Alogenuri alchilici, chimica organica

ALOGENURI ALCILICI

• composti con un atomo di alogeno legato ad un C saturo ed ibridato sp³
• molecole polarizzate

δ+ δ-

 C - X

X = F, Cl, Br, I

• I fluoruori sono meno polarizzati → C-F quasi inerte
• reagisce difficilmente

NOMENCLATURA ALOGENURI ALCILICI

• si denominano come ALCANO ALCILI → trattare l'alogeno come un sostituente sulla catena dell'alcano progenitori

es.

CH₃

CH₃CHCH₂CHCHCH₂CH₃

    Br      

     CH₃    

  1 2 3 4 5 6 7 

5-bromo   2,4-dimetileptano

Alogenuri Alchilici

• composti con un atomo di alogeno legato ad un C saturo ed ibridato sp³
• molecole polarizzate

X = F, Cl, Br, I

• Fluoruri sono meno polarizzati
• C-F quasi inerte
• Decadisce difficilmente

Nomenclatura Alogenuri Alchilici

• Si denominano come alcano alc.ali
• Trattare l'alogeno come un sostituente sulla catena dell'atomo progenitori

es.

CH₃ - CH₂ - CH₂ - CH₂ - CH - CH₂ - CH₃

CH₃   Br  5-bromo  3-metileptano

2,4

Preparazione alogenuri alchilici

1. Addizione al doppio legame C=C di alogeni o acidi alogenidrici

2. Alogenazione radicalica degli alcani (sostituzione radicalica)
• Vedi parti precedenti
• Clorurazione
  • fortemente esotermico
  • reazione veloce
• Bromurazione
  • fortemente endotermico
  • reazione lenta

Selettività = fattore energetico + fattore probabilistico

↓

Stabilità del → numero di H

radicale

CH₃

CH₃ CH CH₃

H

• L'estrazione di H porta al radicale + stabile
• L'estrazione di H porta al radicale + probabile

Stabilità dei radicali

radicale 3° > radicale 2° > radicale 1° > radicale metilico

CLORO - privilegia il fattore probabilistico

BROMO - privilegia il fattore energetico

ALOGENURI ALCHILICI DAGLI ALCOLI

• metodo di preparazione più generale parte dagli alcoli
• metodo più semplice è trattare gli alcoli con HX (X = Cl, Br, I)
• formula generale:

  R-OH + HX -> R-X + H₂O

• questo metodo funziona piuttosto bene negli alcoli 3°
• più l’alcol è sostituito e più sarà stabile

R

R-C-OH ALCOOL TERZIARIO (3°)

R

• la reattività è proporzionale alla stabilità del carbocatione
• alcoli primari e secondari vengono trasformati in alogenuri alchilici con SOCl₂ (se voglio Cl) o PBr₃ (se voglio Br)

REATTIVI DI GRIGNARD

• gli alogenuri alchilici reagiscono con magnesio metallico per formare ALOGENURI di ALCHILMAGNESIO (R-Mg-X)
• prodotti sono detti reattivi di Grignard
• oltre che dagli alogenuri alchilici si possono ottenere

da alogenuro vinilico e arilico (aromatici)

R-X _Mg → R-Mg-X

• cambiano i M.O.
  • Mg si ossida e diventa +2
  • X rimane invarato -1
  • R diventa -1 (da +1)
• la polarità di R è cambiata: da elettrofilo (nell'alogenuro alchilico) a nucleofilo (forte)
• reattivo di Grignard ha proprietà nucleofile e al tempo stesso basiche
• essendo basi forti coniugata di un acacano reagiscono con acidi deboli per estrarre un protone e formare iscrocombure

R-X → R-Mg-X → R-H

1. es:
2. CH₃CH₂CH₂CH₂Br_Mg → CH₃CH₂CH₂CH₂MgBr →
3. H₂O → CH₃CH₂CH₂CH₃

REAZIONE DI SOSTITUZIONE NUCLEOFILA

(su alogenuro alchilico) SN

• sono reazioni molto comuni e versatili

R-X + NUL⁻: → R-NU + X⁻:

• l'atomo di alogeno (X) rende il C degli alogenuri alchilici (R) elettrofilo
  • lo soggetto dell'attacco di nuclefili

