Reacciones de Sustitución

Reacciones de Sustitución
Academia de Química, Depto. Ciencia
Básicas
ITESM, campus qro.
26/06/2012
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Reacciones de Sustitución
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En las reacciones de sustitución dos
Reactivos intercambian átomos o
grupos de átomos y originan dos
productos nuevos…

Estudiar el mecanismo de dos reacciones de sustitución de
importancia:
1. Sustitución nucleofílica alifática.
2. Sustitución electrofílica aromática.

Distinguir el tipo de mecanismo que sigue una reacción de
sustitución nucleofílica alifática, la Sustitución Nucleofílica
Bimolecular (SN2) y la Sustitución Nucleofílica Unimolecular
(SN1), mediante la observación del tipo de sustrato, el nucleófilo,
el gpo. saliente y el solvente.

Predecir el producto o productos de una reacción de sustitución
nucleofílica alifática y de una electrofílica aromática
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Las reacciones de sustitución
nucleofílica alifática son de las
reacciones más empleadas y versátiles
de la Química Orgánica

En el sustrato debe existir un
carbono ligado a un gpo. saliente el
cual será reemplazado por un
nucleófilo .

La mayor electronegatividad del
grupo saliente con respecto al
carbono, polariza el enlace,
confiriéndole al carbono una carga
parcial positiva (electrófilo)
haciéndolo el centro del ataque
nucleofílico.

Los halogenuros de alquilo (R-X),
son los grupos salientes comunes, es
por ello que sus reacciones
características son las sustituciones
nucleofílicas.
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Algunos tipos de compuestos que se pueden formar por
desplazamiento nucleofílico de los halogenuros de alquilo
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El CH3Br, se ha usado como fumigante de termitas y
agente esterilizante del suelo, por su elevada
toxicidad. Esta, es debida a su capacidad de
transferir ó sustituir un gpo. alquilo a un amino o un
sulfhidrilo nucleofílicos de ciertas enzimas,
alterando así su desempeño biológico normal.


Produce un alcohol
Cinética de segundo orden,
n=2, bimolecular.

La velocidad de la reacción
depende tanto del nucléofilo
como del sustrato. Si la
concentración del nucléofilo ó
del sustrato se duplica, también
la velocidad.
Transcurre por un mecanismo SN2
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

