Appunti di Chimica Organica I - Parte D

Beta-eliminazione

Tutti i nucleofili hanno una coppia di elettroni come coppia solitaria o qualche volta come legame π. Questo vuol dire che tutti i nucleofili sono anche delle basi, perché ciascuna coppia di elettroni può accettare un protone.

La β-eliminazione è la combinazione di due processi: rimozione di un protone e rottura di un legame con formazione di molecole o ioni stabili. Le basi forti promuovono le reazioni di β-eliminazione. Le basi forti che vengono usate efficacemente nelle β-eliminazioni sugli alogenuri alchilici sono OH, OR, NH e gli anioni acetiluro.

Il prodotto principale di una reazione di β-eliminazione è l’alchene più stabile, cioè l’alchene che ha il maggior numero di sostituenti sul doppio legame carbonio - carbonio. La formazione di alcheni più sostituiti in una reazione di eliminazione è comune e, quando ciò avviene, si dice che la reazione segue la regola di Zaitsev o che subisce l’eliminazione di Zaitsev.

Meccanismi della β-eliminazione

A. Meccanismo E1

Ad uno degli estremi, la rottura del legame C−Gu, che porta ad un carbocatione, avviene prima che avvenga una qualsiasi reazione con la base, che a sua volta porta a distaccare un idrogeno e a formare il doppio legame carbonio-carbonio. Questo meccanismo viene definito E1, dove E sta per eliminazione e 1 sta per monomolecolare. Una sola specie, in questo caso l’alogenuro alchilico, è coinvolta nello stadio cineticamente determinante.

In un meccanismo E1, un primo stato di transizione è coinvolto nella formazione del carbocatione (stadio 1) e un secondo stato di transizione nel distacco dell’idrogeno (stadio 2). La formazione del carbocatione intermedio nello stadio 1 passa attraverso la più alta barriera di energia potenziale ed è perciò tale stadio quello che determina la velocità. Questa reazione compete con la SN1. E1 e SN1 avvengono quasi sempre contemporaneamente.

B. Meccanismo E2

L’altro meccanismo limite è un meccanismo concertato. In una reazione E2, il trasferimento del protone alla base, la formazione del doppio legame carbonio-carbonio e il distacco dello ione avvengono simultaneamente; la formazione e la rottura dei legami avvengono in modo concertato.

Poiché la base rimuove un idrogeno β contemporaneamente alla rottura del legame C−Gu che porta a formare il corrispondente ione alogenuro, lo stato di transizione ha un notevole carattere di doppio legame.

Differenze tra i due meccanismi

A. Cinetica

Lo stadio cineticamente determinante in una reazione E1 è la dissociazione dell’alogenuro alchilico, che porta ad un carbocatione. Poiché questo stadio coinvolge soltanto l’alogenuro alchilico, la reazione è definita monomolecolare e segue una cinetica del primo ordine.

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.

B. Regioselettività

Il prodotto principale nelle reazioni E1 è l’alchene più stabile, ossia l’alchene che ha il doppio legame carbonio-carbonio più sostituito. Poiché nello stadio cineticamente determinante di una reazione E1 si forma un carbocatione, quest’ultimo può eliminare un idrogeno per completare la reazione o può prima trasporsi e quindi eliminare un idrogeno.

Per le reazioni E2 che utilizzano basi forti e nelle quali il gruppo uscente è uno ione alogenuro, il prodotto principale è quello previsto dalla regola di Zaitsev. Il carattere di doppio legame è tanto sviluppato nello stato di transizione da far sì che la stabilità relativa dei possibili alcheni sia il fattore che determina quale di essi sia il regioisomero principale.

Lo stato di transizione a più bassa energia è quello che porta all’alchene più stabile, ossia all’alchene più sostituito. Per ragioni simili, nei prodotti in cui ciò è possibile, i doppi legami trans predominano su quelli cis.

Competizione fra sostituzione ed eliminazione

A. Competizione fra SN1 ed E1

Le reazioni, il primo stadio consiste nella formazione di un intermedio carbocationico ed è seguito da reazioni caratteristiche del carbocatione:

• Distacco di un idrogeno per dare un alchene (E1);
• Reazione con il solvente per dare il prodotto di sostituzione (SN1)
• O trasposizione seguita da (1) o (2).

In solventi polari protici, i prodotti che si formano dipendono soltanto dalla struttura del carbocatione coinvolto nella reazione.

B. Competizione fra SN2 ed E2

È molto più facile prevedere il rapporto tra prodotti di sostituzione e di eliminazione per le reazioni del secondo ordine degli alogenuri alchilici con reagenti che agiscono sia da nucleofili che da basi. I principi guida sono i seguenti:

• Le ramificazioni sul carbonio α o sul carbonio o carboni 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.

Sommario

A. Gruppi alchilici primari

Poiché i carbocationi primari sono troppo instabili per potersi formare, i meccanismi SN1 ed E1 non sono possibili;

• Se il Nuc/Base è una base forte e stericamente impedita, non è un buon nucleofilo e la reazione principale diventa una E2;
• Se il Nuc/Base è una base forte e non ingombrante, possiamo considerare successivamente se è un buon nucleofilo (basi forti che sono buoni nucleofili sono lo ione idrossido, lo ione acetiluro e lo ione metossido; sono definite basi deboli gli ioni tiolato, cianuro, ioduro e azoturo). Quindi, con nucleofili da buoni a moderati che siano basici o debolmente basici troviamo prodotti che si formano con un meccanismo SN2.
• Se il Nuc/Base non è un nucleofilo né buono né moderato, si possono probabilmente ottenere miscele di prodotti che derivano da una SN2 e da una E2 (acqua, alcoli e acidi carbossilici).

B. Gruppi alchilici secondari

• Se il Nuc/Base è una base forte, che sia ingombrante o meno, prevarrà una E2. Le basi forti sono gli ioni idrossido, etossido, acetiluro e ammiduro.
• Con basi deboli che siano nucleofili da buoni a moderati sarà prevalente la SN2. Tuttavia, poiché il gruppo alchilico è secondario, la reazione SN2 potrebbe essere difficile e la SN1 e la E2/E1 possono essere reazioni competitive.
• Quando il nucleofilo non è buono, bisogna esaminare anche il solvente. In un solvente protico polare, spesso con un leggero riscaldamento si possono favorire una SN1 ed una E1.
• Se il solvente non è né polare né protico e il Nuc/Base non è né una base forte né un buon nucleofilo, saranno possibili tutte e quattro le reazioni e sarà difficile predire quale di queste reazioni prevarrà. Inoltre, potrà anche non aver luogo alcuna reazione.

C. Gruppi alchilici terziari

Una reazione SN2 non potrà avvenire con un gruppo alchilico terziario;

• Se il Nuc/Base è una base forte, la E2 prevarrà;