Chimica organica

N

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Il legame C-X è molto polare verso l’alogeno il C possiede una parziale carica positiva, mentre l’alogeno possiede una

- parziale carica negativa.

Il legame si può rompere portando il doppietto elettronico di legame verso l’alogeno e formando un alogenuro (es. il Cl può uscire

come cloruro Cl-).

Un doppietto elettronico di una SPECIE NUCLEOFILA (in cerca di cariche positive, può mettere a disposizione un doppietto)

- attacca il C legato all’alogeno Il legame C-X viene sostituito da un nuovo legame C-nucleofilo.

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In questo caso, la reazione avviene in un UNICO STADIO e, concettualmente NON si forma un carbocatione, perché il nucleofilo

condivide immediatamente il suo doppietto elettronico disponibile, formando il legame C-nucleofilo ESCE L’ALOGENO, ENTRA IL

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NUCLEOFILO. Tuttavia, possiamo dire che nel momento

centrale della reazione vi è un COMPLESSO

ATTIVATO, MA non isolabile, che ha un parziale

legame (rosso-grigio), dove l’atomo rosso sta

cedendo il suo doppietto elettronico, e un

parziale legame (grigio-verde), dove l’alogeno

sta acquisendo il doppietto elettronico.

La carica negativa si sta quindi distribuendo tra

atomo rosso (es. ossigeno), (che prima era

negativo, e ora sta cedendo un doppietto

elettronico libero per fare un nuovo legame

covalente) e atomo verde (es. cloro), (che sta

acquisendo e-).

Si sta formando un legame e se ne sta rompendo

un altro, contemporaneamente!

Durante la reazione chimica, la configurazione tetraedrica del C ibridato sp3 che subisce la sostituzione è

modificata: si verifica infatti l’INVERSIONE DI WALDEN, un’inversione stereochimica della configurazione tetraedrica

del C i 3 legami stabili si distribuiscono su un piano perpendicolare all’asse dei parziali legami Z---C e C---X.

➔ Perché si verifica? Perché l’ingresso del nucleofilo (per la

formazione di un nuovo legame) spinge la

configurazione tetraedrica a invertirsi, per minimizzare le

repulsioni tra gli atomi, anche mentre entra il nucleofilo.

Se l’inversione non fosse avvenuta, ci sarebbero stati

quattro legami covalenti tutti dalla stessa parte dello

spazio, il che non è possibile poiché devono avere angoli di 109,5.

L’inversione non è importante dal punto di vista della stereoisomeria, perché il C non è uno stereo centro (è legato a 2 C); se invece

fosse stato stereo centro, questa inversione sarebbe stata molto rilevante.

L’inversione di WALDEN si verifica per qualsiasi sostituzione nucleofila che avvenga secondo questo meccanismo.

Diagramma energia libera reazione di sostituzione SN2: Il COMPLESSO ATTIVATO è il massimo picco di energia potenziale

che si raggiunge durante la reazione.

Raggiunto questo vertice, la reazione procede o si riallontana

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l’ossigeno dal C oppure si allontana l’alogeno.

Se si allontana l’alogeno, la reazione procede, si forma un

alogenuro (X-), stabile in ambiente di reazione Il sistema prodotti

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è stabile.

Questo meccanismo è di tipo bimolecolare e avviene in UNO

stadio (SN2).

Il 2 sta per la MOLECOLARITÀ della reazione chimica, cioè il numero

di specie chimiche che partecipano alla formazione del complesso

attivato.

Attenzione! NON CONFONDERE MOLECOLARITA’ CON IL NUMERO DI STADI:

La reazione avviene in UNO stadio, in cui DUE specie chimiche (per questo è bimolecolare) si avvicinano, si rompe un legame e se

- ne forma un altro, ottenendo il prodotto anche se abbiamo parlato di complesso attivato, siccome quest’ultimo non è

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isolabile, non si può dire che questa reazione avvenga in due stadi (non si ottiene un prodotto intermedio).

SOSTITUZIONE NUCLEOFILA con MECCANISMO MONOMOLECOLARE S 1 (2 stadi):

N

In alternativa alla S 2 vi è un altro processo di sostituzione avviene in DUE STADI (e quindi comporta la formazione di un

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N

carbocatione si forma un intermedio instabile processo più difficile) ed è un meccanismo MONOMOLECOLARE (una sola specie

➔ ➔

chimica o substrato contribuisce alla formazione del complesso attivato).

Il primo stadio di questa reazione è la rottura ETEROLITICA di un legame carbonio-alogeno (ionizzazione del substrato) con formazione

di un intermedio carbocationico relativamente stabile.

Dato che si forma il carbocatione, l’alogenuro (es. Cl-) esce dalla molecola,

lasciando il carbonio + sul substrato ma questo è un passaggio difficile,

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poiché sto allontanando due specie chimiche di carica opposta!

Il cloro è stabile in ambiente di reazione sottoforma di cloruro, ma il carbocatione non è stabile!

Inoltre, la separazione di cariche di segno opposto va contro la spontaneità della reazione, appena separate tendono subito a

riformare la molecola neutra.

Dunque, questo primo stadio è molto difficile ed è quello cineticamente controllante (lento) può avvenire solo in determinate

➔

condizioni:

La reazione avviene solo se si creano carbocationi terziari, ovvero i carbocationi meno instabili poiché parzialmente stabilizzati da

- tre effetti induttivi (tre gruppi alchilici adiacenti); con quelli primari e secondari, troppo instabili, la reazione non prosegue.

La reazione avviene solo se l’ambiente di reazione (SOLVENTE) è in grado di SOLVATARE l’alogenuro, cioè di circondarlo,

- separandolo definitivamente dal carbocatione.

