SUSTITUCION NUCLEOFILICA

1. Las reacciones de sustitución se clasifican en diferentes tipos
según si el reactivo que lleva a cabo la sustitución es un
nucleófilo, un electrófilo o un radical libre o si el sustrato es
alifático o aromático. El entendimiento detallado de las
diferentes reacciones de sustitución ayuda a predecir el
producto resultante. Esto además permite optimizar una
reacción respecto a variables como la temperatura o la
elección del disolvente.
Halogenación radicalaria
En alcanos:
RH + X2 → RX + HX
Sustitución nucleófila
Reacción SN2:
Nu- + CH X → NuCH + X-
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN

2. Reacción SN1:
(CH3)3CX → (CH3)3C+ + X- (Reacción de equilibrio)
(CH3)3C+ + Nu- → (CH3)3CNu
Adición-eliminación en derivados de ácidos carboxílicos
(sustitución nucleófila acílica):
Sustitución nucleófila aromática:

3. Sustitución electrófila aromática
SUSTITUCIÓN POR RADICALES LIBRES
En química orgánica, una reacción de sustitución
radicalaria es una reacción de sustitución que involucra
radicales libres como un intermediario de reacción.
La reacción siempre involucra dos pasos como mínimo, y
posiblemente un tercero.

5. En el primer paso, denominado iniciación (2,3), se crea un
radical libre por homólisis. La homólisis puede ser llevada a
cabo por calentamiento o irradiación, pero también mediante
un iniciador de radicales, como un peróxido orgánico o un
azocompuesto. La luz es usada para crear dos radicales
libres a partir de especies diatómicas. El paso final es
denominado terminación (6,7), en el que el radical se
recombina con otra especie radical. Si la reacción no es
terminada, sino que el grupo radical participa en una
reacción posterior, las etapas donde se forman nuevos
radicales y reaccionan posteriormente es denominada
colectivamente como propagación (4,5), porque se crea un
nuevo radical disponible para reacciones secundarias.
Reacciones de sustitución radicalaria
En las reacciones de halogenación radicalaria, la sustitución
radicalaria tiene lugar con reactantes halógenos y sustratos

6. Un ejemplo es la hidroxilación de benceno por el reactivo de
Fenton. Muchas reacciones de oxidación y reducción en química
orgánica tienen intermediarios radicales libres, por ejemplo la
oxidación de aldehídos a ácidos carboxílicos con ácido crómico.
Las reacciones de copulación también pueden ser consideradas
como sustituciones radicalarias. Ciertas sustituciones aromáticas
tienen lugar por sustitución aromática nucleofílica radicalaria. La
auto-oxidación es un proceso responsable del deterioro de las
pinturas y frutas, y de peligros en los laboratorios como el peróxido
de éter dietílico.
Otras reacciones de sustitución radicalaria son:
• La desoxigenación de Barton-McCombie es una forma de
sustituir un grupo hidroxilo por un protón.
• La reacción de Wohl-Ziegler involucra la bromación alílica de
alquenos.
• La reacción de Hunsdiecker convierte sales de plata de ácidos
carboxílicos a haluros de alquilo.

7. • La reacción de Dowd-Beckwith involucra la expansión de un anillo de β-
cetoésteres cíclicos
• La reacción de Barton involucra la síntesis de nitrosoalcoholes a partir de
nitritos.
Halogenación radicalaria
Una parte importante de la química de los alcanos implica
reacciones de radicales libres, que tienen lugar en condiciones
vigorosas y dan generalmente mezclas de productos. Se necesita
una partícula reactiva típicamente, un átomo o un radical libre
para iniciar el ataque a una molécula de alcano. Es la generación
de esta partícula reactiva lo que necesita las condiciones
vigorosas.
Durante su ataque, la partícula reactiva le quita hidrógeno al
alcano, con lo que éste se transforma en una partícula reactiva
que continúa la secuencia de la reacción; es decir, mantiene la
cadena. Sin embargo, la molécula del alcano contiene muchos
átomos de hidrógeno, por lo que el producto específico que se

8. obtenga dependerá de cuál de ellos se extrae. Aunque una
partícula atacante puede exhibir cierta selectividad, puede extraer
un hidrógeno de cualquier parte de la molécula, provocando la
formación de muchos productos isómeros.
La sustitución en si procede en 3 pasos:
1. Iniciación: Los radicales iniciales son formados, p.ej. la
formación de radicales de bromo por luz.
2. Propagación (reacción en cadena): Los radicales formados
reaccionan, no sólo el producto es formado, pero también un
nuevo radical que mantiene la reacción.
3. Terminación: Los radicales recombinan entre si, ningún otro
radical es formado, la reacción termina

