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19 Reacción S_N1: estereoquímica

Seguiremos con la química fundamental de los carbocationes en la sección 5.20, pero por ahora continuaremos con nuestro planteamiento original, la sustitución nucleofílica. Veamos un aspecto directamente relacionado con la forma de los carbocationes: la estereoquímica de la reacción S_N1. Según los estudios estereoquímicos de la reacción S_N2 , la sustitución se efectúa en un sustrato ópticamente activo. Se aísla el producto y se comparan su configuración y pureza óptica con las del material de partida. Como antes, deben haberse asignado las configuraciones relativas del reactivo y del producto, y se deben conocer también las rotaciones de las muestras ópticamente puras, para poder calcular las purezas ópticas.

Se ha hecho este tipo de estudios de las reacciones entre varios sustratos terciarios y el disolvente metanol, CH₃OH: reacciones de un tipo que con toda probabilidad proceden mediante S_N1. En cada caso se obtiene un producto de configuración opuesta de la del material de partida y de pureza óptica considerablemente inferior . Un sustrato ópticamente puro da, por ejemplo, un producto cuya pureza óptica es de sólo el 50% y, en muchos casos, todavía menor.

El material de partida ópticamente puro sólo contiene uno de los enantiómeros, mientras que el producto debe contener los dos. El producto es así una mezcla del compuesto invertido y de la modificación racémica, por lo que se dice que la reacción procede con inversión más racemización parcial.

Aclararemos bien lo anterior. Consideremos el caso en que un sustrato ópticamente puro que da un producto con la configuración opuesta y de una pureza óptica del 50%. De cada 100 moléculas de producto, se forman 75 con inversión de la configuración y 25, con retención. Las 25 de configuraciónretenida anulan la rotación de 25 moléculas de configuración invertida, con lo que queda un exceso de 50 moléculas con configuración invertida para proporcionar la rotación óptica observada: el 50% del valor máximo.

Podría decirse que la reacción procede con 75% de inversión y 25% de retención; de igual manera, podría argumentarse que la reacción procede con 50% de inversión y 50% de racemización. Sin embargo, esta última forma es la que generalmente se utiliza: el porcentaje de racemización es, como veremos, una medida de la aleatoriedad estereoquímica, y el porcentaje de inversión neta (o, como sucede en ciertos tipos de reacciones, retención neta) es una medida de la estereoselectividad (.

¿Cómo explicamos la estereoquímica observada para la reacción S_N1? Estudiaremos primero por qué sucede la racemización, y luego, por qué es sólo parcial y va acompañada de alguna inversión neta.

En una reacción S_N2 vimos que el nucleófilo ataca a la propia molécula de sustrato (haluros14), y la inversión completa que se observa es una consecuencia directa de tal hecho: el grupo saliente aun se encuentra ligado al carbono en el instante del ataque, y dirige el ataque sobre cada molécula de la misma manera hacia la parte de atrás. Ahora bien, en una reacción S_N1, el nucleófilo no ataca al sustrato, sino al intermediario, el carbocatión: el grupo saliente se ha desprendido ya, y podría pensarse que no afecta a la orientación espacial del ataque.

Veamos aqué conduce este razonamiento. El sustrato ópticamente activo digamos, un halogenuro de alquilo se disocia en el primer paso para formar un ión halogenuro y un carbocatión. Luego, el reactivo nucleófilo, Z:, se une al carbocatión. Sin embargo, puede unirse a cualquiera de las caras de este ión plano y, dependiendo de la cara que elija, da origen a uno u otro de los productos enantiómeros (véase Fig. 5.8). Los dos enantiómeros juntos constituyen la modificación racémica. Así, la racemización que acompaña a estas reacciones es consistente con el mecanismo S_N1 y con la formación de un carbocatión intermedio.

[Hasta aquí, nuestro análisis de acuerdo con lo dicho sobre la estereoquímica de la cloración por radicales libres, en la que el ataque aleatorio sobre ambas caras del radical libre origina, como recordaremos, la racemización total.]

Pues bien, si el ataque a ambas caras del carbocatión fuera puramente aleatorio, esperaríamos obtener cantidades iguales de los dos enantiómeros, es decir, sólo la modificación racémica. No obstante, a pesar de que a veces la racemización es muy elevada 90% o más, casi nuncca es completa y, en general, el producto invertido excede a su enantiómero: la reacción procede con racemización más algo de inversión neta.

¿Cómo podemos acomodar incluso esta inversión neta limitada dentro del marco del mecanismo S_N1? ¿Cómo justificamos el hecho de que el ataque al carbocation no sea puramente aleatorio? Es evidente que el exceso de inversión se debe, de alguna forma, al grupo saliente: debe ejercer aún cierto control sobre la estereoquímica. En ausencia completa del grupo saliente, el carbocatión plano perdería toda su quiralidad y no podría generar un producto con ninguna actividad óptica. (Recuérdese: la síntesis de compuestos quirales a partir de reactivos aquirales siempre de la modificación racémica.)

¿Cómo está involucrado el grupo saliente? Para hallar una respuesta a esto, consideremos el proceso de la heterólisis. A medida que la reacción avanza, la distancia entre carbono y halógeno aumenta progresivamente, hasta que, finalmente, el enlace covalente se rompe. Se generan los dos iones de carga opuesta pero no, de inmediato, en forma de iones completamente libres. Inicialmente deben encontarse muy juntos, lo suficiente para que la atracción electrostática sea apreciable; existen así por algún tiempo como un par iónico. Recién formados, los iones se encuentran en contacto mutuo. Luego, a medida que se alejan por difusión, comienza a intervenir una capa tras otra de disolvente, hasta que por fin son mutuamente independientes y se habla de iones <<libres>>.

Ahora, el ataque nucleofílico puede suceder en cualquier momento después de la heterólisis, por lo que puede involucrar a cualquier especie, desde el par iónico formado inicialmente, hasta el carbocatión libre. El ataque sobre este último es el azar, dando modificación racémica. Sin embargo, el ataque sobre el par iónico no es el azar: el anión se encuentra más o menos cerca del frente del carbocatión, protegiendo así este lado del ataque; el resultado es el ataque preferencial por atrás. Por tanto, mientras ocurra el ataque antes de la separación completa del par iónico, la inversión de la configuración compite con la racemización.

De esta manera, el mecanismo S_N1 puede justificar el hecho de que la racemización no es completa. Pero lo principal es contraste importante con la estereoquímica S_N2 que la racemización suceda después de todo. A diferencia de una reacción S_N2 que procede con inversión completa, una reacción S_N1 lo hace con racemización.

Que haya dos clases de estereoquímica, refuerza la idea central de que existen dos mecanismos diferentes. El aspecto particular de la estereoquímica apoya poderosamente los mecanismos específicos mencionados. La inversión completa en la reacción S_N2 afirma la idea de la formación y ruptura concertada de enlaces, en una sola etapa; la racemización en la reacción S_N1 indica que la formación y ruptura de enlaces suceden por separado, en etapas distintas.

El próximo aspecto que estudiaremos de la reacción S_N1 es el problema de la reactividad, para cuya comprensión debemos volver otra vez a la química de los carbocationes, y examinar lo que, para nosotros, será su propiedad más importante. Sus estabilidades relativas.