Chimica organica - esame di chimica organica

Reazioni di sostituzione nucleofila S2 e S1

1. Nelle reazioni di sostituzione nucleofila S2, l'allontanamento del gruppo uscente è assistito dall'avvicinarsi del nucleofilo. In questo tipo di reazione, il sistema può tornare indietro allo stato di transizione.

2. Poiché il meccanismo di una reazione S2 avviene in un unico stadio, il suo diagramma di energia ha una sola barriera di energia che corrisponde allo stato di transizione.

3. Gli stati di transizione sono strutture di "transito", che essenzialmente non hanno un tempo di vita definito e non possono essere osservati direttamente. La loro struttura viene generalmente ipotizzata sulla base di modelli calcolati tramite calcoli osservabili a computer, poiché possono assumere strutture diverse dai carbocationi intermedi della reazione.

4. Nelle reazioni di sostituzione nucleofila S1, soltanto l'alogenuro alchilico, uno dei reagenti, è coinvolto nello stadio cineticamente determinante.

5. Lo stadio 1 di una reazione S1 consiste nella rottura di un legame con formazione di molecole o ioni stabili. Ad esempio, l'ionizzazione del legame C-Gu (Gu=Br) porta alla formazione di un intermedio carbocationico.

Poiché nessun nucleofilo assiste all'allontanamento dell'anione alogenuro, questo è lo stadio più lento. I carbocationi più terziari sono stabili.

Stadio 2: formazione di un nuovo legame tra un nucleofilo e un elettrofilo. La reazione dell'intermedio carbocationico (elettrofilo) con il metanolo (nucleofilo) conduce ad uno ione ossonio.

L'attacco del nucleofilo sull'intermedio carbocationico planare avviene da entrambe le facce con la stessa probabilità.

Stadio 3: rimozione di un protone. Il trasferimento di un protone dallo ione ossonio al metanolo produce il terz-butil etere.

In una reazione S1 lo stadio cineticamente determinante è la rottura del legame C-Gu che porta alla formazione di un intermedio carbocationico:

Se non c'è rimozione di un protone (ad esempio da Nü), una reazione S1 procede in due stadi e il suo schema cinetico è:

Evidenze sperimentali per i meccanismi Sn1 e

Di legami a idrogeno, dal momento che nella molecola non è presente alcun idrogeno legato a un atomo fortemente elettronegativo. Isolventi aprotici più comuni sono il diclorometano, l'etere dietilico e il dimetilsolfossido.

Nucleofilicità: proprietà cinetica misurata attraverso la determinazione della velocità con la quale un nucleofilo attacca un composto di riferimento per provocare una sostituzione nucleofila in condizioni sperimentali standard.

Basicità: proprietà termodinamica misurata dalla posizione dell'equilibrio in una reazione acido-base, come per esempio quella fra ammoniaca e acqua.

Cinetica S1: il lento stadio è la rottura. La velocità di reazione non dipende dalla concentrazione del nucleofilo dei determinante legami.

Cinetica S2: dalla diformazione dello stato dipende transizione. La velocità di reazione dipende sia da [R-Gu] che da [Nu] del nucleofilo. La concentrazione e doppia in spaniente successo non in.

Stereochimica S₁

Quando un enantiomero di una molecola chirale subisce una sostituzione nucleofila di tipo S₁, il prodotto è completamente (quasi) racemizzato all'altro enantiomero.

Il gruppo uscente resta associato con il carbocatione come coppia ionica, impedendo l'avvicinarsi del nucleofilo da quella parte del carbocatione.

Il risultato è che si forma un po' più del 50% del prodotto proveniente dall'attacco del nucleofilo sulla faccia del carbocatione opposta a quella dove si trova il gruppo uscente.

Stereochimica S₂

Quando un enantiomero di una molecola chirale subisce una sostituzione nucleofila di tipo S₂, il prodotto ha configurazione invertita.

Nell'esperimento di E. D. Hughes e C. K. Ingold, ogni molecola contenente I ha configurazione invertita rispetto a quella senza I.

