+ X

QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA
TEMA 5
OBJETIVOS DIDÁCTICOS PERSEGUIDOS EN EL TEMA
Revisión de los mecanismos de reacción ya estudiados dispersos
en los capítulos dedicados a la descripción de grupos funcionales.
Profundizar en ciertos aspectos de estos mecanismos de reacción.
Estudio de mecanismos de reacción nuevos.
Descripción y análisis de reacciones nuevas como casos prácticos
de los mecanismos de reacción en estudio.
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ASPECTOS FUNDAMENTALES DEL ESTUDIO DE
UN MECANISMO DE REACCIÓN
• COMPRENSIÓN RAZONADA DE LA DENOMINACIÓN DEL PROCESO
• DESCRIPCIÓN DE LOS REACTIVOS INTERVINIENTES Y DE LOS
MÓVILES DEL ATAQUE
• ESPECIFICACIÓN DETALLADA DEL MECANISMO EN CUANTO A :
INTERMEDIOS DE REACCIÓN
ESTADOS DE TRANSICIÓN
FLUJO ELECTRÓNICO
• CINÉTICA DE LA REACCIÓN
• BALANCE ENERGÉTICO (TERMODINÁMICA)
• DESARROLLO ESTEREOQUÍMICO Y SUS IMPLICACIONES
• ESTUDIO DE LA REACTIVIDAD (JUSTIFICACIÓN Y PREDICCIÓN)
• PECULIARIDADES ESPECÍFICAS DEL PROCESO.
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Esto es una demostración de la sistemática de
preparación y estudio teórico de un mecanismo
de reacción descrito:
• SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA ALIFÁTICA
4
SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA ALIFÁTICA
SN
5
SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA ALIFÁTICA
Reemplazo de un
grupo por otro en la
cadena carbonada
Características
electrónicas del
reactivo empleado
Naturaleza del
carbono donde se
da la reacción
Utilidad sintética :
R-X + ZC saturado + nucleófilo
R-Z + Xproducto + grupo saliente
CONDICION : Z reactivo y X buen saliente
Productos : ALCOHOLES, TIOLES, ÉTERES, TIOÉTERES, ALQUINOS,
NITRILOS, ÉSTERES, AMINAS ...
6
6
CINÉTICAS DE LA SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA
ORDEN 2 (BIMOLECULAR)
vR
*
*
*
*
*
vR = k2 (R-X) (Z-)
*
vR
*
*
(R-X)
(Z-)
ORDEN 1 (UNIMOLECULAR)
*
vR
*
*
*
(R-X)
7
*
*
vR = k1 (R-X)
vR
*
*
*
(Z-)
*
*
Proposición de mecanismo cinéticamente
compatible :
H
Nu
–
H
H
H
(-)
X
‡
Nu
X
H
H
(-)
H
Nu
H
MECANISMO SN2 : proceso concertado
8
H
+ X
–
Interpretación de orbitales frontera :
H
HOMO
Nu
:
LUMO
X
HH
‡
H
(-)
(-)
Nu
X
H H
H
Nu
9
HH
Diagrama de OM resultantes en el E.T. (‡) de la SN2 :
Nu
C
X
energía
C
Nu
10
Nu
C
X
Nu
C
X
X
Orientación del ataque nucleófilo :
* Por el lado opuesto al halógeno unido :
favorable estéricamente
favorable electrónicamente
máxima interacción con la mayor densidad del σ*
Nu
11
C
X
Otras orientaciones dan interacciones menos eficaces :
X
C
Nu
•Menor densidad del orbital σ*
•Interacción enlazante y otra antienlazante por ser
una superficie nodal entre ambos átomos (C, X).
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Valoración termodinámica del proceso SN2 ( 1 paso) :
energía
ENERGÍA DE ACTIVACIÓN - ESTABILIDAD ESTADO DE TRANSICIÓN - VELOCIDAD DE REACCIÓN
reacción
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ESTEREOQUÍMICA EN SN2
- Inversión de la configuración como consecuencia del mecanismo
- Repercusión cuando es centro quirógeno
- ¿ Cambio en la designación de la configuración absoluta R-S ?
