La reacción de sustitución nucleofílica unimolecular ( SN 1 ) es una reacción de sustitución en química orgánica . El símbolo de Hughes-Ingold del mecanismo expresa dos propiedades: "S N " significa " sustitución nucleofílica " y el "1" dice que el paso que determina la velocidad es unimolecular . [1] [2] Por lo tanto, a menudo se muestra que la ecuación de velocidad tiene una dependencia de primer orden del sustrato y una dependencia de orden cero del nucleófilo . Esta relación es válida para situaciones en las que la cantidad de nucleófilo es mucho mayor que la del intermedio. En cambio, la ecuación de velocidad puede describirse con mayor precisión utilizando la cinética de estado estacionario . La reacción involucra un carbocatión intermedio y se ve comúnmente en reacciones de haluros de alquilo secundarios o terciarios en condiciones fuertemente básicas o, en condiciones fuertemente ácidas, con alcoholes secundarios o terciarios . Con haluros de alquilo primarios y secundarios se produce la reacción alternativa S N 2 . En química inorgánica , la reacción S N 1 a menudo se conoce como sustitución disociativa . Esta vía de disociación está bien descrita por el efecto cis . Christopher Ingold et al. introdujeron por primera vez un mecanismo de reacción . en 1940. [3] Esta reacción no depende mucho de la fuerza del nucleófilo, a diferencia del mecanismo S N 2. Este tipo de mecanismo implica dos pasos. El primer paso es la ionización de haluro de alquilo en presencia de acetona acuosa o alcohol etílico. Este paso proporciona un carbocatión como intermediario.
En el primer paso del mecanismo S N 1, se forma un carbocatión que es plano y, por tanto, puede producirse un ataque del nucleófilo (segundo paso) desde cualquier lado para dar un producto racémico, pero en realidad no se produce una racemización completa. Esto se debe a que las especies nucleofílicas atacan al carbocatión incluso antes de que el ion haluros que sale se haya alejado lo suficiente del carbocatión. El ion haluro cargado negativamente protege al carbocatión de ser atacado en la parte frontal, y se prefiere el ataque en la parte posterior, que conduce a la inversión de configuración. Así, el producto real consiste sin duda en una mezcla de enantiómeros, pero predominarían los enantiómeros con configuración invertida y no se produce una racemización completa.
Un ejemplo de una reacción que tiene lugar con un mecanismo de reacción S N 1 es la hidrólisis del bromuro de terc-butilo formando terc -butanol :
Esta reacción S N 1 tiene lugar en tres pasos:
Aunque a menudo se considera que la ley de velocidad de la reacción S N 1 es de primer orden en el haluro de alquilo y de orden cero en el nucleófilo, esta es una simplificación que es cierta sólo bajo ciertas condiciones. Si bien también es una aproximación, la ley de velocidad derivada de la aproximación del estado estacionario (SSA) proporciona más información sobre el comportamiento cinético de la reacción S N 1. Considere el siguiente esquema de reacción para el mecanismo que se muestra arriba:
Aunque es un carbocatión terciario relativamente estable , el catión terc -butilo es una especie de alta energía que está presente sólo en concentraciones muy bajas y no puede observarse directamente en condiciones normales. Así, la SSA se puede aplicar a esta especie:
En condiciones sintéticas normales, el nucleófilo entrante es más nucleófilo que el grupo saliente y está presente en exceso. Además, los experimentos cinéticos a menudo se realizan en condiciones de velocidad inicial (5 a 10% de conversión) y sin la adición de bromuro, por lo que [Br – ] es insignificante. Por estas razones, k – 1 [Br – ] ≪ k 2 [H 2 O] a menudo se cumple. En estas condiciones, la ley de tarifas de la SSA se reduce a
tasa = d [ t BuOH]/ dt = k 1 k 2 [ t BuBr][H 2 O]/( k 2 [H 2 O]) = k 1 [ t BuBr],
la simple ley de tasas de primer orden descrita en los libros de texto introductorios. En estas condiciones, la concentración del nucleófilo no afecta la velocidad de la reacción, y el cambio del nucleófilo (por ejemplo, de H2O a MeOH) no afecta la velocidad de la reacción, aunque el producto, por supuesto, es diferente. En este régimen, el primer paso (ionización del bromuro de alquilo) es lento, determinante de la velocidad e irreversible, mientras que el segundo paso (adición nucleofílica) es rápido y cinéticamente invisible.