10. Como es de esperar, la halogenación de los alcanos superiores
es esencialmente igual a la del metano. Sin embargo, puede
complicarse por formación de mezclas de isómeros.
De un solo alcano puede generarse cualquiera de varios
productos isómeros, dependiendo del átomo de hidrógeno
reemplazado. Así, el etano puede dar un solo haloetano; el
propano, el n-butano y el isobutano pueden generar dos
isómeros cada uno; el n-pentano, tres, y el isopentano, cuatro.
Se ha comprobado experimentalmente que al halogenar un
alcano se forma una mezcla de todos los productos isómeros
posibles, lo que indica que todos los átomos de hidrógeno son
susceptibles al reemplazo. Para la cloración, por ejemplo:
Alcanos abiertos de más de dos átomos de carbono, presentan
más de un tipo de hidrógeno. Por ejemplo:

11. CH3 CH2 CH3
hidrógenos 1ºs
hidrógeno 2º
CH3 CH
CH3
CH3
hidrógeno 3º
hidrógenos 1ºs
En la reacción de estos alcanos con los halógenos, es fundamental tener
en cuenta la energía de los enlaces C-H. Se sabe que, distintos átomos de
hidrógeno tienen diferente energía de enlace:
terciario 91
secundario 94
primario 98
tipo de hidrógeno energía Kcal/mol
HC
HC
HCC
C
C
C
C
C

12. Mientras menor sea la energía del enlace, más fácil y rápida es la
reacción de propagación. Así, dado un halógeno, por ejemplo el
Cl2, el radical Cl.en la reacción de propagación sacará más rápido
un hidrógeno terciario que uno secundario o uno primario.
CH3 CH
CH3
CH2 CH3 + Cl
(CH )
23 CHCH2CH2
(CH )3 2
CCH2CH3
(CH )
23
CHCHCH3
+ HCl
+ HCl
+ HCl
dH = - 5 Kcal / mol
dH = - 9 Kcal / mol
dH = -12 Kcal / mol

13. Y mientras más negativo es H, más fácil será la reacción.
Como conclusión, puede decirse que los hidrógenos de un alcano
superior reaccionarán con un halógeno más rápidamente según el
orden:
Orientación de la halogenación
Este es un problema que encontramos una y otra vez al estudiar
un compuesto que presente más de un lugar reactivo frente al
ataque de una sustancia. Se trata de un problema
importante, porque la orientación determina el producto que se
obtiene.
La orientación queda determinada por la velocidad relativa de
reacciones competitivas.
H 1º < H 2º < H 3º
aumenta la reactividad

14. El estudio de la cloración de muchos alcanos ha demostrado que
éstos son resultados típicos. Considerando las diferencias en el
factor de probabilidad, se ha establecido que la velocidad de
separación de átomos de hidrógeno siempre sigue la secuencia
3º 2º 1º; por ejemplo, a temperatura ambiente la velocidad
relativa por átomos de hidrógeno es 5.0:3.8:1.0. Empleando
estos valores, podemos predecir bastante bien la proporción de
productos isómeros de la cloración de un alcano dado; por
ejemplo:
CH3CH2CH2CH3
CI2
luz, 25ºC
CH3CH2CH2CH2CI + CH3CH2CHCICH3
n-Butano Cloruro de n-butilo Cloruro de sec-butilo
Cloruro de n-butilo
Cloruro de sec-butilo
núm de H 1º
núm de H 2º
X=
reactividad de H 1º
reactividad de H 2º
=
=
6
4
X
1.0
3.8
6
15.2
28%
72%
equivalente a

15. A pesar de estas diferencias en reactividad, raras veces la
cloración produce una preponderancia marcada de un isómero
determinado. En casi todo alcano, como en los ejemplos
estudiados, son más numerosos los hidrógenos menos
reactivos, cuya menor reactividad se compensa con un factor de
probabilidad mayor, con el resultado de que se obtienen
cantidades apreciables de cada isómero.
Para la bromación se encuentra la misma secuencia de
reactividad, 3º 2º 1º, pero con variaciones mucho mayores.
A 127ºC, por ejemplo, la velocidad relativa por átomos de
hidrógeno es de 1600:82:1. En este caso, las diferencias de
reactividad son tan marcadas que prevalecen ampliamente sobre
los factores de probabilidad.
La mejor manera de medir las reactividades relativas de
compuestos diferentes ante un mismo reactivo es por medio del
método de competencia, ya que permite una comparación
cuantitativa exacta en condiciones idénticas de reacción. Se
mezclan cantidades equimolares de dos

