Estudio teórico y experimental en reacciones de sustitución nucleofílica aromática

Abstract

Esta tesis se enmarca en el estudio de reacciones de Sustitución Nucleofilica Aromática (SNAr), empleando una aproximación al problema que integra estudios cinéticos experimentales y estudios teóricos basados en modelos de química cuántica y química computacional. Los sistemas modelos experimentales consideran las reacciones de aminas de diferente naturaleza con electrófilos aromáticos neutros. La tesis está organizada como sigue: en el Capítulo I se definen las herramientas experimentales y teóricas que se utilizan en el desarrollo de la tesis para definir el marco conceptual que describe los procesos de sustitución nucleofilica aromática. En el Capítulo II se presenta el modelo de solvatación preferencial y sus efectos en el mecanismo de reacción de SNAr. En el Capítulo III, se estudia el efecto del grupo abandonante en el mecanismo de SNAr. En el Capítulo IV se discute el efecto del nucleófilo en el mecanismo de SNAr. Finalmente, en el Capítulo V se discute el efecto del sustrato aromático en el mecanismo de SNAr. Cada Capítulo incorpora los resultados obtenidos en los Capítulos previos, con la intención de dar una idea integrada y general que describe los aspectos cinéticos y microscópicos que contribuyen a explicar el mecanismo SNAr en estos sistemas. El Capítulo VI resume las conclusiones generales de la tesis y sus proyecciones para estudios posteriores. Se ha desarrollado un modelo de solvatación preferencial para estas reacciones que muestra que un aumento en la polaridad del medio resulta en un aumento de la velocidad de reacción. Este resultado es particularmente interesante cuando se trabaja en mezclas de solventes de distinta polaridad y con diferentes interacciones específicas soluto-solvente. El análisis teórico, complementa coherentemente las observaciones experimentales que dan cuenta de la incidencia de la naturaleza del nucleófilo y del grupo abandonante en las velocidades de reacción relativas en presencia y en ausencia del solvente. Los perfiles de nucleofilia y electrofilia de grupo asisten en la descripción adecuada de los procesos de ruptura y formación de enlaces. Los efectos debidos a la formación de enlaces de hidrógeno a lo largo de la coordenada intrínseca de reacción muestran un rol dual: una vez establecida esta interacción, el electrófilo y el nucleófilo se activan electrónicamente. Los análisis de población basados en orbitales naturales (NBO) sustentan los resultados obtenidos a partir de los índices de reactividad. Los estados de transición localizados para los sistemas en estudio, sugieren que la principal interacción estabilizante es aquella formada por el grupo o-NO2 y el nucleófilo a través de un enlace de hidrógeno intramolecular en el estado de transición. Finalmente, se comparan patrones de reactividad y activación electrofilica en reacciones evaluadas cinéticamente entre sustratos de electrofilia variable.

This thesis is concerned with the reaction mechanism of Nucleophilic Aromatic Substitution (SNAr) reactions. The integrated experimental + theoretical study is divided into four Chapters that deal with solvent effects, nucleophile effect, leaving group effect and activation of the aromatic ring effect on the reaction mechanism. From experimental kinetic data recorded in ethanol/water mixtures as reaction medium, it is found that specific solvation effects manifest itself as a preferential electrophilic solvation in the aqueous phase for the case of piperidine. Solvation effects are not observed for the series of secondary alicyclic amines. The leaving group, the nucleophile and the permanent group effects are theoretically analyzed with the aid of group electrophilicity and nucleophilicity profiles. These analyses highlight the specific interaction between the nucleophile and the electrophile are mainly driven by hydrogen bond effects between the amine moiety and the o-NO2 group attached to the aromatic substrate. The reactivity analysis framed on philicity profiles is consistently reinforced by a NBO analysis that incorporates orbital interactions between the reaction centers involving the nucleophile, the electrophile and the solvent. The integrated study contributes to highlight the relevant electronic effects that coherently explain the kinetic and mechanism of the whole series of SNAr reactions studied in this thesis.