Diapositiva 1 - Campus Virtual FFyB

DERIVADOS HALOGENADOS PARTE I
REACCIONES SN1 Y SN2
DRA. ALEJANDRA SALERNO
CATEDRA DE QUIMICA ORGANICA 1
CURSO 2015
ESTRUCTURA Y CLASIFICACION
R X
halogenuro (grupo funcional)
alquilo/ arilo
H
R C X
H
R
R C X
H
R
R C X
R
primario
secundario
terciario
H
H2C=HC C X
H
alílico primario
R
H2C=HC C X
H
alílico secundario
CH2=C X
H
vinílico
X
nuclear
R
H2C=HC C X
R
alílico terciario
CH2X
bencílico primario
REACTIVIDAD
sustitución
eliminación
unión polar
sustitución
R CH2 CH2 Nu
R CH2 CH2 X
+
NuR CH CH2
grupo
saliente
reactivo
nucleofílico
Eliminación
Sustitución vs eliminación
Depende de:
- estructura del derivado halogenado
- poder nucleofílico del reactivo
- solvente
SUSTITUCIONES NUCLEOFÍLICAS ALIFÁTICAS
Dos mecanismos altenativos
1- el nucleófilo es atraído por el
centro deficiente de e- mientras se
forma el enlace Nu-C se rompe el
enlace C-X (heterolítico)
Producto de
sustitución
nucleófilo
Un paso
2- el enlace C-X se rompe en forma
heterolítica y se forma un
carbocatión el que reacciona con el
nucleófilo
Producto de
sustitución
Dos pasos
Dos mecanismos probables
SN1
SN2
dos pasos
un paso (concertada)
El mecanismo que predomina depende de:




Estructura del derivado halogenado
Reactividad del nucleofilo
Concentracion del nucleofilo
Disolvente utilizado
Competitivamente a las reacciones de sustitución se dan reacciones de eliminación
SN2
Sustitución nucleofílica bimolecular
bromometano
metanol
buen Nu-
reacción de segundo orden
v = k [RX] [Nu]
sustitución
SN2
bimolecular : en el paso limitante
de la velocidad intervienen
dos moléculas
nucleofílica
Evidencias experimentales del mecanismo de reacción:
1- La velocidad depende de la concentración del RX y del reactivo nuclefílico
2- A medida que el RX es más sustituído la velocidad disminuye
3- Si el halógeno está unido a un carbono asimétrico la configuración del centro
estereogénico se invierte respecto a la del RX
Mecanismo propuesto:
estado de transición
-Las dos especies intervienen en el estado de transición, la velocidad depende
de la concentración de ambas (primera evidencia)
-El nucleófilo se acerca al carbono por el lado opuesto al que se encuentra el halógeno,
al aumentar la sustutución del derivado halogenado impide el acercamiento
por impedimento estérico (segunda evidencia)
Reactividad relativa de los RX en reacciones SN2:
halogenuro de >
metilo
primarios > secundarios > terciarios > vinílicos y nucleares
Velocidad relativa de reacción para varios halogenuros de alquilo
Halogenuro de alquilo
Tipo de halogenuro de alquilo
Velocidad relativa
metilico
primario
primario
secundario
terciario
Muy lenta para medir
el impedimento estérico aumenta la energía del ET y disminuye la velocidad
no impedido
energía libre
energía libre
Impedimento
estérico
progreso de la reacción
progreso de la reacción
Inversión de la configuración (tercera evidencia). Inversión de Walden
tres uniones en el mismo plano
ET
carbono pentacoordinado
La configuración del producto se encuentra
invertida respecto a la del sustrato
(R) 2-butano
(S) 2-butanol
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SN2
-Grupo saliente
-Nucleófilo (poder nucleofílico y efectos estéricos)
-Solvente
Grupo saliente: son especies con carga negativa, será mejor grupo saliente el que
pueda estabilizar mejor la carga. Relación inversa con la basicidad.
