Las reacciones de sustitución se clasifican en diferentes tipos según si el reactivo que lleva a cabo la sustitución es un nucleófilo, un electrófilo o un radical libre o si el sustrato es alifático o aromático. El entendimiento detallado de las diferentes reacciones de sustitución ayuda a predecir el producto resultante. Esto además permite optimizar una reacción respecto a variables como la temperatura o la elección del disolvente.

Halogenación radicalaria En alcanos:RH + X2 → RX + HX

Sustitución nucleófila Reacción SN2:Nu- + CH3X → NuCH3 + X-

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN

Reacción SN1:(CH3)3CX → (CH3)3C+ + X- (Reacción de equilibrio)(CH3)3C+ + Nu- → (CH3)3CNu

Adición-eliminación en derivados de ácidos carboxílicos (sustitución nucleófila acílica):

Sustitución nucleófila aromática:

Sustitución electrófila aromática

SUSTITUCIÓN POR RADICALES LIBRESEn química orgánica, una reacción de sustitución radicalaria es una reacción de sustitución que involucra radicales libres como un intermediario de reacción.

La reacción siempre involucra dos pasos como mínimo, y posiblemente un tercero.

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:FreeRadicalSubstitutionGeneralDescr.svg

En el primer paso, denominado iniciación (2,3), se crea un radical libre por homólisis. La homólisis puede ser llevada a cabo por calentamiento o irradiación, pero también mediante un iniciador de radicales, como un peróxido orgánico o un azocompuesto. La luz es usada para crear dos radicales libres a partir de especies diatómicas. El paso final es denominado terminación (6,7), en el que el radical se recombina con otra especie radical. Si la reacción no es terminada, sino que el grupo radical participa en una reacción posterior, las etapas donde se forman nuevos radicales y reaccionan posteriormente es denominada colectivamente como propagación (4,5), porque se crea un nuevo radical disponible para reacciones secundarias.

Reacciones de sustitución radicalaria En las reacciones de halogenación radicalaria, la sustitución radicalaria tiene lugar con reactantes halógenos y sustratos alcano. Otro tipo importante de sustituciones radicalarias involucra radicales arilo.

Un ejemplo es la hidroxilación de benceno por el reactivo de Fenton. Muchas reacciones de oxidación y reducción en química orgánica tienen intermediarios radicales libres, por ejemplo la oxidación de aldehídos a ácidos carboxílicos con ácido crómico. Las reacciones de copulación también pueden ser consideradas como sustituciones radicalarias. Ciertas sustituciones aromáticas tienen lugar por sustitución aromática nucleofílica radicalaria. La auto-oxidación es un proceso responsable del deterioro de las pinturas y frutas, y de peligros en los laboratorios como el peróxido de éter dietílico.

Otras reacciones de sustitución radicalaria son:• La desoxigenación de Barton-McCombie es una forma de sustituir un grupo hidroxilo por un protón.• La reacción de Wohl-Ziegler involucra la bromación alílica de alquenos.• La reacción de Hunsdiecker convierte sales de plata de ácidos carboxílicos a haluros de alquilo.

• La reacción de Dowd-Beckwith involucra la expansión de un anillo de β-cetoésteres cíclicos• La reacción de Barton involucra la síntesis de nitrosoalcoholes a partir de nitritos.

Halogenación radicalaria

Una parte importante de la química de los alcanos implica reacciones de radicales libres, que tienen lugar en condiciones vigorosas y dan generalmente mezclas de productos. Se necesita una partícula reactiva típicamente, un átomo o un radical libre para iniciar el ataque a una molécula de alcano. Es la generación de esta partícula reactiva lo que necesita las condiciones vigorosas.

Durante su ataque, la partícula reactiva le quita hidrógeno al alcano, con lo que éste se transforma en una partícula reactiva que continúa la secuencia de la reacción; es decir, mantiene la cadena. Sin embargo, la molécula del alcano contiene muchos átomos de hidrógeno, por lo que el producto específico que se

obtenga dependerá de cuál de ellos se extrae. Aunque una partícula atacante puede exhibir cierta selectividad, puede extraer un hidrógeno de cualquier parte de la molécula, provocando la formación de muchos productos isómeros.

