Sustitución aromática nucleofílica

¿Qué son las reacciones de sustitución aromática nucleofílica?

¡Las reacciones de sustitución aromática nucleófila suenan como un bocado! Pero si lo desglosamos, es más fácil entender qué sucede en estas reacciones. Comencemos con ‘aromático’. Los compuestos aromáticos son anillos de carbono planos con dobles enlaces alternos.

Probablemente ya esté bastante familiarizado con esta clase de compuestos. Los compuestos aromáticos incluyen los deliciosos olores que experimentamos en lavanda, vainilla y muchas flores. Pero, aunque su nombre puede implicar que todos los compuestos aromáticos huelen bien, muchos tienen otros usos. El benceno y el tolueno son compuestos aromáticos comunes que se utilizan en combustibles, plásticos, medicamentos y muchas otras industrias.

Ahora para el resto de la frase. Nucleofílico indica un compuesto que tiene electrones para donar. Esta es la molécula que se agregará a nuestro anillo aromático. La sustitución indica un tipo de reacción en la que un grupo se reemplaza por otro. En este caso, el nucleófilo reemplazará a un grupo saliente en el anillo aromático.

Entonces, ¿por qué deberíamos preocuparnos por este tipo de reacción? Los compuestos aromáticos se utilizan en muchas industrias y en la producción de productos que utilizamos todos los días, como combustible y plástico. Para producir el compuesto exacto que necesitamos, debemos comprender los diferentes tipos de reacciones que pueden realizar los compuestos aromáticos. Hoy, nos centraremos en el mecanismo de las reacciones de sustitución nucleofílica.

Mecanismo de acción

Normalmente, los anillos aromáticos actúan como nucleófilos y se añade un electrófilo. Sin embargo, si las condiciones son las adecuadas, los anillos aromáticos pueden pasar por reacciones de sustitución nucleófila en las que el anillo aromático actúa como electrófilo y el nucleófilo reemplaza a un sustituyente en el anillo. Sin embargo, para que esto suceda, el nucleófilo debe ser muy fuerte y debe haber un buen grupo saliente en el anillo aromático, como un halógeno. Hay dos formas en que esto puede ocurrir, adición-eliminación o eliminación-adición. Veamos cada uno en detalle a continuación.

1. Adición-Eliminación

Cuando los haluros de acrilo (anillos aromáticos con un halógeno) tienen un buen grupo atractor de electrones, como un óxido de nitrógeno, enfrente o próximo al halógeno, es posible una reacción de adición-eliminación . El primer paso implica la adición del nucleófilo al carbono unido al halógeno. El nucleófilo dona electrones al carbono unido al halógeno, formando un carbanión .

Sin embargo, debido a la resonancia dentro de los dobles enlaces en el anillo aromático, la carga negativa se puede distribuir a través de los enlaces pi en el anillo a través de varias estructuras de resonancia diferentes. Estos intermedios cargados negativamente se conocen como complejo de Meisenheimer .

El complejo de Meisenheimer son todas las estructuras de resonancia del intermedio de carbanión durante las reacciones de sustitución aromática nucleofílica.

Esto contrasta con las reacciones de sustitución de electrófilos, en las que el primer paso es un carbocatión, o un carbono con carga positiva. Recuerde, los nucleófilos donan electrones, por lo que en la sustitución nucleofílica, el átomo de carbono alrededor del doble enlace obtiene una carga negativa que forma un carbanión. Pero, si se agrega un electrófilo, esta molécula quita electrones, dejando una carga positiva en el carbono formando un carbocatión.

A continuación, el grupo saliente de halógeno atrae los iones negativos y rompe el enlace con el átomo de carbono. Esto produce un anillo aromático ahora con el nucleófilo unido después de que se vaya el grupo halógeno.

El aumento de grupos aceptores de electrones aumenta la velocidad de estas reacciones, ya que ayudan a estabilizar el intermedio carbanión. Además, los halógenos más electronegativos aumentarán la velocidad de reacción, ya que también aumentan la estabilidad del intermedio carbanión.

2. Eliminación-Adición

Los haluros de acrílico que no tienen grupos aceptores de electrones generalmente no son muy reactivos. No tienen ayudantes para estabilizar ese carbanión intermedio y, por lo tanto, no suelen reaccionar con los nucleófilos. Sin embargo, en condiciones de calor y presión intensos, reaccionarán mediante una reacción de eliminación-adición .

En este caso, el nucleófilo, como el hidróxido de sodio, primero ataca el enlace carbono-hidrógeno junto al halógeno. Esto da como resultado que el ión de hidrógeno deje y done sus electrones para formar un triple enlace con el carbono conectado al halógeno. El halógeno se va, creando un intermedio de bencina o una molécula de benceno con un triple enlace.

Las reacciones de eliminación-adición forman intermediarios de bencina

Sin embargo, este intermedio es inestable y susceptible de ser atacado por el nucleófilo. El nucleófilo se agrega a uno de los carbonos alrededor del triple enlace, produciendo un producto de adición como fenol o un benceno con un grupo alcohol.

Resumen de la lección

Las reacciones de sustitución aromática nucleófila implican el uso del anillo aromático como electrófilo y la adición de un nucleófilo . Cuando el compuesto aromático contiene grupos aceptores de electrones y un halógeno con nucleófilo ataca el carbono unido al halógeno, forma un intermedio de carbanión que se estabiliza en estructuras de resonancia, conocido como complejo de Meisenheimer . El halógeno se va y el nucleófilo se agrega durante este tipo de reacción, conocida como reacción de adición-eliminación . Sin embargo, si no hay grupos aceptores de electrones, los nucleófilos solo reaccionarán con haluros de acrilo en eliminación-adición.reacciones con calor y presión elevados. Aquí, el ion de hidrógeno adyacente al doble enlace se va, el halógeno se va formando un intermedio de bencina y se agrega el nucleófilo.