Sin embargo, bajo ciertas condiciones, se pueden observar cinéticas de reacción que no son de primer orden. En particular, cuando está presente una gran concentración de bromuro mientras la concentración de agua es limitada, lo contrario del primer paso se vuelve importante cinéticamente. Como indica la ley de tasas de la SSA, bajo estas condiciones hay una dependencia fraccionaria (entre orden cero y primer orden) de [H 2 O], mientras que hay una dependencia de orden fraccionaria negativa de [Br – ]. Por tanto, a menudo se observa que las reacciones S N 1 se ralentizan cuando se añade una fuente exógena del grupo saliente (en este caso, bromuro) a la mezcla de reacción. Esto se conoce como efecto del ión común y la observación de este efecto es evidencia de un mecanismo S N 1 (aunque la ausencia de un efecto del ión común no lo descarta). [5] [6]
El mecanismo S N 1 tiende a dominar cuando el átomo de carbono central está rodeado por grupos voluminosos porque dichos grupos obstaculizan estéricamente la reacción S N 2. Además, los sustituyentes voluminosos en el carbono central aumentan la tasa de formación de carbocationes debido al alivio de la tensión estérica que se produce. El carbocatión resultante también se estabiliza mediante estabilización inductiva e hiperconjugación de grupos alquilo unidos . El postulado de Hammond-Leffler sugiere que esto también aumentará la tasa de formación de carbocationes. Por lo tanto, el mecanismo S N 1 domina en las reacciones en los centros alquílicos terciarios .
Un ejemplo de una reacción que se desarrolla en forma S N 1 es la síntesis de 2,5-dicloro-2,5-dimetilhexano a partir del diol correspondiente con ácido clorhídrico concentrado : [7]
A medida que las sustituciones alfa y beta aumentan con respecto a los grupos salientes, la reacción se desvía de S N 2 a S N 1.
El carbocatión intermedio formado en el paso determinante de la velocidad de la reacción (RDS) es un carbono con hibridación sp 2 con geometría molecular plana trigonal. Esto permite dos formas diferentes de ataque nucleofílico, una a cada lado de la molécula plana. Si no se prefiere ninguno de los métodos, entonces estas dos formas ocurren por igual, produciendo una mezcla racémica de enantiómeros si la reacción tiene lugar en un estereocentro. [8] Esto se ilustra a continuación en la reacción SN 1 de S-3-cloro-3-metilhexano con un ion yoduro, que produce una mezcla racémica de 3-yodo-3-metilhexano:
Sin embargo, se puede observar un exceso de un estereoisómero, ya que el grupo saliente puede permanecer cerca del intermediario carbocatión durante un corto tiempo y bloquear el ataque nucleofílico. Esto contrasta con el mecanismo S N 2, que es un mecanismo estereoespecífico en el que la estereoquímica siempre se invierte cuando el nucleófilo llega desde la parte posterior del grupo saliente.
Dos reacciones secundarias comunes son las reacciones de eliminación y el reordenamiento de carbocationes . Si la reacción se realiza en condiciones cálidas o cálidas (que favorecen un aumento de la entropía), es probable que predomine la eliminación de E1 , lo que lleva a la formación de un alqueno . A temperaturas más bajas, las reacciones S N 1 y E1 son reacciones competitivas y resulta difícil favorecer una sobre la otra. Incluso si la reacción se realiza en frío, se puede formar algo de alqueno. Si se intenta realizar una reacción S N 1 utilizando un nucleófilo fuertemente básico como el ion hidróxido o metóxido , el alqueno se formará nuevamente, esta vez mediante una eliminación E2 . Esto será especialmente cierto si se calienta la reacción. Finalmente, si el carbocatión intermedio puede reorganizarse en un carbocatión más estable, dará un producto derivado del carbocatión más estable en lugar del producto de sustitución simple.
Dado que la reacción S N 1 implica la formación de un intermedio carbocatión inestable en el paso determinante de la velocidad (RDS), cualquier cosa que pueda facilitar este proceso acelerará la reacción. Los disolventes normales de elección son tanto polares (para estabilizar los intermediarios iónicos en general) como próticos (para solvatar el grupo saliente en particular). Los disolventes próticos polares típicos incluyen agua y alcoholes, que también actuarán como nucleófilos, y el proceso se conoce como solvólisis.
La escala Y correlaciona las velocidades de reacción de solvólisis de cualquier solvente ( k ) con la de un solvente estándar (80% v/v de etanol / agua ) ( k 0 ) a través de
siendo m una constante del reactivo (m = 1 para cloruro de terc -butilo ) e Y un parámetro del disolvente. [9] Por ejemplo, 100% de etanol da Y = −2,3, 50% de etanol en agua Y = +1,65 y 15% de concentración Y = +3,2. [10]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ) Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )