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- DR. CARLOS ANTONIO RIUS ALONSO
- DEPTO. DE QUIMICA ORGANICA
- FACULTAD DE QUIMICA
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- SEPTIEMBRE 2007
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- Los haluros de alquilo se convierten fácilmente en otros grupos
funcionales. El átomo de halógeno puede salir con su par de electrones
de enlace para formar un ión haluro estable; se dice que un haluro es un
buen grupo saliente.
- Cuando otro átomo reemplaza al ión haluro, la reacción es una
sustitución.
- Si el ión haluro abandona la molécula junto con otro átomo o ión (con
frecuencia el H+), la reacción es una eliminación
- En una reacción de sustitución nucleofílica, el átomo de haluro se
sustituye por un nucleófilo.
- En una reacción de eliminación, el haluro se "elimina" de la
molécula después de la abstracción de un hidrógeno por medio de una base
fuerte. Las reacciones de eliminación producen alquenos.
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- Podríamos pensar que el metóxido es mucho mejor nucleófilo porque es
mucho más básico. Esto sería un error, ya que la basicidad y la
nucleofilicidad son propiedades diferentes. La basicidad viene
determinada por la constante de equilibrio para abstraer un protón. La
nucleofilicidad se define por la velocidad de ataque sobre un átomo de
carbono electrofílico para dar sustituciones o adiciones. En ambos
casos, el nucleófilo (o base) forma un nuevo enlace; si el nuevo enlace
lo forma un protón, ha reaccionado como una base, si el nuevo enlace lo
forma con el carbono, ha reaccionado como un nucleófilo.
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- Predecir de qué forma puede reaccionar una especie podría ser difícil.
La mayoría de los buenos nucleófilos (pero no todos) también son bases
fuertes, y viceversa.
- Observando el producto formado podemos decidir si la base conjugada ha
actuado como una base o como un nucleófilo. Si el nuevo enlace es un
protón, ha reaccionado como una base; si el nuevo enlace lo forma con el
carbono, ha reaccionado como un nucleófilo.
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- En un disolvente prótico, los aniones pequeños se solvatan más
fuertemente que los grandes, ya que el disolvente se aproxima más a un
ión pequeño y forma enlaces de hidrógeno más fuertes. Cuando un anión
reacciona como nucleófilo, se requiere energía para «retirar» alguna de
las moléculas de disolvente, rompiendo alguno de los enlaces de
hidrógeno que estabilizaban al anión solvatado.
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- . Si el ión es más pequeño, como el fluoruro, se requiere más energía
para poder separar el disolvente de este ión que está fuertemente
solvatado que de otro ión más grande, que está más débilmente solvatado,
como el yoduro
- Los disolventes próticos polares rodearán al nucleófilo y reducirán su
nucleofilia. Cuanto más pequeño sea el átomo, más solvatado estará y
mayor será la reducción de la reactividad.
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- Para formar un enlace, el nucleófilo tiene que encontrarse dentro de la
distancia enlazante del carbono. Un haluro de alquilo estéricamente
impedido evitará que el nucleófilo se acerque lo suficiente como para
reaccionar.
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- Este tipo de sustitución se denomina reacción SN1
(sustitución nucleofílica unimolecular). El término unimolecular quiere
decir que sólo una molécula está implicada en el estado de transición
del paso limitante de la velocidad de reacción. El mecanismo de la
reacción SN1 del bromuro de ter-butilo con metanol se muestra
a continuación. La ionización del haluro de alquilo (primer paso) es el
paso limitante de la velocidad.
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- Diagramas de energía de las reacciones SN1 y SN2.
La reacción SN1 tiene un mecanismo que consta de dos pasos,
con dos estados de transición (‡1 y ‡2) y un carbocatión intermedio. La
reacción SN2 sólo tiene un estado de transición y no tiene
intermedios.
- La reacción SN1 tiene un carbocatión intermedio y
proporcionará una mezcla de enantiómeros. La reacción SN2
tendrá como resultado una inversión de la configuración.
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- Anteriormente, se vio cómo en los cationes alquilo el carbocatión estaba
estabilizado por la donación de electrones a través de los enlaces sigma
(efecto inductivo) mediante el traslapamiento de los orbitales llenos
(hiperconjugación); por tanto, los carbocationes altamente sustituidos
son más estables.
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- Los carbocationes tienen orbitales híbridos sp2 y un
orbital vacío p. El nucleófilo puede aproximarse al plano del
carbocatión desde arriba o desde abajo. Si el nucleófilo ataca por el
mismo lado del grupo saliente, habrá una retención de configuración,
pero si el nucleófilo ataca por el lado opuesto del grupo saliente la
configuración se invertirá. Las reacciones SN1 forman mezclas
de enantiómeros (racemización).
