En esta ecuación química no se reflejan las cargas. El nucleofilo ''Y'' puede ser neutro o portar carga negativa (anión); el substrato ''RX'' puede ser neutro o portar una carga positiva (catión). En todo caso, el nucleofilo ''Y'' tiene que poseer un par solitario (par de electrones no enlazantes). De aquí que todos los nucleofilos son bases de Lewis.
La reacción se conoce como solvólisis cuando el disolvente actúa como nucleofilo.
¿Se sigue el mismo mecanismo en todas las reacciones de substitución nucleofílica?
No; varios diferentes mecanismos son posibles en las reacciones de substitución nucleofílica alifática. Estos van a depender del substrato, nucleofilo, grupo saliente y las condiciones de reacción.
Pero en todos ellos, el reactivo atacante (nucleofilo) siempre porta un par solitario. La substitución de nucleofilos puede ocurrir en carbonos saturados o insaturados.
¿Cuáles son los mecanismos más comunes en carbonos saturados
Los mecanismos más comunes en la substitución de nucleofilos en carbonos saturados son:
(a) Substitución Nucleofílica Unimolecular (SN-1)
(b) Substitución Nucleofílica Bimolecular (SN-2)
¿Cómo es el mecanismo de una reacción SN-2
El siguiente diagrama ilustra el mecanismo:
En este mecanismo se produce un ataque dorsal (trasero; por la "espalda"): el nucleofilo (Y) se acerca al substrato (RX) desde una posición a 180° del grupo saliente (nucleofugo).
La reacción es concertada, es decir, ocurre en un sólo paso, sin intermediarios. Se forma el enlace C-Y según se rompe el enlace C-X.
La energía necesaria para romper el enlace C-X es suplida por la formación simultánea del enlace C-Y. El estado de transición representa el punto de máxima energía en la curva de energía libre de activación:
Obviamente, la reacción no termina en el estado de transición. El grupo ''X'' sale según el grupo ''Y'' entra, pues en ningún instante el carbono pude tener más de ocho electrones en su capa de valencia.
Aplicando la teoría de orbitales moleculares, el estado de transición se puede describir como aquel punto en que el orbital sin compartir del nucleofilo "Y" se solapa con un lóbulo del orbital sp3 del carbono en el substrato "RX" en la misma extensión en que se va formando el orbital sin compartir de "X"
Cuando se alcanza el estado de transición, el carbono central ha alterado su hibridación original sp3 a un estado sp2 con un orbital "p" practicamente perpendicular al plano. Un lóbulo del orbital "p" se solapa con el nucleofilo (Y) y el otro con el nucleofugo o grupo saliente (X)
Al pasar a los productos, el carbono central rehibridiza sp3 , el enlace C-Y se forma totalmente por el solapamiento total de los orbitales y el grupo X sale con un orbital sin compartir:
¿Es totalmente plana la estructura en el estado de transición?
En el estado de transición los tres grupos no reactivos y el átomo de carbono central son aproximadamente coplanares. Estos serán exactamente coplanares si ambos grupos, el entrante y el saliente, son iguales. De otra manera, habrá un leve desvío de planaridad dependiendo de cual efecto es más importante en el estado de transición: la formación o la ruptura del enlace.
¿Es posible un ataque frontal por parte del nucleofilo?
No se conoce ningún mecanismo de una SN-2 en la que el ataque por parte del nucleofilo sea frontal. De hecho, en el estado de transición de esta reacción hipotética, tanto el nucleofilo como el nucleofugo tendrían que solapar con el mismo lóbulo del orbital "p", lo que implica un mínimo de interacción entre orbitales.
¿Qué puede decirse de la cinética de una reacción?
En este tipo de reacción tanto el nucleofilo (Y) como el substrato (RX) están involucrados en el paso determinante que, como se indicó, es el único paso en este caso. La evidencia indica que la reacción debe ser de primer orden en cada componente, segundo orden total, y satisface la siguiente expresión de rapidez:
¿Tienen relación alguna el orden total con la molecularidad en una reacción?
