Este documento describe las reacciones de sustitución nucleofílica (SN) de derivados halogenados. Explica los mecanismos SN1 y SN2, los factores que afectan a cada mecanismo como la estructura del sustrato, la naturaleza del nucleófilo y grupo saliente, y el efecto del disolvente. También cubre sustituciones nucleofílicas aromáticas.

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TEMA 13.- Derivados halogenados. Reacciones SN. Clasificación y características
generales. Sustitución nucleofílica. Mecanismos SN2 y SN1. Estereoquímica de las
reacciones SN. Factores con influencia en la velocidad de reacción de las
reacciones de SN. Reacciones de SN aromáticas.
Estructura
Los derivados halogenados son compuestos orgánicos que contienen uno o más
halógenos en su molécula. Se les denomina haluros o halogenuros Los haluros de
alquilo son los derivados halogenados de mayor importancia, ya que se utilizan
como base para la síntesis de muchos compuestos orgánicos.
Uno, o más, enlaces C-H han sido sustituidos por enlaces C-X (X= F, Cl, Br, I).
DERIVADOS HALOGENADOS
Propiedades Físicas de los Haluros de Alquilo
- Compuestos polares
- Los haluros de alquilo presentan densidades y puntos de ebullición más
altos que los de sus correspondientes alcanos.
CH3-CH2-CH2-CH3 CH3-CHI-CH2-CH3
2-yodobutano
Peso molecular: 183,9
Butano
Peso molecular: 58
- Solubilidad: Los haluros de alquilo son insolubles en agua y solubles en
compuestos orgánicos debido a que no forman puentes de hidrógeno.
-Buenos disolventes.
-Los halogenuros de alquilo se emplean como disolventes industriales,
refrigerantes, plaguicidas.

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Los haloalcanos que tienen un solo átomo de F o Cl son menos densos que el agua.
Los haloalcanos que tienen dos o más átomos de F o Cl son más densos que el agua.
Los haloalcanos con Br e I son siempre más densos que el agua.
Sustitución nucleofílica: SN1 y SN2
Eliminación: E1 y E2
Reactividad

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C
H
C
X
+ Nu - C
H
C
Nu
+ X-
C
H
C
X
+ C C + X-
B- + BH
Sustitución nucleofílica
Eliminación
Sustrato: Recibe este nombre la molécula en la cual tiene lugar la sustitución.
Reactivo o grupo entrante: Es el átomo o grupo de átomos que ataca al
sustrato.
Grupo saliente: Es el átomo o grupo de átomos que es expulsado del sustrato.
Producto: Es el resultado de la sustitución del grupo saliente por el nucleófilo.
R-X + Nu-
R-Nu + X-
Sustrato Reactivo Producto Grupo saliente
Sustitución nucleofílica
Cuando el reactivo es un nucleófilo se produce una sustitución nucleofílica.

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Aniones: Br-, I-, OH-, RS-, Acetiluro -, CN-, R-COO-, RO-
Neutros: H2O, NH3, R-NH2, R2-NH, R3-N
NUCLEOFILOS
R-X + I-
R-I + X- (derivados halogenados)
R-X + OH-
-
R-OH + X- (alcoholes)
R-X + R’O --
R-OR' + X- (éteres)
R-X + RCOO--
R-COOR + X- (ésteres)
R-X + H2O R-OH2
+ + X- -H
+
R-OH (alcoholes)
R-X + NH3 R-NH3
+ + X
- -H
+
R-NH2 (aminas)
R-X + CN-
R-CN + X- (nitrilos)
R-X + R’S--
R-S-R’ + X- (sulfuros)
Atomos: Cl-, Br-, I- (En orden de mejor grupo saliente)
Conjunto de átomos: OH2 (agua)
NH3 (amoníaco)
Anión Tosilato (p-toluensulfonato, TsO-)
GRUPOS SALIENTES
S
-
O
O
O
S
RO
O
O
Nu- +
(ROTs)
Nu-R +
ROH + TsCl

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Mecanismo SN2
El carbono presenta hibridación sp2
en el ET. Su orbital p remanente
mantiene enlaces transitorios con
el nucleófilo y el grupo saliente. Los
grupos H están en un plano.

