SN1 y SN2: compara cinética y mecanismo con ejercicios

Una sustitución nucleófila cambia un grupo por otro, pero esa descripción global no explica cómo ocurre. Dos reacciones que parecen iguales al escribir reactivos y productos pueden responder de manera distinta al aumentar la concentración del nucleófilo. La diferencia sirve para investigar el mecanismo.

Esta es una práctica de ampliación de Química orgánica, no una afirmación de que todas las comunidades exijan SN1 y SN2 en la PAU. Utilizamos tablas ficticias, concentraciones expresadas en mol/L y velocidades iniciales en mol/(L·s). Dentro de cada tabla mantenemos temperatura, disolvente y demás condiciones constantes. Comparar ensayos cambiando también el medio impediría atribuir el resultado únicamente a las concentraciones.

Las secciones de OpenStax sobre SN2 y SN1 proporcionan el marco conceptual. Los datos y los desarrollos siguientes son originales. No se propone manipular reactivos ni se dan instrucciones experimentales.

Ejercicio 1: dos concentraciones intervienen en la velocidad

Una sustitución ficticia de RX por Nu⁻ produce RNu. La tabla recoge tres ensayos iniciales:

Ensayo	[RX] inicial	[Nu⁻] inicial	Velocidad inicial
A	0,0200	0,0500	1,20 × 10⁻⁵
B	0,0400	0,0500	2,40 × 10⁻⁵
C	0,0200	0,150	3,60 × 10⁻⁵

Al pasar de A a B se duplica RX sin variar Nu⁻. La velocidad también se duplica. En el modelo de potencias v = k[RX]ᵃ[Nu⁻]ᵇ, obtenemos 2 = 2ᵃ y, por tanto, a = 1.

De A a C se triplica Nu⁻ manteniendo RX. La velocidad se triplica: 3 = 3ᵇ, de donde b = 1. La ley compatible con estos datos es v = k[RX][Nu⁻], de orden total dos.

Con A, k = 1,20 × 10⁻⁵/(0,0200 × 0,0500) = 0,0120 L/(mol·s). Si ambas concentraciones se duplican respecto a A, el modelo predice cuatro veces la velocidad: 4,80 × 10⁻⁵ mol/(L·s). No dos veces; hemos cambiado dos factores.

La dependencia es compatible con una ruta SN2, donde nucleófilo y sustrato participan en una etapa concertada. «Compatible» importa: una ley cinética por sí sola no constituye una prueba única de cualquier mecanismo imaginable. Conviene combinarla con otras observaciones.

Ejercicio 2: el nucleófilo no aparece en la ley observada

En un segundo sistema, con otras condiciones y otro sustrato, obtenemos:

Ensayo	[RX] inicial	[Nu] inicial	Velocidad inicial
D	0,0300	0,100	6,00 × 10⁻⁶
E	0,0600	0,100	1,20 × 10⁻⁵
F	0,0300	0,300	6,00 × 10⁻⁶

D→E duplica RX y la velocidad: primer orden respecto a RX. D→F triplica Nu y no cambia la velocidad: orden cero respecto a Nu en el intervalo y las condiciones considerados.

La ley es v = k[RX]. Con D, k = 6,00 × 10⁻⁶/0,0300 = 2,00 × 10⁻⁴ s⁻¹. Para [RX] = 0,0450 mol/L, el modelo predice 9,00 × 10⁻⁶ mol/(L·s), con independencia de los cambios de Nu que sigan respetando sus condiciones.

No concluimos que el nucleófilo sea innecesario para formar el producto. La interpretación SN1 separa una etapa lenta de ionización y una captura posterior del intermedio. No aparecer en la ley de velocidad no significa desaparecer de la química global.

Tampoco compares directamente 0,0120 con 2,00 × 10⁻⁴ para declarar que la primera reacción es «sesenta veces más rápida». Las constantes tienen unidades diferentes y pertenecen a sistemas distintos. La velocidad exige introducir las concentraciones apropiadas.

Ejercicio 3: distingue concertación, intermedio y transición

En el modelo SN2, la formación del enlace con el nucleófilo y la ruptura del enlace con el grupo saliente pertenecen a una misma etapa. Durante el paso por la configuración de transición, esos enlaces están parcialmente formados y parcialmente rotos. No aparece entre ellos un carbocatión libre como intermedio del mecanismo SN2 ideal.

En el modelo SN1 considerado, el grupo saliente se separa y se genera un carbocatión antes de que lo capture el nucleófilo. Si este es neutro, puede ser necesaria después una transferencia de protón. «SN1» no significa que toda la reacción tenga una sola etapa; alude a la participación unimolecular en la etapa que controla la velocidad en ese modelo.

Dibuja dos perfiles cualitativos: para SN2, una barrera y ningún mínimo intermedio; para la secuencia SN1, varias barreras separadas por mínimos. No hace falta inventar energías numéricas. Un máximo representa una transición; el mínimo intermedio identifica una especie distinta.

Si ya has practicado etapas, intermedios y ley de velocidad, aplica ahora esa distinción a la sustitución. El producto final no conserva una etiqueta que revele por sí sola todas las etapas anteriores.

Ejercicio 4: interpreta la estereoquímica con cautela

En un centro tetraédrico adecuado, el ataque posterior del modelo SN2 produce inversión de la disposición espacial. No lo traduzcas automáticamente como «R siempre se convierte en S»: las prioridades utilizadas para asignar esos descriptores pueden cambiar al sustituir un grupo. Inversión geométrica y cambio de letra no son definiciones idénticas.

En una SN1 con carbocatión plano, ambas caras pueden quedar accesibles. Eso permite formar productos de las dos configuraciones cuando el caso tiene las condiciones estereoquímicas apropiadas. Sin embargo, no autoriza afirmar una mezcla exactamente 50:50 en todas las reacciones reales: los pares iónicos pueden influir en el acceso a cada cara.

Un resultado hipotético 60:40 no refuta por sí solo toda participación de un carbocatión. Del mismo modo, una mezcla racémica aislada tampoco identifica de manera única SN1 sin información adicional. El ejercicio consiste en comprobar compatibilidad entre evidencias, no en memorizar una proporción como detector universal.

Preguntas frecuentes

¿El mismo producto demuestra que dos sustituciones siguen el mismo mecanismo?

No. Dos rutas pueden dar el mismo producto global; para distinguirlas se necesitan evidencias como dependencia cinética, estructura del sustrato y resultado estereoquímico.

¿Un estado de transición es un intermedio de reacción?

No. El estado de transición corresponde a una configuración de máxima energía a lo largo de la etapa; un intermedio ocupa un mínimo entre etapas y puede tener una existencia finita.

¿Una reacción SN1 produce siempre una mezcla exactamente cincuenta y cincuenta?

No. El carbocatión plano permite atacar por ambas caras, pero asociaciones iónicas y otros efectos pueden impedir una racemización completa. La proporción debe justificarse con el modelo o los datos.

Une las evidencias antes de nombrar el mecanismo

Resume cada tabla con su ley y explica qué paso haría coherente esa dependencia. Después indica qué observación estereoquímica añadirías y qué supuesto necesitarías para interpretarla. El impedimento estérico, el disolvente y las rutas competidoras impiden decidir siempre con una única etiqueta sobre el sustrato.

Guarda la comparación entre k de unidades distintas en la libreta de errores. Puedes continuar con Química de Murcia, consultando en su ficha la oferta actual y el temario aplicable. Esta ampliación debe situarse respecto a las instrucciones reales de tu prueba.