Produce un alcohol
Cinética de primer orden n= 1,
Unimolecular.
La velocidad de la reacción
depende sólo del sustrato. Si la
conc. del sustrato se duplica,
también la velocidad, pero no
cambia al aumentar la del
nucleófilo.
Transcurre por un mecanismo SN1
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•Inicia con el ataque nucleofílico
al carbono electrofílico, por la
parte opuesta al gpo. saliente.
• El estado de transición
inestable, debe desprenderse del
gpo. saliente tan pronto se
forme el enlace con el Nu-.
•El ataque posterior, deforma el
tetraedro del carbono
electrofílico, desde dentro hacia
fuera (similar a un paraguas con
el viento), en el producto el Nutiene una estereoquímica inversa
a la del gpo. saliente, inversión
de la configuración (inversión de
Walden). Especialmente
importante si el carbono
electrofílico es quiral.
Estereoespecifica
• Reacción concertada, un solo paso, donde la ruptura del enlace con el gpo.
saliente y la formación del enlace con el Nu- ocurren simultáneamente. Ocurre
en sus tratos 1° y 2°
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•Algunas reacciones SN2
ocurren muy rápidamente,
mientras que otras muy
lentamente.
•A mayor gpos. alquilo
ligados al carbono
electrofílico, la velocidad de
reacción es más lenta.
• Factores que influyen en la
velocidad de reacción:
1. Tipo de sustrato
2. Nucleófilo
3. Gpo. saliente
4. Solvente
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•Los factores estéricos son los responsables más importantes de la
reactividad del sustrato. El ataque de un haluro de alquilo 1° y 2° no
está impedido, ya que están accesibles y en un 3° es prácticamente
IMPOSIBLE dado la poca accesibilidad del carbono electrofílico.
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Reactividad Relativa
CH3 X > 1° > 2°
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•El Nu es neutro o con carga
negativa. En la reacción el Nu
neutro adquieren carga negativa
y el Nu- que es anión se vuelve
neutro.
•Los más básicos son más
reactivos. Especies negativas
son más reactivas que las
especies neutras similares. OH> H2O
•La nucleofilia decrece de izq. a
derecha y de abajo hacia arriba
en la tabla periódica, al contrario
que la electronegatividad. OH- >
F -.
•Los mejores Nu- son los que
están más abajo en una columna
de la tabla periódica.
I > Br >Cl > F
Algunos nucleófilos comunes por orden decreciente en
agua y alcoholes
•Su reactividad también está
influida por las condiciones de
reacción
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Un buen gpo. saliente debe ser:
• Aceptor de e•Estable (base débil) una vez que
ha salido.
•Polarizable para estabilizar el
estado de transición.
•Los sulfonatos, sulfatos y
fostafos son muy buenos grupos
salientes porque deslocalizan la
carga entre los átomos de O.
•Las moléculas neutras son
buenos gpos. salientes cuando el
medio es ácido.
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Bases débiles que son grupos salientes
comunes
•Un gpo. muy básico o muy
pequeño impide la reacción
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Los solventes polares
apróticos (no forman puentes
de H) forman interacciones
débiles con el Nu y aceleran la
velocidad de reacción.
Los próticos (H2O, alcoholes,
mezclas agua-alcohol)
desaceleran la reacción al
solvatar al nucleófilo, lo hacen
menos nucleofílico.
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Reacción concertada
Depende tanto de la concentración de sustrato y de
nucleófilo.
Los sustratos terciarios no experimentan estas reacciones.
Reactividad Relativa:CH3 X > 1° > 2°
Debe haber un Nu fuerte.
Debe presentar muy buen gpo. saliente. Los R-F, R-OH , RO-R y R-NH2, no experimentan este tipo de reacciones.
Los solventes polares apróticos aceleran la velocidad de una
reacción SN2
El producto tiene configuración invertida (reacción
estereoespecífica)
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1. Indicar el orden de reactividad creciente para los
siguientes sustratos
a. 2-cloro propano
b. cloruro de etilo
c. cloruro de terbutilo
d. cloruro de isobutilo
2. ¿Qué sustancia del par debe ser más reactiva
como nucleófilo?
a. (CH3)2N- y (CH3)2NH
3. Indicar el orden de reactividad creciente
a. 2-bromo-propano
b. 2-cloro-propano
c. Yoduro de terbutilo
d. 2-yodo-propano
¿qué efecto tendrían el éter dietílico y el benceno
(no polares) en la SN2?
a. Acelerar
b. Desacelerar
c. Ninguno
a.
H2O y H2Se
Pronosticar si es probable o no que las siguientes reacciones transcurran por SN2, si es así dar el producto
con su configuración (si aplica) Etanol
a. Cloruro de terbutilo + KOH 
DMF
b. (R)-2-yodo-butano + HCl

CH3CN
c. Bromuro de metilo + NaI 
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Reacción concertada
Depende tanto de la concentración de sustrato y de
nucleófilo.
Los sustratos terciarios no experimentan estas reacciones.
Reactividad Relativa:CH3 X > 1° > 2°
Debe haber un Nu fuerte.
Debe presentar muy buen gpo. saliente. Los R-F, R-OH , RO-R y R-NH2, no experimentan este tipo de reacciones.
Los solventes polares apróticos aceleran la velocidad de una
reacción SN2
El producto tiene configuración invertida (reacción
estereoespecífica)
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Una de las reacciones biológicas más
importantes es la transferencia de un
metilo de un donante electrofílico a un
nucleofílico.