No. El número 2 en el símbolo SN-2 se refiere a la molecularidad: la reacción es bimolecular (se requieren dos moléculas para formar el estado de transición). Aunque el número coincide con el orden total, no siempre es así y tampoco existe relación directa entre ambos parámetros. Por ejemplo, en una solvólisis, donde el nucleofilo es el disolvente y, por tanto, se encuentra en exceso, la molecularidad es la misma (bimolecular), pero la cinética de la reacción es de primer orden, con la siguiente espresión de velocidad:
Esta cinética se conoce como pseudo primer orden.
¿Qué puede decirse de la estereoquímica de una SN-2?
El mecanismo de esta reacción predice una inversión en la configuración cuando el substrato es ópticamente activo. Esta inversión en la configuración se conoce como inversión de Walden.
¿Qué efecto en la reactividad tiene la estructura del substrato en una reacción?
La reactividad de una reacción SN-2 se ve afectada por la estructura del substrato RX. En términos generales, la reacción es más fácil con substratos poco abultados, es decir, que enlacen grupos pequeños. Así, la reactividad, en términos de la estructura del substrato, sigue la secuencia:
No es de esperar que un sistema terciario reaccione por un mecanismo SN-2; y puede haber sistemas primarios que tampoco sean efectivos, como por ejemplo, el sistema neopentilo:
Se dice, entonces, que la reactividad de la reacción de substitución nucleofílica bimolecular está a condicionada por los efectos estéricos: impedimentos debidos a la interferencia de grupos abultados cuando estos se acercan a posiciones en que sus nubes electrónicas comienzan a repelerse.
Cuando el nucleofilo se acerca por detrás del carbono electrofílico del substrato, debe hacerlo dentro de los límites de la adecuada distancia de enlace.
Si hay grupos abultados enlazados al carbono, éstos impediran la entrada del nucleofilo. Por otro lado, en el estado de transición se generan grandes repulsiones entre los grupos, lo que implica un sistema de alta energía, una mayor energía de activación y un decenso en la velocidad. La siguiente figura ilustra este fenómeno:
¿Qué efecto en la reactividad tiene el nucleofilo atacante?
El ataque del nucleofilo es esencial en toda reacción SN-2, pues como se indicó, su presencia es necesaria para la generación del estado de transición. Mientras más efectivo como nucleofilo, mayor la reactividad.
Para una reacción de substitución nucleofílica bimolecular hay cuatro principios básicos que gobiernan el efecto del nucleofilo en la velocidad de reacción o reactividad. Estos son:
1- Un nucleofilo con una carga negativa siempre es más fuerte que su ácido conjugado (asumiendo que este último es un nucleofilo) Así, OH- es más fuerte que H2O, NH2- más fuerte que NH3,etc.
2- Al comparar nucleofilos cuyos átomo atacantes están en el mismo periodo en la Carta Periodica, la nucleofilicidad compara con la basicidad. Así, un orden de nucleofilicidad es: NH2->RO->OH->R2NH>NH3>F->H2O
Otro orden es el siguiente: R3C->R2N->RO->F-
Este tipo de correlación funciona mejor cuando las estructuras de los nucleofilos a compararse son similares.
3- Al movernos de arriba hacia abajo en la carta periodica la nucleofilicidad aumenta y la basicidad disminuye. De aquí que el orden de nucleofilicidad de los halógenos es: I-> Br-> Cl-> F-
De forma similar, cualquier nucleofilo de azufre es más fuerte se análogo de oxígeno, y lo mismo aplica para fósforo vs nitrógeno.
La razón para esta distinción entre potencia básica y nucleofílica es que los nucleofilos pequeños y cargados negativamente están más solvatados por los disolvente polares usuales: a mayor concentración de carga en el ion, mayor el número de moléculas de disolvente que lo rodean. Esto constituye una barrera entre el nucleofilo y el substrato. Este efecto es más importante para disolventes polares próticos en los que el disolvente puede producir puentes de hidrógeno con los nucleofilos pequeños.
