En química , un grupo saliente es definido por la IUPAC como un átomo o grupo de átomos que se desprende de la parte principal o residual de un sustrato durante una reacción o paso elemental de una reacción. [1] Sin embargo, en el uso común, el término a menudo se limita a un fragmento que parte con un par de electrones en la escisión del enlace heterolítico . [2] En este uso, un grupo saliente es un sinónimo menos formal pero más comúnmente utilizado del término nucleófugo . En este contexto, los grupos salientes son generalmente aniones o especies neutras que parten de sustratos neutros o catiónicos , aunque en casos raros también se conocen cationes que parten de un sustrato dicatiónico . [3]
La capacidad de una especie para servir como grupo saliente depende de su capacidad para estabilizar la densidad electrónica adicional que resulta de la heterólisis del enlace. Los grupos salientes aniónicos comunes son haluros como Cl − , Br − e I − , y ésteres de sulfonato como el tosilato ( TsO − ), mientras que el agua ( H 2 O ), los alcoholes ( R−OH ) y las aminas ( R 3 N ) son grupos salientes neutrales comunes.
En la definición más amplia de la IUPAC, el término también incluye grupos que parten sin un par de electrones en una escisión heterolítica (grupos conocidos específicamente como electrofugas ), como H + o SiR .+3, que comúnmente parten en reacciones de sustitución aromática electrófila . [1] [4] De manera similar, especies de alta estabilidad termodinámica como el nitrógeno ( N 2 ) o el dióxido de carbono ( CO 2 ) comúnmente actúan como grupos salientes en reacciones de escisión de enlaces homolíticos de especies radicales . Un término relativamente poco común que sirve como antónimo de grupo saliente es grupo entrante (es decir, una especie que reacciona y forma un enlace con un sustrato o un intermediario derivado de sustrato ).
En este artículo, las discusiones a continuación se refieren principalmente a grupos salientes que actúan como nucleófugos.
La manifestación física de la capacidad de abandonar el grupo es la velocidad a la que se produce una reacción. Los buenos grupos salientes reaccionan rápidamente. Según la teoría de los estados de transición , esto implica que las reacciones que involucran buenos grupos salientes tienen barreras de activación bajas que conducen a estados de transición relativamente estables.
Es útil considerar el concepto de capacidad del grupo saliente en el caso del primer paso de una reacción S N 1/E1 con un grupo saliente aniónico (ionización), teniendo en cuenta que este concepto se puede generalizar a todas las reacciones que involucran dejando grupos. Debido a que el grupo saliente tiene una carga negativa mayor en el estado de transición (y en los productos) que en el material de partida, un buen grupo saliente debe poder estabilizar esta carga negativa, es decir, formar aniones estables . Una buena medida de la estabilidad del anión es el p K a del ácido conjugado de un anión (p K aH ), y la capacidad del grupo saliente de hecho generalmente sigue esta tendencia, con un p K aH más bajo que se correlaciona bien con una mejor capacidad del grupo saliente.
Sin embargo, la correlación entre p K aH y la capacidad de abandonar el grupo no es perfecta. La capacidad de abandonar el grupo representa la diferencia de energía entre los materiales de partida y un estado de transición (Δ G ‡ ) y las diferencias en la capacidad de abandonar el grupo se reflejan en cambios en esta cantidad (ΔΔ G ‡ ). El p K aH , sin embargo, representa la diferencia de energía entre los materiales de partida y los productos (Δ G° ) con diferencias en acidez reflejadas en cambios en esta cantidad (ΔΔ G° ). La capacidad de correlacionar estas diferencias de energía está justificada por el postulado de Hammond y el principio de Bell-Evans-Polanyi . Además, los materiales de partida en estos casos son diferentes. En el caso de la constante de disociación ácida, el "grupo saliente" está unido a un protón en el material de partida, mientras que en el caso de la capacidad del grupo saliente, el grupo saliente está unido (generalmente) al carbono. Teniendo en cuenta estas importantes advertencias, se debe considerar que p K aH refleja la capacidad de abandonar el grupo. Sin embargo, generalmente se pueden examinar las constantes de disociación ácida para predecir o racionalizar cualitativamente las tendencias de velocidad o reactividad relacionadas con la variación del grupo saliente. De acuerdo con esta imagen, bases fuertes como OH − , OR 2 y NR−2tienden a formar grupos salientes pobres, debido a su incapacidad para estabilizar una carga negativa.
Lo que constituye un grupo saliente razonable depende del contexto. Para reacciones S N 2, los grupos salientes típicos sintéticamente útiles incluyen Cl − , Br − , I − , − OT, − OM, − OTf y H 2 O . Los sustratos que contienen grupos salientes fosfato y carboxilato tienen más probabilidades de reaccionar mediante adición-eliminación competitiva, mientras que las sales de sulfonio y amonio generalmente forman iluros o se someten a eliminación E2 cuando es posible. Con referencia a la tabla anterior, los fenóxidos ( − OAr ) constituyen el límite inferior de lo que es factible como grupos salientes S N 2: se han utilizado nucleófilos muy fuertes como Ph 2 P − o EtS − para desmetilar derivados de anisol mediante desplazamiento S N 2 en el grupo metilo. Los hidróxidos, alcóxidos, amidas, hidruros y aniones alquilo no sirven como grupos salientes en las reacciones S N 2.