Sostituzione Nucleofila Bimolecolare S_N2

• Reazione si compie in un solo stadio senza intermedi
• Il nucleofilo entrante attacca l’atomo di carbonio della parte opposta a quella del gruppo che se ne sta andando (uscente)
  • Nucleofilo approccia C della parte opposta di X
  • Stato di transizione
  • Gli altri legami (per esempio C-H) cambiano direzione
  • Reazione stereospecifica con inversione di configurazione
  • Atomi C-H si trovano dalla parte opposta rispetto a quella iniziale
• La reazione ha una dipendenza sia dalla [Nu^-] che dalla [RX]
  • Velocità di reazione = k [RX] [Nu^-]
• Tanto maggiori sono le [ ] tanto maggiore è la velocità

Inversione di Configurazione

• Comporti di configurazione
• S → R o R → S

Fattori che influenzano la velocità in S_N2

• Il substrato: effetti sterici (1)
  • Condizionata dalla costituzione intorno atomo di C elettrofilo
  • Un alogenuro metilico è il più reattivo in quanto non presenta un ingombro sterico H | H—C—X | H Alogenuro metilico
  • La reazione sarà veloce
  • Un alogenuro terziario invece è troppo ingombrato quindi non è reattivo
    • Impedisce l’attacco del nucleofilo
  • Nell’alogenuro 1^o e 2^o può avvenire ma meno velocemente
  • Gli alogenuri vinilici e arilici risultano del tutto inerti nei confronti della reazione S_N2
    • Impedimento sterico
• Il nucleofilo: effetto determinante (2)
  • Nucleofilicità correlata alla basicità
  • Nucleofilicità è l'affinità di una base di Lewis per un carbonio
  • La basicità è l'affinità di una base per un protone
  • Più è basica una specie e più è nucleofila HO^- > CH₃CO^- > H₂O
  • Nucleofilicità aumenta scendendo lungo un gruppo
  • Nucleofili carichi negativamente sono più reattivi

- Gruppo uscente (3)

• Il miglior gruppo uscente è quello che meglio stabilizza la carica negativa nello stato di transizione
• Maggiore è l'energia della stabilizzazione esercitata dal gruppo uscente, tanto è più bassa l'energia nello stato di transizione, tanto è più rapida la reazione)
• Migliori stabilizzatori -> carattere basico + debole -> base coniugata acidi forti

OH^- < Cl^- < TsO^-

• OH^- -> pessimo gruppo uscente (base forte)
• Cl^- -> buon gruppo uscente (base debolissima)
• Tso^- -> ottimo gruppo uscente (base molto debole) -> Il migliore

• Quando gruppo uscente è OH^-

alcoli non reagiscono spontaneamente in reazioni S_N2

• Per poter avere una reazione S_N2 con gli alcoli è necessario convertire il gruppo OH in un migliore gruppo uscente

• uso SOCl₂ ➔ se voglio Cl
• uso PBr₃ ➔ se voglio Br

• Solvente: solventi protici (h)
• hanno un protone per formare legami a idrogeno
• stabilizzano il nucleofilo ➔ li rende meno reattivi
• aumentano Ea_tt e diminuiscono la velocità di reazione S_N2

• Solvente: solventi polari aprotici (S)
• non hanno protoni per formare legami a idrogeno
• solvatano i cationi piuttosto che gli anioni nucleofili
• solvente circonda la parte positiva del sale
• favoriscono la sostituzione ➔ abbassano Ea_tt e aumentano la velocità della reazione S_N2

SOSTITUZIONE NUCLEOFILA MONOMOLECOLARE S_N1

• avviene in più stadi
• un es è la sostituzione alogenuro 3° (stericamente impedito) in H₂O (protico)

meccanismo

1. Stadio lento cineticamente limitante ➔ formazione carbocatione intermedio e ione bromuro o cloruro

R-C_|R⇌ R-C⁺_|R + X^-

2. l'intermedio carbocationico reagisce con l'acqua che funziona da nucleofilo ➔ alcol pattomale
3. reazione veloce

→ il nucleofilo può attaccare il carbocatione sia da destra che da sinistra (pertanto non stereospecifico)

→ si crea come prodotto una miscela racemica 50/50

→ la velocità di reazione è determinata dalla velocità di dissociazione spontanea dell’alogeno (fase 1)