16. compuestos que van a ser comparados y se les hace reaccionar
con una cantidad limitada de un reactivo determinado. Puesto
que no hay suficiente reactivo para ambas sustancias, éstas
compiten entre sí, y el análisis de los productos de la reacción
indica qué compuesto consumió mayor proporción del agente, o
sea, indica cuál es el más reactivo.
Si se hacen reaccionar cantidades equimolares de metano y
etano con una pequeña cantidad de cloro, por ejemplo, se
obtiene unas 400 veces más cloruro de etilo que de metilo, lo
que demuestra que el etano es 400 veces más reactivo que el
metano. Considerando el número de hidrógenos en las dos clases
de moléculas, podemos apreciar que cada hidrógeno del etano es
unas 270 veces más reactivo que cada hidrógeno del metano.
CH3CI CI2 C2H5CI
CH4 C2H6
I 400luz, 25ºC

17. Los resultados obtenidos en estudios similares con otros
compuestos son compatibles con la siguiente generalización
sencilla: la reactividad de un hidrógeno depende principalmente
de su tipo, y no del alcano al cual está unido; por ejemplo, cada
hidrógeno primario del propano puede separarse con la misma
facilidad que cada hidrógeno primario del n-butano o isobutano;
cada hidrógeno secundario del propano, tan fácilmente como los
secundarios del n-butano o del n-pentano, etc.
Los hidrógenos del metano corresponden a un tipo especial y son
aún menos reactivos que los primarios, como lo demuestra la
competencia con el etano.
El paso que controla la halogenación es la separación de
hidrógeno por un átomo de halógeno:
R H + X. H X + R.

18. La facilidad relativa de separación de los distintos tipos de
átomos de hidrógeno es:
Facilidad de separación 3º 2º 1º CH4
de átomos de hidrógeno
Esta secuencia es válida (a) para los diversos hidrógenos en un
mismo alcano, por lo que controla la orientación de la reacción,
y (b) para los hidrógenos de alcanos diferentes, por lo que
controla las reactividades relativas.
Con algunas excepciones, la halogenación de los alcanos no es
apropiada para la preparación de halogenuros de alquilo en el
laboratorio. En la cloración, cada producto se forma siempre con
bajo rendimiento, y su separación de los isómeros que lo
acompañan es difícil, puesto que sus puntos de ebullición raras
veces son diferentes entre sí. La bromación de los alcanos casi
no se utiliza.

19. CH3CH3 CH3CH2 CI
CI2
luz, 25ºC
Etano p.e. 13ºC
Cloroetano
Cloruro de etilo
CH3CH2CH3
CI2
luz 25ºC
CH3CH2CH2 CI + CH3CHCH3
CIPropano p.e. 47ºC
1-Cloropropano
Cloruro de n-propilo
45 %
p.e. 36ºC
2-Cloropropano
Cloruro de isopropilo
55 %
CH3CH2CH2CH3 luz 25ºC
CI2
CH3CH2CH2CH2 CI + CH3CH2CHCH3
CIn-Butano
p.e. 78,5 ºC
1-Clorobutano
Cloruro de n-butilo
28 %
p.e. 68 ºC
2-Clorobutano
Cloruro de sec-butilo
72 %
CH3CHCH3
CH3
CI2
luz 25ºC
CH3CHCH2 CI
CH3
+ CH3CCH3
CH3
CIIsobutano p.e. 69ºC
1-Cloro-2-
metilpropano
Cloruro de isobutilo
64 %
p.e. 51 ºC
2-Cloro-2-
metilpropano
Cloruro de t-butilo
36 %

20. La bromación da los bromuros correspondientes, pero en
proporciones diferentes
CH3CH3 CH3CH2Br
luz, 127 ºC
Etano
CH3CH2CH3 CH3CH2CH2Br + CH3CHCH3
BrPropano
CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2Br + CH3CH2CHCH3
Brn-Butano
CH3CHCH3
CH3
CH3CHCH2Br
CH3
+ CH3CCH3
CH3
Br
Isobutano
Br2
Br2
luz, 127 ºC
3 %
97 %
luz, 127 ºC
Br2
2 %
98 %
luz, 127 ºC
Br2
trazas
sobre 99 %