Reacción de sustitución

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 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 intermedio reactivo involucrado en la reacción es un carbocatión , un carbanión o un radical libre , y si el sustrato es alifático o aromático . Una 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 disolvente .

Un buen ejemplo de reacción de sustitución es la halogenación . Cuando se irradia cloro gaseoso (Cl₂ _{) , algunas de sus moléculas se dividen en dos} radicales de cloro (Cl•), cuyos electrones libres son fuertemente nucleofílicos . Uno de ellos rompe un enlace covalente C–H en CH₄ _y captura el átomo de hidrógeno para formar HCl, que es eléctricamente neutro. El otro radical reforma un enlace covalente con el CH₃ _• para formar CH₃Cl ₍ 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 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 se denomina generalmente sustrato . ^{[ 1 ]}

La forma más general de la reacción se puede expresar como:

${\displaystyle {\ce {Nuc{\mathbf {:}}- + R-LG -> R-Nuc{}+ LG{\mathbf {:}}-}}}$

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 restablece cuando el grupo saliente (LG) se desprende con un par de electrones. El producto principal en este caso es R−Nuc . En tales reacciones, el nucleófilo suele 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 la base OH ⁻ y el grupo saliente es Br ⁻ :

${\displaystyle {\ce {R-Br + OH- -> R-OH + Br-}}}$

Las reacciones de sustitución nucleofílica son comunes en la química orgánica y pueden clasificarse a grandes rasgos como aquellas que tienen lugar en un carbono de un compuesto alifático saturado o (con menos frecuencia) en un centro de carbono aromático u otro carbono insaturado. ^{[ 1 ]}

Mecanismos

Las sustituciones nucleofílicas pueden proceder mediante dos mecanismos diferentes: la sustitución nucleofílica unimolecular ( SN1 ) y la sustitución nucleofílica bimolecular ( _SN2 ) . Ambas reacciones se denominan según su ley de velocidad : la _{SN1 presenta una ley de velocidad de} primer orden, mientras que la _SN2 presenta una ley de velocidad de segundo orden. ^{[ 2 ]}

El mecanismo _SN1 consta de dos pasos. En el primero, el grupo saliente se desprende, formando un carbocatión (C ⁺ ). En el segundo, el reactivo nucleofílico (Nuc:) se une al carbocatión y forma un enlace sigma covalente. Si el sustrato posee un carbono quiral , este mecanismo puede resultar en la inversión de la estereoquímica o en la retención de la configuración. Generalmente, ambas ocurren indistintamente. 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 que las reacciones _SN1 ocurran generalmente en átomos con al menos dos carbonos unidos a ellos. ^{[ 2 ]} Una explicación más detallada de esto se puede encontrar en la página principal de la reacción SN1 .

El mecanismo _SN2 consta de un solo paso. El ataque del reactivo y la expulsión del grupo saliente ocurren simultáneamente. Este mecanismo siempre resulta en una inversión de la configuración. Si el sustrato que sufre el ataque nucleofílico es quiral, la reacción conducirá a una inversión de su estereoquímica , denominada inversión de Walden .

_{El ataque SN2} 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 no impedido . Si existe impedimento estérico en el sustrato cerca del grupo saliente, como en un centro de carbono terciario , la sustitución implicará un _SN1 en lugar de un _SN2 . ^{[ 2 ]}

Otros tipos de sustitución nucleofílica incluyen la sustitución acílica nucleofílica y la sustitución aromática nucleofílica . La sustitución acílica ocurre cuando un nucleófilo ataca un átomo de carbono unido mediante un doble enlace a un átomo de oxígeno y mediante un enlace simple a otro átomo de oxígeno (que puede ser nitrógeno, azufre o un halógeno ), denominado grupo acilo . El nucleófilo ataca el carbono, provocando la ruptura del doble enlace y la formación de un enlace simple. El doble enlace puede entonces reformarse, expulsando al grupo saliente en el proceso.

La sustitución aromática se produce en compuestos con sistemas de enlaces dobles conectados en anillos. Consulte la sección sobre compuestos aromáticos para obtener más información.

Los electrófilos participan en las reacciones de sustitución electrofílica , en particular en las 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 forma una estructura de resonancia de carbocatión. Finalmente, se expulsa un protón y se forma un nuevo compuesto aromático.

Las reacciones electrofílicas con compuestos insaturados distintos de los arenos generalmente dan lugar a una adición electrofílica en lugar de una sustitución.

Una reacción de sustitución radicalaria involucra 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 reaccionan para formar un compuesto del tipo RR′ con la formación de un nuevo enlace carbono-carbono . Algunos ejemplos son la reacción de Heck , la reacción de Ullmann y la reacción de Wurtz-Fittig . Existen muchas variantes. ^{[ 3 ]}

Los compuestos sustituidos son aquellos en los que uno o más átomos de hidrógeno han sido reemplazados por otros grupos, como alquilo , hidroxilo o halógeno . Para más información, consulte 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 los 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 típicamente a complejos organometálicos y de coordinación , pero se asemeja al mecanismo Sn2 en química orgánica . La vía opuesta es la sustitución disociativa , que es análoga a la vía Sn1 .

Ejemplos de mecanismos asociativos se encuentran comúnmente en la química de complejos metálicos planos cuadrados de 16 electrones, por ejemplo, el complejo de Vaska y el tetracloroplatinato . La ley de velocidad se rige por el mecanismo de Eigen-Wilkins .

La sustitución disociativa se asemeja al mecanismo S _N 1 en química orgánica. Esta vía se puede describir bien mediante el efecto cis , o la labilización de los ligandos CO en la posición cis . Los complejos que experimentan sustitución disociativa suelen estar coordinativamente saturados y a menudo presentan geometría molecular octaédrica . La entropía de activación es característicamente positiva para estas reacciones, lo que indica que el desorden del sistema reactivo aumenta en la etapa determinante de la velocidad. Las vías disociativas se caracterizan por una etapa 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 sustituyente no influye en esta velocidad, y se puede detectar un intermedio con un 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 correspondientes etapas intermedias de reacción:

${\displaystyle {\ce {L_{\mathit {n}}ML<=>[-\mathrm {L} ,k_{1}][+\mathrm {L} ,k_{-1}]L_{\mathit {n}}M-\Box ->[+\mathrm {L} ',k_{2}]L_{\mathit {n}}ML'}}}$

Normalmente, la etapa determinante de la velocidad es la disociación de L del complejo, y [L'] no afecta la velocidad de reacción, lo que lleva a la ecuación de velocidad simple:

${\displaystyle {\ce {Tasa={{\mathit {k}}_{1}[L_{\mathit {n}}ML]}}}}$

• Imyanitov, Naum S. (1993). "¿Es esta reacción una sustitución, una oxidación-reducción o una transferencia?". J. Chem. Educ . 70 (1): 14–16. Bibcode : 1993JChEd..70...14I. doi : 10.1021/ed070p14.