Las bases débiles son más estables que las bases fuertes y mejores grupos salientes
rapidez relativa de reacción
F-
Cl-
Br-
I-
peor grupo
saliente
mejor grupo
saliente
Grupo VII diferencia de tamaño
A mayor tamaño mayor estabilidad de la base,
la carga se distribuye en un mayor volumen
Reactividad relativa según el halógeno (grupo saliente):
RI
>
RBr
>
RCl
>
RF
Reactividad relativa según la fuerza del enlace C-X
Longitudes y fuerzas de los enlaces C-H
Interacción
de orbitales
2sp3 -2sp3
2sp3 -3sp3
2sp3 -4sp3
2sp3 -5sp3
Longitud
de enlace
Fuerza de enlace
Nucleófilos
Nucleofilicidad: es la medida de la facilidad con la que el compuesto puede atacar
un centro deficiente de electrones. Se mide como velocidad.
Basicidad: es la medida en que el compuesto comparte un par de electrones con
un H+. Se mide como equilibrio (acido-base)
En general la basicidad y la nucleofilicidad son paralelas. Una especie con carga
negativa es más básica y también mejor nucleófilo
Nucleófilos más reactivos- buenos nucleófilos- nucleófilos fuertes:
-
CH3S metanotiolato
CH3O- metóxido
SH- hidrosulfuro
-
OH hidróxido
Cl cloruro
HC C acetiluro
HC N- cianuro
NH3 amoníaco
H- hidruro
CH3 C O- acetato
O
Nucleófilos menos reactivos- malos nucleófilos- nucleófilos débiles:
H2O
ROH alcoholes
Efectos estéricos y nucleofilicidad
Mejor nucleófilo
Base más débil
(el etanol es más ácido que el terc-butanol)
Ion etóxido
Base más fuerte
Peor nucleófilo por impedimento estérico
de aproximación al sustrato
Ion terc-butóxido
Solvente
Para las reacciones SN2 los peores solventes son los polares próticos ya que
solvatan al nucleófilo (anión) disminuyendo la capacidad nucleofílica
anión solvatado
…. Nu- ….
Para las reacciones SN2 los mejores solventes son los polares apróticos ya
que no forman puentes de hidrógeno y no solvatan aniones sinó cationes
La d+ no está
muy accesible
N,N-dimetilformamida
DMF
Dimetilsulfóxido
DMSO
DMSO puede solvatar cationes
mas que aniones
RESUMEN DE SN2
SUSTRATO
RX 1° >
GRUPO SALIENTE
I
NUCLEOFILOS
buenos nucleófilos, fuertes
ESTEREOQUÍMICA
inversión de configuracion
SOLVENTE
polar aprótico
CINETICA
v = [Nu] [RX]
MECANISMO
1 paso CONCERTADO (ET)
>
2° >
Br
>
Cl
3°
>
2° orden
>
vinílicos, nucleares
F
bimolecular
UTILIDAD SINTETICA DE LA REACCION SN2
alcohol
tiol
éter
tioéter
amina primaria
alquino
nitrilo
SN1 Sustitución nucleofílica unimolecular
CH3
CH3
H3C C X
+
H3C C OH
H2O
+
HX
CH3
CH3
2-bromo-2-metilpropano
2-metil-2-propanol
Rapidez relativa de reacciones SN1 para varios bromuros de alquilo
(solvente agua, nucleófilo agua)
Bromuro de alquilo
Tipo de bromuro de alquilo
terciario
secundario
primario
primario
rapidez relativa
v = k [RX]
sustitución
Reacción de primer orden
SN1
unimolecular : en el paso limitante
de la velocidad interviene
una sola especie
nucleofílica
Evidencias experimentales del mecanismo de reacción:
1- La velocidad depende solamente de la concentración del RX
2- A medida que el RX es más sustituido la velocidad aumenta
3- Si el halógeno está unido a un carbono asimétrico se obtienen productos con
retención e inversión de la configuración
Mecanismo propuesto
ataque nucleofílico al carbocatión
rápido
lento
ruptura de la unión C-Br
carbocatión
intemediario
energía libre
paso determinante
