el bromuro de n-propilo, etilo; en el bromuro de isobutilo, isopropilo, y en el bromuro de neopentilo, el sustituyente es t-butilo. Y a medida que crece el tamaño del sustituyente (único) aumenta también el impedimento estérico al ataque, de modo que decae la velocidad. (Véase Fig. 5.5.)

Observamos entonces que el mecanismo S_N2 recibe apoyo mediante tres líneas de evidencia : cinética, estereoquímica y el efecto de la estructura sobre la reactividad.

Retornaremos más adelante a la reacción S_N2, pero por el momento trataremos otro mecanismo que puede realizar la sustitución nucleofílica alifática.