¿Por qué el DCM y el cloroformo son tan resistentes a la sustitución nucleófila?

Question

En el libro Química orgánica por J. Clayden, N. Greeves, S. Warren y P. Wothers encontré el siguiente razonamiento:

Quizá se haya preguntado por qué, mientras que el cloruro de metilo (clorometano) es un electrófilo reactivo que participa fácilmente en las reacciones de sustitución, el diclorometano (DCM) es tan poco reactivo que puede utilizarse como disolvente en el que tienen lugar las reacciones de sustitución de otros haluros de alquilo. Se puede pensar que se trata de un efecto estérico: efectivamente, $\ce{Cl}$ es mayor que $\ce{H}$ . B $\ce{CH2Cl2}$ es mucho menos reactivo como electrófilo que el cloruro de etilo o el cloruro de propilo: debe haber algo más en su irreactividad. Y lo hay: El diclorometano se beneficia de una especie de "efecto anomérico permanente". Un par solitario de cada cloro es siempre antiperiplano con respecto al otro $\ce{C–Cl}$ de bonos para que siempre hay estabilización de este efecto.

Así que, en términos de MO, la situación sería algo así.

El razonamiento me parece plausible. La interacción entre el par de electrones libres en $\ce{Cl}$ y el $\sigma^{*}$ orbital del vecino $\ce{C-Cl}$ que sería el LUMO del DCM, disminuye la energía del orbital de pares de electrones libres, estabilizando así el compuesto, y aumenta la energía del LUMO, haciendo que el DCM sea menos reactivo hacia los nucleófilos.

Pero, ¿hasta qué punto es importante este efecto anomérico para explicar la falta de reactividad del DCM hacia los nucleófilos, especialmente en comparación con el efecto estérico? ¿Y qué importancia tiene realmente el efecto estérico? ¿Es el impedimento estérico ejercido por el segundo $\ce{Cl}$ en $\ce{CH2Cl2}$ realmente mucho mayor que el impedimento estérico ejercido por el grupo metilo en $\ce{CH3CH2Cl}$ (que es un buen electrófilo para $\mathrm{S_N2}$ reacciones)?

Soy un poco escéptico porque si este efecto anomérico fuera muy importante habría esperado que el $\ce{C-Cl}$ La longitud del enlace en el DCM sería ligeramente mayor que en el cloruro de metilo porque debería haber alguna transferencia de densidad electrónica desde el par de electrones libres hacia el antienlace $\sigma^{*}$ orbital, lo que debería debilitar el $\ce{C-Cl}$ de enlace. Pero las longitudes reales de los bonos no muestran esto. Muestran más bien lo contrario:

$$\begin{array}{c|c} \hline \text{Species} & \text{Average }\ce{C-Cl}\text{ bond length / Å} \\ \hline \ce{CH3Cl} & 1.783 \\ \ce{CH2Cl2} & 1.772 \\ \ce{CHCl3} & 1.767 \\ \ce{CCl4} & 1.766 \\ \hline \end{array} $$ (fuente: Wikipedia )

Ahora, sé que la polarización más fuerte de la $\ce{C}$ orbitales atómicos en el metano di-, tri- y tetraclorado en comparación con el cloruro de metilo (debido a la electronegatividad de $\ce{Cl}$ ) debería conducir a un fortalecimiento general de la $\ce{C-Cl}$ de los enlaces en esos compuestos. Pero yo habría esperado una tendencia que mostrara sólo una ligera disminución (o tal vez incluso un aumento) de la longitud de los enlaces al pasar del cloruro de metilo al DCM y luego una disminución más pronunciada al pasar del DCM al cloroformo, seguida de una disminución similar al pasar del cloroformo al tetraclorometano. Pero, en cambio, el efecto de polarización parece aumentar sólo ligeramente al añadir más átomos de cloro.

Answer 1

Introducción (y resumen, TLDR)

En pocas palabras, se puede decir que el efecto anomérico es responsable de la falta de reactividad. El efecto electrónico puede muy bien compensar el efecto estérico, que podría provenir de la fracción de metilo. En cualquier caso, la mayoría de los efectos estéricos pueden ser vistos como efectos electrónicos disfrazados.

Análisis de los orbitales moleculares

Analizaré la imagen de la unión basándome en cálculos a nivel de teoría del funcional de la densidad ajustado, con un conjunto de bases bastante amplio: DF-BP86/def2-TZVPP. Como compuestos modelo he elegido el clorometano, el diclorometano, el cloroformo y el cloroetano.

