En química , una sustitución nucleófila es una clase de reacciones químicas en las que una especie química rica en electrones (conocida como nucleófilo ) reemplaza un grupo funcional dentro de otra molécula deficiente en electrones (conocida como electrófilo ). La molécula que contiene el electrófilo y el grupo funcional saliente se llama sustrato . [1] [2]
La forma más general de la reacción se puede dar de la siguiente manera:
El par de electrones ( : ) del nucleófilo (Nuc) ataca al sustrato ( R−LG ) y se une a él. Al mismo tiempo, el grupo saliente (LG) sale con un par de electrones. El producto principal en este caso es R−Nuc . El nucleófilo puede ser eléctricamente neutro o cargado negativamente, mientras que el sustrato suele ser neutro o cargado positivamente.
Un ejemplo de sustitución nucleofílica es la hidrólisis de un bromuro de alquilo , R-Br, en condiciones básicas, donde el nucleófilo atacante es hidroxilo ( OH − ) y el grupo saliente es bromuro ( Br − ).
Las reacciones de sustitución nucleofílica son comunes en la química orgánica . Los nucleófilos suelen atacar a un carbono alifático saturado . Con menos frecuencia, pueden atacar un carbono aromático o insaturado. [3]
En 1935, Edward D. Hughes y Sir Christopher Ingold estudiaron reacciones de sustitución nucleofílica de haluros de alquilo y compuestos relacionados. Propusieron que había dos mecanismos principales en funcionamiento, y ambos competían entre sí. Los dos mecanismos principales fueron la reacción SN 1 y la reacción SN 2 , donde S significa sustitución, N significa nucleófilo y el número representa el orden cinético de la reacción. [4]
En la reacción S N 2, la adición del nucleófilo y la eliminación del grupo saliente tienen lugar simultáneamente (es decir, una reacción concertada ). S N 2 ocurre cuando el átomo de carbono central es fácilmente accesible para el nucleófilo. [5]
En las reacciones S N 2, existen algunas condiciones que afectan la velocidad de la reacción. En primer lugar, el 2 en S N 2 implica que hay dos concentraciones de sustancias que afectan la velocidad de reacción: sustrato (Sub) y nucleófilo. La ecuación de velocidad para esta reacción sería Rate=k[Sub][Nuc]. Para una reacción S N 2, lo mejor es un disolvente aprótico , como acetona, DMF o DMSO. Los disolventes apróticos no añaden protones ( iones H + ) a la solución; Si los protones estuvieran presentes en las reacciones S N 2, reaccionarían con el nucleófilo y limitarían gravemente la velocidad de reacción. Dado que esta reacción ocurre en un solo paso, los efectos estéricos impulsan la velocidad de reacción. En el paso intermedio, el nucleófilo está a 185 grados del grupo saliente y la estereoquímica se invierte a medida que el nucleófilo se une para formar el producto. Además, debido a que el intermediario está parcialmente unido al nucleófilo y al grupo saliente, no hay tiempo para que el sustrato se reorganice: el nucleófilo se unirá al mismo carbono al que estaba unido el grupo saliente. Un último factor que afecta la velocidad de reacción es la nucleofilicidad; el nucleófilo debe atacar a un átomo distinto del hidrógeno.
Por el contrario, la reacción S N 1 implica dos pasos. Las reacciones SN 1 tienden a ser importantes cuando el átomo de carbono central del sustrato está rodeado por grupos voluminosos, porque dichos grupos interfieren estéricamente con la reacción SN 2 (discutida anteriormente) y porque un carbono altamente sustituido forma un carbocatión estable .
Al igual que las reacciones S N 2, existen bastantes factores que afectan la velocidad de reacción de las reacciones S N 1. En lugar de tener dos concentraciones que afectan la velocidad de reacción, solo hay un sustrato. La ecuación de tasa para esto sería Tasa=k[Sub]. Dado que la velocidad de una reacción sólo está determinada por su paso más lento, la velocidad a la que el grupo saliente "sale" determina la velocidad de la reacción. Esto significa que cuanto mejor sea el grupo saliente, más rápida será la velocidad de reacción. Una regla general sobre lo que constituye un buen grupo saliente es que cuanto más débil sea la base conjugada, mejor será el grupo saliente. En este caso, los halógenos serán los mejores grupos salientes, mientras que compuestos como aminas, hidrógeno y alcanos serán grupos salientes bastante pobres. Como las reacciones S N 2 se vieron afectadas por los estéricos, las reacciones S N 1 están determinadas por grupos voluminosos unidos al carbocatión. Dado que hay un intermedio que en realidad contiene una carga positiva, los grupos voluminosos unidos ayudarán a estabilizar la carga en el carbocatión mediante resonancia y distribución de carga. En este caso, el carbocatión terciario reaccionará más rápido que un secundario, que reaccionará mucho más rápido que un primario. También se debe a este intermediario carbocatión que el producto no tiene por qué tener inversión. El nucleófilo puede atacar desde arriba o desde abajo y, por tanto, crear un producto racémico. Es importante utilizar un disolvente prótico, agua y alcoholes, ya que un disolvente aprótico podría atacar al intermedio y provocar un producto no deseado. No importa si los hidrógenos del disolvente prótico reaccionan con el nucleófilo ya que el nucleófilo no participa en el paso de determinación de la velocidad.
Hay muchas reacciones en química orgánica que involucran este tipo de mecanismo. Los ejemplos comunes incluyen:
Un ejemplo de una reacción de sustitución que tiene lugar mediante el llamado mecanismo límite , tal como lo estudiaron originalmente Hughes e Ingold [6], es la reacción del cloruro de 1-feniletilo con metóxido de sodio en metanol.
La velocidad de reacción se calcula como la suma de los componentes S N 1 y S N 2, teniendo lugar el 61% (3,5 M, 70 °C) en este último.
Además de S N 1 y S N 2, se conocen otros mecanismos, aunque menos comunes. El mecanismo S N i se observa en las reacciones del cloruro de tionilo con alcoholes y es similar al S N 1 excepto que el nucleófilo se libera del mismo lado que el grupo saliente.
Las sustituciones nucleofílicas pueden ir acompañadas de un reordenamiento alílico como se observa en reacciones como el reordenamiento de Ferrier . Este tipo de mecanismo se denomina reacción S N 1' o S N 2' (dependiendo de la cinética). Con haluros o sulfonatos alílicos , por ejemplo, el nucleófilo puede atacar al carbono γ insaturado en lugar del carbono que lleva el grupo saliente. Esto se puede observar en la reacción de 1-cloro-2-buteno con hidróxido de sodio para dar una mezcla de 2-buten-1-ol y 1-buten-3-ol:
El mecanismo Sn1CB aparece en la química inorgánica . Existen mecanismos competitivos. [7] [8]
En química organometálica, la reacción de abstracción nucleófila se produce con un mecanismo de sustitución nucleófila.
La sustitución nucleofílica mediante el mecanismo S N 1 o S N 2 generalmente no ocurre con haluros de vinilo o arilo o compuestos relacionados. Bajo ciertas condiciones, pueden ocurrir sustituciones nucleofílicas, a través de otros mecanismos como los descritos en el artículo sobre sustitución aromática nucleofílica .
Cuando la sustitución ocurre en el grupo carbonilo , el grupo acilo puede sufrir una sustitución acilo nucleófila . Este es el modo normal de sustitución con derivados de ácidos carboxílicos como cloruros de acilo , ésteres y amidas .
