Q5.7. Sustitución nucleofílica
La sustitución nucleofílica reemplaza un grupo saliente por un nucleófilo. Dos mecanismos, SN2 y SN1, explican la mayoría de los casos iniciales y permiten predecir velocidad, estereoquímica y reordenamientos.
Objetivos de aprendizaje
- Comparar mecanismos SN2 y SN1 en pasos, cinética y estereoquímica.
- Evaluar sustrato, nucleófilo, solvente y grupo saliente.
- Predecir inversión, racemización y reordenamientos.
- Elegir condiciones para favorecer sustitución frente a eliminación.
Mapa del capítulo
Mecanismo SN2
La SN2 ocurre en un solo paso concertado: el nucleófilo ataca al carbono electrofílico mientras el grupo saliente se va. El ataque se produce desde el lado opuesto al grupo saliente, porque allí se alinea mejor el orbital del nucleófilo con el orbital antienlazante C-X. La consecuencia estereoquímica es inversión de configuración.
La ley de velocidad es v = k[RX][Nu-], porque tanto sustrato como nucleófilo participan en el estado de transición. La SN2 se favorece con sustratos metílicos o primarios, nucleófilos fuertes, buenos grupos salientes y solventes polares apróticos como acetona, DMSO o acetonitrilo.
Mecanismo SN1
La SN1 ocurre en dos etapas principales. Primero se rompe el enlace C-X y se forma un carbocatión; este paso es lento y determina la velocidad. Luego el nucleófilo ataca al carbocatión. La ley de velocidad es v = k[RX], porque el nucleófilo no participa en el paso limitante.
Los carbocationes son planos, de modo que el nucleófilo puede atacar por ambas caras. Por eso se observa racemización parcial si el centro era quiral, aunque a veces hay predominio de inversión por interacción con el grupo saliente cercano. La SN1 se favorece con sustratos terciarios, alílicos o bencílicos, solventes polares próticos y nucleófilos que pueden ser débiles.
Factores que deciden la ruta
El sustrato suele ser el primer filtro. Un haluro primario difícilmente forma carbocatión, por lo que SN1 no es razonable; un haluro terciario está demasiado impedido para SN2. Un sustrato secundario es el terreno de competencia y requiere mirar nucleófilo, base, solvente y temperatura.
El nucleófilo y el solvente se leen juntos. Aniones fuertes en solventes apróticos son muy efectivos en SN2. En solventes próticos, los aniones pequeños se solvatan fuertemente y pierden nucleofilicidad. En SN1, el solvente estabiliza iones y ayuda a la ionización del sustrato.
Aplicaciones sintéticas
La sustitución nucleofílica permite convertir haluros en alcoholes, éteres, tioles, aminas, nitrilos o azidas. Por ejemplo, CN- agrega un carbono y permite llegar luego a ácidos carboxílicos o aminas; N3- introduce un grupo convertible en amina por reducción.
Para planificar una sustitución conviene preguntarse: ¿el carbono es accesible?, ¿el nucleófilo también es base fuerte?, ¿hay riesgo de eliminación?, ¿la estereoquímica importa? La respuesta decide si se usan condiciones SN2, si se acepta SN1 o si conviene cambiar el grupo saliente.
Ejemplo trabajado de lectura química
1-bromopropano con NaOCH3 en metanol puede dar sustitución por SN2 para formar metil propil éter. 2-bromo-2-metilpropano con agua forma tert-butanol por SN1, y también puede competir eliminación hacia isobuteno.
Errores frecuentes y cómo evitarlos
| Error | Corrección conceptual |
|---|---|
| Llamar SN2 a reacciones terciarias | El impedimento impide el ataque dorsal. |
| Olvidar reordenamientos en SN1 | Todo carbocatión debe revisarse por posibles corrimientos. |
| Separar nucleófilo y base como si fueran propiedades excluyentes | Muchas especies pueden actuar como ambas; las condiciones deciden. |
Autoevaluación
- Predice mecanismo y producto para bromuro de etilo con NaCN en DMSO.
- Explica la racemización en una SN1 sobre un centro quiral.
- Construye una tabla de condiciones que favorecen SN1 o SN2.