Appunti integrati di Chimica organica

NUCLEOFILIA E BASICITÀ

I nucleofili utilizzati nelle reazioni di sostituzione sono gruppi chimici neutri o anionici che presentano almeno un doppietto elettronico solitario. Ma anche l'elevata densità elettronica presente in un doppio legame C=C è nucleofila. Si definisce nucleofilia (o nucleofilicità, con trasposizione del termine anglosassone nucleophilicity) la misura della forza di un nucleofilo. Una elevata nucleofilia corrisponde ad un'alta capacità di rendere disponibili i propri elettroni in una reazione con un elettrofilo.

Quando una molecola usa il suo doppietto per attaccare un elettrofilo che non sia l'Idrogeno (in genere un atomo di carbonio positivamente polarizzato) si comporta come nucleofilo, quando attacca un atomo di Idrogeno si comporta come una base.

1. La basicità è in qualche modo una caratteristica più circoscritta rispetto alla nucleofilia poiché misura la capacità di una

misurata in termini di velocità di sostituzione, in genere rispetto ad un alogeno legato ad un gruppo alchilico, tipicamente il bromuro di metile CH3Br.

CH3Br + Nu:- → CH3Nu + Br-

La nucleofilia è dunque una proprietà cinetica (correlata alla velocità). Una scala univoca di nucleofilia non è semplice da determinare poiché la forza di un nucleofilo dipende, in una certa misura, anche dall'elettrofilo con cui reagisce e dal solvente in cui si trova. Come si può notare confrontando le due tabelle che riportano la basicità e la nucleofilia di alcuni composti, i due andamenti non coincidono rigorosamente.

Si deve anche tener presente che la scala di nucleofilia dipende in maniera significativa dal tipo di solvente utilizzato. La solvatazione di un nucleofilo riduce in modo sensibile la sua forza. Solventi polari protici (contenenti Idrogeno), come l'acqua e gli alcoli solvatano i nucleofili anionici, circondandoli con i

H2O.R-OH + H+ → R-OH2+ → R+ + H2O

Un altro metodo molto usato è esterificare l'alcol con un acido solfonico R-SO3H in quanto l'anione solfonato R-SO3- è un buon gruppo uscente. Gli anioni solfonati più utilizzati sono:

L'anione tosilato CH3-Ph-SO3 -, ad esempio, è una base estremamente debole (pKb = 14.6) e quindi un ottimo gruppo uscente. Facendo reagire un alcol con il cloruro di tosile CH3-Ph-SO2Cl (o TsCl) si ottiene l'estere solfonico:

R-OH + TsCl → R-OTs + HCl

Alcol Cloruro di Tosile Estere solfonico Acido cloridrico

L'estere solfonico può ora subire rapidamente una sostituzione grazie alla presenza del tosilato come gruppo uscente:

R-OTs + Nu- → R-Nu + TsO-

Estere solfonico Nucleofilo alogenuro Ione tosilato

ALCOLI

Li alcoli derivano dagli idrocarburi per sostituzione di un idrogeno con un gruppo idrossido (ossidrile o idrossile) -OH ed hanno pertanto formula generale CnH(2n + 2)O.

I dioli sono alcoli in cui...

secondari o terziari in funzione del numero di gruppi alchilici legati all'atomo di carbonio cui è legato il gruppo -OH. Gli alcoli sono acidi molto deboli, infatti possedendo un gruppo ossidrile si dissociano in uno ione alcossido RO- (o alcolato) e in un idrogenione.

R-OH → R-O- + H+

In assenza di gruppi elettron-attrattori (che ne aumentano l'acidità) e di gruppi elettron-repulsori (che ne diminuiscono l'acidità) i valori di Ka sono intorno a 1·10^-15.

I fenoli sono acidi più forti degli alcoli perché l'anione fenato (o fenossido) è stabilizzato dalla risonanza di più strutture limite.

Reazioni degli alcoli:

• Formazione degli alcossidi
• Disidratazione (trasformazione degli alcoli in alcheni)

Gli alcoli in presenza di un acido forte come H2SO4 e di calore danno una reazione di eliminazione che trasforma in alcheni. Bisogna fare attenzione alla competizione tra disidratazione di un alcool e idratazione dell'alchene.

infatti le reazioni si possono direzionare:

• l'uso di acidi diluiti in acqua favorisce la formazione di alcoli da idratazione di alcheni
• l'uso di temperature >100°C e di acidi concentrati porta a direzionare la reazione verso la formazione di alcheni

Sostituzione degli alcoli con acidi alogenidrici

La reazione di un alcol con un acido alogenidrico è una sostituzione nucleofila. Gli alcoli terziari, secondari, allilici e benzilici reagiscono tramite una SN1. Il meccanismo della reazione procede attraverso tre stadi.

stadio 1 - Il gruppo ossidrile (cattivo gruppo uscente) viene protonato e trasformato in questo modo in un buon gruppo uscente (H2O).

stadio 2 - Lo ione ossonio perde una molecola d'acqua (buon gruppo uscente) generando un carbocatione. È lo stadio lento (RDS) che determina la velocità complessiva della reazione.

stadio 3 - il carbocatione reagisce con l'alogenuro (buon nucleofilo) per dare

l'alogenoalcano

Si noti come il primo ed il terzo stadio sono bimolecolari (due reagenti), mentre il secondo stadio è unimolecolare (un solo reagente). Tuttavia, poiché è il secondo stadio che determina la velocità complessiva della reazione (Rate Determining Step), la reazione è definita SN1 (sostituzione nucleofila unimolecolare). Poiché durante lo stadio lento è coinvolto un carbocatione, l'ordine di reattività degli alcoli (3° > 2° > 1°) è direttamente correlato all'ordine di stabilità dei carbocationi (3° > 2° > 1°).

Gli alcoli primari ed il metanolo reagiscono invece attraverso un meccanismo SN2, in cui il nucleofilo (alogeno) attacca direttamente lo ione alchilossonio. Il gruppo uscente (H2O) ed il gruppo entrante (alogeno) reagiscono in modo concertato mediante una rottura e formazione sincronizzata dei legami. La reazione in questo caso è possibile solo

Con l'assistenza di un acido di Lewis come il cloruro di Zinco (ZnCl₂), è possibile sintetizzare alogenuri da alcoli in laboratorio.

È preferibile usare come agente alogenante il cloruro di tionile (SOCl₂):

R-OH + SOCl₂ → R-Cl + HCl + SO₂

In questo caso, i prodotti secondari sono costituiti da due composti gassosi, acido cloridrico e anidride solforosa, di facile eliminazione. Inoltre, lo stesso SOCl₂ è molto volatile (punto di ebollizione basso) e quindi, anche se utilizzato in eccesso, può essere facilmente allontanato per semplice riscaldamento. Per questo motivo, il cloruro di tionile è definito "alogenante pulito".

Ossidazione:

Ossidazione alcool primari:

L'ossidazione di un alcol primario genera una aldeide o un acido. Un buon agente ossidante che ossida completamente l'alcol fino ad acido carbossilico è l'acido cromico (H₂CrO₄).

Affinché l'ossidazione si fermi allo stadio di aldeide, si usano invece agenti ossidanti selettivi.