Chimica Organica: Alogenoalcani e reazioni di sostituzione/eliminazione

N

A. Il processo ha luogo in un unico stadio di reazione

Meccanismo S 2

N

Sostituzione nucleofila bimolecolare

(N sta per nucleofilo, 2 sta per bimolecolare)

Bimolecolare perché 2 specie, il nucleofilo ed il substrato,

partecipano allo stadio lento della reazione (qui in realtà abbiamo un unico stadio)

δ δ

- -

+ C L +

Nu Nu C L

Nu C L

nucleofilo prodotto

substrato stato di transizione

L = gruppo uscente

(in inglese "leaving group")

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 2

N

meccanismo S 2

N

differenza di energia tra reagenti e prodotti

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 2

N

L’allontanamento del gruppo uscente è assistito dal nucleofilo entrante

e sia il nucleofilo che il substrato sono coinvolti nello stato di transizione

v

n La velocità della reazione dipende = k [substrato] [nucleofilo]

dalla concentrazione del nucleofilo e dalla concentrazione del substrato

(es. la velocità raddoppia se raddoppio [substrato] oppure [nucleofilo])

k è detta “costante di velocità”

(k è funzione della natura dei reagenti, del solvente, della temperatura, etc)

n il processo è favorito da un nucleofilo forte

n la reazione è sensibile agli effetti sterici

(allo stato di transizione abbiamo un carbonio pentacoordinato)

La reazione è quindi:

più veloce con un alogenuro di metile o un alogenuro primario,

lenta (o impossibile) con un alogenuro terziario

di velocità intermedia con un alogenuro secondario

n si ha inversione di configurazione

il nucleofilo attacca infatti da retro rispetto al gruppo uscente

CH2CH3

CH3CH2

I I C Cl

+

+ C Cl H

H CH3

CH3

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 2

N

S 2 inversione di configurazione

N

Il nucleofilo attacca da retro rispetto al gruppo uscente

CH2CH3

CH3CH2

I I C Cl

+

+ C Cl H

H CH3

CH3

Non ho semplice sostituzione del nucleofilo nella posizione del gruppo uscente

Il nucleofilo attacca da retro 3

si ha un “ribaltamento” dei legami con gli altri tre gruppi legati a C(sp ):

inversione dei legami con gli altri tre gruppi,

(analogia con “rovesciamento” di ombrello)

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 2

N

ATTENZIONE!!!

Inversione di configurazione non vuol dire che da un reagente chirale (alogenoderivato)

destrogiro o levogiro passo ad un prodotto rispettivamente levogiro o destrogiro!!!

Non è affatto detto che reagente e prodotto debbano avere attività ottica di segno opposto!!!

Reagente e prodotto sono due composti diversi, non due enantiomeri!!!

Sappiamo che non siamo in grado di fare previsioni né sul segno né sul valore assoluto dell’attività ottica

di un composto sulla base della struttura molecolare

(a meno che ovviamente non si conosca l’attività ottica dell’antipodo ottico…..)

Inversione di configurazione vuol semplicemente dire che il legame C‐nucleofilo

si forma dalla parte opposta rispetto al legame C‐gruppo uscente

che si rompe nella reazione di sostituzione

Non è neanche detto che da un reagente di configurazione R si passi ad un prodotto di configurazione S o viceversa

Reagente e prodotto sono due composti diversi, e alla particolare struttura di reagente e prodotto

devo applicare le regole di nomenclatura R,S

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 2

N

S 2 La reazione è sensibile agli effetti sterici

N Rappresentazioni degli stati di transizione pentacoordinati

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 1

N

Il processo ha luogo in 2 stadi

B. Meccanismo S 1

N

Sostituzione nucleofila monomolecolare

(N sta per nucleofilo, 1 sta per monomolecolare)

Monomolecolare perché 1 sola specie, il substrato,

partecipa allo stadio lento della reazione:

lo stadio di distacco del gruppo uscente con formazione dell’intermedio carbocationico

Il primo stadio consiste in una lenta ionizzazione del legame C⎯alogeno

con formazione dell’intermedio carbocationico ed è lo stadio limitante la velocità.

Segue, nel secondo stadio, una rapida reazione del carbocatione con il nucleofilo.

lento + +

carbocatione

a b

+ veloce +

carbocatione b

a

(geometria trigonale planare)

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 1

N

lento + : L

L

C C +

carbocatione

a b

+

C veloce

: :

Nu Nu Nu Nu

C C

+

carbocatione b

(geometria trigonale planare) a

n La velocità del processo globale non dipende dalla concentrazione del nucleofilo

n La reazione è più veloce con alogenuri terziari, più lenta con secondari

L’ordine di reattività è analogo all’ordine di stabilità dei carbocationi corrispondenti:

terziario > secondario > primario 1

alogenuri primari di solito non danno S

N

eccezione: alogenuri primari che portano a carbocatione stabilizzato per risonanza

+

es. carbocatione allilico CH2+ CH2 CH CH2

CH2 CH

n La reazione è favorita da solventi polari protici

(solventi protici: solventi che contengono il gruppo O⎯H, es. H O, alcol)

2

I solventi polari protici solvatano bene gli ioni (carbocatione e alogenuro)

Il carbocatione è più stabilizzato (ha un contenuto energetico più basso)

in un solvente polare piuttosto che non in un solvente apolare

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 1

N

lento + L

L

C C +

carbocatione

a b

+

C veloce

Nu Nu Nu Nu

C C

+

carbocatione b

(geometria trigonale planare) a

n La velocità del processo globale non dipende dalla concentrazione del nucleofilo

v = k [substrato]

k costante di velocità

(k è funzione della natura del reagente, del solvente, della temperatura, etc)

E’ il primo stadio (stadio lento) quello che determina la velocità,

e nel primo stadio il nucleofilo non è coinvolto

Il “collo di bottiglia” della reazione è la formazione del carbocatione,

non la reazione del carbocatione con il nucleofilo, che è invece,

un processo rapidissimo rispetto al processo di formazione del carbocatione.

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 1

N

lento + : L

L

C C +

carbocatione

a b

+

C veloce

: :

Nu Nu Nu Nu

C C

+

carbocatione b

(geometria trigonale planare) a

n La reazione è più veloce con alogenuri terziari, più lenta con secondari

L’ordine di reattività è analogo all’ordine di stabilità dei carbocationi intermedi

corrispondenti:

terziario > secondario > primario

La reazione sarà tanto più veloce quanto più facile è la formazione del carbocatione.

S 1 è favorita quando si formano carbocationi stabilizzati per risonanza

N

alogenuri primari di solito non danno S 1

N

(eccezione: alogenuri primari che portano a carbocatione stabilizzato per risonanza)

+

CH2+

es. carbocatione allilico CH2 CH CH2

CH2 CH

(S 1 è invece sfavorita per alogenuri arilici e vinilici:

N

formazione di carbocationi arilici e vinilici è particolarmente difficile)

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 1

N

n Nel carbocatione 2

il carbonio centro di reazione è ibridato sp ed ha struttura planare

Il nucleofilo può addizionarsi indifferentemente da una parte o dall’altra

rispetto al piano

Si ha racemizzazione (perdita di attività ottica)

se la reazione ha luogo ad un carbonio chirale

e la molecola non possiede altri stereocentri

CH3 CH3

Cl OCH2CH3

CH3CH2OH

+ + HCl

Se parto da un singolo enantiomero del reagente ottengo una miscela racemica del prodotto

(il gruppo che è uscito (L¯) in alcuni casi rimane associato in coppia ionica al carbocatione e sfavorirsce un po’

l’accesso del nucleofilo da quella parte; in questi casi la racemizzazione al centro di reazione risulta parziale)

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 1

N

S 1

N

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 1

N

meccanismo S 1

N

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 1

N

intermedio

carbocationico S 1

meccanismo N

(segue deprotonazione

in uno stadio veloce,

: qui sottinteso)

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila S 1

N

meccanismo S 1

N

E

a

ALOGENOALCANI: sostituzione nucleofila vs

S 2 S 1

N N

S 2 sono governate principalmente da fattori sterici,

Le reazioni N

cioè dal grado di affollamento intorno al sito di sostituzione

δ δ

- -

+ C L +

Nu Nu C L

Nu C L

nucleofilo prodotto

substrato stato di transizione

L = gruppo uscente

(in inglese "leaving group")

„ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „

S 1

Le reazioni sono governate principalmente da fattori elettronici,

N

cioè dalla stabilità dei carbocationi intermedi

lento + : L

L

C C +

carbocatione

a b

+

C veloce

: :

Nu Nu Nu Nu

C C

+

carbocatione b

a

(geometria trigonale planare)

ALOGENOALCANI: reazioni di sostituzione nucleofila

La nucleofilia di un reagente è misurata dalla velocità della sua reazione

in un processo di sostituzione nucleofila di riferimento

In base all’atomo che forma il nuovo legame covalente, possiamo avere nucleofili:

all’ossigeno (es alcoli o alcossidi, che portano alla formazione di eteri)

all’azoto (es. ammine, che portano alla formazione di ammine più sostituite

o di sali di ammonio quaternari)

al fosforo (es. fosfine, che portano alla formazione di fosfine più sostituite

o di sali di fosfonio)

allo zolfo (es. tioli o tiolati, che portano alla formazione di tioeteri)

all’alogeno (es ioduro, che porta alla formazione di un altro alogenuro)

al carbonio (es ione cianuro CN¯, che porta alla formazione di nitrili R—CN)

ALOGENOALCANI: reazioni di sostituzione nucleofila

Se il nucleofilo è una molecola neutra con un atomo di idrogeno

legato all’atomo coinvolto nella formazione del nuovo legame covalente

(es. alcol, ammina primaria o secondaria o acqua)

ho uno stadio addizionale in cui il prodotto di reazione cationico

si trasforma in un prodotto neutro cedendo il protone

legato all’atomo del nucleofilo che ha formato il nuovo legame covalente.

Ioni negativi sono nucleofili più forti delle molecole neutre corrispondenti

Nucleofilia: O (acqua)

(ione idrossido) OH¯ > H

2

(ione alcossido) RO¯ > RO