3 Alchini e alogenuri alchilici

SOSTITUZIONE NUCLEOFILA E BETA-ELIMINAZIONE

Una sostituzione nucleofila è una qualsiasi reazione in cui un nucleofilo (Nu) elettron-ricco prende il posto di un

gruppo uscente (Gu). Tutti i nucleofili sono anche basi di lewis, cioè elettron poveri, cioè elettrofili. Il Gu può

essere un alogeno X o un altro gruppo elettronegativo, che può formare un anione stabile o un’altra specie

stabile. Non tutti i nucleofili sono e i gruppi uscenti sono carichi negativamente. Qui un’equazione generale per

una reazione di sostituzione nucleofila

Nell’esempio della reazione dello ione idrossido con il cloro metano, quest’ultimo è un elettrofilo e il gruppo OH

un nucleofilo. A causa dell’elettronegatività del cloro, il carbonio possiede una parziale carica positiva. La carica

negativa dello ione ossidrile interagisce dunque con la parziale carica positiva presente sul gruppo metilico.

Le basi più forti possono rimuovere protoni. Una reazione in cui vengono rimossi un alogeno e un idrogeno sul

carbonio beta adiacente è detta di beta-eliminazione. La sostituzione nucleofila e la beta eliminazione

rappresentano reazioni competitive: lo ione etossido, per esempio, è sia un nucleofilo che una base di Bronsted,

e con il bromocicloesano reagisce da nucleofilo per dare etossicicloesanno e da base, per eliminazione, per dare

cicloesene ed etanolo.

come nucleofilo, lo ione etossido attacca il carbonio a cui è legato il bromo. Come base invece attacca l’idrogeno

legato al carbonio in posizione beta, eliminandolo.

Sostituzione nucleofila negli alogenuri alchilici

La sostituzione nucleofila è una delle più importanti reazioni degli alogenuri alchilici e può portare ad una grande

varietà di composti. Alcune reazioni procedono a temperatura ambiente, alcune devono superare una

determinata energia di attivazione.

1- se il nucleofilo ha una carica negativa, come per esempio OH-, l’atomo del nucleofilo che dona la coppia di

elettroni diventa neutro nel prodotto.

2- se il nucleofilo non ha carica elettrica, come ad esempio NH3 o metanolo, l’atomo del nucleofilo che dona la

coppia di elettroni diventa carico positivamente nel prodotto.

MECCANISMI DELLA SOSTITUZIONE NUCLEOFILA ALIFATICA

Durante 70 anni di studio della chimica organica, sono stati proposti due meccanismi limite per l’andamento di

queste reazioni: SN1 e SN2. La differenza fondamentale tra essi riguarda l’andamento temporale della rottura del

legame C-Gu e la formazione del nuovo legame C-Nu.

A.Meccanismo SN2

Si ha quando la rottura del legame C-Gu e la formazione del legame con il nucleofilo sono simultanee. Quindi,

l’allontanamento del gruppo uscente è accompagnato dall’avvicinamento del nucleofilo. Il pedice 2 indica che si

tratta di una reazione bimolecolare, in quanto la cinetica della reazione è determinata sia dall’alogenuro alchilico

che dal nucleofilo.

Meccanismo: Sostituzione nucleofila bimolecolare

Il nucleofilo attacca il centro reattivo dal lato opposto al quale è legato il gruppo uscente: cioè un meccanismo

sn2 implica l’attacco dal “retro” del nucleofilo. Le linee tratteggiate nello stadio di transizione rappresentano

legami parzialmente formati o rotti.

Il nucleofilo attacca il centro reattivo dal lato opposto del gruppo uscente. L’attacco dal retro da parte del

nucleofilo è favorito per due motivi: in primis, a causa della polarizzazione del legame C-Br, il carbonio ha una

carica positiva in posizione anti rispetto all’alogeno e quindi attrae il nucleofilo, elettron ricco. In secondo luogo,

la densità elettronica del nucleofilo che entra dal retro assiste la rottura del legame carbonio bromo, favorendo

l’uscita di quest’ultimo. Poiché un meccanismo di reazione SN2 avviene in un solo stadio,

il suo grafico possiede una sola barriera energetica da superare,

corrispondente ad un unico stato di transizione. Nello stato di

transizione di una reazione sn2 il carbonio è distorto in una

geometria triangolare bipiramidale con due legami parzialmente

validi. Lo stato di transizione ha energia interna più alta rispetto al

resto. La tensione dei legami è molto più elevata, e ciò è dovuto

alla distorsione innaturale causata dalla collisione del nucleofilo e

del gruppo uscente.

MECCANISMO DI SOSTITUZIONE NUCLEOFILA MONOMOLECOLARE SN1

L’altro meccanismo limite è chiamato reazione SN1. In questo meccanismo, la rottura del legame tra carbonio e

gruppo uscente è completamente completata prima che il nucleofilo possa attaccare. Questa sostituzione è

classificata come monomolecolare perché la cinetica della reazione è influenzata solamente dall’alogenuro

alchilico. Per analizzare il meccanismo, consideriamo la reazione tra bromuro di terzbutile e metanolo.

MECCANISMO

Stadio 1: si ha la rottura di un legame C-Br e la formazione di molecole o ioni stabili. La ionizzazione del legame

C-Gu porta ad un intermedio carbocationico. Siccome nessun nucleofilo assiste tale allontanamento, questo

rende lo stadio 1 quello cineticamente determinante.

Stadio 2: la reazione dell’intermedio carbocationico, un elettrofilo, con il metanolo, nucleofilo, conduce ad uno

ione ossonio. L’attacco del nucleofilo sul carbocatione planare avviene da entrambe le facce con la stessa

probabilità.

