Reacciones de sustitución en química orgánica
¿Alguna vez te has preguntado por qué un hot dog puede causar cáncer? ¿O cómo algunos anestésicos tópicos como la benzocaína , comúnmente utilizados para los dolores de muelas, pueden reducir el dolor? Ambos compuestos se pueden formar mediante reacciones de sustitución.
Una reacción de sustitución es una reacción entre moléculas en la que un átomo o un grupo de átomos reemplaza a un átomo actual en la molécula original. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno se puede disparar para que se pueda colocar un átomo diferente. Hay dos tipos de reacciones de sustitución: nucleófilas y electrófilas. Estas dos reacciones difieren en el tipo de átomo que se une a la molécula original. En las reacciones nucleofílicas , el nuevo átomo es rico en electrones, mientras que en las reacciones electrofílicas , el nuevo átomo es deficiente en electrones.
Reacciones de sustitución nucleofílica
Las reacciones de sustitución nucleofílica pueden ocurrir con cualquier cadena de carbono que tenga un buen grupo saliente. A menudo, este grupo saliente es un haluro, generalmente bromo o cloro, pero los grupos de oxígeno, típicamente en forma de agua, también pueden ser el grupo saliente. Cuanto menos básico es un grupo saliente, más aumenta su abandono. En otras palabras, cuando tiene un pKa más bajo, es un mejor grupo saliente.
Un nucleófilo es similar a una base en que ambos tienen un par solitario o un enlace circular. Se diferencian solo en qué átomo atacan. Los nucleófilos atacan el átomo que es deficiente en electrones, generalmente el átomo de carbono, mientras que las bases atacan a los protones. Una base más fuerte será un nucleófilo fuerte.
Así que recuerde que el grupo saliente debe ser una base pobre y tener un pKa más bajo, mientras que el nucleófilo debe ser una base más fuerte.
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En esta ecuación, ‘Nu’ representa el nucleófilo, ‘R’ representa una cadena de carbonos y ‘X’ se refiere al grupo saliente. El nucleófilo ataca al carbono, que luego puede iniciar el grupo saliente. Las flechas muestran el flujo de electrones. Los electrones del nucleófilo rico en electrones se unen al carbono. Luego, los electrones del enlace CX se van con el grupo saliente.
Si el grupo saliente es un grupo saliente particularmente bueno, entonces puede irse por sí solo antes de que el nucleófilo ataque. Entonces, incluso un nucleófilo débil puede atacar, ya que el carbono tendrá una carga positiva completa y será muy deficiente en electrones.
Nitrito de sodio y sustitución nucleofílica
El nitrito de sodio se usa como conservante en muchos alimentos, como salchichas, pescado ahumado y spam. Sin el uso de nitritos de sodio, estos productos fácilmente formarían una toxina de Clostridium botulinum , que es una intoxicación alimentaria letal. Incluso cuando se detecta rápidamente y se administra la antitoxina, las víctimas nunca pueden recuperarse por completo de los efectos, que pueden ser desde dificultad para respirar hasta parálisis.
Debido al peligro asociado con Clostridium botulinum, las agencias reguladoras de alimentos han continuado permitiendo el uso de nitrito de sodio. Después de todo, sin el uso de nitrito de sodio, estos productos serían imposibles de fabricar de manera segura. Sin embargo, el nitrito de sodio también puede ser peligroso cuando se consume. Puede formar una sustancia cancerígena llamada nitrosaminas .
Estas nitrosaminas son peligrosas debido a cómo se forman a través de una reacción de sustitución nucleofílica. Las nitrosaminas pueden formar una estructura en la que un grupo R se une a un nitrógeno que está triplemente unido a otro nitrógeno. Este nitrógeno es un grupo saliente muy bueno y puede dejar el grupo R sin ningún ataque de un nucleófilo. Esto deja al grupo R con una carga positiva. Ahora, recuerde, cualquier nucleófilo, incluso un nucleófilo débil, puede atacar ese grupo R. A menudo, este grupo R recibe ataques con compuestos biológicos que pueden actuar como nucleófilos, como el ADN. Esto altera la estructura del ADN, lo que puede conducir a la formación de células cancerosas.
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Reacciones de sustitución electrofílica
Las reacciones de sustitución electrofílica ocurren solo con compuestos que se llaman compuestos aromáticos. Estos compuestos aromáticos tienen un exceso de electrones que se comparten en todo el sistema. La forma más simple de estos compuestos aromáticos es el benceno . Normalmente, cuando hay un doble enlace en el sistema, se producirá una reacción adicional. El doble enlace se romperá y el nuevo átomo se colocará en lugar del doble enlace. Sin embargo, dado que el benceno es extremadamente estable, no quiere renunciar a su aromaticidad. Si alguno de los dobles enlaces se rompiera, la aromaticidad se destruiría. Entonces, en cambio, el benceno solo sufrirá reacciones de sustitución para que, al final, mantenga su aromaticidad.
Para que se produzca una reacción de sustitución electrófila, es necesario formar un electrófilo fuerte. Recuerde, un electrófilo es un átomo que necesita más electrones, por lo que un electrófilo fuerte tendrá una carga positiva. Entonces, los electrones del benceno pueden reaccionar con el electrófilo, llenando ese espacio.
Durante un breve período, el benceno tiene una carga positiva. Normalmente, esta carga positiva estaría llena de hidrógeno, pero eso no permitiría que el benceno volviera a la aromaticidad. Entonces, en cambio, el hidrógeno es eliminado por una base y esos electrones pueden regresar al sistema, haciéndolo aromático nuevamente pero ahora con un nuevo átomo en lugar del hidrógeno.
Benzocaína y sustitución electrofílica
La benzocaína es el ingrediente activo de muchos anestésicos tópicos. La estructura de la benzocaína es un benceno con dos grupos agregados. Este compuesto se elabora sustituyendo el éster en una anilina, que es un benceno con un grupo nitro, y luego se reduce el grupo nitro. La reacción de sustitución ocurre al hacer reaccionar el aldehído con la anilina. El aldehído debe tener una carga positiva. Esto se puede lograr eliminando el cloruro de un cloruro de acilo.
Resumen de la lección
Las reacciones de sustitución ocurren al reemplazar un átomo actual en una molécula por un nuevo átomo. Esto puede ocurrir por sustitución nucleofílica, como en la reacción que hace que el nitrito de sodio sea una sustancia cancerígena. Una sustitución nucleofílica utiliza un átomo que tiene electrones adicionales para iniciar un grupo saliente de un grupo R. Esto también puede suceder mediante sustitución electrofílica. Esto ocurre con los compuestos aromáticos porque no quieren perder su aromaticidad, por lo que sustituyen un nuevo átomo por un hidrógeno. Las reacciones de sustitución electrofílica crean benzocaína, que es un anestésico tópico.
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