Sustitución nucleofílica unimolecular (SN1): mecanismo, cinética y factores

Un ejemplo de una reacción que tiene lugar con un mecanismo de reacción S_N 1 es la hidrólisis del bromuro de terc-butilo con agua para formar alcohol terc-butílico:

Esta reacción S_N 1 tiene lugar en tres pasos:

• Formación de un carbocatión tert-butílico por separación de un grupo saliente (un anión bromuro) del átomo de carbono; este paso es lento y reversible.

• Ataque nucleofílico: el carbocation reacciona con el nucleófilo. Si el nucleófilo es una molécula neutra (es decir, un disolvente) se requiere un tercer paso para completar la reacción. Cuando el disolvente es agua, el intermedio es un ion oxonio. Este paso de la reacción es rápido.

• Desprotonación: Eliminación de un protón en el nucleófilo protonado por el agua que actúa como base formando el alcohol y un ion hidronio. Este paso de la reacción es rápido.

Dado que el primer paso es el cuello de botella o "paso determinante de la velocidad", los químicos clasifican todo el mecanismo de reacción como S_N1. Sólo se necesita una molécula para ese paso.

A veces, una molécula puede reaccionar utilizando un mecanismo S _N1 o un mecanismo S_N 2. El mecanismo S _N1 ganará esta competición cuando el átomo de carbono central esté rodeado de grupos voluminosos, ya que dichos grupos dificultan estéricamente la reacción S _N2. Además, los sustituyentes voluminosos en el carbono central aumentan la velocidad de formación del carbocatión debido al alivio de la tensión estérica que se produce. El carbocatión resultante también se estabiliza tanto por la estabilización inductiva como por la hiperconjugación de los grupos alquilos unidos. El postulado de Hammond-Leffler dice que esto también aumentará la tasa de formación de carbocationes. Por lo tanto, el mecanismo S _N1 domina en las reacciones en los centros alquílicos terciarios y se observa además en los centros alquílicos secundarios en presencia de nucleófilos débiles.

Un ejemplo de reacción que procede de forma S_N 1 es la síntesis del 2,5-dicloro-2,5-dimetilhexano a partir del diol correspondiente con ácido clorhídrico concentrado:

A medida que las sustituciones alfa y beta aumentan con respecto a los grupos salientes, la reacción se desvía de S _N2 a S _N1.

El carbocatión intermedio formado en el paso limitante de la velocidad de reacción es un ²carbono hibridado con geometría molecular planar trigonal. Esto permite dos caminos diferentes para el ataque nucleofílico, uno a cada lado de la molécula planar. Si ninguno de los caminos es preferentemente favorecido, estos dos caminos se utilizarán por igual, produciendo una mezcla racémica de enantiómeros si la reacción tiene lugar en un estereocentro. Esto se ilustra a continuación en la reacción S _N1 del S-3-cloro-3-metilhexano con un ion yoduro, que produce una mezcla racémica de 3-yodo-3-metilhexano:

Sin embargo, puede observarse un exceso de un estereoisómero, ya que el grupo saliente puede permanecer cerca del carbocatión intermedio durante un corto periodo de tiempo y bloquear el ataque nucleofílico. Esto es muy diferente al mecanismo S_N, que no mezcla la estereoquímica del producto (un mecanismo estereoespecífico). El mecanismo S 2 _Nsiempre invierte la estereoquímica de la molécula.

Dos reacciones secundarias comunes son las reacciones de eliminación y el reordenamiento de carbocationes. Si la reacción se lleva a cabo en condiciones cálidas o calientes (que favorecen un aumento de la entropía), es probable que predomine la eliminación E1, lo que conduce a la formación de un alqueno. A temperaturas más bajas, las reacciones S _N1 y E1 son reacciones competitivas. Por lo tanto, se hace difícil favorecer una sobre la otra. Incluso si la reacción se realiza en frío, puede formarse algún alqueno. Si se intenta llevar a cabo una reacción S _N1 utilizando un nucleófilo fuertemente básico, como un ion hidróxido o metóxido, el alqueno se formará de nuevo, esta vez a través de una eliminación E2. Esto será especialmente cierto si la reacción se calienta. Por último, si el carbocatión intermedio puede reordenarse a un carbocatión más estable, dará un producto derivado del carbocatión más estable en lugar del producto de sustitución simple.

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Los disolventes modifican la velocidad de reacción. Dado que la reacción de S_N 1 implica la formación de un carbocatión intermedio inestable en el paso que determina la velocidad, cualquier cosa que pueda ayudar a esto acelerará la reacción. Los disolventes normales a elegir son tanto polares (para estabilizar los intermedios iónicos en general) como próticos (para disolver el grupo saliente en particular). Los disolventes próticos polares típicos incluyen el agua y los alcoholes, que también actuarán como nucleófilos.

La escala Y correlaciona las velocidades de reacción de solvólisis de cualquier disolvente (k) con la de un disolvente estándar (80% v/v etanol/agua) (k ₀) mediante

log ( k k 0 ) = m Y {\displaystyle \log {\left({\frac {k_{0}}right)}=mY,}

con m una constante del reactivo (m = 1 para el cloruro de terc-butilo),

• Y un parámetro del disolvente, y
• k₀ es la velocidad de reacción utilizando un disolvente de etanol al 80% (medido en volumen).

Por ejemplo, el 100% de etanol da Y = -2,3, el 50% de etanol en agua Y = +1,65 y el 15% de concentración Y = +3,2.