4- A mayor libertad de movimiento del nucleofilo, mayor la reactividad.
¿Cuál es el efecto del nucleofugo (grupo saliente) en la reactividad de una SN-2?
El nucleofugo sale con más facilidad mientras más estable sea como entidad libre. Esto, usualmente, es lo inverso a su basicidad; así los mejores grupos salientes son las bases más débiles.
Por eso, el ion yoduro es el mejor grupo saliente entre los halogenuros, siendo el peor el fluoruro.
Por otro lado, como HX es siempre más débil como base que X-, la substitución nucleofílica es siempre más fácil en un substrato del tipo RXH- que en un RX. Por ejemplo, OH- y OR- no son grupos salientes de alcoholes o éteres ordinarios, pero se convierten en buenos nucleofugos cuando se protonan:
A continuación se presenta un breve listado de grupos salientes comunes, ordenados en orden descendente de habilidad para salir:
Incluye, también, sulfatos (-OSO2OH) y sulfonatos (-OSO2OR)
¿Cómo afecta el disolvente la reactividad de una SN-2?
El efecto del disolvente en la substitución nucleofílica bimolecular va a depender de las cargas eléctricas en el substrato y en el estado de transición. Se pueden identificar cuatro tipos de reacción de substitución nucleofílica bimolecular, según se ilustran en la siguiente tabla:
En las reacciones tipo I y IV la carga inicial se dispersa en el estado de transición por lo que estas reacciones se ven obstaculizadas por disolventes polares: un aumento en la polaridad del disolvente disminuye el algo la velocidad de reacción.
En la reacción tipo III las cargas iniciales "disminuyen", al convertirse en parciales en el estado de transición. En disolventes polares esta reacción se ve muy impedida para producirse. Por lo tanto un aumento en la polaridad del disolvente disminuye considerablemente la velocidad de reacción.
En la reacción tipo II, los reactivos son neutros y el estado de transición va formando cargas opuestas. Esta reacción se ve favorecida por disolventes polares, por lo que un aumento en la polaridad del disolvente aumenta en gran medida la velocidad de reacción.
¿Hace diferencia si el disolvente es prótico o aprótico?
Sí; en las reacciones de substitución nucleofílica bimolecular la diferencia entre disolventes próticos o apróticos debe tomarse en cuenta. En las reacciones del tipo I y tipo III el estado de transición estará más solvatado en disolventes polares apróticos que en disolventes próticos, mientras que el nucleofilo aniónico (Y ) está menos solvatado en disolventes apróticos. (El segundo factor es más fuerte que el primero).
Por ejemplo, metanol (CH3OH ) en un disolvente polar prótico, mientras que dimetilsulfóxido (CH3SOCH3) es polar pero aprótico. Una reacción del tipo I ó III será más rápida en dimetilsulfóxido que en metanol.
El cambio en velocidad al ir de un disolvente prótico a uno aprótico está tambien condicionado al tamaño del nucleofilo aniónico.
Los iones pequeños se solvatan mejor en disolvente próticos. Los iones grandes, por su parte, se solvatan mejor en disolventes apróticos. La razón es que los disolventes próticos tienen estructuras sumamente desarrolladas y entrelazadas por puentes de hidrógeno; los disolvente apróticos tienen estructuras más sueltas en las que pueden acomodar con más facilidad un ion grande.
Por tanto, la velocidad de ataque de un ion pequeño aumenta cuando se cambia de un disolvente prótico a uno aprótico.
Las reacciones del tipo II y del tipo IV son menos susceptibles a los diferencias entre disolventes próticos y apróticos. En estos casos, en que el nucleofilo es neutro, la solvatación de éste no varía mucho al ir de un tipo de disolvente a otro. Sin embargo, el estado de transición estará mejor solvatado por disolventes polares apróticos.
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