Estudio computacional de reacciones de sustitución nucleofílica: mecanismos SN1 y SN2

Abstract

Los halogenuros de alquilo presentan dos reacciones características: reacciones de sustitución y reacciones eliminación. Por su parte, las reacciones de sustitución (llamadas reacciones de sustitución nucleofílica) pueden llevarse a cabo a través de dos mecanismos: SN1 y SN2. En este Trabajo de Fin de Grado se ha estudiado mediante métodos mecanocuánticos ambos mecanismos para la reacción de halogenuros de metilo y tert-butilo con el anión cianuro. El estudio se ha llevado a cabo en primer lugar en fase gas y posteriormente en fase condensada usando agua como disolvente. Los resultados obtenidos en fase gas están en buen acuerdo con los datos experimentales de los que disponemos e indican que el mecanismo SN1 está claramente desfavorecido frente al SN2. En disolución acuosa el camino SN2 sigue siendo el más favorable para el metilo, pero desaparece, por el contrario, para el tert-butilo, cuyo único mecanismo de reacción viable es el SN1. Los cálculos predicen una mayor velocidad de reacción al bajar en el grupo. Por último, la exergonicidad de los productos de reacción disminuye al pasar del cloro al bromo para aumentar de nuevo, y alcanzar su valor máximo, con el yodo

Alkyl halides undergo two main types of reactions: substitution and elimination. Substitution reactions, in turn, can follow two different mechanisms: SN1 and SN2. In this End of Degree Project we have carried out a quantum mechanical study on the nucleophilic substitution reactions between methyl and tert-butyl halides with cyanide. We have considered both mechanistic models in order to find the most favourable path for each substrate. We have carried out the calculations both in the gas phase and in aqueous solution. Our results, which are in agreement with available experimental results, show that SN2 is the most favourable mechanism in the gas phase both for methyl and tert-butyl. In solution, SN1 still holds for methyl halides. However, this mechanism is no longer available to tert-butyl whose only mechanistic path is SN1. Our results indicate that reaction rate increases when decreasing in the group. Besides, exergonicity decreases from chlorine to bromine but increases again for iodine where it acquires its highest value.