Reacción SN1 ​

La reacción de sustitución nucleofílica unimolecular ( SN1 ) es una reacción de sustitución en química orgánica . El símbolo _de Hughes-Ingold del mecanismo expresa dos propiedades: "SN " _significa " sustitución nucleofílica " y el "1" indica que la etapa determinante de la velocidad es unimolecular . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Por lo tanto, la ecuación de velocidad se suele mostrar con una dependencia de primer orden respecto del sustrato y de orden cero respecto del nucleófilo . Esta relación se cumple en situaciones donde 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 en estado estacionario . La reacción implica un intermedio carbocatiónico y se observa 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 SN2 . En química inorgánica , la reacción S _N 1 se conoce a menudo como sustitución disociativa . Esta vía de disociación se describe bien mediante el efecto cis . Christopher Ingold et al. propusieron 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, que implica dos pasos.

El primer paso de la reacción _SN1 es la ionización del haluro de alquilo en presencia de acetona acuosa o alcohol etílico. Este paso proporciona un carbocatión intermedio, que es planar. En pasos posteriores, el ataque del nucleófilo puede ocurrir desde cualquier lado para dar un producto racémico, pero en realidad no se produce una racemización completa. Esto se debe a que la especie nucleofílica ataca al carbocatión incluso antes de que el ion haluro saliente se haya alejado lo suficiente del carbocatión. El ion haluro con carga negativa protege al carbocatión del ataque frontal, y se prefiere el ataque posterior, que conduce a la inversión de la configuración. Por lo tanto, el producto real sin duda consiste en una mezcla de enantiómeros, pero los enantiómeros con configuración invertida predominarían y no se produciría una racemización completa. ^{[ 4 ]}

Un ejemplo de una reacción que tiene lugar con un mecanismo de reacción S _N 1 es la hidrólisis del bromuro de terc -butilo que forma terc -butanol :

Esta reacción _SN1 se produce en tres etapas:

• Formación de un carbocatión terc -butilo por separación de un grupo saliente (un anión bromuro ) del átomo de carbono: este paso es lento. ^{[ 5 ]}

• Ataque nucleofílico: el carbocatión reacciona con el nucleófilo. Si el nucleófilo es una molécula neutra (es decir, un disolvente ), se requiere un tercer paso para completar la reacción. Cuando el disolvente es agua, el intermedio es un ion oxonio. Este paso de la reacción es rápido.

• Desprotonación : Eliminación de un protón del nucleófilo protonado por acción del agua como base, formando un alcohol y un ion hidronio . Esta etapa de reacción es rápida.

Aunque la ley de velocidad de la reacción S _N 1 se suele considerar de primer orden con respecto al haluro de alquilo y de orden cero con respecto al nucleófilo, esta es una simplificación que solo es válida bajo ciertas condiciones. Si bien también es una aproximación, la ley de velocidad derivada de la aproximación del estado estacionario (SSA) proporciona una mayor comprensión del comportamiento cinético de la reacción S _N 1. Considere el siguiente esquema de reacción para el mecanismo mostrado anteriormente:

Aunque el catión terc -butilo es un carbocatión terciario relativamente estable , es una especie de alta energía que solo está presente en concentraciones muy bajas y no se puede observar directamente en condiciones normales. Por lo tanto, se puede aplicar el SSA a esta especie:

(1) Suposición de estado estacionario: ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBu}}^{+}]}{dt}}=0=k_{1}[{\text{tBuBr}}]-k_{-1}[{\text{tBu}}^{+}][{\text{Br}}^{-}]-k_{2}[{\text{tBu}}^{+}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$

(2) Concentración del catión t-butilo, basada en la suposición de estado estacionario: ${\displaystyle [{\text{tBu}}^{+}]={\frac {k_{1}[{\text{tBuBr}}]}{k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]+k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}}}$

(3) Velocidad de reacción global, suponiendo una etapa final rápida: ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}=k_{2}[{\text{tBu}}^{+}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$

(4) Ley de velocidad en estado estacionario, sustituyendo (2) en (3): ${\displaystyle {\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}={\frac {k_{1}k_{2}[{\text{tBuBr}}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}{k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]+k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}}}$

En condiciones sintéticas normales, el nucleófilo entrante es más nucleofílico que el grupo saliente y está presente en exceso. Además, los experimentos cinéticos a menudo se llevan a cabo en condiciones de velocidad inicial (5 a 10% de conversión) y sin la adición de bromuro, por lo que${\displaystyle [{\text{Br}}^{-}]}$es insignificante. Por estas razones,${\displaystyle k_{-1}[{\text{Br}}^{-}]\ll k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}$Suele cumplirse. En estas condiciones, la ley de tarifas de la SSA se reduce a:

${\displaystyle {\text{velocidad}}={\frac {d[{\text{tBuOH}}]}{dt}}={\frac {k_{1}k_{2}[{\text{tBuBr}}][{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}{k_{2}[{\text{H}}_{2}{\text{O}}]}}=k_{1}[{\text{tBuBr}}]}$

La ley de velocidad simple de primer orden descrita en los libros de texto introductorios. En estas condiciones, la concentración del nucleófilo no afecta la velocidad de reacción, y cambiar el nucleófilo (por ejemplo, de H₂O _a MeOH) tampoco la afecta, aunque el producto, por supuesto, sea 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 imperceptible.

