PROPIEDADES Y REACCIONES DE LOS HALOALCANOS (II): LA SUBSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA

UNIMOLECULAR SN1 Y LAS ELIMINACIONESUNIMOLECULAR SN1 Y LAS ELIMINACIONESE1 Y E2

REACCIONES SN1 : SOLVOLISIS DE HALUROS DE ALQUILO SECUNDARIOS Y TERCIARIOS

Ya hemos visto que la velocidad de las reacciones SN2 disminuye drásticamente cuando elq N ycentro de reacción cambia de primario a secundario o terciario (que practicamente noreaccionan). Sin embargo, esas observaciones son pertinentes únicamente para la sustituciónbimolecular. Los haluros de alquilo secundarios y, sobre todo los terciarios , sufren sustitución,pero a través de otro mecanismo. De hecho, tales sustratos se transforman fácilmente, enpresencia incluso de nucleófilos débiles, para dar productos de sustitución.

Reacciones de Sustitución Unimoleculares: SN1

Recuerda que Los procesos SN2: muestran una cinética de 2° orden; generan los productosestéreoespecificamente con inversión de la configuración y muestran una reactividad paraestéreoespecificamente con inversión de la configuración y muestran una reactividad paraR-X en el orden: 1° > 2° > 3° (que no reaccionan).

Las solvólisis de haluros de alquilo, al contrario: muestran una cinética de primer orden,Las solvólisis de haluros de alquilo, al contrario: muestran una cinética de primer orden,no son estereoespecíficas y muestran , hacia los haluros de alquilo una reactividad inversa ala observada en las reacciones SN2.

Cinética de 1° OrdenCinética de 1 Orden

Mecanismo:

Primer paso:

2° Paso:

3° P3° Paso:

El hecho fundamental y diferenciador de una reacción SN1 es la formación de un y Ncarbocatión en el primer paso, determinante de la velocidad de la reacción

Estereoquímica en los procesos SN1

Los solventes polares aceleran la Reacción SN1 :

Efectos del solvente, Grupo Saliente y Nucleófilo sobre la reacción SN1

La apertura heterolítica del enlace C-X en el paso determinante de la velocidad en la reacciónSN1 implica una estructura del estado de transición que está altamente polarizada (ver abajo) yque da lugar, finalmente, a dos iones totalmente cargados. En contraste, en el estado det i ió d ió S 2 tí i i h di ió d ltransición de una reacción SN2 típica, no se crean cargas sino que hay una dispersión de lasmismas

Debido a su estado de transición polar, la velocidad de la reacción SN1 aumenta amedida que lo hace la polaridad del solvente. Los solventes próticos aceleran lareacción S 1 debido a que estabilizan al estado de transición por formación de enlacesreacción SN1 debido a que estabilizan al estado de transición por formación de enlacespor puentes de hidrógeno con el grupo saliente. Recuerda que, en contraste, la reacciónSN2 es acelerada por disolventes polares apróticos, debido , principalmente al efecto delsolvente sobre la reactividad del nucleófilosolvente sobre la reactividad del nucleófilo

Las reacciones SN1 se aceleran a medida que aumenta la bondad del grupo saliente como tal

La fortaleza del nucleófilo afecta a la distribución de productos, pero no a la velocidad de lareacción SN1Puesto que el paso determinante de la velocidad del reacción SN1 no incluye al nucleófilo, elcambio de su estructura (o concentración) no altera la velocidad de desaparición del haloalcano.Sin embargo, cuando dos o mas nucleófilos compiten por la captura del carbocatión intermedio,sus fuerzas y concentraciones relativas pueden afectar en gran manera la distribución de

d P jproductos. P. ej.:

Efecto del grupo alquilo sobre la reacción SN1: la estabilidad del carbocatiónLos sistemas secundarios sufren ambas, reacciones SN1 y SN2

Un caso de desplazamiento SN1 estereoselectivo , poco usual, en la síntesis del fármacoanticancer Aclacinomicina A

aklavinona

Reacciones de β Eliminación

Los haloacanos y, en general cualquier sustrato portando un buen grupo saliente y poseyendoE l C H i d f i ú t ti d ió l β li i ió dEnlaces C-H vecinos es capaz de sufrir aún otro tipo de reacción: la β eliminación para daralquenos; un proceso que también puede ocurrir a través de varios mecanismos.

El nucleófilo (usualmente elsolvente), actúa como base

Reacciones de Eliminación Unimoleculares E1

Las reacciones E1, compiten con las reacciones SN1 y, de hecho, el paso determinante de lavelocidad de reacción es el mismo en ambos procesos : la disociación a un carbocatión Estevelocidad de reacción es el mismo en ambos procesos : la disociación a un carbocatión. Esteintermedio tiene ahora otra posible ruta a seguir en su enfrentamiento con el nucleófilo: lapérdida de un protón desde un carbón adyacente a aquel que porta la carga positiva.

Como era de esperar, la naturaleza del grupo salienteno influye en la proporción de productos procedentesde las reacciones competitivas SN1 y E1, ya que elcarbocatión intermedio formado, es el mismo enambos casos.