Por otro lado, cuando los intermediarios tetraédricos aniónicos o dianiónicos colapsan, la alta densidad electrónica del heteroátomo vecino facilita la expulsión de un grupo saliente. Así, en el caso de la hidrólisis de ésteres y amidas en condiciones básicas, se proponen habitualmente como grupos salientes alcóxidos y amidas. Por la misma razón, las reacciones E1cb que involucran hidróxido como grupo saliente no son infrecuentes (p. ej., en la condensación aldólica ). Es extremadamente raro que grupos como H − ( hidruros ), R 3 C − ( aniones alquilo , R = alquilo o H) o Ar − (aniones arilo, Ar = arilo) se vayan con un par de electrones debido a la alta energía de estas especies. La reacción de Chichibabin proporciona un ejemplo de hidruro como grupo saliente, mientras que la reacción de Wolff-Kishner y la reacción de Haller-Bauer presentan grupos salientes de carbaniones no estabilizados.
Es importante señalar que la lista anterior es cualitativa y describe tendencias . La capacidad de un grupo para salir es contextual. Por ejemplo, en reacciones S N Ar , la velocidad generalmente aumenta cuando el grupo saliente es fluoruro en relación con los otros halógenos. Este efecto se debe al hecho de que el estado de transición de energía más alto para este proceso de adición-eliminación de dos pasos ocurre en el primer paso, donde la mayor capacidad de extracción de electrones del fluoruro en relación con los otros haluros estabiliza la carga negativa en desarrollo en el anillo aromático. La salida del grupo saliente se produce rápidamente desde este complejo de Meisenheimer de alta energía y, dado que la salida no está involucrada en el paso limitante de la velocidad, no afecta la velocidad general de la reacción. Este efecto es general para las eliminaciones de bases conjugadas.
Incluso cuando la salida del grupo saliente está involucrada en el paso limitante de la velocidad de una reacción, todavía pueden existir diferencias contextuales que pueden cambiar el orden de la capacidad del grupo saliente. En las alquilaciones de Friedel-Crafts , el orden normal de los grupos salientes de los halógenos se invierte de modo que la velocidad de la reacción sigue a RF > RCl > RBr > RI. Este efecto se debe a su mayor capacidad para formar complejos con el catalizador del ácido de Lewis , y el grupo real que sale es un complejo "ate" entre el ácido de Lewis y el grupo saliente que sale. [6] Esta situación se define en términos generales como la salida de la activación del grupo.
Todavía pueden existir diferencias contextuales en la capacidad del grupo saliente en la forma más pura, es decir, cuando el grupo real que sale no se ve afectado por las condiciones de reacción (por protonación o complejación con ácido de Lewis) y la salida del grupo saliente ocurre en la velocidad que determina. paso. En la situación en la que otras variables se mantienen constantes (naturaleza del alquil electrófilo, disolvente, etc.), un cambio en el nucleófilo puede conducir a un cambio en el orden de reactividad de los grupos salientes. En el caso siguiente, el tosilato es el mejor grupo saliente cuando el etóxido es el nucleófilo, pero el yoduro e incluso el bromuro se vuelven mejores grupos salientes en el caso del nucleófilo tiolato . [7]
Es común en las reacciones E1 y S N 1 que un grupo saliente pobre se transforme en uno bueno mediante protonación o complejación con un ácido de Lewis . Por tanto, es mediante la protonación antes de su salida como una molécula puede perder formalmente grupos salientes tan pobres como el hidróxido.
El mismo principio se aplica en la reacción de Friedel-Crafts . Aquí, se requiere un ácido de Lewis fuerte para generar un carbocatión a partir de un haluro de alquilo en la reacción de alquilación de Friedel-Crafts o un ion acilio a partir de un haluro de acilo.
En la gran mayoría de los casos, las reacciones que implican la activación del grupo saliente generan un catión en un paso separado, antes del ataque nucleofílico o de la eliminación. Por ejemplo, las reacciones S N 1 y E1 pueden implicar un paso de activación, mientras que las reacciones S N 2 y E2 generalmente no lo hacen.
El requisito de un buen grupo saliente se relaja en las reacciones de eliminación de bases conjugadas. Estas reacciones incluyen la pérdida de un grupo saliente en la posición β de un enolato , así como la regeneración de un grupo carbonilo a partir del intermedio tetraédrico en la sustitución de acilo nucleófilo. En condiciones forzadas, incluso las amidas pueden sufrir hidrólisis básica, un proceso que implica la expulsión de un grupo saliente extremadamente pobre, R 2 N − . Aún más dramático, la descarboxilación de aniones benzoato puede ocurrir calentando con cobre o Cu 2 O, lo que implica la pérdida de un anión arilo. Esta reacción se ve facilitada por el hecho de que lo más probable es que el grupo saliente sea un compuesto de arilcobre en lugar de la sal de metal alcalino, mucho más básica.