Una volta che cloruro e carbocatione si sono separati, inizia il secondo stadio (veloce) per contrastare l’instabilità, il carbocatione

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reagisce rapidamente con il NUCLEOFILO per dare il prodotto finale sostituito.

Dove si attacca il nucleofilo?

Il carbocatione è una struttura in cui il carbonio positivo è ibridato sp2, non più sp3, poiché ha perso uno dei legami sigma che

componevano la struttura tetraedrica gli rimangono tre legami e un orbitale vuoto.

➔

Per minimizzare le repulsioni, i tre legami rimanenti si dispongono sullo stesso piano, lungo le direzioni che

vanno verso i vertici di un triangolo equilatero (120°) (non più struttura tetraedrica), mentre l’orbitale p

vuoto si dispone perpendicolarmente a questo piano.

In questo modo, l’attacco del NUCLEOFILO (doppietto elettronico) sul C positivo può avvenire

indifferentemente su uno o sull’altro lobo dell’orbitale p vuoto non c’è un attacco preferenziale, poiché il piano è simmetrico,

➔

mentre prima, nel meccanismo S 2, il nucleofilo era obbligato a entrare nella parte opposta a quella dell’alogeno.

N

Se il carbonio è chirale si formano entrambi gli enantiomeri (due prodotti diversi dal punto di vista

della stereoisomeria):

Se si verifica un attacco da sotto, gli altri legami sono spinti verso l’alto.

- Se si verifica un attacco da sopra, gli altri legami sono spinti verso il basso.

-

Dunque, il meccanismo monomolecolare S 1 porta alla formazione di una MISCELA RACEMICA (miscela di prodotti stereoisomeri).

N

Invece, il meccanismo bimolecolare S 2, porta alla formazione di un unico stereoisomero.

N

Dunque, i fattori che influenzano la molecolarità della SOSTITUZIONE NUCLEOFILA degli alogenuri alchilici, e dunque quale

meccanismo possano effettuare, sono:

1) NATURA DEL SUBSTRATO: A seconda dell’alogenuro alchilico che ho a disposizione, posso prevedere il tipo di meccanismo:

Se ho un alogenuro alchilico primario, sarà probabile un meccanismo S 2 (poiché se si effettuasse una S 1 si

▪ N N

formerebbe un carbocatione primario, troppo instabile) NO FORMAZIONE INTERMEDIO.

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Se ho un alogenuro alchilico terziario, con un solvente che favorisce la solvatazione dell’alogenuro, sarà probabile un

▪ meccanismo S 1.

N

Il meccanismo S 1, infatti, dovendo passare per la formazione del carbocatione, ha bisogno di un alogenuro terziario,

N

che permetta la formazione di un carbocatione terziario stabile.

Perché non reagisce con meccanismo S 2? Perché il nucleofilo per attaccare il carbonio deve entrare dentro la

N

struttura geometrica del tetraedro e questo è possibile solo se il C è legato ad altri atomi non troppo “voluminosi”.

L’ingombro sterico è un fattore in grado di rallentare notevolmente una SN2 rendendo così competitiva una SN1.

Se ho un alogenuro alchilico secondario, la reazione può procedere con entrambi i meccanismi S 1 e S 2, non c’è

▪ N N

una così netta preferenza e differenza tra le due strade.

2) NATURA DEL SOLVENTE: ➔

Nel meccanismo SN1 serve un solvente che sciolga un alogenuro (ione carico negativamente, es. Cl ) si scioglie

▪ -

bene in un SOLVENTE POLARE PROTICO, ovvero un solvente ha a disposizione protoni H+ che possono solvatare

(circondare) l’alogenuro uscente, stabilizzando le cariche, separando l’alogenuro (es. Cl-) dalla carica positiva del

carbocatione (l’interazione alogenuro- idrogeno è facile e porta alla formazione di acido alogenidrico).

I solventi protici possono anche solvatare (circondare) il carbocatione con la carica negativa dovuta alla perdita del

protone H+, aumentandone così la stabilità.

Anche il meccanismo SN2 dipende dal tipo di solvente utilizzato:

▪ ➔

La SN2 deve favorire l’interazione DIRETTA tra un nucleofilo e l’alogenuro alchilico il nucleofilo deve essere libero e

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pronto ad attaccare l’alogenuro alchilico ho bisogno di un SOLVENTE POCO POLARE E NON PROTICO, che non può

liberare protoni e dunque non può legare i doppietti liberi del nucleofilo.

Se si utilizza un solvente polare protico, il nucleofilo, che ha un doppietto elettronico libero, invece di attaccare il

substrato che mi interessa attaccherà i protoni (con un meccanismo acido-base) MALE! Nella SN2 non voglio un

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solvente protico che blocchi l’attività del nucleofilo.

REAZIONI DI ELIMINAZIONE:

In alternativa al meccanismo di sostituzione si può verificare il meccanismo di eliminazione, con la differenza che, se nella sostituzione

la struttura rimane satura e si sostituisce un alogeno, nell’eliminazione la struttura diventa insatura e perde complessivamente un HX.

Con le reazioni di eliminazione, sia che si effettui un meccanismo MONOMOLECOLARE o BIMOLECOLARE, si formerà sempre un

alchene.

Il legame che può essere attaccato (iniziatore della reazione) è sempre il legame carbonio-alogeno; tuttavia, nell’eliminazione, il

substrato deve perdere non solo l’alogeno, ma anche un protone H+, così che si possa formare un doppio legame sul substrato e si

liberi un acido alogenidrico.

Perché venga espulso un protone dal substrato (favorendo così la reazione di eliminazione, piuttosto che quella di sost