La sustitución en si procede en 3 pasos:

1. Iniciación: Los radicales iniciales son formados, p.ej. la formación de radicales de bromo por luz.

2. Propagación (reacción en cadena): Los radicales formados reaccionan, no sólo el producto es formado, pero también un nuevo radical que mantiene la reacción.

3. Terminación: Los radicales recombinan entre si, ningún otro radical es formado, la reacción termina

Como es de esperar, la halogenación de los alcanos superiores es esencialmente igual a la del metano. Sin embargo, puede complicarse por formación de mezclas de isómeros.

De un solo alcano puede generarse cualquiera de varios productos isómeros, dependiendo del átomo de hidrógeno reemplazado. Así, el etano puede dar un solo haloetano; el propano, el n-butano y el isobutano pueden generar dos isómeros cada uno; el n-pentano, tres, y el isopentano, cuatro. Se ha comprobado experimentalmente que al halogenar un alcano se forma una mezcla de todos los productos isómeros posibles, lo que indica que todos los átomos de hidrógeno son susceptibles al reemplazo. Para la cloración, por ejemplo:

Alcanos abiertos de más de dos átomos de carbono, presentan más de un tipo de hidrógeno. Por ejemplo:

CH3 CH2 CH3

hidrógenos 1ºs

hidrógeno 2º

CH3 CH

CH3

CH3

hidrógeno 3º

hidrógenos 1ºs

En la reacción de estos alcanos con los halógenos, es fundamental tener en cuenta la energía de los enlaces C-H. Se sabe que, distintos átomos de hidrógeno tienen diferente energía de enlace:

terciario 91

secundario 94

primario 98

tipo de hidrógeno energía Kcal/mol

HC

HC

HCC

C

C

C

C

C

Mientras menor sea la energía del enlace, más fácil y rápida es la reacción de propagación. Así, dado un halógeno, por ejemplo el Cl2, el radical Cl.en la reacción de propagación sacará más rápido un hidrógeno terciario que uno secundario o uno primario.

CH3 CH

CH3

CH2 CH3 + Cl

(CH )23 CHCH2CH2

(CH )3 2CCH2CH3

(CH )23 CHCHCH3

+ HCl

+ HCl

+ HCl

dH = - 5 Kcal / mol

dH = - 9 Kcal / mol

dH = -12 Kcal / mol

Y mientras más negativo es H, más fácil será la reacción.

Como conclusión, puede decirse que los hidrógenos de un alcano superior reaccionarán con un halógeno más rápidamente según el orden:

Orientación de la halogenación

Este es un problema que encontramos una y otra vez al estudiar un compuesto que presente más de un lugar reactivo frente al ataque de una sustancia. Se trata de un problema importante, porque la orientación determina el producto que se obtiene.

La orientación queda determinada por la velocidad relativa de reacciones competitivas.

H 1º < H 2º < H 3º

aumenta la reactividad

El estudio de la cloración de muchos alcanos ha demostrado que éstos son resultados típicos. Considerando las diferencias en el factor de probabilidad, se ha establecido que la velocidad de separación de átomos de hidrógeno siempre sigue la secuencia 3º 2º 1º; por ejemplo, a temperatura ambiente la velocidad relativa por átomos de hidrógeno es 5.0:3.8:1.0. Empleando estos valores, podemos predecir bastante bien la proporción de productos isómeros de la cloración de un alcano dado; por ejemplo:

CH3CH2CH2CH3CI2

luz, 25ºCCH3CH2CH2CH2CI + CH3CH2CHCICH3

n-Butano Cloruro de n-butilo Cloruro de sec-butilo

Cloruro de n-butiloCloruro de sec-butilo

núm de H 1ºnúm de H 2º

X= reactividad de H 1ºreactividad de H 2º

=

=

64 X

1.03.8

615.2

28%72%

equivalente a

A pesar de estas diferencias en reactividad, raras veces la cloración produce una preponderancia marcada de un isómero determinado. En casi todo alcano, como en los ejemplos estudiados, son más numerosos los hidrógenos menos reactivos, cuya menor reactividad se compensa con un factor de probabilidad mayor, con el resultado de que se obtienen cantidades apreciables de cada isómero.

Para la bromación se encuentra la misma secuencia de reactividad, 3º 2º 1º, pero con variaciones mucho mayores. A 127ºC, por ejemplo, la velocidad relativa por átomos de hidrógeno es de 1600:82:1. En este caso, las diferencias de reactividad son tan marcadas que prevalecen ampliamente sobre los factores de probabilidad.