En el laboratorio se escogería CH3I,
pero los organismos usan Sadenosilmetionina, molécula
compleja, donante biológico del gpo.
Metilo. El azufre de esta molécula
(sustrato) es excelente gpo. saliente
para SN2 en el carbono del metilo. Un
ejemplo de esta metilación es la
síntesis biológica de adrenalina (droga
del pelear o huir) a partir de la
norepinefrina en la médula adrenal.
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•Reacción en dos pasos
elementales.
•El primer paso inicia con la salida
del gpo. saliente por una ruptura
heterolítica, produciendo
lentamente un carbocatión. Este
paso es limitante de la velocidad,
explica la ley de velocidad.
• El segundo paso (más rápido)
consiste en la ataque del Nu al
carbocatión. Formando dos
productos, uno con configuración
invertida y el otro con retención.
Mezcla racémica si el carbono es
quiral. Puede ser que los
dos productos
sean transpuestos.
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Como el carbocatión es planar, el
nucleófilo puede atacar ya sea
por arriba o debajo del plano,
originando una mezcla de dos
enantiómeros (racemización). Si
el ataque es del mismo lado del
gpo. saliente retrendrá la
configuración y del lado contrario
tendrá configuración invertida.
Si el carbocatión formado
en el paso lento no es el
más estable,
experimentará un rearreglo
mediante el
desplazamiento 1,2 de
hidruros o de metilos para
formar un carbocatión más
estable (transposición).
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•Algunas reacciones SN1 ocurren
muy rápidamente, mientras que
otras muy lentamente. De manera
análoga a la SN2, los factores que
influyen son:
1. Tipo de sustrato:
Los sustratos 3° son los más
reactivos debido a que el paso
limitante es la formación del
carbocatión. Cuanto más
estable es un carbocatión, más
rápida es su formación... Un
sustrato sufre SN1 más rápido
que otro porque forma el
carbocatión más rápido...
Reactividad
Relativa
2° <3°
4. Solvente: Los solventes polares próticos son los
mejores porque estabilizan al carbocatión y aceleran
la velocidad. No así los apróticos.
2. Nucleófilo: Debido a que no
participa en el paso limitante,
su concentración ni su
naturaleza influye en la
velocidad.
3. Gpo. Saliente: Similar a la SN2
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La sustitución electrofílica aromática,
es el mecanismo más importante
implicado en las reacciones de los
compuestos aromáticos (los cuales
representan aprox. el 50% de todos
los compuestos orgánicos)

Los compuestos aromáticos incluyen al
benceno y sus derivados, así como otros
compuestos, con anillos de 5,6, 7 ó más
carbonos , con electrones pi que son números
de Hückel (4n+2) y que resisten las reacciones
de adición (debido a la estabilidad del sistema
aromático) y experimentan reacciones de
sustitución.

Pese a que los electrones pi del anillo
aromático (como en el benceno) se encuentran
en un sistema estable aromático, únicamente
están disponibles durante el ataque de un
Electrófilo (E), fuerte que sustituye a un átomo
de H. Nunca se pierde el núcleo aromático

De esta forma se obtienen numerosos
derivados aromáticos como los que se
muestran en la figura.
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Benceno
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•La reacción transcurre en dos
pasos elementales.
•El primer paso
consiste en el
ataque del Electrófilo para
formar un carbocatión en
equilbirio donde se encuentra
estabilizado por el sistema
aromático (complejo sigma) .
•El segundo paso consiste en la
pérdida de un protón para
formar el producto de la
sustitución aromática.
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•El bromo molecular no es
suficientemente electrofílico para
reaccionar con el benceno, sin
embargo un ácido de Lewis, como
el FeBr3 cataliza la reacción.
•Observar que el primer paso
ahora es la formación del
electrófilo fuerte.
•El ataque del benceno por el
electrófilo y la salida del protón
produce principalmente
bromobenceno como producto de
la sustitución.
• Las reacciones globalmente son
exotérmicas
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•El mecanismo es similar a
otras deshidrataciones
catalizadas por ácidos.
•El ácido sulfúrico protona el
gpo. Hidroxilo del ácido
nítrico, formando el ión
nitronio (electrófilo fuerte).
•La pérdida del protón del
complejo sigma produce el
nitrobenceno.
Los compuestos aromáticos nitroderivados son
componentes de muchos medicamentos, como el
antibiótico cloranfenicol
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