Chimica organica

N N

Bisogna considerare diversi aspetti per predire il meccanismo di una reazione di sostituzione:

- Natura dell’alogenuro alchilico

- Natura del nucleofilo

Nucleofili forti (che di solito portano una carica negativa) presenti in alte concentrazioni favoriscono le

reazioni SN2.

Nucleofili deboli, come H2O e ROH favoriscono le reazioni SN1 diminuendo la velocità di ogni reazione

competitiva SN2.

Confrontiamo i prodotti di sostituzione formati quando un alogenuro 2° A è trattato con il nucleofilo forte

HO¯ o con il nucleofilo debole H2O. Poiché l’alogenuro 2° può reagire con entrambi i meccanismi, è la forza

del nucleofilo a determinare quale meccanismo avrà luogo.

- Gruppo uscente

Un miglior gruppo uscente fa aumentare la velocità sia della reazione SN1 sia di quella SN2. pag. 45

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- Solvente

I solventi polari protici come H2O e ROH favoriscono le reazioni SN1 poiché gli intermedi ionici (sia cationi

che anioni) sono stabilizzati per solvatazione.

I solventi polari aprotici favoriscono le reazioni SN2 poiché i nucleofili non sono ben solvatati, e di

conseguenza, sono più nucleofili.

In sintesi:

Se un nucleofilo può avvicinarsi all’atomo di carbonio che porta il gruppo uscente e può cominciare a legarsi a esso

prima che si rompa il legame carbonio-alogeno, l’alogenuro alchilico subirà una reazione di sostituzione

bimolecolare, SN2. Per un alogenuro metilico e primario il meccanismo SN2 è favorito da nucleofili forti (OH-, ad

es.) e da solventi polari aprotici.

Le reazioni SN2 avvengono (in ordine di velocità decrescente) con gli alogenuri metilici, alogenuri primari e

alogenuri secondari. Se, viceversa, l’atomo di carbonio che porta il gruppo uscente è terziario, il nucleofilo non può

arrivare abbastanza vicino al sito elettrofilo ingombrato per cominciare a legarsi. Non avviene alcuna reazione, a

meno che l’alogenuro non si trovi in un solvente ionizzante: in tal caso, l’alogenuro terziario si ionizza per dare un

carbocatione terziario stabile che subisce quindi sostituzione attraverso un meccanismo di tipo SN1.

Gli alogenuri alchilici secondari reagiscono con nucleofili forti secondo un meccanismo SN2 mentre, in solventi

ionizzanti ed in assenza di un nucleofilo forte, danno reazioni di solvolisi con meccanismo SN1. Per un alogenuro

alchilico secondario il meccanismo SN1 è favorito da nucleofili deboli (H2O o ROH) e da solventi polari protici; per

alogenuri secondari il meccanismo SN2 è favorito da nucleofili forti e da solventi polari aprotici. pag. 46

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9. ALOGENOALCANI ELIMINAZIONE

9.1 Reazione di eliminazione

Le reazioni di eliminazione comportano una perdita di elementi da parte del materiale di partenza per formare un

nuovo legame π nel prodotto. La nucleofilicità e la basicità sono correlate, ma sono fondamentalmente diverse.

- Basicità: è una misura di quanto prontamente un atomo dona la sua coppia elettronica al protone.

Proprietà termica

- Nucleofilicità: è una misura di quanto prontamente un atomo dona la sua coppia elettronica ad altri atomi.

Proprietà cinetica.

Caratteristiche generali

La rimozione degli elementi HX è chiamata

deidroalogenazione. La deidroalogenazione è un

esempio di β-eliminazione. Le frecce ricurve mostrano

come quattro legami si rompano o si formino in questo

processo.

Le basi più comuni usate nelle reazioni di eliminazione sono atomi di ossigeno carichi negativamente, come lo ione

HO e i suoi derivati alchilici RO chiamati alcossidi.

- -

Per scrivere un prodotto di deidroalogenazione: Trovare il carbonio α. Identificare tutti i carboni β con atomi di

idrogeno. Rimuovere gli elementi H e X dai carboni α e β e formare un legame π.

Basi comunemente usate:

- Nucleofile, non ingombranti stericamente

- Non nucleofile, ingombranti stericamente

Alogenuri alchilici pag. 47

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9.2 Meccanismo dell’eliminazione

Nelle reazioni di eliminazione, aumentando il numero dei gruppi R sul carbonio che contiene il gruppo uscente, si

forma un alchene più sostituito e più stabile. Nelle reazioni seguenti, poiché l’alchene disostituito è più stabile,

l’alogenuro alchilico terziario reagisce più velocemente dell’alogenuro alchilico primario.

La regola di Zaitsev

“Nelle β-eliminazioni il prodotto principale presenta il doppio legame più sostituto”

Quando gli alogenuri alchilici hanno due o più atomi di carbonio β diversi, si può formare una miscela di alcheni.

Quando accade questo, uno dei prodotti generalmente è più abbondante. Il prodotto principale è quello con il

doppio legame più sostituito. La reazione di eliminazione è regioselettiva.

Quando è possibile formare una miscela di stereoisomeri mediante deidroalogenazione, il prodotto maggioritario

è l’isomero più stabile. Una reazione è stereoselettiva se forma in maniera predominante o esclusiva uno

stereoisomero, quando due o più sono possibili. La reazione di eliminazione è stereoselettiva perché porta alla

formazione preferenziale di uno stereoisomero. L’alchene trans è favorito.