H3C
C
Br
H
C2H5
(R)-2-bromobutano
14
HO-
CH3
HO
C
H
C2H5
(S)-2-butanol
REACTIVIDAD
FACTORES RELATIVOS AL ESTADO DE TRANSICIÓN :
ESTÉRICOS :
impedimento del estado de transición pentacoordinado
CH3 > 1º > 2º > 3º
ELECTRÓNICOS :
C eléctricamente neutro en el estado de transición
posible conjugación del orbital tipo p del estado de transición
con sistemas π vecinos como alilo o bencilo
15
X
Nu
16
X
Nu
UN CASO DE ALTA REACTIVIDAD :
en α-halocarbonilos y otros sistemas π deficientes, causas :
- C sp2 contiguo menor impedimento que el C sp3
- interacción del orbital π* (C=O) con el σ* (C-X)
Br
Br
O
O
Br
O
Br
combinación
π* + σ*
O
Ataque
nucleófilo
17
Otra interpretación : el orbital π* (LUMO, C=O) interactúa con el tipo p
desarrollado en el estado de transición estabilizándolo :
π∗
energía
X
O
Nu
π
O.M. Estado
transición
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C=O
contiguo
EFECTO DEL GRUPO SALIENTE EN LA SN2 :
- orden de reactividad :
I- > Br- > Cl- >> F- fuerza de enlace
EFECTO DISOLVENTE EN LA SN2 :
- disolventes polares próticos
- disolventes polares apróticos
- polaridad del disolvente
19
MECANISMO SN1 :
C
C+
20
+ Nu
X
rápido
lento
C+
C
Nu
+ X-
+ Nu
C
energía
Valoración termodinámica del proceso SN1 ( 2 pasos) :
evolución reacción
21
ESTEREOQUÍMICA EN SN1
GS
22
:GS
ESTEREOQUÍMICA EN SN1
RACEMIZACIÓN
23
REACTIVIDAD EN SN1
FACTORES RELATIVOS AL INTERMEDIO DE REACCIÓN :
( ESTABILIDAD DE IONES CARBENIO )
- geometría plana permitida
- factores electrónicos
efecto inductivo
efecto conjugativo
- factores estéricos
no críticos : C tricoordinado
- orden de reactividad :
3º > 2º >
bencílicos alílicos
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1º > CH3X
EFECTO DEL GRUPO SALIENTE EN LA SN1 :
- orden de reactividad : I- > Br- > Cl- >> F- fuerza de enlace
- comportamiento similar a SN2
EFECTO DISOLVENTE EN LA SN1 :
- favorecida por disolventes polares
- no es crítica la desactivación del nucleófilo por
efecto solvatación
¡ transposiciones !
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DESCRIPCIÓN DE NUCLEÓFILOS
FACTORES QUE
CONTROLAN EL
ATAQUE
NUCLEÓFILO
SUFICIENTE ATRACCIÓN
ELECTROSTÁTICA
PRODUCTIVA INTERACCIÓN HOMO - LUMO
( NUCLEÓFILO – ELECTRÓFILO )
condición suficiente y necesaria
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CLASIFICACIÓN DE NUCLEÓFILOS
CONCEPTO
EFECTO DOMINANTE
TAMAÑO
BASE CONJUGADA
DENSIDAD DE CARGA
BLANDOS
DUROS
INTERACCIÓN HOMO-LUMO ATRACCIÓN ELECTROSTÁTICA
VOLUMINOSOS
PEQUEÑOS
DE ÁCIDO FUERTE
DE ÁCIDO DÉBIL
BAJA (POLARIZABILIDAD)
ALTA
ENERGÍA HOMO
ALTA
BAJA
ELECTRONEGATIVIDAD
BAJA
ALTA
REACCIÓN PREFERENTE
CARBONOS SATURADOS
ABSTRACCIÓN DE PROTÓN
RSH, RS-, I-, R3P, CN-,
CO, RCH=CHR
RO-, NH2, MeLi, OH-,RCOO-,
F-, RNH2, ROH
EJEMPLOS
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ESTUDIO COMPARATIVO DE AMBOS MECANISMOS
28
CONCEPTO
SN1
S N2
CINETICA
ORDEN 1
ORDEN 2
MECANISMO
2 PASOS
1 PASO
ESTEREOQUÍMICA
RACEMIZACIÓN
INVERSIÓN
ESPECIE CLAVE
IÓN CARBENIO
ESTADO DE
TRANSICIÓN
MAYOR
REACTIVIDAD
3º, CONJUGADOS
FACTORES
DOMINANTES
TRANSPOSICIONES
ELECTRÓNICOS
1º, αCARBONILICOS
ESTÉRICOS Y
CONJUGATIVOS
NO
POSIBLES
¿ mecanismo único ?
FACTORES DETERMINANTES DEL MECANISMO ELEGIDO :
- tipo de halogenuro de alquilo
- naturaleza y concentración del nucleófilo
- grupos vecinos
- disolvente ( constante dieléctrica y solvatación )
AMBOS MECANISMOS CON VARIABLE PARTICIPACIÓN
Reacción
*
o
*
*
o
MeBr
EtBr
i-ProBr
más rápida
29
S N1
*
S N2
o
o
t-ButBr