nucleófilos

FACULTAD
FACULTADDE
DE
QUÍMICA
QUÍMICA
2.1 Sustitución Nucleofílica
2.2 Sustitución Nucleofílica sobre carbono sp2
2.3 Sustitución Nucleofílica Aromática
2.4 Sustitución Electrofílica Aromática
2.5 Sustitución por radicales libres
Los reactivos nucleofílicos o nucleófilos (del griego, “que aman
los núcleos”) son moléculas cargadas negativamente (aniones)
o moléculas neutras que tienen pares de electrones no
compartidos y pueden cederlos a átomos deficientes de
electrones.
 Atacan a partes de molécula con deficiencia de electrones.

-
Nucleófilos cargados:
Nucleófilos neutros:
-
Cl
HO
ion cloruro
ion hidróxido
:NH3
R O H
H O H
amoníaco
alcohol
agua
 NUCLEÓFILOS
R–OH
 R–O–
 H2O
 R–NH2
 R–C N
 R–COO–
 NH3
 OH–
 Halogenuros: Cl–, Br–

Buenos nucleófilos son
aquellos compuestos que son
buenos dadores de
electrones.
Normalmente, la base
conjugada de un nucleófilo
es más nucleofílica que su
ácido conjugado:
H2O → H+ + OH-
La correlación entre nucleofília y basicidad es útil, pero no exacta
puesto que se comparan dos clases diferentes de reacciones.
La basicidad es un fenómeno de equilibrio que mide la reactividad de
una especie química frente al protón, usualmente en agua como
disolvente.
La nucleofília hace referencia a la velocidad de reacción de una especie
química con un sustrato carbonado, que se lleva a cabo, por lo general,
en disolventes no acuosos.
La nucleofília y basicidad no se correlacionan cuando se comparan
átomos de una misma familia (columna) de la tabla periódica tal y
como se expresa en las siguientes afirmaciones:
a) Al bajar a lo largo de una columna del sistema periódico disminuye
la basicidad pero aumenta la nucleofília.
b) La nucleofília disminuye de izquierda a derecha en la tabla periódica.
Los elementos más electronegativos tienen los
pares de electrones solitarios sujetos con más
fuerza al núcleo, son menos polarizables, y por lo
tanto son menos reactivos para formar de nuevos
enlaces.
Los reactivos electrofílicos o electrófilos (del griego, amante de
electrones) son moléculas cargadas positivamente (iones),
moléculas neutras con átomos sin el octeto completo (ácidos de
Lewis) o con enlaces muy polarizados, y por lo tanto, aceptan
electrones del sustrato.
 Atacan a zonas con alta densidad electrónica (dobles o triples
enlaces).

CH3
Electrófilos cargados
Electrófilos neutros
+
H+
O N O
protón
ion nitronio
Cl
Cl Al
Cl
tricloruro de aluminio
CH3
C+
CH3
catión terc-butilo
Br
Br Fe
Br
tribromuro de hierro
 ELECTRÓFILOS
H+
 NO2+
 NO+
 BF3, AlCl3
Cationes metálicos: Na+
 R3C+
 SO3
 CH3Cl, CH3–CH2Cl
 Halógenos: Cl2 , Br2


Ácido: Especie química capaz de aceptar un par de electrones.
Base: Especie química capaz de compartir un par de electrones.
¿Qué diferencia hay entre un ácido de Lewis y un electrófilo,
o entre una base de Lewis y un nucleófilo?
La diferencia electrófilo/ácido de Lewis o nucleófilo/base de Lewis
se basa en conceptos cinéticos y termodinámicos
Acidez
y
basicidad
son
conceptos
termodinámicos:
cuando se afirma que una
base es fuerte se entiende que,
en la reacción con ácidos, el
equilibrio está desplazado
hacia la derecha.
Electrofilia y nucleofilia
son conceptos cinéticos:
un buen nucleófilo es una
especie química
que
reacciona
rápidamente
con electrófilos
reacción de una base fuerte con un ácido
A
H
+
B
-
A
equilibrio desplazado a la derecha
+
H
B
¿Qué diferencia hay entre un ácido de Lewis y un electrófilo,
o entre una base de Lewis y un nucleófilo?
El ión metóxido CH3O- es una base más fuerte que el ión mercapturo CH3S-.
Comportamiento básico del ion metóxido y del ion mercapturo
CH3O-
+
H2O
CH3OH
+
OH -
+
OH -
equilibrio desplazado a la derecha
CH3S-
+
H2O
CH3SH
equilibrio desplazado a la izquierda
la Kb de la reacción del metóxido es mayor que la Kb de la reacción del ión
mercapturo.
¿Qué diferencia hay entre un ácido de Lewis y un electrófilo,
o entre una base de Lewis y un nucleófilo?
El ión mercapturo es un nucleófilo más fuerte que el ión metóxido
Comportamiento nucleofílico del ion metóxido y del ion mercapturo
CH3O
-
-
CH3S
lenta
+
CH3Br
CH3OCH 3 +
Br-
CH3SCH3 +
Br
rápida
+
CH3Br
-
La reacción del metóxido con el bromuro de metilo forma dimetil éter y la reacción
del mercapturo con el bromuro de metilo forma dimetil tioéter.
Cuando se mide la velocidad de estas dos reacciones se observa que el mercapturo
reacciona mucho más rápidamente que el metóxido