→ la velocità è in funzione solo della [RX]

velocità di reazione = k[RX]

→ reazione con racemizzazione (miscela racemica)

50% ritenzione50% inversione

⩾ in realtà nella maggior parte dei casi abbiamo un eccesso di prodotto di inversione

→ questo perché prima di andare via completamente l’alogeno resta vicino al carbocatione mascherando la faccia da cui si è staccato

→ per cui il carbocatione preferisce essere attaccato dalla parte opposta

→ eccesso (leggero) prodotto di inversione

FATTORI CHE INFLUENZANO LA VELOCITÀ DI S₁

• La velocità è indipendente dalla C.E. e dalla natura del nucleofilo.

- SOSTITUO (1)

• L'ordine di reattività segue l'ordine di stabilità del carbocatione intermedio (POSTULATO DI HAMMOND).
• Carbocatione 3° è il più stabile e quindi il più reattivo (particolarmente anche il 2°).
• No avviene per un carbocatione 1°.
• Un carbocatione alilico e benzilico 1° è stabile come un carbocatione alchilico 2°.
• Un carbocatione alilico e benzilico 2° è stabile come un carbocatione alchilico 3°.

- GRUPPO USCENTE (2)

• I migliori gruppi uscenti sono quelli che risultano più stabili, cioè le basi coniugate di acidi forti.

- SOLVENTE: polare

• Solvatano il carbocatione allo stesso modo dell'alogeno.
• Stabilizzano il carbocatione.
• Aumentano la velocità della reazione S₁

REAZIONE DI ELIMINAZIONE

• Il nucleofilo (che in questo caso si comporta da base) attacca il protone (β-eliminazione) per promuovere l'eliminazione di HX per portare alla formazione di un alcene.

H₂O + Br

- eliminazione in competizione con la sostituzione

Regola di Zaitsev

CH₃CH₂CH₂CH₂Br → CH₃CH=CHCH₃ + CH₃CH₂CH=CH₂

                                   81%                   19%

- posso strappare il protone da una delle tre posizioni

- il prodotto che si forma maggiormente è l'alchene più sostituito (più stabile)

Meccanismo Eliminazione: E2

- non c'è un intermedio ma solo uno stato di transizione

- la base attacca un H sull C adiacente e inizia a distaccarlo

- contemporaneamente inizia a formarsi il doppio legame ed inizia ad allontanarsi il gruppo X

- alcene si forma quando legame C-H è completamente rotto

1. Velocità di reazione dipende dalla [C_S] di entrambi i reagenti

v = k [R - X] [B ^-]

2. La reazione è stereospecifica ANTI

• GEOMETRIA PERIPLANARE ➔ i legami C - H, C - X e C - C si trovano sullo stesso piano in modo da formare il modello π
• SIN PERIPLANARE ➔ X e H sono dalla stessa parte e formano un angolo di 0°

Conformazione eclissata

Energia MAGGIORE

• ANTI PERIPLANARE ➔ X e H sono su due lati opposti e formano un angolo di 180°

Conformazione sfalsata

Energia MINORE

• I legami C-H e C-X devono diventare orbitali p del legame π dell’alcchene
• Il modo più semplice per ottenere ciò è la geometria peripianata
• Nella reazione è favorita la geometria ANTI PERIPLANARE ➔ Energia minore

→ ciò ha precise conseguenze stereochimiche

→ ad esempio in questo caso si forma solamente l'E poiché, per formare Z, lo stato di transizione che lo forma avrebbe geometria SIN ad energia maggiore

→ geometria anti particolarmente importante per gli anelli cicloesonici

→ se X è in posizione equatoriale, X e H non sono in ANTI per planare → questa conformazione non reagisce

→ se X è in posizione assiale → X e H sono in ANTI perplanare e possono reagire

Competizione S_N2 e E2

→ in base all’alogenuro alchilico (1°, 2° o 3°) si preferisce la sostituzione o l’eliminazione

• 1°: → sostituzione
• 2°: → eliminazione | sostituzione → miscela
• 3°: → eliminazione

basi / nucleofilo → stericamente NON impedic → buon nucleoflo

• → sostituzione
• → stericamente impedit → buona base
• → eliminazione

→ il prodotto di E è più stabile e quindi favorito termodinamicamente