La Reacción de Eliminación Bimolecular E2

En presencia de nucleófilos que sean a la vez bases fuertes, los haloalcanos pueden daralquenos por aún otro proceso de eliminación que presenta ahora una cinética bimolecularalquenos por aún otro proceso de eliminación que presenta ahora una cinética bimolecular(E2). Esto es, la velocidad de formación de alqueno se hace ahora proporcional a laconcentración , tanto del haloalcano como de la base. Este es, por tanto, un proceso quecompite con la correspondiente reacción S 2compite con la correspondiente reacción SN2.

¿ Que es lo que causa este cambio de mecanismo ?:¿ Q qlas bases fuertes ( tales como hidróxidos -OH, o alcóxidos, -OR ), pueden atacar a loshaloalcanos antes de que se forme el carbocatión.

El objetivo es un átomo de hidrógeno sobre un átomo de carbono vecino a aquelque porta el grupo saliente. Este mecanismo de reacción no está restringido a loshaluros terciarios aunque en sistemas secundarios y primarios debe competir conhaluros terciarios, aunque en sistemas secundarios y primarios debe competir conprocesos SN2

Los tres cambios tienen lugar simultaneamente: La reacción E2 is un procesoconcertado que ocurre en un solo paso

Estereoquímica de las Reacciones E2

Como mostrado arriba, la reacción de eliminación E2 transcurre rápidamente cuando elhalógeno y el hidrógeno eliminados poseen una estereoquímica relativa anti (trans diaxial) porhalógeno y el hidrógeno eliminados poseen una estereoquímica relativa anti (trans diaxial); porel contrario es muy lenta para una estereoquímica relativa trans diecuatorial. ¿Por qué ?.Cuando examinamos la conformación de silla mas estable para el compuesto cis, encontramosque hay dos átomos de hidrógeno localizados anti al bromo axial Esta geometría es muy similarque hay dos átomos de hidrógeno localizados anti al bromo axial. Esta geometría es muy similara la requerida por el estado de transición E2 ( ver descripción orbitálica mas arriba) y,consecuentemente, la eliminación es fácil. Por el contrario, el sistema trans no tiene enlaces C-Halineados en anti al grupo saliente ecuatorial y así la eliminación E2 requeriría bien un cambioalineados en anti al grupo saliente ecuatorial y, así, la eliminación E2 requeriría bien un cambioal confórmero diaxial, o bien eliminación del hidrógeno “gauche” al bromo (eliminación Syn);situaciones ambas energeticamente desfavorables.

Observa que los mecanismos E1 y E2 son muy similares, diferenciándose solamente en el orden de los acontecimientos. En la reacción bimolecular, la abstracción del protón y la marcha del grupo saliente son simultáneas En el proceso E1 el haluro sale primero yla marcha del grupo saliente son simultáneas. En el proceso E1 el haluro sale primero y luego ocurre el ataque por la base. Un buen modo de pensar acerca de la diferencia es imaginar que la base fuerte participando en la reacción E2 es mas agresiva, no espera a que el haluro terciario o secundario se disocie sino que ataca directamente al sustratoa que el haluro terciario o secundario se disocie, sino que ataca directamente al sustrato

Esta observación implica que el enlace al gruposaliente está parcialmente roto en el estado detransición

COMPETICIÓN ENTRE SUBSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓNLos múltiples mecanismos - SN2, SN1, E2, E1 - que pueden seguir los haloalcanos enp N , N , , q p gpresencia de un nucleófilo, pueden parecer confusos a la hora de predecir cual será elresultado de una reacción determinada. Consideraciones sobre la fuerza básica delnucleófilo y sobre la la voluminosidad de la especie reaccionante pueden ayudarnos adecidir si predominará la sustitución o la eliminaciónLos Nucleófilos debilmente básicos dan sustitución Nucleófilos menos básicos que el anión hidróxido dan buenos rendimientos deNucleófilos menos básicos que el anión hidróxido, dan buenos rendimientos deproductos SN2 con haluros primarios y secundarios y de productos SN1 con sustratosterciarios. Ejemplos incluyen: I-, Br-, N3

-, RCOO- y R3P

Nucleófilos débiles tales como el agua y los alcoholes reaccionan, a velocidadapreciable, solamente con haluros terciarios y secundarios, sustratos que son capacesde seguir el mecanismo SN1. En estos casos, la eliminación unimolecular esg Nusualmente una reacción secundaria minoritaria.

Nucleófilos fuertemente básicos dan mas producto de eliminación a medida queaumenta el impedimento estérico en el sustratoaumenta el impedimento estérico en el sustrato.

La reacción de haluros 1°s simplescon Nus fuertemente básicos daproductos SN2 mayoritariamenteproductos SN2 mayoritariamente.Cuando aumenta el impedimentoestérico en torno al C, la sustituciónse retarda con respecto a lapeliminación ya que el ataque al Cestá mas impedido que le ataque alH.La SN2 no es una opción para loshaluros 3°. SN1 y E1 compiten encondicones neutras o debilmentebásicas. Sin embargo, altasconcentraciones de bases fuertesdan exclusivamente reacción E2

Nucleófilos básicos impedidas estéricamente favorecen la Eliminación, incluso en sistemas primarios

Dos ejemplos de bases impedidas estericamente son terc-butóxido de potasio ydi-isopropilamiduro de litio (LDA). Cuando usados en reacciones de eliminación sondisueltos, frecuentemente, en sus respectivos ácidos conjugados: terc-butanol y di-isopropilamina

RESUMEN