QOI-CT-16 Derivados Halogenados Parte 1

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QUÍMICA ORGÁNICA I
DERIVADOS HALOGENADOS I
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA
SN1 y SN2
DRA. MERCEDES BLANCO 2020
ESTRUCTURA Y CLASIFICACIÓN
NOMENCLATURA
bromuro de terc-butilo
Los PCB se produjeron originalmente como refrigerantes y fluidos aislantes para transformadores industriales y condensadores También se utilizaron como fluidos hidráulicos y como retardantes de llama, pero su acumulación en el medio ambiente comenzó a amenazar la vida silvestre y su uso fue prohibido.
Los compuestos organohalogenados son compuestos particularmente estables, y muchos de ellos, como el DDT, persisten y se acumulan en el medio ambiente.
El DDT (diclorodifeniltricloroetano) se desarrolló a fines de la década de 1930 y se convirtió en uno de los primeros insecticidas para ser utilizados en todo el mundo. Exhibe una fuerte toxicidad para los insectos y bastante baja toxicidad para mamíferos. El aumento de las concentraciones de DDT en el medio ambiente comenzó a amenazar la supervivencia de muchas especies. En respuesta, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) prohibió el uso de DDT en 1972, y fue reemplazado por otros insecticidas ambientalmente más seguros. El lindano se usa en formulaciones para el tratamiento de piojos, mientras que el clordano y el bromuro de metilo se han utilizado para prevenir y tratar las plagas de termitas. El uso de bromuro de metilo se ha regulado recientemente debido a su papel en la destrucción de la capa de ozono.
USOS DE COMPUESTOS ORGANOHALOGENADOS 
En un halogenuro de alquilo, el átomo de halógeno está enlazado a un átomo de carbono con hibridación sp3. El halógeno es más electronegativo que el carbono, y el enlace C-X está polarizado con una carga parcial positiva sobre el carbono y una carga parcial negativa sobre el halógeno. 
Las electronegatividades de los halógenos aumentan en el orden
Las longitudes de enlace carbono-halógeno aumentan según el aumento de tamaño de los átomos del halógeno en el orden:
Estos dos efectos son opuestos entre sí, los halógenos más grandes tienen enlaces más grandes pero tienen electronegatividades más débiles. El resultado global es que los momentos dipolares de enlace aumentan en el orden:
PROPIEDADES
Los halógenos más pesados son más grandes y tienen áreas superficiales mucho más grandes. Como resultado, los puntos de ebullición de los haluros de etilo aumentan en el orden F< Cl < Br < I. Al igual que sus puntos de ebullición, sus densidades siguen una tendencia predecible. Los fluoruros de alquilo y los cloruros de alquilo (aquellos con sólo un átomo de cloro) son menos densos que el agua (1.00 g/mL). Los cloruros de alquilo con dos o más átomos de cloro son más densos que el agua, y todos los bromuros y yoduros de alquilo también son más densos que el agua.
Los compuestos orgánicos que tienen un átomo electronegativo, o un grupo atractor de electrones, unido a un carbono con hibridación sp3 experimentan reacciones de sustitución y/o de eliminación. En una reacción de sustitución, el átomo electronegativo es reemplazado por otro átomo o grupo de átomos. En una reacción de eliminación, el átomo electronegativo es eliminado junto con un hidrógeno de un carbono adyacente. El átomo o grupo que es sustituido o eliminado en estas reacciones se llama grupo saliente. La reacción de sustitución se llama, con más propiedad, reacción de sustitución nucleofílica porque el átomo o grupo que sustituye al grupo saliente es un nucleófilo (Y-). 
Los halogenuros de alquilo constituyen una familia de compuestos adecuada para iniciar el estudio de las reacciones de sustitución y eliminación (deshidrohalogenación) porque tienen buenos grupos salientes, esto es, los iones haluro se desplazan con facilidad.
Cuanto más débil sea la basicidad de un grupo mejor será su capacidad como grupo saliente porque las bases débiles son bases estables; con facilidad retienen los electrones que antes compartían con un protón o con el carbono (halogenuros de alquilo)
El mejor grupo saliente
El peor grupo saliente
Durante la década de 1930-40, Ingold y Hughes (University College, Londres) investigaron las reacciones de sustitución para dilucidar el mecanismo por el cual transcurren. En base a sus observaciones, propusieron dos mecanismos diferentes para las reacciones de sustitución nucleofílica y, sugirieron que cada mecanismo ocurre bajo un conjunto específico de condiciones. 
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN
Mediante un mecanismo concertado
Mediante un mecanismo paso a paso
Ambos mecanismos implican un ataque nucleofílico y la pérdida de un grupo saliente. En el primer mecanismo, ambos eventos ocurren simultáneamente, es decir, ocurren de manera concertada. En cambio, en el segundo mecanismo, se producen por separado de forma gradual. Primero el grupo saliente se pierde originando un carbocatión intermediario y luego un nucleófilo ataca el carbocatión en un paso separado.
