Mecanismos de reacción polar: tipos y ejemplos

Publicado el 28 octubre, 2020 por Rodrigo Ricardo

Introducción a los mecanismos polares

Estamos aprendiendo constantemente cómo hacer mejores productos: todo, desde plásticos mejorados hasta nuevos alimentos extraños y mejores baterías para nuestros autos eléctricos. Podemos aprender bastante simplemente experimentando con diferentes materiales. De hecho, ¡así es como se descubrió el filamento de tungsteno para la bombilla!


Uno de Edison
bombilla temprana de Edison

Los químicos a menudo abordan el problema aprendiendo más sobre cómo una molécula se transforma en otra completamente diferente. La forma en que los reactivos químicos se transforman en productos se denomina mecanismo de reacción . En esta lección, exploraremos cuatro tipos de mecanismos de reacción que se encuentran comúnmente entre las moléculas orgánicas (las que contienen carbono). El denominador común que comparten es que los iones negativos y los átomos cargados (parcialmente) negativamente, llamados nucleófilos, siempre ‘atacan’ iones o átomos cargados positivamente, llamados electrófilos .

Mecanismo SN1

SN1 significa ‘sustitución nucleofílica, primer orden’. Cuando medimos la velocidad a la que ocurre una reacción química, queremos saber qué variables pueden afectar esta velocidad. Tenemos que considerar dos especies químicas principales: el nucleófilo (“ama” las cargas positivas) y el electrófilo, al que llamamos sustrato . Para una reacción SN1, la identidad y concentración del sustrato afecta principalmente la velocidad de reacción (al igual que otros factores), pero el nucleófilo no.

Entonces, ¿por qué el nucleófilo no afecta la velocidad de reacción? Consideremos el siguiente ejemplo. Añadiendo hidróxido, OH – : al 3-yodo-1-propeno se forma alcohol alílico:

Mecanismo SN1

Podemos ver dos pasos en la reacción: (1) I – abandona el sustrato, formando un carbocatión con carga positiva y (2), OH – ataca el átomo de carbono donde se encuentra la carga positiva.

Se necesita muy poco tiempo para que OH – ataque el carbocatión (¡los opuestos se atraen!), Pero mucho más tiempo para que el I – decida dejar el sustrato. Entonces, la identidad y concentración del sustrato afecta la velocidad de reacción.

Mecanismo E1

E1 significa ‘eliminación, primer orden’. El primer paso de una reacción E1 es idéntico al SN1: el sustrato forma un carbocatión. Sin embargo, en lugar de que un anión ataque a este ión, se elimina un átomo o grupo adicional del sustrato, formando un doble enlace sobre el sustrato. Normalmente, el átomo eliminado es solo hidrógeno, y una base suele extraer el hidrógeno. Consideremos nuevamente el 3-yodo-1-propeno, reaccionando con OH – :

3 reacción de yodo1propeno

Al igual que con SN1, primero se forma un carbocatión. El ion hidróxido puede atacar el átomo de C, o puede extraer un átomo de hidrógeno, lo que finalmente obliga a los electrones en el enlace CH a ir a alguna parte: a un nuevo doble enlace. Las reacciones SN1 a menudo ocurren en paralelo con las reacciones E1. La cantidad de productos de sustitución y eliminación formados depende de las condiciones y moléculas exactas utilizadas.

Mecanismo SN2

SN2 significa ‘sustitución nucleofílica, segundo orden’. Tanto el nucleófilo como el electrófilo afectan la velocidad de reacción. En las reacciones SN2, no se forma carbocatión. En cambio, el nucleófilo ataca directamente al átomo electrófilo del sustrato. Consideremos la molécula 2-yodopropano como un ejemplo de sustrato, y nuevamente agregaremos OH – :

sn2mechanismtosize

Podemos ver que el nucleófilo, I – , abandona el sustrato en tándem con OH – atacando el átomo de carbono central en el sustrato. Cuando esto ocurre, los grupos metilo y el hidrógeno del carbono atacado deben reorientarse para dejar espacio para el ión OH – entrante .

No todos los sustratos pueden proporcionar suficiente espacio para que el sustrato ataque el carbono adherido al anión saliente. Por ejemplo, si el carbono unido al I – tuviera tres sustituyentes de carbono (por ejemplo, tres grupos CH 3 ), el OH – no podría alcanzar fácilmente el carbono y se produciría una reacción lenta o no ocurriría ninguna reacción.

Además, dado que el nucleófilo está atacando a una molécula neutra, no es tan rápido como la unión de un catión y un anión, como en los mecanismos SN1. Los aniones más grandes tienden a ser mejores nucleófilos y conducen a una reacción rápida, por lo que I – es mejor que Br – , por ejemplo.

Para las reacciones SN2, la velocidad depende por tanto de la reorientación y concentración del sustrato, así como de la identidad y concentración del nucleófilo entrante.

Mecanismo E2

E2 significa ‘eliminación, segundo orden’. En lugar de que un nucleófilo ataque a un átomo de carbono cuando un anión abandona el sustrato, una base extrae un átomo de hidrógeno al mismo tiempo que el anión sale. Al igual que con E1, se forma un doble enlace. En el mecanismo SN2 que describimos, observe que el anión sale del sustrato por el lado opuesto de donde el nucleófilo ataca al átomo de carbono. De manera similar, en E2, el anión abandona el sustrato desde la esquina opuesta del doble enlace, en relación a donde la base roba el átomo de hidrógeno. Este proceso se muestra nuevamente usando hidróxido que reacciona con 2-yodopropano:

e2mecanismtosize

Como resultado de la extracción de la base que ocurre en la “esquina del gatito” a través del doble enlace recién formado del anión saliente, siempre se forma el isómero trans de un alqueno, en lugar del isómero cis . Al igual que con E1 vs SN1, E2 compite con reacciones SN2. El mismo sustrato exacto puede hacer una reacción SN2 o E2, pero las bases fuertes como el hidróxido tienden a favorecer un poco más los productos de reacción E2. Es más probable que las bases más débiles den una mezcla de productos.

Resumen de la lección

En esta lección, hemos revisado los cuatro tipos básicos de mecanismos de reacción polar: E1 (eliminación, primer orden), E2 (eliminación, segundo orden), SN1 (sustitución nucleófila, primer orden) y SN2 (sustitución nucleófila, segundo orden). ). Las reacciones E1 (E2) y SN1 (SN2) pueden ocurrir simultáneamente y conducen a la formación de dobles enlaces o la sustitución nucleofílica. En los mecanismos de primer orden, una especie química intermedia cargada positivamente conocida como carbocatiónse forma, que luego es atacado por un nucleófilo. En los mecanismos de segundo orden, la transición de reactivos a productos ocurre en un solo paso a medida que los enlaces químicos en el sustrato se reorientan. Por ejemplo, un alqueno de isómero trans se forma en una reacción E2 porque el anión sale del sustrato “esquina de gatito” desde donde se formó el doble enlace original.

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