Nelle S₁ la formazione del carbocatione è il processo lento della reazione.

contributo all'ilicocarbocatione 2 1carbocatione carbocatione2

Nelle S 2 il nucleofilo si deve avvicinare all'atomo di carbonio che subisce la sostituzione e il nuovo

legame covalente deve cominciare a formarsi mentre il gruppo uscente comincia ad allontanarsi

La S 2 è favorita quando non ci sono gruppi ingombranti legati all'atomo di C che subisce la sostituzione

Un effetto notevole dovuto ad impedimento sterico nelle reazioni S 2 è osservato in molecole con

ramificazioni sul C β grande poche meno

metile

modello fillingspace del storicisensibili agli ingombri 4divelocità reazionereagisce solo via SNA

Le reazioni S 2 non avvengono mai su carboni ibridizzati sp2 o sp. Quindi, non si deve mai considerare

che una reazione di questo tipo possa avvenire su un alogenuro vinilico (C=C-X), arilico o alchinilico (C C-X)

◦ Indipendentemente dal meccanismo (S 1 o S 2) con il quale la reazione procede, la capacità di un

gruppo di funzionare come gruppo uscente

è direttamente proporzionale alla sua stabilità comeanione

Gli anioni più stabili, e quindi migliori come gruppi uscenti, sono le basi coniugate degli acidi forti (es. H₂O e OH^-) a tantodebolequantol'acquaiuscentegruppoecarbocatione

I solventi in cui avviene la reazione hanno un’influenza sulle velocità di reazione S₁ e S₂ e sulla diversaN Npossibilità di un alogenuro alchilico di subire un meccanismo S₁ e S₂N N misuradelladi uncapacità disolvente isolarecariche oppostedall'altrauna 1Ea TSolevnti che contengono H labili sono chiamati protici. I più comuni solventi protici contengono gruppi-OH. Sono donatori di legami H

I solventi aprotici non possono comportarsi da donatori di legami H (ma possono essere accettori)

Effetto del solvente sulle reazioni S₁

La sostituzione nucleofila che procede con meccanismo S₁ comporta la formazione e laseparazione di cariche di segno opposto nello stato di transizione dello stadio

cineticamentedeterminante

Quindi la velocità delle reazioni S1 dipende dalla capacità del solvente di mantenere separate le cariche di segno opposto.

I solventi che meglio rispondono a questi requisiti sono i solventi polari protici, come l'acqua, gli alcoli a basso peso molecolare (metanolo ed etanolo) e, in misura minore, gli acidi carbossilici a basso peso molecolare (acido formico e acido acetico).

Effetto del solvente sulle reazioni S2

Il tipo più comune di reazione S2 coinvolge un nucleofilo e un gruppo uscente carichi negativamente.

Nello stato di transizione la carica negativa del nucleofilo si disperde attraverso il nucleofilo che sta entrando e il gruppo uscente che si sta allontanando.

Più forte è la solvatazione del nucleofilo, più è alta l'energia richiesta per "liberare" il nucleofilo dal suo guscio di solvatazione in modo che possa raggiungere lo stato di transizione e, quindi,

piùbassa è la velocità della reazione S 2◦ I solventi polari aprotici hanno una buona capacità di solvatare i cationi e una scarsa capacità disolvatare gli anioni (i nucleofili), perchè non possono formare un legame H, come invece possonofare i solventi protici◦ I nucleofili sono molto più liberi e più reattivi nei solventi polari aprotici che in quelli protici, cosìda aumentare drasticamente le velocità delle reazioni S 22SnSNL l'Eed di R Palzare abbassare e◦ La basicità e la nucelofilia sono correlate perchè entrambe coinvolgono nella reazione una coppiadi elettroni che creano un legame con un altro atomo◦ Rispetto alle basi, i nucleofili hanno anche il requisito di essere “piccoli” e poco ingombrantiO0Analisi di v"ie reazioni di sostituzionenucleofilaEsempi di sostituzioni nucleofile◦ La miscela di metanolo e acqua è un solvente polare protico e quindi un buon