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- En la reacción SN1 del cis-1-bromo-3-deuteriociclopentano con
metanol, el carbocatión puede ser atacado por cualquier cara. Como el
grupo saliente (bromuro) bloquea parcialmente la cara frontal cuando se
desprende, el ataque posterior (inversión de configuración) está
ligeramente favorecido.
- El átomo de deuterio se utiliza para distinguir las caras del
ciclopentano.
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- Una vez se haya formado el carbocatión, un hidrógeno se desplaza (mueve)
de uno de los carbonos cercanos al carbocatión para producir un
carbocatión más estable. El mecanismo continuará con el ataque
nucleofílico. Puesto que hay dos carbocationes intermedios, habrá dos
productos
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- La formación de un carbocatión primario no es posible, por lo que la
transposición del metilo y la formación del carbocatión se produce en un
único paso para formar un carbocatión terciario. El ataque por el
nucleófilo sobre el carbocatión proporciona el único producto obtenido
de esta reacción.
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- Una eliminación implica la pérdida de dos átomos o grupos del sustrato,
generalmente con la formación de un enlace pi. Dependiendo de los
reactivos y de las condiciones en las que se encuentren, una eliminación
debería ser un proceso de primer orden (E1) o de segundo orden (E2). Los
siguientes ejemplos ilustran los tipos de eliminación que se tratarán en
este capítulo.
- De la misma forma que existe un SN1 y un SN2,
existen dos mecanismos de eliminación, E1 y E2. Qué eliminación se
producirá es una cuestión de las condiciones empleadas durante la
reacción.
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- En un segundo paso rápido, una base abstrae un protón del átomo de
carbono adyacente al C+. Los electrones que antes formaban el enlace
carbono-hidrógeno ahora forman el enlace pi entre dos átomos de carbono.
El mecanismo general de una reacción E1 es:
- Al igual que el SN1, la reacción E1 implica un carbocationes
intermedios. El primer paso es la ionización de la molécula para formar
el carbocatión, seguido de la abstracción de un protón del carbono
cercano. El producto principal de las reacciones de eliminación son los alquenos.
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- El primer producto (2-metilpropeno) es el resultado de la
deshidrohalogenación, eliminación de hidrógeno y un átomo de halógeno.
Bajo estas condiciones de primer orden (ausencia de base fuerte), se
produce la deshidrohalogenación por un mecanismo E1: la ionización del
haluro de alquilo da un intermedio carbocatiónico, que pierde un protón
para formar un alqueno. El producto de sustitución es el resultado del
ataque nucleofílico al carbocatión. El etanol sirve como base para la
eliminación y como nucleófilo en la sustitución.
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- El primer paso de los dos mecanismos es el mismo: formación del
intermedio carbocatiónico. El alcohol puede actuar como una base o como
un nucleófilo. Si actúa como una base, la abstracción de un protón
producirá un alqueno. Si el alcohol actúa como un nucleófilo, se
obtendrá el producto de sustitución.
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- En el segundo paso del mecanismo E1, el átomo de carbono adyacente debe
rehibridarse a sp2 cuando la base ataca al protón y los
electrones fluyen hacia el nuevo enlace pi.
Las bases débiles se pueden utilizar en las reacciones E1, puesto
que no se encuentran implicadas en el paso limitante de la velocidad de
la reacción.
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- Diagrama de energía de reacción. El primer paso es una ionización
limitante de la velocidad de reacción. Compare este perfil de energía
con el de las reacciones SN1.
- El mecanismo E1 conlleva dos pasos y un intermedio. La formación del
carbocatión intermedio tiene la energía de activación más elevada, por
lo que será el paso limitante de la velocidad de la reacción.
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- Las reacciones E2 requieren la abstracción de un protón de un átomo de
carbono próximo al carbono que lleva el halógeno. Si hay dos o más
posibilidades, se obtienen mezclas de productos. Los ejemplos siguientes
muestran cómo la abstracción de protones diferentes puede dar lugar a
productos diferentes.
- En general, el alqueno más sustituido será el producto principal de la
reacción
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- Estados de transición concentrados de la reacción E2. Los orbitales del
átomo de hidrógeno y el haluro deben estar alineados para que puedan
comenzar a formar un enlace pi en el estado de transición.
- El hidrógeno que se va a abstraer debería ser anti-coplanar al grupo
saliente para minimizar cualquier impedimento estérico entre la base y
el grupo saliente. Una orientación sin-coplanar entre el hidrógeno y el
grupo saliente creará una interacción repulsiva y aumentará la energía
del estado de transición.
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