En esta ecuaci�n qu�mica no se reflejan las cargas. El nucleofilo ''Y'' puede ser neutro o portar carga negativa (ani�n); el substrato ''RX'' puede ser neutro o portar una carga positiva (cati�n). En todo caso, el nucleofilo ''Y'' tiene que poseer un par solitario (par de electrones no enlazantes). De aqu� que todos los nucleofilos son bases de Lewis.
La reacci�n se conoce como solv�lisis cuando el disolvente act�a como nucleofilo.
�Se sigue el mismo mecanismo en todas las reacciones de substituci�n nucleof�lica?
No; varios diferentes mecanismos son posibles en las reacciones de substituci�n nucleof�lica alif�tica. Estos van a depender del substrato, nucleofilo, grupo saliente y las condiciones de reacci�n.
Pero en todos ellos, el reactivo atacante (nucleofilo) siempre porta un par solitario. La substituci�n de nucleofilos puede ocurrir en carbonos saturados o insaturados.
�Cu�les son los mecanismos m�s comunes en carbonos saturados
Los mecanismos m�s comunes en la substituci�n de nucleofilos en carbonos saturados son:
(a) Substituci�n Nucleof�lica Unimolecular (SN-1)
(b) Substituci�n Nucleof�lica Bimolecular (SN-2)
�C�mo es el mecanismo de una reacci�n 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 posici�n a 180� del grupo saliente (nucleofugo).
La reacci�n es concertada, es decir, ocurre en un s�lo paso, sin intermediarios. Se forma el enlace C-Y seg�n se rompe el enlace C-X.
La energ�a necesaria para romper el enlace C-X es suplida por la formaci�n simult�nea del enlace C-Y. El estado de transici�n representa el punto de m�xima energ�a en la curva de energ�a libre de activaci�n:
Obviamente, la reacci�n no termina en el estado de transici�n. El grupo ''X'' sale seg�n el grupo ''Y'' entra, pues en ning�n instante el carbono pude tener m�s de ocho electrones en su capa de valencia.
Aplicando la teor�a de orbitales moleculares, el estado de transici�n se puede describir como aquel punto en que el orbital sin compartir del nucleofilo "Y" se solapa con un l�bulo del orbital sp3 del carbono en el substrato "RX" en la misma extensi�n en que se va formando el orbital sin compartir de "X"
Cuando se alcanza el estado de transici�n, el carbono central ha alterado su hibridaci�n original sp3 a un estado sp2 con un orbital "p" practicamente perpendicular al plano. Un l�bulo 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 transici�n?
En el estado de transici�n los tres grupos no reactivos y el �tomo de carbono central son aproximadamente coplanares. Estos ser�n exactamente coplanares si ambos grupos, el entrante y el saliente, son iguales. De otra manera, habr� un leve desv�o de planaridad dependiendo de cual efecto es m�s importante en el estado de transici�n: la formaci�n o la ruptura del enlace.
�Es posible un ataque frontal por parte del nucleofilo?
No se conoce ning�n mecanismo de una SN-2 en la que el ataque por parte del nucleofilo sea frontal. De hecho, en el estado de transici�n de esta reacci�n hipot�tica, tanto el nucleofilo como el nucleofugo tendr�an que solapar con el mismo l�bulo del orbital "p", lo que implica un m�nimo de interacci�n entre orbitales.
�Qu� puede decirse de la cin�tica de una reacci�n?
En este tipo de reacci�n tanto el nucleofilo (Y) como el substrato (RX) est�n involucrados en el paso determinante que, como se indic�, es el �nico paso en este caso. La evidencia indica que la reacci�n debe ser de primer orden en cada componente, segundo orden total, y satisface la siguiente expresi�n de rapidez:
�Tienen relaci�n alguna el orden total con la molecularidad en una reacci�n?