Stadio 3: deprotonazione. Il trasferimento di un protone dallo ione ossonio al metanolo produce il terzbutil etere

e completa la reazione. in una reazione sn1 lo stadio cineticamente determinante è la rottura

del legame carbonio gruppo uscente che porta alla formazione di un

carbocatione. Dopo la reazione del carbocatione con il metanolo, si

ottiene una struttura che ha un protone sull’ossigeno. L’ultimo stadio

ha una piccola energia di attivazione, che rappresenterebbe quella

necessaria per la deprotonazione.

Differenze meccanicistiche tra le reazioni SN2 e SN1

Evidenziamo alcune differenze chiave tra questi due meccanismi. In primo luogo, una reazione SN2 avviene in un

unico stadio, quindi non possiede intermedi, ma, come tutte le reazioni chimiche, ha uno stato di transizione. Per

contro, uno reazione SN1 procede in due (tre) stadi, ognuno dei quali ha uno stato di transizione.

Fondamentalmente, si forma un intermedio carbocationico. I due meccanismi, a singolo stadio per la SN2 e a due

stadi per la SN1, insieme alla carica positiva dell’intermedio carbocationico nella sn1, sono fattori che spingono la

reazione a preferire un meccanismo piuttosto che l’altro.

Evidenze sperimentali per meccanismi sn1 e sn2. Effetti cinetici e stereochimici.

Per distinguere un meccanismo sn1 da un sn2 si eseguono solitamente 2 esperimenti. Nel primo si determina la

velocità di reazione variando la concentrazione dei reagenti, nel secondo si conduce una reazione con un

substrato nel quale il carbonio legato al Gu è un centro chirale, e poi si analizza la stereochimica dei prodotti. Le

reazioni in cui la velocità dipende solamente dalla concentrazione dell’alogenuro alchilico vengono classificate

come monomolecolari, mentre le reazioni la cui velocità e funzione delle concentrazioni di entrambi i reagenti

vengono definiti bimolecolari.

Cinetica sn1: visto che lo stadio di transizione per la formazione dell’intermedio carbocationico in una reazione

sn1 coinvolge solamente l’alogenuro alchilico e non il nucleofilo, la concentrazione di quest’ultimo non sarà

determinante ai fini del calcolo della velocità di reazione, che sarà espressa come velocità di scomparsa

dell’alogenuro alchilico. Possiamo concludere che qualsiasi reazione di sostituzione la cui velocità dipenda

solamente da [R-Gu] segue un meccanismo monomolecolare.

Cinetica sn2: al contrario, il meccanismo sn2 comporta un unico stadio. Nella reazione tra OH- e CH3Br,

entrambe le specie devono collidere e sono coinvolte nello stadio di transizione. Per ciò la reazione è

bimolecolare: la sua velocità è funzione della concentrazione di entrambi i reagenti. Segue una cinetica del

secondo ordine perché è di primo ordine per CH3Br e anche per NaOH. Quando la velocità di reazione di una

sostituzione nucleofila dipenda da tutti e due i fattori, possiamo concludere che si tratti di una SN2.

Stereochimica sn1 (leggere libro). Esperimenti nei quali la sn ha luogo su un centro chirale forniscono

informazioni sulla stereochimica della reazione. Per stabilire la stereochimica di una reazione sn1 si utilizza in

seguente alogenuro alchilico, poiché dalla sua ionizzazione deriva un carbocatione achirale. Quando l’uno o

l’altro degli enantiomeri di questa molecola subisce una sostituzione si ottiene una miscela quasi totalmente

racemizzata. Si parte da un composto otticamente attivo e si ottiene un racemo. Ciò perché il carbocatione

planare che si forma all’intermedio ha una struttura planare, quindi può subire un attacco nucleofilo da

entrambe le parti.

Stereochimica sn2. Ogni reazione sn2 procede con attacco dal retro del nucleofilo e quindi con inversione di

configurazione (i sostituenti del carbonio si “ribaltano”). La reazione non avviene se l’attacco viene avanzato dal

lato in cui si trova l’alogeno. Se parto da un enantiomero, ottengo la molecola di configurazione opposta

Struttura della parte R dell’alogenuro alchilico.

Le reazioni sn1 sono influenzate da fattori elettronici, in particolar modo la stabilità relativa dei carbocationi

intermedi. Le reazioni sn2 invece sono influenzate essenzialmente da fattori sterici e i loro stati di transizione

sono particolarmente sensibili all’impedimento sterico intorno al centro di reazione. Risentono particolarmente

dell’impedimento sterico.

Considerazioni sulle sn1. Stabilità relative dei C+. consideriamo l’effetto del gruppo alchilico dell’alogenuro sulla

velocità di una sn1. La formazione del carbocatione è il processo lento della reazione e in quanto tale è

importante tenere conto di tutte le considerazioni riguardanti la sua stabilità. Come già visto, i carbocationi

terziari sono i più stabili, come risultato dell’iperconiugazione, mentre i primari sono i meno stabili (una sn1 non

procede MAI per un carbocatione primario.) quindi, gli alogenutri terziari reagiscono più facilmente per formare

C+, quelli secondari con più difficoltà. i carbocationi allilici hanno un doppio legame vicino al carbonio deficiente

di elettroni. Il catione allile è molto stabile, anche più di un terziario semplice, perché si hanno interazioni tra il

carbonio positivizzato e il vicino legame pi (gruppo vinile), e può essere rappresentato come ibrido di due

strutture equivalenti. I carbocationi benzilici sono anch’essi molto stabili. Riassumendo, i meccanismi sn1 sono

operabili anch