Esta dramática desviación de los requisitos normales del grupo saliente ocurre principalmente en el ámbito de la formación del doble enlace C=O, donde la formación del doble enlace C=O muy fuerte puede impulsar reacciones que de otro modo serían desfavorables. El requisito de un buen grupo saliente todavía es relajado en el caso de la formación del enlace C=C mediante mecanismos E1cB, pero debido a la relativa debilidad del doble enlace C=C, la reacción todavía muestra cierta sensibilidad al grupo saliente. En particular, cambiar la identidad del grupo saliente (y su disposición a abandonarlo) puede cambiar la naturaleza del mecanismo de las reacciones de eliminación. Con grupos salientes deficientes, se favorece el mecanismo E1cB, pero a medida que cambia la capacidad del grupo saliente, la reacción pasa de tener una velocidad que determina la pérdida del grupo saliente del intermediario carbaniónico B a través de TS BC ‡ a tener una velocidad que determina el paso de desprotonación a través de TS AB ‡ (no en la foto) a una eliminación concertada del E2. En la última situación, el grupo saliente X se ha vuelto lo suficientemente bueno como para que el antiguo estado de transición que conecta los intermedios B y C tenga menos energía que B , que ya no es un punto estacionario en la superficie de energía potencial para la reacción. Debido a que solo un estado de transición conecta el material de partida A y el producto C , la reacción ahora es concertada (aunque muy asincrónica en el caso mostrado) debido al aumento en la capacidad del grupo saliente de X.
El supergrupo saliente prototípico es triflato , y el término ha llegado a significar cualquier grupo saliente de capacidad comparable. Los compuestos en los que la pérdida de un supergrupo saliente puede generar un carbocatión estable suelen ser muy reactivos e inestables. Por lo tanto, los triflatos orgánicos que se encuentran más comúnmente son el triflato de metilo y los triflatos de alquenilo o arilo, todos los cuales no pueden formar carbocationes estables en la ionización, lo que los vuelve relativamente estables. Se ha observado que los alquilnonaflatos esteroideos (otro grupo super saliente) generados a partir de alcoholes y fluoruro de perfluorobutanosulfonilo no eran aislables como tales, sino que formaban inmediatamente los productos de eliminación o sustitución por el fluoruro generado por el reactivo. Los anhídridos de acil-trifluorometanosulfonilo mixtos se someten suavemente a la acilación de Friedel-Crafts sin catalizador, [8] a diferencia de los haluros de acilo correspondientes, que requieren un ácido de Lewis fuerte. El triflato de metilo, sin embargo, no participa en las reacciones de alquilación de Friedel-Crafts con anillos aromáticos neutros en electrones.
Más allá de los súper grupos salientes, en la reactividad se encuentran los "hiper" grupos salientes. Entre ellos destacan los λ 3 -yodanos , que incluyen sales de diarilyodonio y otros iones halonio . En un estudio, se realizó una comparación cuantitativa de estos y otros grupos salientes. En relación con el cloruro (k rel = 1), las reactividades aumentaron en el orden bromuro (k rel = 14), yoduro (k rel = 91), tosilato (k rel = 3,7 × 104 ), triflato (k rel = 1,4 × 108 ), tetrafluoroborato de fenilyodonio ( PhI + BF−4, k rel = 1,2 × 1014 ). Junto con el criterio de que un grupo hipersaliente sea un grupo saliente más fuerte que el triflato, está la necesidad de que el grupo saliente se someta a una eliminación reductiva. En el caso de los iones halonio, esto implica la reducción de un halonio trivalente a un haluro monovalente junto con la liberación de un fragmento aniónico. Parte de la reactividad excepcional de los compuestos de grupos hipersalientes se ha atribuido a la preferencia entrópica de tener una molécula dividida en tres.
También se han aislado y caracterizado iones dialquil halonio para grupos alquilo simples. Estos compuestos, a pesar de su extrema reactividad hacia los nucleófilos, se pueden obtener puros en estado sólido con contraiones muy débilmente nucleófilos como el SbF .−6[9] [10] y CHB 11 Cl−11. [11] La naturaleza fuertemente electrofílica de estos compuestos engendrada por su unión a grupos salientes extremadamente lábiles R-X (R = alquilo, X = Cl, Br, I) se ilustra por su propensión a alquilar nucleófilos muy débiles. Calentar muestras puras de (CH 3 ) 2 Cl + [CHB 11 Cl 11 ] - bajo presión reducida dio como resultado la metilación del anión carborano muy poco nucleófilo con la expulsión concomitante del grupo saliente CH 3 Cl . Las sales de hexafluoroantimoniato de dialquil halonio alquilan el exceso de haluros de alquilo para dar productos intercambiados. Su naturaleza fuertemente electrófila, junto con la inestabilidad de los carbocationes primarios generados por la ionización de sus grupos alquilo, apunta a su posible participación en la química de alquilación de Friedel-Crafts. [9] El orden de labilidad creciente de estos grupos salientes es R-I < R-Br < R-Cl .