Mecanismos de la sustitución nucleofílica aromática : Efectos Orto

• Autores: Palleros, Daniel Ricardo
• Año de publicación: 1982
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Sbarbati Nudelman, Norma Ethel
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

El mecanismo de las reacciones de sustitución nucleofílica aromática (SNA) entre sustratos activados y aminas en solventes apróticos no polares, no ha sido, hasta el momento, debidamente elucidado. Poca atención ha merecido, también, la influencia ejercida por grupos voluminosos vecinos al centro de reacción. Con el doble propósito de investigar a) el mecanismo de estas reacciones en solventes de baja constante dieléctrica y b) el efecto ejercido por sustituyentes con considerables requerimientos estéricos (-NO2; -Br; -CH3) próximos al centro de reacción, se han estudiado en la presente Tesis, las reacciones de 4-R- y 6-R-2-nitroanisoles con diversas aminas tales como:ciclohexilamina, n-butilamina, piperidina y N-metilpiperidina en benceno y/o ciclohexano. La elección de estos sustratos se basó en la característica de nucleófugo pobre del grupo metoxilo, muy poco estudiado además, en solventes no polares. Los nitrofenil-alquil-éteres son particularmente adecuados para investigar la catálisis básica por el nucleófilo en las reacciones de SNA, ya que usualmente en las reacciones de estos compuestos la ruptura del complejo intermediario es el paso determinante de la velocidad. Estas reacciones, sin embargo, no son tan simples debido a un proceso lateral de sustitución nucleofílica alifática (SN2)por el cual se rompe la unión O—metilo de los éteres, lo que conduce a la formación de los fenoles correspondientes. Los sistemas estudiados, son, por lo tanto, apropiados para investigar la competencia entre las reacciones de SNAy SN2. En la presente Tesis se realizó el estudio cinético de 2,4- y 2,6-dinitroanisol con piperidina en benceno a diferentes temperaturas y varias concentraciones de la amina, a fin de determinar la importancia del paso base catalizado en la descomposición del compuesto intermediario, como así también, la influencia ejercida por los grupos nitro operando desde las posiciones orto. En la reacción de 2,4-dinitroanisol con piperidina en benceno, los procesos de SNA y SN2 ocurren con velocidades semejantes, siendo la reacción de SNA acelerada suavemente por la amina, lo cual encuadra dentro de los casos de pequeñas aceleraciones descriptos por Bunnett. En la reacción de 2,6-dinitroanisol con piperidina, en cambio, hemos observado en todos los casos que la demetilación es entre 5 y 20 veces más rápida que la reacción de SNA. La velocidad del proceso de SNA para el 2,6-dinitroanisol es alrededor de 10 veces mayor que para el 2,4-dinitroanisol, lo que es interpretado en términos de un aumento de velocidad del paso no catalizado, k2 (ec. 2). Si bien es interesante la mayor reactividad del 2,6- frente al 2,4-dinitroanisol para la SNA, más natorio es el aumento en las velocidades de SN2. Las mediciones cinéticas permiten establecer que las velocidades de demetilación para el isómero 2,6- son 1000 y 300 veces más rápidas, con piperidina y N-metilpiperidina, respectivamente, que las del 2,4-dinitroanisol. Para explicar este fenómenose ha calculado el efecto de campo ejercido por el grupo nitro desde la posición orto. El cálculo de las temperaturas isocinéticas permite concluir que el proceso de sustitución nucleofílica aromática estará favorecido frente al de sustitución alifática, a más bajas temperaturas y a mayores concentraciones de la amina. Esta es una generalización sumamente útil que permite el control de ambos procesos al planear la sintesis de los productos de SNA a partir de los respectivos anisoles. Por otro lado, trabajando con aminas primarias, los productos de demetilación se detectaron sólo a baja concentración de amina ( <0,1 M), esto es consecuencia de la notable aceleración de las reacciones de SNA al aumentar la concentración de aquélla. Al estudia las reacciones de 2,4- y 2,6-dinitroanisol con ciclohexilamina en benceno hemos encontrado, sorprendentemente, una relación cuadrática, entre la constante de velocidad de segundo orden, kA, y la concentración de base como se muestra en las fig. 5 y 7. Este comportamiento anómalo es irreconciliable con el mecanis moconocido hasta el momento para las reacciones de SNA. Trabajos previos de otros investigadores muestran un comportamiento similar, siempre en solventes apróticos no polares como benceno, tolueno e isooctano. Estos resultados no fueron interpretados mecanísticamente y el apartamiento del comportamiento esperado fue atribuido a un efecto inespecífico del solvente. Sin embargo, si se divide cada constante de velocidad de segundo orden por la concentración de amina, y los cocientes se grafican en función de esta última se observa una dependencia lineal (fig. 6 y 8). Esto indica que se trata de cinéticas de tercer orden respecto de la concentración de la amina. En 