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Estereoquímica de la reacción

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Factores que afectan a la SN2
Estructura del sustrato
Naturaleza del nucleófilo
Naturaleza del grupo saliente
Efectos del disolvente

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Efecto de la estructura del sustrato en la reacción SN2
Puesto que el nucleófilo interviene en el paso clave de la reacción, la naturaleza del
nucleófilo afecta a la velocidad de las reacciones SN2.
Lo lógico sería esperar que los buenos nucleófilos fuesen también buenos dadores
de electrones, es decir, buenas bases de Lewis. Este razonamiento es válido es
muchos casos, sobre todo cuando se comparan especies cuyo átomo nucleofílico
es el mismo.
Por ejemplo, el CH3OH y su base conjugada, el anión metóxido CH3O-, son
nucleófilos y además el ión metóxido,que es más básico que el metanol, es también
más nucleofílico.
Naturaleza del nucleófilo

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Normalmente, la base conjugada de un nucleófilo es más nucleofílica que su
ácido conjugado:
La nucleofilia disminuye de izquierda a derecha en la tabla periódica.
Los elementos más electronegativos tienen los pares de electrones solitarios
sujetos con más fuerza al núcleo, son menos polarizables, y por tanto son menos
reactivos en la formación de nuevos enlaces:
Al bajar a lo largo de una columna del sistema periódico disminuye la basicidad
pero aumenta la nucleofília.
Al aumentar el número atómico los átomos son más grandes y los electrones de
valencia están más lejos del núcleo. Los electrones son más fácilmente
polarizables. Su nube electrónica de valencia se puede deformar con más facilidad
por la acción de una carga externa. La mayor movilidad de los electrones aumenta
la capacidad del nucleófilo para comenzar a formar el enlace a una distancia
relativamente grande lo que se traduce en un aumento de la velocidad de la
reacción.

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Efecto del grupo saliente
Las bases débiles son buenos grupos salientes.
La reacción SN2 será más fácil si se efectúa sobre un sustrato que contiene un
buen grupo saliente.
Un grupo que sea capaz de acomodar su densidad electrónica será poco básico y,
por tanto, buen grupo saliente.
Los factores que afectan a la estabilidad electrónica son:
El tamaño
La electronegatividad
La deslocalización por resonancia

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Efectos del disolvente
La velocidad de las reacciones SN2 depende del tipo de disolvente utilizado en el
proceso. Por ejemplo, la reacción SN2 del yoduro de metilo con el ión acetato
para dar acetato de metilo es aproximadamente unas 10 millones de veces más
rápida en dimetilformamida (DMF) que en metanol.
En una gran mayoría de las reacciones SN2 participan especies cargadas, ya sea
en la parte del nucleófilo o en los productos. Por esta razón la velocidad de una
reacción SN2 aumenta, por lo general, al aumentar la polaridad del disolvente.

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Tipos de disolventes
Aumento
de
polaridad
Próticos: Tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por ello, son
capaces de formar puentes de hidrógeno.
Los próticos o hidróxilicos: el agua (H2O), los ácidos carboxílicos (RCOOH) y los
alcoholes (ROH).
Apróticos: No tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por ello, no
forman enlaces de hidrógeno.
Los apróticos: el resto de la tabla anterior.

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Si el nucleófilo de una reacción SN2 es un anión, la velocidad de la
reacción aumentará al pasar de un disolvente polar prótico (agua,
alcoholes) a un disolvente polar aprótico (DMF, DMSO, HMPA).
En un disolvente prótico el anión se encontrará solvatado por formación
de puentes de hidrógeno. En consecuencia, se necesitará consumir
energía adicional para quitar algunas moléculas de disolvente de la
esfera de solvatación, a fin de que el anión pueda atacar al sustrato.
En el siguiente esquema se describe la esfera de solvatación del ión
cloruro en agua y el estado de transición de la reacción SN2 que
requiere la separación de alguna molécula de disolvente para que el ión
cloruro pueda atacar al sustrato:
Los disolventes polares apróticos (DMSO, DMF) no poseen grupos hidroxilo y por
tanto no pueden solvatar a los aniones. Si la misma reacción SN2 se lleva a cabo
en un disolvente polar aprótico no se necesitará consumir energía adicional para
retirar moléculas de disolvente de la esfera de solvatación y por tanto la reacción
será mucho más rápida, en comparación con la misma reacción efectuada en el
disolvente prótico.