En primer lugar, permítanme decir que las longitudes de los enlaces son un poco más grandes en este nivel, sin embargo, también se puede observar la tendencia general de acortamiento. En este sentido, el cloroetano se comporta como el clorometano. Al final de este artículo se intentará explicar esto.

\begin{array}{lr}\hline \text{Compound} & \mathbf{d}(\ce{C-Cl})\\\hline \ce{ClCH3} & 1.797\\ \ce{Cl2CH2} & 1.786\\ \ce{Cl3CH} & 1.783\\\hline \ce{ClCH2CH3} & 1.797\\\hline \end{array}

En la imagen de enlace canónico, es bastante obvio que los efectos electrónicos dominan y son responsables de la falta de reactividad. En otras palabras, el orbital molecular más bajo desocupado está muy deslocalizado en el caso del diclorometano y el cloroformo. Esto hace que no haya ningún ángulo para atacar a los orbitales antibonding.

En los casos monosustituidos hay un gran coeficiente en el carbono, donde un nucleófilo puede atacar fácilmente.

También se puede analizar la situación de los enlaces en términos de orbitales localizados. Aquí utilizo un análisis de orbitales de enlace naturales (NBO), que transforma los orbitales canónicos en orbitales híbridos, que tienen todos una ocupación de unos dos electrones. Debido a la naturaleza del enfoque, ya no es posible hablar de HOMO o LUMO, al analizar los orbitales. Debido a la naturaleza de los cálculos, es decir, hay funciones de polarización, los valores no suman necesariamente el 100%. La desviación es tan pequeña que se puede omitir.
El siguiente cuadro muestra la composición (en $\%$ )del enlace cloro del carbono y del antienlace. \begin{array}{lrr}\hline \text{Compound} &\sigma-\ce{C-Cl} & \sigma^*-\ce{C-Cl}\\\hline \ce{ClCH3} & 45\ce{C}(21s79p) 55\ce{Cl}(14s85p) & 55\ce{C}(21s79p) 45\ce{Cl}(14s85p)\\ \ce{Cl2CH2} & 46\ce{C}(22s77p) 54\ce{Cl}(14s85p) & 54\ce{C}(22s77p) 46\ce{Cl}(14s85p)\\ \ce{Cl3CH} & 48\ce{C}(24s76p) 52\ce{Cl}(14s86p) & 52\ce{C}(24s76p) 48\ce{Cl}(14s86p)\\\hline \ce{ClCH2CH3} & 44\ce{C}(19s81p) 56\ce{Cl}(14s85p) & 56\ce{C}(19s81p) 44\ce{Cl}(14s85p)\\\hline \end{array} A medida que pasamos del metano monosustituido al di-sustituido y al trisustituido, la contribución del carbono aumenta ligeramente, junto con el porcentaje de $s$ carácter. Más $s$ El carácter suele significar también una unión más fuerte, que a menudo se traduce en una distancia de unión más corta. Por supuesto, la deslocalización tendrá un efecto similar por sí misma.

La razón por la que el diclorometano y el cloroformo son bastante poco reactivos frente a los nucleófilos ya se ha señalado en términos de enlace localizado. Pero también podemos echar un vistazo a estos orbitales.
En el caso del clorometano, el LUMO tiene más o menos el mismo alcance del orbital canónico, con la mayor contribución del carbono. Si comparamos este orbital antibonding con un orbital análogo en el diclorometano o el cloroformo, podemos esperar la misma forma. Pronto nos encontramos con problemas, debido a la localización de $p$ pares solitarios de cloro. No necesariamente superpuestos, pero sí en el camino de la "parte trasera" del orbital de enlace. En el caso del cloroetano podemos observar la hiperconjugación. Sin embargo, este efecto es probablemente menos fuerte, y a partir de la imagen de enlace canónico también podríamos asumir, que esto aumenta la polarización del orbital antienlace a favor del carbono.
En las siguientes imágenes, los orbitales ocupados están coloreados en rojo y amarillo, mientras que los orbitales virtuales están coloreados en morado y naranja.

(Nótese que en el cloroformo se muestran dos orbitales de par solitario).

Conclusión

Aunque en este artículo no se utiliza el Enfoque del Vínculo de Valencia, se puede ver claramente la manifestación cualitativa de Regla de Bent (compárese también: Utilidad de la regla de Bent - ¿Qué puede explicar la regla de Bent que no puedan explicar otras consideraciones cualitativas? ). Una mayor $s$ carácter significa un vínculo más corto. La falta de reactividad hacia los nucleófilos puede explicarse electrónicamente con un LUMO deslocalizado. En términos de enlace localizado, los pares solitarios de cualquier átomo de cloro adicional proporcionarían suficiente densidad de electrones, para blindar el ataque posterior al carbono.