de la velocidad
progreso de la reacción
rápido
transferencia del protón
- El derivado halogenado es el único que participa en el etapa lenta de la
reacción (primera evidencia)
-El mecanismo plantea la formación de un carbocatión intermediario según
la estabilidad del intermediario la velocidad aumenta con la mayor sustitución
del mismo (segunda evidencia)
Reactividad relativa de los RX en reacciones SN1:
RX 3° >
Becílicos 2°
Alílicos 2°
RX 2°
>
bencílicos 1°
alílicos 1°
RX 1°
>
RX vinilicos, nucleares
( no reaccionan)
Carbocationes bencílicos y alílicos se estabilizan por resonancia:
Deriv. halog. alilico primario
Se obtienen dos isómeros estructurales
+CH2
CH2Cl
+
H2O
CH2
CH2
CH2
CH2OH
+
+
+
Deriv. halog. bencílico primario
alcohol
bencílico
Tercera evidencia: estereoquímica de la reacción:
Inversion de
configuración
(S) 2-bromobutano
(R) 2-butanol
Retención de
configuración
(S) 2-butanol
Configuración invertida
respecto al sustrato
Igual configuración
que el sustrato
Se obtiene un pequeño exceso del producto de inversión de configuración
Es una recemización parcial: racemización + inversión por formación de un par iónico
solvente
par ionico
iones
disociados
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SN1:
- Grupo saliente
- Nucleófilo y solvente
- Reordenamientos
Grupo saliente: igual que en la SN2
Reactividad relativa según el halógeno:
RI
>
RBr
>
RCl
>
RF
Nucleófilo y solvente:
En general en las SN1 el nucleófilo es también el solvente: solvólisis
Nucleófilos débiles, malos nucleófilos (H 2O, alcoholes)
Solventes polares para favorecer la disociación del RX
Reordenamientos: como el intermediario de la reacción es un carbocatión
pueden ocurrir reordenamientos igual que en AE de alquenos
C+ secundario
C+ secundario
2-bromo3-metilbutano
3-metil-2-butanol
2-metil-2-butanol
RESUMEN DE SN1
SUSTRATO
RX 3° >
GRUPO SALIENTE
I
NUCLEOFILOS
malos nucleófilos, débiles
ESTEREOQUÍMICA
inversión de configuracion y retención de la configuración
racemización parcial
SOLVENTE
polar
CINETICA
v = [RX]
MECANISMO
2 pasos
>
Br
2° >
>
Cl
1° orden
1°
>
>
vinílicos, nucleares
F
unimolecular
Derivados halogenados bencílicos, alílicos, vinílicos y nucleares
Derivados halogenados bencílicos y alilicos primarios dan reacciones S N1 y SN2
condiciones SN2
Cloruro de bencilo
Bencilmetileter
condiciones SN1
1-bromo-2-buteno
2-butenen-1-ol
Derivados helogenados bencílicos y alílicos terciarios no dan S N2 por
impedimento estérico
Derivados halogenados vinílicos y nucleares no dan SN1 ni SN2:
Condiciones de SN2:
El nucleófilo es repelido
por la nube electrónica
nucleófilo
nucleófilo
Condiciones SN1:
carbocatión vinílico
inestable
carbocation arilico
inestable
Derivados halogenados nucleares dan SUSTITUCION NUCLEOFILICA AROMATICA
Si el haluro de arilo presenta grupos fuertemente atractores de electrones por
resonancia en posicion es orto y para respecto al halógeno puede dar reacciones
de sustitución nucleofílica. (El halógeno se encuentra activado para la Sustitución
Nucleofílica Aromática
Reactivos Nu-fuertes
Mecanismo
lento
rapido
Regioselectividad
NO2
NO2
+
Cl
Cl
NaOH
Cl
OH
RESUMEN GENERAL
RX 1°
mal Nu-
-
RX 2°
RX3°
buen Nu-
mal Nu-
SN2+E2
SN1 + E1
buen Nu-
mal Nu-
RX alílicos, bencílicos 1°
buen Nu-
E2