Sin embargo, bajo ciertas condiciones, se puede observar una cinética de reacción de orden distinto al primero. En particular, cuando hay una alta concentración de bromuro y la concentración de agua es limitada, la reacción inversa del primer paso adquiere importancia cinética. Como indica la ley de velocidad SSA, bajo estas condiciones existe una dependencia fraccionaria (entre orden cero y primer orden) de [H₂O _] , mientras que existe una dependencia fraccionaria negativa de [Br⁻ ^] . Por lo 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 el efecto del ion común y la observación de este efecto es evidencia de un mecanismo S _N 1 (aunque la ausencia de un efecto del ion común no lo descarta). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

El mecanismo _SN1 tiende a predominar cuando el átomo de carbono central está rodeado de grupos voluminosos, ya que estos grupos dificultan estéricamente la reacción _SN2 . Además, los sustituyentes voluminosos en el carbono central aumentan la velocidad de formación del carbocatión debido a la reducción de la tensión estérica . El carbocatión resultante también se estabiliza mediante estabilización inductiva e hiperconjugación de los grupos alquilo unidos . El postulado de Hammond-Leffler sugiere que esto también incrementará la velocidad de formación del carbocatión. Por lo tanto, el mecanismo _{SN1 predomina en las reacciones en centros} alquilo terciarios .

Un ejemplo de una reacción que procede de forma S _N 1 es la síntesis de 2,5-dicloro-2,5-dimetilhexano a partir del diol correspondiente con ácido clorhídrico concentrado : ^{[ 8 ]}

A medida que aumentan las sustituciones alfa y beta con respecto a los grupos salientes, la reacción se desvía de S _N 2 a S _N 1.

El carbocatión intermedio formado en la etapa determinante de la velocidad (RDS) de la reacción es un carbono con hibridación sp² y geometría molecular trigonal plana. Esto permite dos vías diferentes para el ataque nucleofílico, una a cada lado de la molécula plana. Si ninguna de las dos vías es favorecida, entonces ambas ocurren por igual, produciendo una ^mezcla racémica de enantiómeros si la reacción tiene lugar en un estereocentro. ^{[ 9 ]} Esto se ilustra a continuación en la reacción _SN1 del ( S )-3-cloro-3-metilhexano con un ion yoduro, que produce una mezcla racémica de 3-yodo-3-metilhexano:

Sin embargo, puede observarse un exceso de un estereoisómero, ya que el grupo saliente puede permanecer cerca del carbocatión intermedio durante un breve periodo y bloquear el ataque nucleofílico. Esto contrasta con el mecanismo _SN2 , que es un mecanismo estereoselectivo donde la estereoquímica siempre se invierte, puesto que el nucleófilo entra por la parte posterior del grupo saliente.

Dos reacciones secundarias comunes son las reacciones de eliminación y el reordenamiento de carbocationes . Si la reacción se lleva a cabo en condiciones cálidas o calientes (que favorecen un aumento de la entropía), es probable que predomine la eliminación E1 , lo que conduce a la formación de un alqueno . A temperaturas más bajas, las reacciones _SN1 y E1 son competitivas y resulta difícil favorecer una sobre la otra. Incluso si la reacción se lleva a cabo en frío, puede formarse algo de alqueno. Si se intenta realizar una reacción _SN1 utilizando un nucleófilo fuertemente básico como el ion hidróxido o metóxido , el alqueno se formará de nuevo, esta vez mediante una eliminación E2 . Esto será especialmente cierto si la reacción se calienta. Finalmente, si el carbocatión intermedio puede reordenarse a un carbocatión más estable, dará un producto derivado del carbocatión más estable en lugar del producto de sustitución simple.

Dado que la reacción _SN1 implica la formación de un carbocatión intermedio inestable en la etapa determinante de la velocidad (RDS), cualquier factor que facilite este proceso acelerará la reacción. Los disolventes más utilizados son tanto polares (para estabilizar los intermedios iónicos en general) como próticos (para solvatar el grupo saliente en particular). Entre los disolventes próticos polares típicos se encuentran el agua y los alcoholes, que también actúan como nucleófilos; este proceso se conoce como solvólisis.

La escala Y correlaciona las velocidades de reacción de solvólisis de cualquier disolvente ( k ) con la de un disolvente estándar ( etanol / agua _al 80% v/v ) ( k0 ) a través de

${\displaystyle \log {\left({\frac {k}{k_{0}}}\right)}=mY\,}$

donde m es una constante de reactivo (m = 1 para el cloruro de terc -butilo ) e Y es un parámetro del disolvente. ^{[ 10 ]} Por ejemplo, el etanol al 100% da Y = − 2,3, el etanol al 50% en agua Y = +1,65 y la concentración al 15% Y = +3,2. ^{[ 11 ]}

• Empuje de flechas
• Sustitución nucleofílica de acilo
• Participación del grupo vecino
• Reacción SN2_​

• Diagramas : Universidad Estatal de Frostburg
• Ejercicio : la Universidad de Maine