Universidad de Guadalajara

SN2 Reacciones de sustitución

nucleofílica bimolecular.

Dr. David Camacho-Córdova

__________________________ Departamento de Química del CUCEI

•  Sustitución nucleofílica:

Cualquier reacción en la que un nucleófilo (Nu:−) es sustituido por otro, donde (GS) es el grupo saliente.

SN2 Reacciones de

sustitución nucleofílica bimolecular.

Nucleófilos mas frecuentes

•  Son aniones y generalmente se utilizan en forma de sales (Litio, Sodio o Potasio).

•  (M) Representa a un metal: Litio, Sodio o Potasio.

Transformaciones de grupos funcionales por sustitución nucleófilica.

•  En las reacciones de sustitución nucleofílica de haluros de alquilo, el enlace carbono- halógeno se rompe heterolíticamente: el par de electrones del enlace se pierde con el grupo saliente.

El enlace carbono-halógeno en un haluro de alquilo es polar

Y se rompe cuando ataca un nucleófilo, de manera que los dos electrones del enlace quedan retenidos por el halógeno.

Transformaciones de grupos funcionales por sustitución nucleofílica.

Las reacciones SN2 con haluros de alquilo, el

nucleófilo se une al carbono con hibridación Sp3

•  La parte aniónica (-Y:) de la sal sustituye al halógeno de un haluro de alquilo.

•  La parte catiónica metálica (M+) se convierte en un haluro de Li, Na o K.

Sustitución de un halógeno por otro •  Los iones haluro pueden también actuar como nucleófilos. •  En un intercambio de haluro-haluro, un halógeno desplaza a otro de un halógeno de alquilo.

Reactividad de los haluros como grupo saliente.

Mecanismo de la sustitución nucleofílica bimolecular SN

2

•  Christopher Ingold y Edward D Hughes de la University College de Londres profundizaron las medidas cinéticas y estereoquímicas para probar el mecanismo de estas reacciones.

Cinético se refiere a como varia la velocidad de reacción con los cambios de concentración.

•  Se observa que la velocidad de reacción es directamente Proporcional a la concentración del bromuro de metilo y de hidróxido sódico.

El mecanismo SN2 de Ingold y Hughes

es un proceso concertado. •  Esto es, ocurre en una única etapa de reacción. •  Donde el haluro de alquilo y el nucleófilo están implicados

en el estado de transición. •  El mecanismo SN2 es conocido como un desplazamiento

directo.

•  Es importante recordar que los mecanismos representan nuestra explicación actual de las observaciones experimentales.

•  Las reacciones SN2 son estetreoespecíficas y trascurren con

inversión de la configuración. La actividad óptica es mantenida, aunque el producto puede tener un valor de rotación óptica diferente.

•  Existe un requerimiento estereoelectrónico para que el nucleófilo se aproxime por la cara opuesta al enlace con el grupo saliente.

Con frecuencia se habla de una inversión de Walden (químico alemán que describiera los primeros experimentos a finales del siglo XIX)

Como ocurren las reacciones SN2?

1.-Alargamiento,después rotura, del enlace con el grupo saliente. 2.-Formación del enlace con el nucleófilo por la cara opuesta al enlace que se rompe. 3.-Inversión estereoquímica de la disposición tetraédrica de los enlaces del carbono donde ocurre la sustitución.

Efectos estéricos de la reacción SN2.

•  La reactividad de los haluros de alquilo también depende de la sustitución en el carbono que porta el grupo saliente.

•  La gran diferencia entre bromuro de metilo, de etilo, de isopropilo y de terc-butilo se apoya en el grado de impedimento estérico que cada uno presenta al ataque nucleófilico.

Incremento de la velocidad de sustitución por el mecanismo SN

2

Mas reactivo Menos impedido

Menos reactivo Mas impedido

Nucleófilos y nuclofilia •  Las reacciones de solvólisis son las sustituciones en las que el

nucleófilo es el disolvente donde la reacción se lleva a cabo. •  La solvólisis de agua convierte un haluro de alquilo en un alcohol.