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Cuando el bromuro de t-butilo se trata con NaOH no se obtiene el alcohol t-butílico, a pesar de que
el ión hidróxido es un buen nucleófilo y por tanto debería sustituir al bromo. Por el contrario,
cuando el bromuro de t-butilo se calienta en agua si se obtiene el t-butanol. En este caso, el H2O,
nucleófilo mucho más débil que el ión hidróxido, si que es capaz de sustituir al bromo.
Mecanismo SN1

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El perfil de energía de una reacción SN1 es:
mezcla racémica
Estereoquímica de la reacción
El átomo de carbono de un carbocatión presenta hibridación sp2, con los grupos
enlazados a este átomo ordenados en un plano y con un orbital p vacío
perpendicular a dicho plano. El carbocatión puede ser atacado desde el lado que
dejó el grupo saliente, lo que produce retención de la configuración, o desde el
lado opuesto, lo que produce inversión de la configuración.

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Factores que afectan a la SN1
Estructura del sustrato
Naturaleza del grupo saliente
Efectos del disolvente
Efectos de la estructura del sustrato
Los halogenuros de alquilo más sustituidos son más reactivos en la reacción SN1
que los menos sustituidos.
El orden de reactividad de los sustratos, en un proceso SN1, es el mismo que el
orden de estabilidad de los carbocationes. Esto se debe a que el paso que
determina la velocidad de un proceso SN1 es el paso que genera el carbocatión.

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Efectos del grupo saliente
En las reacciones SN1 el nucleófilo no participa en la etapa de formación del
carbocatión, que es la que determina la velocidad, pero el grupo saliente está
siendo desplazado en esta etapa. Por lo tanto, la reacción SN1 necesita de un buen
grupo saliente por las mismas razones que lo necesita la reacción SN2. Un buen
grupo saliente ayuda a estabilizar la energía del estado de transición, estabilizando
la carga negativa que se desarrolla en este punto del mecanismo.
Los buenos grupos salientes son las bases débiles, o sea los mismos grupos que
son buenos grupos salientes en los procesos SN2.
Efectos del disolvente
La reacción SN1 ocurre más rápidamente en disolventes polares que sean capaces de
solvatar a los iones puesto que en el paso determinante de la velocidad de la
reacción SN1 se forman iones. Los disolventes polares, como el agua y los alcoholes,
solvatan eficazmente a las especies cargadas y por tanto disminuyen la energía de
los iones y, en consecuencia, disminuyen también la energía del estado de transición
De la tabla anterior se deduce que la formación del carbocatión t-butilo es muy rápida
en los disolventes muy polares (los que tienen mayor constante dieléctrica).

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Transposiciones de carbocationes en las reacciones SN1
Cuando el 2-bromo-3-metilbutano se calienta a reflujo en etanol se obtiene una
mezcla de 2-etoxi-3-metilbutano y de 2-etoxi-2-metilbutano:
El 2-etoxi-3-metilbutano es el producto que se espera de un proceso SN1. El
mecanismo que explica la formación de este compuesto se da a continuación:

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Comparación entre el mecanismo SN2 y el SN1

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Los nucleófilos pueden efectuar reacciones de sustitución sobre un anillo
aromático si el anillo aromático presenta, en posición orto o para, grupos
fuertemente electrón-atrayentes.
En el siguiente ejemplo, el átomo de cloro del 2,4-dinitroclorobenceno es
sustituido por el grupo hidroxilo mediante la reacción del compuesto
aromático con hidróxido sódico a elevada temperatura:
Reacción de Sustitución Nucleofílica Aromática
Mecanismo de la reacción de Sustitución Nucleofílica Aromática
Adición
Eliminación