La mejor manera de medir las reactividades relativas de compuestos diferentes ante un mismo reactivo es por medio del método de competencia, ya que permite una comparación cuantitativa exacta en condiciones idénticas de reacción. Se mezclan cantidades equimolares de dos

compuestos que van a ser comparados y se les hace reaccionar con una cantidad limitada de un reactivo determinado. Puesto que no hay suficiente reactivo para ambas sustancias, éstas compiten entre sí, y el análisis de los productos de la reacción indica qué compuesto consumió mayor proporción del agente, o sea, indica cuál es el más reactivo.

Si se hacen reaccionar cantidades equimolares de metano y etano con una pequeña cantidad de cloro, por ejemplo, se obtiene unas 400 veces más cloruro de etilo que de metilo, lo que demuestra que el etano es 400 veces más reactivo que el metano. Considerando el número de hidrógenos en las dos clases de moléculas, podemos apreciar que cada hidrógeno del etano es unas 270 veces más reactivo que cada hidrógeno del metano.

CH3CI CI2 C2H5CICH4 C2H6

I 400luz, 25ºC

Los resultados obtenidos en estudios similares con otros compuestos son compatibles con la siguiente generalización sencilla: la reactividad de un hidrógeno depende principalmente de su tipo, y no del alcano al cual está unido; por ejemplo, cada hidrógeno primario del propano puede separarse con la misma facilidad que cada hidrógeno primario del n-butano o isobutano; cada hidrógeno secundario del propano, tan fácilmente como los secundarios del n-butano o del n-pentano, etc.

Los hidrógenos del metano corresponden a un tipo especial y son aún menos reactivos que los primarios, como lo demuestra la competencia con el etano.

El paso que controla la halogenación es la separación de hidrógeno por un átomo de halógeno:

R H + X. H X + R.

La facilidad relativa de separación de los distintos tipos de átomos de hidrógeno es:

Facilidad de separación 3º 2º 1º CH4

de átomos de hidrógeno

Esta secuencia es válida (a) para los diversos hidrógenos en un mismo alcano, por lo que controla la orientación de la reacción, y (b) para los hidrógenos de alcanos diferentes, por lo que controla las reactividades relativas.

Con algunas excepciones, la halogenación de los alcanos no es apropiada para la preparación de halogenuros de alquilo en el laboratorio. En la cloración, cada producto se forma siempre con bajo rendimiento, y su separación de los isómeros que lo acompañan es difícil, puesto que sus puntos de ebullición raras veces son diferentes entre sí. La bromación de los alcanos casi no se utiliza.

CH3CH3 CH3CH2 CICI2

luz, 25ºC

Etano p.e. 13ºCCloroetanoCloruro de etilo

CH3CH2CH3CI2

luz 25ºC CH3CH2CH2 CI + CH3CHCH3

CIPropano p.e. 47ºC1-CloropropanoCloruro de n-propilo 45 %

p.e. 36ºC2-CloropropanoCloruro de isopropilo 55 %

CH3CH2CH2CH3 luz 25ºCCI2

CH3CH2CH2CH2 CI + CH3CH2CHCH3

CIn-Butanop.e. 78,5 ºC1-ClorobutanoCloruro de n-butilo 28 %

p.e. 68 ºC2-ClorobutanoCloruro de sec-butilo 72 %

CH3CHCH3

CH3CI2

luz 25ºC CH3CHCH2 CI

CH3

+ CH3CCH3

CH3

CIIsobutano p.e. 69ºC1-Cloro-2-metilpropanoCloruro de isobutilo 64 %

p.e. 51 ºC2-Cloro-2-metilpropanoCloruro de t-butilo 36 %

La bromación da los bromuros correspondientes, pero en proporciones diferentes

CH3CH3 CH3CH2Brluz, 127 ºC

Etano

CH3CH2CH3 CH3CH2CH2Br + CH3CHCH3

BrPropano

CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2Br + CH3CH2CHCH3

Brn-Butano

CH3CHCH3

CH3

CH3CHCH2Br

CH3

+ CH3CCH3

CH3

BrIsobutano

Br2

Br2luz, 127 ºC

3 %97 %

luz, 127 ºCBr2

2 %98 %

luz, 127 ºCBr2

trazas

sobre 99 %