¿Cómo se estabilizan los estados de transición SN2 mediante dobles enlaces adyacentes y grupos carbonilo?

Question

Tengo entendido que los estados de transición en un S _N 2 reacción tienen algún carácter orbital lleno y otro vacío, ya que tenemos la parte trasera del C-X * empezando a llenarse de electrones del HOMO del nucleófilo, formando un C-Nu de la unión en el proceso.

Si tenemos un grupo carbonilo adyacente al de carbono, he aprendido que la TS sólo se estabiliza con el C-O * es decir, por la retirada de electrones y no por la C-O .

Sin embargo, con dobles enlaces adyacentes, he aprendido que el TS se estabiliza tanto por el C-C y el C-C * .

Me preguntaba por qué esto sería así, ya que mirando la forma de los orbitales, no parece haber ninguna razón para que el C-O no podría alinearse de manera que el orbital p parcialmente vacío en el TS sea paralelo a los lóbulos de esta MO, estabilizando así el TS mientras se forman nuevas MOs de menor energía.

Además, en lo que respecta a la mejor representación de estas estructuras, siempre veo cargas negativas parciales en el grupo saliente y en el nucleófilo en el estado de transición, pero nunca la carga positiva situada en el de carbono. Seguramente, si con los grupos carbonilos adyacentes sólo tenemos estabilización por retirada de electrones, es válido poner allí la carga positiva parcial.

Answer 1

Los grupos insaturados conjugados con el lugar de ataque (anillos aromáticos, alquenos, grupos carbonilos) tienden a tener el efecto de aumentar la velocidad de un S _N 2 reacción en ese centro.

Como ejemplo, el desplazamiento por yoduro nucleófilo en acetona como disolvente es ca. 30 veces más rápido para el cloruro de alilo que para el cloruro de etilo, siendo el cloruro de bencilo aún más rápido. [1]

Inicialmente se pensó que el efecto era estérico, dado que los grupos insaturados están hibridizados sp2 (y por lo tanto son planares) y permiten al nucleófilo un acercamiento menos obstaculizado, pero muchos estudios empíricos y computacionales ahora lo discuten, con un efecto estereoelectrónico [*] ampliamente aceptada (aunque la esterilidad puede desempeñar un pequeño papel).

Pruebas empíricas de un efecto estereoelectrónico

Uno de los primeros indicios de que el efecto era estereoelectrónico fue a través de una serie de experimentos realizados por Payne (que se muestran a continuación) [2] El compuesto abierto (acíclico) reacciona ca. 8000 veces más rápido que el compuesto cerrado (cíclico). Para entender por qué, tenemos que considerar los orbitales involucrados...

La explicación orbital

Si aceptamos un efecto estereoelectrónico (volviendo a los hallazgos de Payne más adelante), tenemos que decidir si el efecto es un efecto de estado básico (debilitamiento del enlace C-X, aumentando la energía) o un efecto de estado de transición (estabilización del TS, disminuyendo la energía). Citando a Fleming (el énfasis es mío): [3]

[Esta conjugación] puede operar en parte aumentando la energía del material de partida, pero lo más probable es que [los grupos conjugadores] actúan principalmente para reducir la energía de las estructuras de transición.

En la práctica, los estudios computacionales [4] demuestran que esto es así, con el enlace pi interactuando con el eje principal del S _N 2 estado de transición (conjugación sigma-pi):

El cálculo de las longitudes de los enlaces también coincide con este modo de conjugación, ya que la longitud del enlace C-C disminuye al estabilizarse el TS:

Esperemos que, a estas alturas, los resultados experimentales de Payne sean obvios. En la estructura cíclica, no hay manera de permitir que los orbitales pi en el benceno se alineen correctamente con el S _N 2 estado de transición (dado que sabemos que la ST es lineal, no doblada).

Una última cosa a tener en cuenta es que tanto en el caso del alqueno como en el del carbonilo (como en tu pregunta) se piensa que el efecto dominante es el anterior (conjugación sigma-pi).

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[1]: March, J.; Smith, M. B. Química Orgánica Avanzada Wiley: Hoboken, Nueva Jersey, 2007

[2]: King, J. F.; Tsang, G. T. Y.; Abdel-Malik, M. M.; Payne, N.C. J. Am. Chem. Soc. 1985 , 107 , 3224

[3]: Fleming, I. Orbitales moleculares y reacciones químicas orgánicas:Edición de referencia Wiley: Hoboken, Nueva Jersey, 2010

[4]: Bach, R. D.; Soddens, B. A.; Wolber, G. J. J. Org. Chem. 1986 , 51 , 1030

[*]: Lo siento Jan, no pude ayudarme a mí mismo con el negrita , No estoy gritando, lo prometo

Answer 2

En el caso de un grupo carbonilo adyacente, los carbonos unidos al grupo saliente y al oxígeno son electrofílicos debido a la presencia de un * y un * orbital de baja energía, respectivamente. Estos se combinan para formar un LUMO que es aún más bajo en energía. Así que cada carbono se vuelve más electrófilo debido al otro. Ahora, el nucleófilo puede atacar al C=O pero es reversible. En este caso, la sustitución nucleofílica es muy favorable ya que el desplazamiento del grupo saliente es irreversible.

En cuanto al carbono alílico, el carbono en el estado de transición es deficitario en electrones ya que forma "enlaces parciales" que implican 2 electrones, lo que se remedia por la capacidad de donación de electrones del enlace, estabilizando el S.T., aumentando así la tasa. El obstáculo esteárico es lo suficientemente pequeño como para ser despreciado (en comparación con un carbono sp3 más expansivo)

Answer 3

En el caso de los grupos Beta Carbonilo, el Carbono unido al Oxígeno a través de un doble enlace tiene una carga positiva parcial debido al efecto inductivo y el nucleófilo en la mayoría de los casos tiene carga negativa. Por lo tanto, debido a la fuerza electrostática entre esta carga positiva parcial y la carga negativa del nucleófilo (las fuerzas electrostáticas son fuerzas muy fuertes en química), el nucleófilo es atraído hacia el lugar de reacción, es decir, cerca del carbono unido al grupo saliente. Esto aumenta la velocidad de reacción.

El doble enlace tiene una alta densidad de electrones. Por lo tanto, ayuda al nucleófilo a arrastrar el pequeño bucle de carbono en el ataque posterior. Lo mismo se aplica para el par solitario ajdacent.