Answer 2

Pero la pregunta principal sigue siendo: ¿Es el efecto anomérico la causa principal de la falta de reactividad del DCM frente a los nucleófilos o es la estérico ejercido por el segundo Cl?

Evaluación de los efectos estéricos

Los vínculos, como los humanos, tienen una longitud y una circunferencia. En algunas reacciones, es más probable que la reacción se produzca cuando el grupo atacante golpea un átomo o sustituyente "de frente". En otras reacciones, como la $\ce{S_{N}2}$ El grupo atacante se aproxima por la parte posterior y se desliza por los distintos sustituyentes de forma lateral a medida que se acerca al carbono atacado.

Hay una buena forma de medir esta interferencia lateral (la circunferencia de un enlace, si se quiere) en los sistemas orgánicos. Los sustituyentes axiales de un anillo de ciclohexano están sujetos a lo que se denomina "tensión A", producida por las interacciones representadas en la figura siguiente. Estas interacciones son muy análogas a las interacciones gauche

en el butano y surgen de la interacción lateral del sustituyente y los dos hidrógenos diaxiales situados a dos carbonos de distancia. Los sustituyentes ecuatoriales evitan estas interacciones repulsivas. Cuanto más pequeño sea el sustituyente, menos repulsiva será la interacción 1,3 y, en equilibrio, debería existir más sustituyente en la posición axial. Por el contrario, cuanto más grande sea el sustituyente, más parte de él debería residir en la posición ecuatorial. Midiendo la relación axial/ecuatorial para varios sustituyentes podemos evaluar de forma significativa el volumen estérico lateral del sustituyente.

Para el clorociclohexano la relación axial/ecuatorial es ca . 31/69 ( $\ce{\Delta G = 0$ . $48 kcal/mol}$ ) a temperatura ambiente. Para el metilciclohexano la relación axial/ecuatorial es ca . 5/95 ( $\ce{\Delta G = 0$ . $1.7 kcal/mol}$ ) a temperatura ambiente. Este análisis sugiere claramente que el sustituyente cloro es "más pequeño" que un sustituyente metilo cuando utilizamos esta sonda estérica lateral.

Para el lector interesado, he aquí una tabla de axiales/ecuatoriales $\ce{\Delta G's}$ (en kcal/mol) para otros sustituyentes.

Dado que este análisis sugiere que un sustituto de cloro es más pequeño que un sustituto de metilo, en términos de la interacción lateral esperada en un lado posterior $\ce{S_{N}2}$ ataque, sería difícil utilizar un argumento estérico para explicar la reducida reactividad en los polihalometanos hacia $\ce{S_{N}2}$ reacción. Esto deja el efecto anomérico como una explicación razonable para la reducida reactividad de los polihalometanos. Pero...

Otras reflexiones

• ¿Cómo de poco reactivos son estos compuestos a $\ce{S_{N}2}$ ¿reacción? El diclorometano, el cloroformo y el tetracloruro de carbono sufrirán la $\ce{S_{N}2}$ reacción con varios nucleófilos, en diversas condiciones. Antes de apuntarme a la explicación del efecto anomérico, estaría bien saber exactamente qué reacción Clayden, et. al. estaban discutiendo. Quizás algún otro factor (enlace de hidrógeno, quién sabe qué) suprimió la reactividad del nucleófilo en la serie de compuestos de Clayden.
• La fuerza de los bonos: $\ce{C-Cl}$ Las fuerzas de enlace disminuyen desde el clorometano (80 kcal/mol) hasta el tetracloruro de carbono (70 kcal/mol). Esto nos haría sospechar que el clorometano podría reaccionar más lentamente y el tetracloruro de carbono más rápidamente. El hecho de que no sea así es otro argumento a favor de que el efecto anomérico desempeña un papel fundamental.