Predominará uno u otro mecanismo dependiendo de:
- la estructura del derivado halogenado
- la reactividad del nucleófilo
- la concentración del derivado halogenado
- el solvente de la reacción
1.- Evidencias de un proceso concertado: 
Velocidad = k [haluro de alquilo] [nucleófilo] 
- Cinética 
Con base en sus observaciones, Ingold y Hughes concluyeron que el mecanismo debe exhibir un solo paso en el que el halogenuro de alquilo y el nucleófilo colisionan entre sí y, como ese paso involucra dos entidades químicas, se dice que es bimolecular. Ingold y Hughes acuñaron el término SN2 para referirse a las reacciones de sustitución nucleofílica bimolecular 
- Estereoespecificidad de las reacciones SN2
Otra evidencia crucial, llevó a Ingold y Hughes a proponer un mecanismo concertado. Cuando la posición α es un centro quiral, generalmente se observa un cambio en la configuración.
Esta reacción procede con inversión de la configuración. El resultado estereoquímico se llama comúnmente inversión de Walden, en homenaje a Paul Walden, químico alemán que lo observó este hecho por primera vez. El requisito para la inversión de la configuración es que el nucleófilo sólo pueda atacar desde el lado opuesto al grupo saliente. 
Ataque por atrás (retaguardia)
No ocurre un ataque por este lado
k, constante de rapidez
¿Por qué la reacción ocurre a través de un ataque por retaguardia?
1.- Los pares solitarios del grupo saliente crean regiones de alta densidad electrónica que bloquean efectivamente el lado frontal del sustrato, por lo que el nucleófilo sólo puede acercarse por el lado posterior.
2.- Según la teoría OM, la densidad de electrones fluye desde HOMO del nucleófilo en el LUMO del electrófilo. Si un nucleófilo ataca al bromuro de metilo, por ejemplo, desde el lado frontal, el nucleófilo encontrar un nodo y como resultado, no se producirá un enlace neto por la superposición entre el HOMO del nucleófilo y el LUMO del electrófilo. Por el contrario, el ataque nucleofílico desde el lado posterior permite superposición eficiente entre el HOMO del nucleófilo y el LUMO del electrófilo.
El resultado estereoquímico observado para un mecanismo SN2 es la inversión de la configuración y, es consistente con un mecanismo concertado. El nucleófilo ataca con pérdida simultánea del grupo saliente. Esto hace que el centro quiral se comporte como un paraguas que es invertido por el viento. Esta reacción es estereoespecífica, porque la configuración del producto depende de la configuración del material de partida.
Estado de transición
- Efecto de la estructura del halogenuro de alquilo sobre la velocidad de las reacciones SN2
Estado de transición con alta interacción estérica
bromuro de terc-butilo (3°)
Diagrama de energía que muestra la reacción entre un ion cianuro y el bromuro de metilo por un mecanismo SN2
El punto más alto de la curva representa el estado de transición. La energía relativa de este estado de transición determina la velocidad de la reacción. Si el estado de transición tiene alta energía de activación (Ea) la velocidadserá lenta. Si el estado de transición implica una Ea pequeña y la velocidad será rápida. 
El término nucleofilicidad se refiere a la velocidad a la que un nucleófilo atacará a un electrófilo adecuado. Un buen nucleófilo dará una reacción SN2 relativamente rápida, mientras que un reactivo poco nucleofílico dará una reacción SN2 relativamente lenta. Por esta razón, se requiere generalmente un buen nucleófilo para una reacción de SN2 eficiente y práctica
- Efecto de la fuerza del nucleófilo sobre las reacciones de SN2
Reacción extremadamente lenta
La basicidad está definida por la constante de equilibrio para sustraer un protón
La nucleofilia se define como la rapidez de ataque a un átomo de carbono electrofílico
Entonces:
terc-butóxido (impedido)
Base más fuerte, nucleófilo más débil
- Efecto del disolvente sobre las reacciones de SN2
Las bases débiles interaccionan débilmente con los disolventes próticos, mientras que las bases fuertes interaccionan con más fuerza porque comparten mejor sus electrones. En consecuencia, es más fácil romper las interacciones ion-dipolo entre un ion yoduro (una base débil) y el disolvente, que entre un ion fluoruro (una base más fuerte) y el disolvente. El resultado es que, en un disolvente prótico, un ion yoduro es mejor nucleófilo que un ion fluoruro
Evidencias de un proceso paso a paso: 
La reacción entre 2-bromo-2-metilpropano con agua es sorprendentemente rápida. De hecho, es más de 1 millón de veces más rápida que la reacción del bromoetano (compuesto sin impedimento estérico) y agua. Es claro que la reacción debe efectuarse mediante un mecanismo distinto al de una reacción SN2.
- Cinética 
velocidad = k[halogenuro de alquilo]
k, constante de rapidez
La rapidez de la reacción sólo depende de la concentración de un reactivo. Entonces, se trata de una reacción de primer orden. La reacción entre el 2-bromo-2-metilpropano y el agua es una reacción SN1 donde “S” significa sustitución, “N” significa nucleofílica y “1” significa unimolecular.