Meccanismi della β-eliminazione

Vi sono due meccanismi della β-eliminazione:

- Meccanismo E1: la rottura del legame C−Gu (gruppo uscente), che porta ad un carbocatione, avviene

prima della reazione con la base che forma il doppio legame carbonio-carbonio

- Meccanismo E2: il trasferimento del protone alla base, la formazione del doppio legame carbonio-

carbonio e il distacco dello ione bromuro avvengono simultaneamente pag. 48

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9.3 Meccanismo E1

Cinetica

Lo stadio cineticamente determinante in una reazione E1 è la dissociazione dell’alogenuro alchilico, che porta ad

un carbocatione (spesso un alogenuro, X). Poiché questo stadio coinvolge soltanto l’alogenuro alchilico, la reazione

è definita monomolecolare e segue una cinetica del primo ordine.

Regioselettività

Il prodotto principale nelle reazioni E1 è l’alchene più stabile [ossia l’alchene che ha il doppio legame carbonio -

carbonio più sostituito (regola di Zaitsev)]. Il carbocatione può dare trasposizione.

9.4 meccanismo E2

Cinetica

Il meccanismo E2 è un meccanismo ad uno stadio e lo stato di transizione è bimolecolare. La reazione segue una

legge cinetica del secondo ordine: primo ordine in RX e primo ordine nella base.

Regioselettività

Con basi forti e nelle quali il gruppo uscente è uno ione

alogenuro, il prodotto principale è quello previsto dalla regola

di Zaitsev (prodotto termodinamico).

Con basi più voluminose, stericamente più impedite, come il

terz-butossido, ove si possono formare miscele di alcheni

isomeri, il prodotto predominante è spesso l’alchene meno

sostituito, perché la reazione avviene sull’idrogeno più

accessibile (prodotto cinetico). pag. 49

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Stereoselettività

La stereoselettività delle reazioni E2 è controllata

dall’effetto conformazionale. Lo stato di transizione

a più bassa energia di una reazione E2 è quello in

cui −Gu ed −H sono orientati in modo anti e

periplanare (angolo diedro di 180°) l’uno rispetto

all’altro.

Sovrapposizione orbitalica fra la base, il protone

che sta per essere rimosso ed il gruppo uscente. pag. 50

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9.5 Competizione fra SN1 ed E1

Alogenuri alchilici secondari e terziari che procedono con una cinetica del primo ordine in solventi polari protici

portano a miscele di prodotti di sostituzione e di eliminazione. In solventi polari protici, i prodotti che si formano

dipendono soltanto dalla struttura del carbocatione coinvolto nella reazione.

Nella maggioranza dei casi, comunque, la SN1 predomina sulla E1 quando si usano basi deboli.

9.6 Competizione fra SN2 ed E2

Ingombro sterico

Le ramificazioni sul carbonio α o sul carbonio β provocano

un aumento dell’impedimento sterico sul carbonio α e

rallentano notevolmente le reazioni SN2. Viceversa,

accelerano le reazioni E2 a causa della maggiore stabilità

degli alcheni che si formano. Più elevata è la nucleofilia del

reagente che attacca, maggiore è il rapporto fra SN2 ed E2.

Viceversa, più elevata è la basicità del reagente che attacca, maggiore è il rapporto fra E2 e SN2.

Se un nucleofilo/base ha un acido coniugato con un pKa inferiore a 11 ed è un buon nucleofilo, allora sarà favorita

la reazione SN2. Se il pKa dell’acido coniugato del nucleofilo/base è superiore a 11, il carattere basico

generalmente compete con il carattere nucleofilo, così che verrà preferito il meccanismo E2. pag. 51

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Effetto della temperatura

In generale, a temperature più alte avviene la reazione di eliminazione a discapito delle sostituzioni. le reazioni di

eliminazione formano più molecole, quindi sono entropicamente più favorite.

Influenza della temperatura:

- Ad alte temperature si favorisce il prodotto

termodinamico

- A basse temperature si favorisce il prodotto

cinetico

Effetto del solvente

- solvente aprotico polare: classe di solventi che maggiormente favoriscono la sostituzione nucleofila

bimolecolare, SN2 (solvatazione del catione)

- solvente polare protico: classe di solventi che rallenta la reazione di sostituzione nucleofila bimolecolare,

SN2 (solvatazione dell’anione). Favorisce la E2

Alogenuri primari

- I carbocationi primari sono troppo instabili per potersi formare, i meccanismi SN1 ed E1 non sono possibili.

- Se il nucleofilo è una base forte e stericamente impedita, non è un buon nucleofilo e la reazione principale

diventa una E2.

- Nucleofili da buoni a moderati che siano basici o debolmente basici danno prodotti SN2.

- Se il nucleofilo non è né buono né moderato, si hanno miscele di prodotti che derivano da una SN2 e da

una E2 in un rapporto difficile da prevedere. Si può anche non avere alcuna reazione.

Alogenuri secondari:

- Se il nucleofilo è una base forte che sia ingombrante o meno, prevarrà una E2.

- Con basi deboli che siano nucleofili da buoni a moderati sarà prevalente la SN2. Poiché il gruppo alchilico

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