•  La solvólisis de un alcohol metilo convierte un haluro de alquilo en un alquil metil éter.

La fuerza nucleófila (nucleofília)

•  Mide la rapidez de una base de Lewis para desplazar un grupo saliente de un sustrato adecuado.

Un nucleofilo cargado negativamente es mas reactivo que uno neutro.

•  Siempre que el átomo nucleófilo sea el mismo, el nucleófilo más básico es el mas reactivo.

•  La conexión entre basicidad y nucleófilia se manifiesta cuando se comparan átomos de la misma fila de la tabla periódica.

Así, el OH- es mas básico y mas nucleófilo que el F- Y el H3N es mas básico y mas nucleófilo que el H2O.

•  En una columna en la tabla periódica esta propiedad no se mantiene.

El I- es el menos básico de los aniones haluros pero es el mas nucleófilo. El F- es el haluro mas básico pero es el menos nucleófilo. •  El factor que parece más responsable para la reacción inversa

entre la basicidad y la nucleofília dentro de los haluros de alquilo parece ser el grado con que ellos se solvatan por enlaces de hidrogeno.

Dentro de los aniones haluros, el F- forma el enlace de hidrógeno más fuerte

(con el agua y los alcoholes) y el I- el mas débil. Así la nucleofília del F- esta mas inhibida que la del Cl- El Cl- mas que la del Br- Y el Br- mas que la de l-

Análogamente, el HO- es mas pequeño, mejor solvatado y menos nucleófilo que el HS- .

La nucleofília esta también r e l a c i o n a d a c o n l a polarizabilidad o la facilidad para distorsionarse de la nube electrónica que rodea al nucleófilo.

La polarizabilidad aumenta con el incremento del tamaño Así, el yoduro es el mas polarizable y el ión haluro el mas nucleófilo; El fluoruro es el menos.

Solventes en sustitución nucleofílica

•  Próticos –  Dona un enlace de

hidrogeno. –  Los mas comunes tienen un

grupo OH y NH. –  Ejemplo: �  H2O �  Alcoholes de bajo peso

molecular.

•  Apróticos –  No pueden donar enlaces

de hidrogeno. –  No tienen H enlazados en

átomos bien electronegativos.

–  Ejemplo: •  Diclorometano (CH2Cl2) •  Éter de dietilo. •  CH3CN, DMF, DMSO y

HMPA.

•  Las reacciones SN2 se desfavorecen en solventes

próticos por que la energía del estado fundamental del nucleófilo atacante disminuye con la solvatación.

•  Generalmente se requiere solventes polares dado que las sales de Na K no son suficiente mente solubles en disolventes apolares.

•  El efecto de la polaridad del disolvente es pequeño. •  Es importante si es un solvente pórtico o aprótico

•  Dado que las fuerzas de solvatación suprimen su nucleofília.

•  Los disolventes aprótico no solvatan muy fuerte a los nucleófilos dejando expresar su nucleofília.

Efecto del disolvente en SN2

CH3(CH2)CH2X + NaCN CH3(CH2)CH2CN + NaX

Solvente metanol (20 horas, 71%) Solvente dimetil sulfóxido (20 minutos, 91%)

Bibliografía •  Francis Carey. Química orgánica.

•  McMurry J. Química orgánica. 2004. Prentice Hall Hispanoamericana, S. A. Quinta edición.

•  Morrison, R.T., Robert, Neilson Boyd. Química orgánica.1996. Fondo Educativo Interamericano, S.A.

•  Peter Sykes. Mecanismos de reacción en química orgánica. 1985. Editorial Reverté S.A.

•  Vollhardt. K.. Peter C.. Química Orgánica, Barcelona.1994. Ediciones Omega S.A.