Unimolecular indica que sólo interviene una molécula en el estado de transición del paso determinante de la rapidez de la reacción.
X
X
El mecanismo de una reacción SN1 se basa en las siguientes evidencias experimentales: 
La cinética de reacción indica que la rapidez sólo depende de la concentración del halogenuro de alquilo; esto quiere decir que el estado de transición del paso determinante de la rapidez de la reacción sólo implica al halogenuro de alquilo.
Cuando los grupos metilo del 2-bromo-2-metilpropano se sustituyen en forma sucesiva por hidrógenos, la rapidez de la reacción SN1 disminuye en forma progresiva. Es lo contrario del patrón de reactividades que presentan los halogenuros de alquilo en reacciones SN2. 
La reacción de sustitución de un halogenuro de alquilo, en el que el halógeno está unido a un carbono asimétrico, origina dos estereoisómeros: uno con la misma configuración relativa que tenía el halogenuro de alquilo reaccionante y el otro, con la configuración invertida.
A diferencia de una reacción SN2, donde el grupo saliente se va y el nucleófilo se acerca al mismo tiempo, el grupo saliente en una reacción SN1 se aleja antes de que el nucleófilo se acerque.
En el primer paso de una reacción SN1 de un halogenuro de alquilo se rompe el enlace carbono-halógeno y el par de electrones que antes se compartía permanece con el halógeno. El resultado es que se forma un carbocatión intermediario. 
 En el segundo paso, el nucleófilo reacciona con rapidez con el carbocatión para formar un alcohol protonado. 
El último paso implica una rápida transferencia de protón.
- Efecto de la estructura del halogenuro de alquilo sobre la velocidad de las reacciones SN1
Diagrama de energía general para una reacción que ocurre a través de un mecanismo SN1
RX
RX
- Estereoquímica de las reacciones SN1
inversión
retención
Un carbocatión es planar, y cualquiera de los dos lados podría ser atacado por el Nü con igual probabilidad, sin embargo…
Como el paso que determina la rapidez de una reacción SN1 es la disociación del halogenuro de alquilo para formar un carbocatión, hay dos factores que afectan esa rapidez: 1) la facilidad de disociación del grupo saliente y 2) la estabilidad del carbocatión que se forme. Como en el caso de una reacción SN2, en una reacción SN1 también hay una relación directa entre la basicidad y la capacidad del grupo saliente: mientras más débil sea la base menos fuertemente está unida al carbono y con más facilidad se puede romper el enlace carbono-halógeno.
- Efecto del disolvente sobre las reacciones de SN1
La reacción SN1 se lleva a cabo mucho más fácilmente en disolventes polares que estabilizan los iones. Como esta reacción ocurre con el disolvente actuando como nucleófilo, se conoce como solvólisis (solvo por “disolvente” y lisis que significa “separación”). Por lo tanto, las reacciones SN1 requieren disolventes muy polares que solvaten fuertemente a los iones. Los disolventes próticos como los alcoholes y el agua, son muy eficaces ya que los aniones forman enlaces de hidrógeno con el átomo de hidrógeno del -OH, y los carbocationes se estabilizan a través de interacciones con los electrones no enlazados del átomo de oxígeno del -OH.
Una medida de la capacidad de un disolvente para solvatar iones es su constante dieléctrica (e), y es una medida de la polaridad del disolvente. Aunque la mayoría de los halogenuros de alquilo no son solubles en agua, con frecuencia se disuelven en mezclas muy polares de acetona y alcoholes con agua.
Constantes dielétricas (e) y rapidez de ionización del cloruro de terc-butilo en disolventes comunes
- Reordenamientos en las reacciones de SN1
	Competencia SN1 vs SN2
	Sustitución Nucleofílica bimolecular 
SN2
	Sustitución Nucleofílica unimolecular 
SN1
	Cinética	reacción de segundo orden, v=kr[RX][Nu]
	reacción de primer orden, V=kr[RX]
	Mecanismo	concertado (ET)	Reacción en dos pasos con formación de carbocatión intermediario
	RX
	XCH3 > RX 1° > RX 2° > RX 3°
	RX 3° > RX 2° >> RX 1° >> XCH3 
	Nucleófilo	buenos nucleófilos, fuertes
	nucleófilos débiles (agua y alcoholes)
	Solvente
	polar aprótico
	Polar prótico
	Estereoquímica	Inversión de la configuración	Racemización más inversión
	Reordenamientos	Imposibles	Comunes
- Reacciones SN1 y SN2 en derivados halogenados bencílicos, alílicos, vinílicos y arílicos
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA
Química Orgánica, Cap. 6, D. Klein, Editorial Panamericana.
Química Orgánica, L. G. Wade Jr., Ed. Pearson, Prentice Hall.
Química Orgánica, P. Yurkanis Bruice, Ed. Pearson, Prentice Hall.
NOTA: las figuras utilizadas para la elaboración de esta presentación fueron tomadas de la bibliografía recomendada. 
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