Son átomos o grupos de átomos que son desplazados de un
sustrato por un reactivo, y pueden ser especies neutras o
cargadas.
Los buenos grupos salientes son bases débiles, o sea las bases
conjugadas de los ácidos fuertes.
HI → H+ + I-
RA
sustrato
+
B
reactivo
RB
+
productos
A
RA
+
sustrato
B
RB
productos
reactivo
H
CH3
Cl
CH CH3 +
propano
CH3
CH2
bromoetano
A
+
Br
Cl
Cl
cloro
+
KC N
cianuro
de potasio
Luz
CH3
CH CH3
2-cloropropano
CH3
CH2
C N
propanonitrilo
+ H Cl
cloruro de
hidrógeno
+
KBr
bromuro
de potasio
1.- SN2
1.- Nucleofílica
2.- SN1
3.- Sobre Csp2
4.- SNAR
2.- Electrofílica
3.- Radicalarias
1.- SEAR
Mecanismo
Velocidad SN2
v = k[R-X][Nu]
El mecanismo necesita del choque entre una
molécula del ión hidróxido y un molécula de cloruro
de metilo. La frecuencia de las colisiones es
proporcional a ambas concentraciones. Esta
reacción se denomina Sustitución Nucleofílica
Bimolecular y se abrevia SN2. El término
bimolecular significa que el estado de transición del
paso que determina la velocidad implica la colisión
de dos moléculas.
Inversión de Walden
Inversión de Walden
Grupo saliente
B
u
e
n
o
s
Grupo
pKb
Grupo
pKb
I-
19.2
CN-
4.8
RSO3-
16-19
CH3S-
4.0
Br-
18.7
CH3O-
-1.5
Cl-
16.2
HO-
-1.7
H2O
15.7
NH2-
-21
F-
10.8
CH3-
-36
CH3COO-
9.3
Regulares
Malos
El enlace entre el grupo
saliente y el carbono
comienza a romperse en
el estado de transición
de la reacción SN2.
Para que el nucleófilo
sea capaz de desplazar
al grupo saliente éste
debe ser capaz de
acomodar los electrones
enlazantes originales.
•Próticos
Tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por
ello, forman enlaces de hidrógeno con el nucleófilo. Dan
lugar a solvatación fuerte, enmascaran la nucleofília y
las reacciones se ralentizan.
•Apróticos
No tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y,
por ello, no forman enlaces de hidrógeno. La solvatación
es débil y las reacciones se aceleran.
Por ejemplo, la reacción SN2 del yoduro de
metilo con el ion acetato para dar acetato de
metilo es aproximadamente unas 10
millones de veces más rápida en
dimetilformamida (Aprótico) que en
metanol (Prótico).
En una gran mayoría de las
reacciones
SN2
participan
especies cargadas, ya sea en la
parte del nucleófilo o en los
productos. Por esta razón la
velocidad de una reacción SN2
aumenta, por lo general, al
aumentar la polaridad del
disolvente.
Un
disolvente
polar es el que tiene una
constante dieléctrica elevada.
El perfil de energía de estas
reacciones muestra cómo la
barrera de energía que tiene
que superar un sustrato
terciario es mucho más alta
que la que tiene que superar
un sustrato secundario, y la de
éste a su vez es más alta que la
que tiene que superar un
sustrato primario, lo que se
traduce en una menor
velocidad de reacción a
medida que aumenta el
impedimento estérico
alrededor del átomo de
carbono enlazado al grupo
saliente.
No sólo el impedimento
estérico del carbono que está
unido al grupo saliente
influye en la velocidad de una
reacción SN2. La ramificación
en el carbono β también
retarda la velocidad de este
tipo de procesos, como se
indica en la siguiente tabla.
En la reacción entre el cloruro de metilo y el ión hidróxido, el
cloruro de metilo es el componente electrofílico del proceso.
El ión hidróxido es el nucleófilo. El hidróxido es un buen
nucleófilo porque el átomo de oxígeno tiene pares de electrones
no compartidos y una carga negativa.
El átomo de carbono del cloruro de metilo es el átomo
electrofílico porque está enlazado a un átomo de cloro
electronegativo.
El cloro provoca una retirada parcial de
la densidad electrónica del carbono creando sobre este átomo una
carga parcial positiva. La carga negativa del ión hidróxido es
atraída hacia esa carga.
El carbono sólo puede admitir ocho electrones en su capa de
valencia, y por tanto, el enlace C-Cl debe comenzar a romperse
cuando el enlace C-O se comience a formar.
El ión cloruro es el grupo saliente: es expulsado del sustrato
junto con el par de electrones que estaba enlazándolo al átomo de
carbono.