No. El n�mero 2 en el s�mbolo SN-2 se refiere a la molecularidad: la reacci�n es bimolecular (se requieren dos mol�culas para formar el estado de transici�n). Aunque el n�mero coincide con el orden total, no siempre es as� y tampoco existe relaci�n directa entre ambos par�metros. Por ejemplo, en una solv�lisis, donde el nucleofilo es el disolvente y, por tanto, se encuentra en exceso, la molecularidad es la misma (bimolecular), pero la cin�tica de la reacci�n es de primer orden, con la siguiente espresi�n de velocidad:
Esta cin�tica se conoce como pseudo primer orden.
�Qu� puede decirse de la estereoqu�mica de una SN-2?
El mecanismo de esta reacci�n predice una inversi�n en la configuraci�n cuando el substrato es �pticamente activo. Esta inversi�n en la configuraci�n se conoce como inversi�n de Walden.
�Qu� efecto en la reactividad tiene la estructura del substrato en una reacci�n?
La reactividad de una reacci�n SN-2 se ve afectada por la estructura del substrato RX. En t�rminos generales, la reacci�n es m�s f�cil con substratos poco abultados, es decir, que enlacen grupos peque�os. As�, la reactividad, en t�rminos 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 reacci�n de substituci�n nucleof�lica bimolecular est� a condicionada por los efectos est�ricos: impedimentos debidos a la interferencia de grupos abultados cuando estos se acercan a posiciones en que sus nubes electr�nicas comienzan a repelerse.
Cuando el nucleofilo se acerca por detr�s del carbono electrof�lico del substrato, debe hacerlo dentro de los l�mites de la adecuada distancia de enlace.
Si hay grupos abultados enlazados al carbono, �stos impediran la entrada del nucleofilo. Por otro lado, en el estado de transici�n se generan grandes repulsiones entre los grupos, lo que implica un sistema de alta energ�a, una mayor energ�a de activaci�n y un decenso en la velocidad. La siguiente figura ilustra este fen�meno:
�Qu� efecto en la reactividad tiene el nucleofilo atacante?
El ataque del nucleofilo es esencial en toda reacci�n SN-2, pues como se indic�, su presencia es necesaria para la generaci�n del estado de transici�n. Mientras m�s efectivo como nucleofilo, mayor la reactividad.
Para una reacci�n de substituci�n nucleof�lica bimolecular hay cuatro principios b�sicos que gobiernan el efecto del nucleofilo en la velocidad de reacci�n o reactividad. Estos son:
1- Un nucleofilo con una carga negativa siempre es m�s fuerte que su �cido conjugado (asumiendo que este �ltimo es un nucleofilo) As�, OH- es m�s fuerte que H2O, NH2- m�s fuerte que NH3,etc.
2- Al comparar nucleofilos cuyos �tomo atacantes est�n en el mismo periodo en la Carta Periodica, la nucleofilicidad compara con la basicidad. As�, un orden de nucleofilicidad es: NH2->RO->OH->R2NH>NH3>F->H2O
Otro orden es el siguiente: R3C->R2N->RO->F-
Este tipo de correlaci�n 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 aqu� que el orden de nucleofilicidad de los hal�genos es: I-> Br-> Cl-> F-
De forma similar, cualquier nucleofilo de azufre es m�s fuerte se an�logo de ox�geno, y lo mismo aplica para f�sforo vs nitr�geno.
La raz�n para esta distinci�n entre potencia b�sica y nucleof�lica es que los nucleofilos peque�os y cargados negativamente est�n m�s solvatados por los disolvente polares usuales: a mayor concentraci�n de carga en el ion, mayor el n�mero de mol�culas de disolvente que lo rodean. Esto constituye una barrera entre el nucleofilo y el substrato. Este efecto es m�s importante para disolventes polares pr�ticos en los que el disolvente puede producir puentes de hidr�geno con los nucleofilos peque�os.
4- A mayor libertad de movimiento del nucleofilo, mayor la reactividad.