Answer 3

Pensando un poco más me di cuenta de cómo se podría resolver el problema de las longitudes de los enlaces. Veamos de nuevo la imagen orbital:

Sigo pensando, que la combinación en fase de $\sigma^{∗}(\ce{C-Cl})$ y el orbital de pares de electrones libres $n(\ce{e-})$ tendrá hasta cierto punto - dependiendo de la diferencia energética entre los orbitales que interactúan y su solapamiento orbital - un $\ce{C-Cl}$ -carácter antiadherente, debilitando así el azul $\ce{C-Cl}$ (una visión simplificada sería, que en la interacción la densidad de electrones fluye desde el par de electrones libres hacia el antienlace $\sigma^{∗}(\ce{C-Cl})$ y más densidad de electrones en un orbital antienlace significan un debilitamiento del enlace correspondiente). Pero mi error fue no considerar también el $\pi$ -La interacción de unión entre el rojo $\ce{Cl}$ y $\ce{C}$ en la combinación en fase. Este $\pi$ -La interacción de unión reforzará, por supuesto, el rojo $\ce{C-Cl}$ de lazo. Por lo tanto, como resultado de esta interacción ilustrada arriba, debería haber un acortamiento del enlace del rojo $\ce{C-Cl}$ y el alargamiento del bono azul $\ce{C-Cl}$ lazo.

Pero el efecto anomérico no sólo funciona en una dirección en DCM (o Cloroformo). El azul $\ce{Cl}$ El átomo también tiene pares de electrones libres. Y también hay un $\sigma^{∗}(\ce{C-Cl})$ orbital para el enlace rojo que puede interactuar con uno de esos pares de electrones libres exactamente de la misma forma descrita anteriormente. Ahora, esta interacción reforzará el azul $\ce{C-Cl}$ de la unión mientras se debilita el rojo $\ce{C-Cl}$ de lazo. Por lo tanto, contrarresta los efectos de la interacción presentada anteriormente y los efectos de acortamiento y alargamiento del enlace deberían anularse mutuamente en cierta medida. Pero el aumento del LUMO, que hace que el DCM sea tan poco reactivo, permanece inalterado.

Ahora, lo único que hay que pensar es: ¿El $\pi$ -la vinculación y la $\sigma$ -¿el antienlace en la combinación en fase tiene una magnitud comparable? A esta pregunta no puedo responder de forma cuantitativa. Así que sólo enumeraré aquí algunos factores de influencia. El $\ce{C-Cl}$ es bastante largo. Esto significa que el $\pi$ -superposición no será óptima. Y el $n(\ce{e-})$ orbital estará algo más bajo en energía que el $\sigma^{∗}(\ce{C-Cl})$ orbital debilitando así la covalencia del $\pi$ -interacción. Por otro lado, los mismos factores también reducirán la cantidad de $\sigma^{∗}(\ce{C-Cl})$ -carácter contenido en la combinación en fase MO. Todo esto me deja con la sensación de que el $\pi$ -de hecho podría ser comparable o incluso un poco más fuerte que el $\sigma$ -Efecto antiadherente. Y esto significaría que las longitudes de enlace observadas están de acuerdo con la situación orbital y el efecto anomérico podría ser muy importante para explicar la irreactividad del DCM hacia los nucleófilos.

Pero la pregunta principal sigue siendo: ¿Es el efecto anomérico la causa principal de la falta de reactividad del DCM hacia los nucleófilos o es el impedimento estérico ejercido por el segundo $\ce{Cl}$ ?

Tal vez se podría hacer empleando los radios de van der Waals de un átomo de cloro y un grupo metilo. Según Wikipedia, el radio de un átomo de cloro es de 175 pm, mientras que el radio de un átomo de carbono (sin ningún átomo de hidrógeno alrededor) es de 170 pm (por lo que debería ser seguro decir que el radio de un grupo metilo es mayor que eso). Aquí hay una imagen de la superficie de van der Waals del cloruro de metilo creada con Avogadro

lo que parece apoyar la opinión de que los requisitos espaciales de un átomo de cloro y un grupo metilo son bastante similares (pero no sé hasta qué punto son fiables los cálculos de la superficie de Van der Waals de Avogadro). Si esas longitudes reflejan los requisitos espaciales reales de los grupos en el contexto de una reacción de sustitución nucleofílica, entonces un átomo de cloro no ejercería un impedimento estérico mayor que un grupo metilo y el efecto anomérico sería claramente el factor determinante para explicar la irreactividad del DCM. Pero no estoy seguro de que el recurso a los radios de van der Waals esté justificado.

Answer 4

El efecto anomérico donde el orbital σ(C-C) se solapa con el σ∗(C-Cl) debe ser considerablemente menor que el solapamiento de n(e-) y σ∗(C-Cl). Por lo tanto comparando las tasas relativas de sustitución del DCM, y un cloruro de alquilo primario, cuyo grupo alquilo es similar en tamaño al átomo de cloro, contra el MeCl debería darnos la respuesta. Estaría agradecido si alguien pudiera proporcionar los datos.