1981, Banjoko publicó resultados similares trabajando con 2,4,6-trinitrofenil-fenil-éter y anilina en benceno, y los explicó haciendo intervenir una tercera molécula de amina en el paso base catalizado. Su mecanismo,y las ec. cinéticas derivadas de él, no se ajustan, sin embargo, a nuestros resultados, ya que como puede observarse en las figuras 6; 10 y 12 para las reacciones desarrolladas a 60°C, se obtiene una meseta para altas concentraciones de la amina, lo cual no es predecible por el mecanismo mencionado. Estas y otras evidencias discutidas en la presente Tesis descartan el mecanismo propuesto por Banjoko. Es sabido que en solventes de baja constante dieléctrica, tanto las aminas alifáticas como aromáticas, se encuentran parcialmente auto asociadas formando dimeros. En el Esquema 5 proponemos un mecanismo para las reacciones de SNA donde el dimero de la amina compite con el monómero para llevar a cabo el ataque nucleofIlico. Este mecanismo conduce a ecuaciones cinéticas que se ajustan a las expresiones de velocidad halladas experimentalmente, en la presente Tesis y en otros trabajos de la literatura. A fin de investigar la generalidad del mecanismo propuesto se estudiaron otras reacciones de SNA en donde se varió: el sustrato, el nucleófilo y el solvente. Se realizó el estudio cinético de las reacciones de 2,4- y 2,6 dinitroanisol con n-butilamina en benceno, hallándose resultados que se encuadran dentro del esquema propuesto (fig. lO y ll). Además, en la reacción de 2,4-dinitroanisol se encontró que la velocidad de reacción disminuye al aumentar la temperatura. Este poco común efecto inverso de la temperatura halla su explicación en el mecanismo propuesto, ya que la autoasociación de las aminas decrece con el aumento de la temperatura. Un efecto inverso similar se detectó en las reacciones de ambos dinitroanisoles con ciclohexilamina en ciclohexano (fig. 12Y 13). Según lo determinado por Bernasconi y Zollinger, la reacción de 2,4-dinitrofluorbenceno con p-anisidina en benceno no se ajusta al mecanismo clásico; esto fue interpretado nuevamente en términos de un efecto del medio. La misma, sin embargo, responde al mecanismo propuesto véa el dímero. Se estudió entonces, la reacción de este sustrato con o-anisidina en benceno, a fin de comparar los resultados con los hallados por Bernasconi.En todos los casos se ha hallado que la reacción es de tercer orden respecto de la concentración de o-anisidina. (fig. 20 y 21). El efecto del agregado de una segunda especie básica catalizadora, tal como la piridina, tampoco se ajusta al mecanismo conocido, para la mencionada reacción con p-anisidina. De acuerdo con este me canismo la pendiente de la correlación lineal kA vs.la concentración de piridina,[P] , debe ser independiente de la concentración de anisidina; no obstante,se encontró que ésta aumentaba al aumentar la concentnación de la amina primaria, pero este resultado no fue interpretado por sus autores en términos mecanísticos. En la presente Tesisse estudió también el agregado de piridina en la reacción de 2,4-dinitrofluorbenceno con o-anisidina con el objeto de demostrar que existe una relación lineal entre la pendiente de la correlación kA vs.[P] y la concentración de o-anisidina, tal comolo predice el mecanismo del Esquema 6, donde se hace intervenir al dímero mixto entre ambas amina: como tercera especie nucleofílica. La fig. 23 muestra que existe la dependencia mencionada. Experiencias previas desarrolladas en nuestro laboratorio (J. Chem.Soc. Perkin Trans. II, 1256 (1976)) indicaban que la reacción de 2,4-dinitroanisol y ciclohexilamina en metanol no estaba catalizada por la amina. Resultado que es muy diferente al descripto aqui, trabajando en benceno. Por lo tanto, resultó de gran interés estudiar el comportamiento de este tipo de sistemas en mezclas de benceno metanol. Si se admite la hipótesis de la intervención del dímero en benceno y que en metanol opera el mecanismo clásico, en mezclas va riables de benceno-metanol debe observarse alguna manifestación del cambio de mecanismo, si éste verdaderamente ocurre. En la reacción de 2,6-dinitroanisol con ciclohexilamina se observó un pronunciado descenso de la velocidad de reacción por el agregado de pequeñas cantidades de metanol. Esto está de acuerdo con la disminución en la concentración del dímero de la amina, (la asociación de las moléculas de amina con el metanol es un proceso más favorecido, como se ha probado termodinámica y teóricamente). Luego la velocidad aumenta al aumentar la proporción de metanol siendo el nucleófilo, en esas condiciones, el monómero de la amina. Los efectos de los grupos vecinos al centro de reacción en la SNA han sido objeto sólo de unos pocos estudios sistemáticos. En la presente Tesis se discuten los factores que afectan las velocidades y mecanismos de reacción encuadrados dentro de los llamados [Consulte el resumen completo en el documento].
Fil: Palleros, Daniel Ricardo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.