En química , una sustitución nucleofílica ( S N ) es una clase de reacciones químicas en las que una especie química rica en electrones (conocida como nucleófilo ) reemplaza a 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 denomina sustrato . [1] [2]
La forma más general de la reacción puede darse de la siguiente manera:
El par de electrones ( : ) del nucleófilo (Nuc) ataca al sustrato ( R−LG ) y se une a él. Simultáneamente, el grupo saliente (LG) se va con un par de electrones. El producto principal en este caso es R−Nuc . El nucleófilo puede ser eléctricamente neutro o tener carga negativa, mientras que el sustrato suele ser neutro o tener carga positiva.
Un ejemplo de sustitución nucleofílica es la hidrólisis de un bromuro de alquilo , R-Br en condiciones básicas, donde el nucleófilo atacante es el hidroxilo ( OH − ) y el grupo saliente es el bromuro ( Br − ).
Las reacciones de sustitución nucleofílica son comunes en la química orgánica . Los nucleófilos suelen atacar un carbono alifático saturado . Con menor frecuencia, pueden atacar un carbono aromático o insaturado. [3]
En 1935, Edward D. Hughes y Sir Christopher Ingold estudiaron las reacciones de sustitución nucleofílica de los haluros de alquilo y compuestos relacionados. Propusieron que había dos mecanismos principales en juego, ambos compitiendo entre sí. Los dos mecanismos principales eran la reacción S N 1 y la reacción S N 2 , donde S representa la sustitución, N representa el 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 , hay 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 la reacción: sustrato (Sub) y nucleófilo. La ecuación de velocidad para esta reacción sería Velocidad = k[Sub][Nuc]. Para una reacción S N 2 , un disolvente aprótico es lo mejor, como acetona, DMF o DMSO. Los disolventes apróticos no agregan protones (iones H + ) a la solución; si los protones estuvieran presentes en las reacciones S N 2 , reaccionarían con el nucleófilo y limitarían severamente 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, como 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 nucleofilia; el nucleófilo debe atacar a un átomo que no sea hidrógeno.
Por el contrario, la reacción S N 1 implica dos pasos. Las reacciones S N 1 tienden a ser importantes cuando el átomo de carbono central del sustrato está rodeado de grupos voluminosos, tanto porque dichos grupos interfieren estéricamente con la reacción S N 2 (discutida anteriormente) como porque un carbono altamente sustituido forma un carbocatión estable .
Al igual que las reacciones S N 2 , hay 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 una, el sustrato. La ecuación de velocidad para esto sería Velocidad = k [Sub]. Dado que la velocidad de una reacción solo 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 para lo que hace que un grupo saliente sea bueno 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 los compuestos como las aminas, el hidrógeno y los alcanos serán grupos salientes bastante malos. Como las reacciones S N 2 se vieron afectadas por la estérica, las reacciones S N 1 están determinadas por grupos voluminosos unidos al carbocatión. Dado que hay un intermediario que en realidad contiene una carga positiva, los grupos voluminosos unidos ayudarán a estabilizar la carga en el carbocatión a través de la resonancia y la distribución de la carga. En este caso, el carbocatión terciario reaccionará más rápido que un carbocatión secundario, que reaccionará mucho más rápido que un carbocatión primario. También se debe a este carbocatión intermedio que el producto no tiene que tener inversión. El nucleófilo puede atacar desde arriba o desde abajo y, por lo 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 que determina la velocidad.
Existen muchas reacciones en química orgánica que involucran este tipo de mecanismo. Algunos ejemplos comunes incluyen:
Un ejemplo de una reacción de sustitución que tiene lugar mediante un llamado mecanismo límite , estudiado originalmente por Hughes e Ingold [6], es la reacción del cloruro de 1-feniletilo con metóxido de sodio en metanol.
La velocidad de reacción se obtiene sumando los componentes S N 1 y S N 2, correspondiendo el 61 % (3,5 M, 70 °C) a este último.
Además de S N 1 y S N 2, se conocen otros mecanismos, aunque son menos comunes. El mecanismo S N i se observa en reacciones de cloruro de tionilo con alcoholes , y es similar a S N 1 excepto que el nucleófilo se libera desde el 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' (según la cinética). Con haluros alílicos o sulfonatos, por ejemplo, el nucleófilo puede atacar en el 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 que compiten entre sí. [7] [8]
En la química organometálica la reacción de abstracción nucleofílica ocurre con un mecanismo de sustitución nucleofílica.
La sustitución nucleofílica a través del mecanismo S N 1 o S N 2 no suele producirse con haluros de vinilo o arilo o compuestos relacionados. En determinadas condiciones, pueden producirse sustituciones nucleofílicas a través de otros mecanismos, como los descritos en el artículo sobre sustitución nucleofílica aromática .
La sustitución puede ocurrir en el grupo carbonilo , como en los cloruros y ésteres de acilo .
