Una reacción de sustitución (también conocida como reacción de desplazamiento simple o reacción de sustitución simple) es una reacción química durante la cual un grupo funcional en un compuesto químico es reemplazado por otro grupo funcional. [1] Las reacciones de sustitución son de suma importancia en la química orgánica . Las reacciones de sustitución en química orgánica se clasifican como electrófilas o nucleófilas dependiendo del reactivo involucrado, si un intermediario reactivo involucrado en la reacción es un carbocatión , un carbanión o un radical libre , y si el sustrato es alifático o aromático . La comprensión detallada de un tipo de reacción ayuda a predecir el resultado del producto en una reacción. También es útil para optimizar una reacción con respecto a variables como la temperatura y la elección del solvente .
Un buen ejemplo de una reacción de sustitución es la halogenación . Cuando se irradia gas cloro (Cl 2 ), algunas de las moléculas se dividen en dos radicales de cloro (Cl•), cuyos electrones libres son fuertemente nucleófilos . Uno de ellos rompe un enlace covalente C–H en CH 4 y captura el átomo de hidrógeno para formar el HCl eléctricamente neutro. El otro radical reforma un enlace covalente con el CH 3 • para formar CH 3 Cl ( cloruro de metilo ).
En química orgánica (e inorgánica), la sustitución nucleofílica es una clase fundamental de reacciones en las que un nucleófilo se une selectivamente a la carga positiva o parcialmente positiva de un átomo o grupo de átomos o la ataca. Al hacerlo, reemplaza a un nucleófilo más débil, que luego se convierte en un grupo saliente ; el átomo positivo o parcialmente positivo restante se convierte en un electrófilo . La entidad molecular completa de la que forman parte el electrófilo y el grupo saliente suele denominarse sustrato . [1]
La forma más general de la reacción puede darse como
donde R−LG indica el sustrato. El par de electrones ( : ) del nucleófilo (Nuc:) ataca al sustrato ( R−LG ), formando un nuevo enlace covalente Nuc−R−LG . El estado de carga anterior se restaura cuando el grupo saliente (LG) se va con un par de electrones. El producto principal en este caso es R−Nuc . En tales reacciones, el nucleófilo suele 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 la base OH − y el grupo saliente es Br − :
Las reacciones de sustitución nucleofílica son comunes en la química orgánica y pueden clasificarse en términos generales como aquellas que ocurren en un carbono de un compuesto alifático saturado o (con menor frecuencia) en un centro de carbono aromático u otro carbono insaturado. [1]
Las sustituciones nucleofílicas pueden ocurrir por dos mecanismos diferentes, la sustitución nucleofílica unimolecular ( S N 1 ) y la sustitución nucleofílica bimolecular ( S N 2 ). Las dos reacciones se nombran de acuerdo con su ley de velocidad , siendo la S N 1 una de primer orden y la S N 2 de segundo orden. [2]
El mecanismo S N 1 tiene dos pasos. En el primer paso, el grupo saliente se separa, formando un carbocatión (C + ). En el segundo paso, el reactivo nucleofílico (Nuc:) se une al carbocatión y forma un enlace sigma covalente. Si el sustrato tiene un carbono quiral , este mecanismo puede dar como resultado la inversión de la estereoquímica o la retención de la configuración. Por lo general, ambas ocurren sin preferencia. El resultado es la racemización .
La estabilidad de un carbocatión (C + ) depende de cuántos otros átomos de carbono estén unidos a él. Esto da como resultado reacciones SN1 que suelen ocurrir en átomos que tienen al menos dos carbonos unidos a ellos. [ 2] Se puede encontrar una explicación más detallada de esto en la página principal de reacciones SN1 .
El mecanismo S N 2 tiene un solo paso. El ataque del reactivo y la expulsión del grupo saliente ocurren simultáneamente. Este mecanismo siempre da como resultado una inversión de la configuración. Si el sustrato que está bajo ataque nucleofílico es quiral, la reacción conducirá por tanto a una inversión de su estereoquímica , llamada inversión de Walden .