�Cu�l es el efecto del nucleofugo (grupo saliente) en la reactividad de una SN-2?
El nucleofugo sale con m�s facilidad mientras m�s estable sea como entidad libre. Esto, usualmente, es lo inverso a su basicidad; as� los mejores grupos salientes son las bases m�s d�biles.
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 m�s d�bil como base que X-, la substituci�n nucleof�lica es siempre m�s f�cil en un substrato del tipo RXH- que en un RX. Por ejemplo, OH- y OR- no son grupos salientes de alcoholes o �teres ordinarios, pero se convierten en buenos nucleofugos cuando se protonan:
A continuaci�n se presenta un breve listado de grupos salientes comunes, ordenados en orden descendente de habilidad para salir:
Incluye, tambi�n, sulfatos (-OSO2OH) y sulfonatos (-OSO2OR)
�C�mo afecta el disolvente la reactividad de una SN-2?
El efecto del disolvente en la substituci�n nucleof�lica bimolecular va a depender de las cargas el�ctricas en el substrato y en el estado de transici�n. Se pueden identificar cuatro tipos de reacci�n de substituci�n nucleof�lica bimolecular, seg�n se ilustran en la siguiente tabla:
En las reacciones tipo I y IV la carga inicial se dispersa en el estado de transici�n por lo que estas reacciones se ven obstaculizadas por disolventes polares: un aumento en la polaridad del disolvente disminuye el algo la velocidad de reacci�n.
En la reacci�n tipo III las cargas iniciales "disminuyen", al convertirse en parciales en el estado de transici�n. En disolventes polares esta reacci�n se ve muy impedida para producirse. Por lo tanto un aumento en la polaridad del disolvente disminuye considerablemente la velocidad de reacci�n.
En la reacci�n tipo II, los reactivos son neutros y el estado de transici�n va formando cargas opuestas. Esta reacci�n se ve favorecida por disolventes polares, por lo que un aumento en la polaridad del disolvente aumenta en gran medida la velocidad de reacci�n.
�Hace diferencia si el disolvente es pr�tico o apr�tico?
S�; en las reacciones de substituci�n nucleof�lica bimolecular la diferencia entre disolventes pr�ticos o apr�ticos debe tomarse en cuenta. En las reacciones del tipo I y tipo III el estado de transici�n estar� m�s solvatado en disolventes polares apr�ticos que en disolventes pr�ticos, mientras que el nucleofilo ani�nico (Y ) est� menos solvatado en disolventes apr�ticos. (El segundo factor es m�s fuerte que el primero).
Por ejemplo, metanol (CH3OH ) en un disolvente polar pr�tico, mientras que dimetilsulf�xido (CH3SOCH3) es polar pero apr�tico. Una reacci�n del tipo I � III ser� m�s r�pida en dimetilsulf�xido que en metanol.
El cambio en velocidad al ir de un disolvente pr�tico a uno apr�tico est� tambien condicionado al tama�o del nucleofilo ani�nico.
Los iones peque�os se solvatan mejor en disolvente pr�ticos. Los iones grandes, por su parte, se solvatan mejor en disolventes apr�ticos. La raz�n es que los disolventes pr�ticos tienen estructuras sumamente desarrolladas y entrelazadas por puentes de hidr�geno; los disolvente apr�ticos tienen estructuras m�s sueltas en las que pueden acomodar con m�s facilidad un ion grande.
Por tanto, la velocidad de ataque de un ion peque�o aumenta cuando se cambia de un disolvente pr�tico a uno apr�tico.
Las reacciones del tipo II y del tipo IV son menos susceptibles a los diferencias entre disolventes pr�ticos y apr�ticos. En estos casos, en que el nucleofilo es neutro, la solvataci�n de �ste no var�a mucho al ir de un tipo de disolvente a otro. Sin embargo, el estado de transici�n estar� mejor solvatado por disolventes polares apr�ticos.
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