El ataque S N 2 puede ocurrir si la ruta de ataque posterior no está impedida estéricamente por sustituyentes en el sustrato. Por lo tanto, este mecanismo generalmente ocurre en un centro de carbono primario sin impedimentos . Si hay aglomeración estérica en el sustrato cerca del grupo saliente, como en un centro de carbono terciario , la sustitución involucrará un S N 1 en lugar de un S N 2. [2]
Otros tipos de sustitución nucleofílica incluyen la sustitución nucleofílica acilo y la sustitución nucleofílica aromática . La sustitución acilo ocurre cuando un nucleófilo ataca a un carbono que está doblemente enlazado a un oxígeno y simplemente enlazado a otro oxígeno (puede ser N o S o un halógeno ), llamado grupo acilo . El nucleófilo ataca al carbono haciendo que el doble enlace se rompa en un enlace simple. El doble puede entonces reformarse, dando inicio al grupo saliente en el proceso.
La sustitución aromática se produce en compuestos con sistemas de dobles enlaces conectados en anillos. Para más información, véase Compuestos aromáticos .
Los electrófilos están involucrados en reacciones de sustitución electrofílica , particularmente en sustituciones aromáticas electrofílicas .
En este ejemplo, la estructura de resonancia electrónica del anillo de benceno es atacada por un electrófilo E + . El enlace resonante se rompe y se genera una estructura resonante de carbocatión. Finalmente, se expulsa un protón y se forma un nuevo compuesto aromático.
Las reacciones electrofílicas con otros compuestos insaturados distintos de los arenos generalmente conducen a la adición electrofílica en lugar de a la sustitución.
Una reacción de sustitución radical implica radicales . Un ejemplo es la reacción de Hunsdiecker .
Las reacciones de acoplamiento son una clase de reacciones catalizadas por metales que involucran un compuesto organometálico RM y un haluro orgánico R′X que juntos reaccionan para formar un compuesto del tipo RR′ con la formación de un nuevo enlace carbono-carbono . Algunos ejemplos incluyen la reacción de Heck , la reacción de Ullmann y la reacción de Wurtz-Fittig . Existen muchas variaciones. [3]
Los compuestos sustituidos son compuestos en los que uno o más átomos de hidrógeno han sido reemplazados por algo más, como un alquilo , un hidroxilo o un halógeno . Puede encontrar más información en la página de compuestos sustituidos .
Si bien es común hablar de reacciones de sustitución en el contexto de la química orgánica, la reacción es genérica y se aplica a una amplia gama de compuestos. Los ligandos en complejos de coordinación son susceptibles a la sustitución. Se han observado mecanismos tanto asociativos como disociativos. [4] [5]
La sustitución asociativa , por ejemplo, se aplica normalmente a complejos organometálicos y de coordinación , pero se parece al mecanismo Sn2 en la química orgánica . La vía opuesta es la sustitución disociativa , que es análoga a la vía Sn1 .
Los ejemplos de mecanismos asociativos se encuentran comúnmente en la química de complejos metálicos planos cuadrados 16e, por ejemplo, el complejo de Vaska y el tetracloroplatinato . La ley de velocidad está regida por el mecanismo de Eigen-Wilkins.
La sustitución disociativa se asemeja al mecanismo S N 1 en química orgánica. Esta vía puede describirse bien mediante el efecto cis , o la labilización de los ligandos de CO en la posición cis . Los complejos que experimentan una sustitución disociativa suelen estar saturados de manera coordinativa y suelen tener una geometría molecular octaédrica . La entropía de activación es característicamente positiva para estas reacciones, lo que indica que el desorden del sistema reaccionante aumenta en el paso determinante de la velocidad. Las vías disociativas se caracterizan por un paso determinante de la velocidad que implica la liberación de un ligando de la esfera de coordinación del metal que experimenta la sustitución. La concentración del nucleófilo que sustituye no tiene influencia en esta velocidad, y se puede detectar un intermediario de número de coordinación reducido. La reacción se puede describir con k 1 , k −1 y k 2 , que son las constantes de velocidad de sus pasos de reacción intermedios correspondientes:
Normalmente, el paso que determina la velocidad es la disociación de L del complejo, y [L'] no afecta la velocidad de reacción, lo que conduce a la simple ecuación de velocidad:
![{\displaystyle {\ce {L_{\mathit {n}}ML<=>[-\mathrm {L} ,k_{1}][+\mathrm {L} ,k_{-1}]L_{\mathit {n}}M-\Box ->[+\mathrm {L} ',k_{2}]L_{\mathit {n}}ML'}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e0cfb8a46601d81d661e919a1b64b91ec3113586)
![{\displaystyle {\ce {Tasa={{\mathit {k}}_{1}[L_{\mathit {n}}ML]}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8adaf95dcf066302cf203f0dd7252129be849f03)
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