Chimica organica I

N

lento. lento L–

+

⊕

C C

L veloce

Nu– ⊕

+ C Nu C

L’uno del nome indica che è di primo grado, perché la velocità di reazione dipende soltanto

dalla concentrazione del reagente del primo stadio.

CH3 CH3

⊕ Cl–

C

H3 C Cl C +

H3 C CH3

CH3

CH3 CH3 CH3

⊕ ⊕ H+

C + H2 O H2 O C HO +

CH3 C CH3

H3 C CH3 CH3

CH3

Fattori che favoriscono S 1:

N

• É tipico di substrati terziari o benzilici. Più è stabile il carbocatione, più avviene

facilmente il meccanismo SN1. Non avviene affatto nel caso di carbocationi primari;

45

• L’uso di solventi polari ad elevata costante dielettrica. Quando infatti si rompe il legame

–

solvatare

C-L, il solvente polare ha il compito di lo ione L , ossia tende a stabilizzarne

la carica. Allo stesso modo avviene con il carbocatione, che rimane schermato rispetto

all’altro ione.

• Il carbocatione terziario ha un maggiore ingombro sterico rispetto agli altri. Durante la

3 2

sp sp

reazione, però, il carbonio passa da , ad , riducendo in sostanza l’ingombro sterico.

É quindi sufficiente l’utilizzo di un nucleofilo debole. L’impiego, infatti, di nucleofili forti

può portare problemi.

Meccanismo S 2:

N  

 

 

δ−

δ−

 

Nu– L–

 

+ C Nu +

C

L Nu C L

 

 

Fattori che favoriscono S 2:

N

• Serve necessariamente un nucleofilo forte;

• L’ingombro sterico influisce pesantemente, perché il carbonio si trova legato temporanea-

mente a cinque atomi. Per cui il substrato deve essere libero, quindi avviene facilmente

con radicali primari, pochissimo con i secondari e non avviene affatto con i terziari;

• Non c’è un intermedio da stabilizzare, ma bisogna impiegare un solvente apolare, perché

il nucleofilo altrimenti verrebbe schermato da un solvente polare e perderebbe forza. Non

si può utilizzare l’acqua;

• Gli effetti elettronici non hanno influenza, perché il carbonio dello stato di transizione non

ha carica (o meglio, eventuali effetti dei sostituenti favoriscono il distacco, ma sfavoriscono

l’attacco o viceversa).

Nel meccanismo S 2 avviene una inversione di configurazione, che si nota se il carbonio è

N

chirale. Precisamente si crea una miscela racemo, perché il nucleofilo si può attaccare da due

diverse parti, anche se viene favorito leggermente l’attacco dalla parte opposta.

Confronto:

Substrati metilici e primari:

• Danno solo S 2;

N

Substrati secondari:

• Questa situazione intermedia è più difficile da rappresentare, perché

avvengono tutti e due i processi. É possibile spingere questa reazione situazione verso

uno dei due casi limite. Predomina il SN2 con basi deboli. Se siamo in un ambiente acido

può dominare il S 1.

N

Substrati terziari:

• Danno solamente S 1.

N

Trasposizione: Quando un carbocatione secondario o primario in una catena toglie un

idrogeno al carbone terziario vicino, passandogli la carica positiva. Si forma un carbocatione

terziario, più stabile. La reazione di sostituzione prosegue, ma avviene su un carbone diverso da

quello di partenza. Descrivere una situazione intermedia a S 1 e S 2 è estremamente complesso.

N N eliminazione,

Se si somma a questo il fatto che alla sostituzione concorre la reazione di si

rende chiaro come rappresentare la situazione sia complicato. Poniamoci ora il problema della

substrato secondario

situazione intermedia a un mediamente stabile, che può dare sia S 1 e sia

N

S 2. Si può favorire uno o l’altro meccanismo in base al caso che si sta valutando.

N CH3 CH3

⊕

CH3 CH3

CH CH3 C

CH CH2 CH3

⊕

46

Nel caso di un substrato secondario, può avvenire una trasposizione che cambia il carbocatione

ad uno di grado superiore più stabile. La scelta di come si indirizza la reazione è data dal

substrato di partenza e dai prodotti voluti.

5.8 Eliminazione

Potenzialmente eliminazione e sostituzione sono sempre presenti e in competizione. Questo

fatto complica lo svolgersi di una sostituzione. L’eliminazione ha due possibili meccanismi.

Meccanismo E1: Tutto ciò che favorisce il meccanismo SN1 favorisce il meccanismo E1.

L ⊕

C + L

C

C C H

H ⊕ B–

C +

C C + BH

C

H

La base che impiego per staccare l’idrogeno deve essere forte e ingombrata, in modo che sia

sfavorito il più possibile l’attacco del nucleofilo sul carbocatione.

Meccanismo E2: Simile al meccanismo SN2, avviene un contemporaneo distacco del protone

e del gruppo nucloefilo. L’ordine di reattività dipende dalla stabilità dell’alchene che si forma,

ossia più è stabile il carbocatione, maggiormente sarà favorita la reazione.

 

H

 

 

 

  L–

C C L C + + BH

C

C C L

 

 

 

H

Stereochimica: Solo quando il gruppo uscente e l’idrogeno che si stacca sono anti-complanari

o sin-complanari (ossia formano una conformazione antiperiplanare o sinperiplanare) avviene

la reazione, perché servono due orbitali complanari, uno vuoto e uno che pieno, che formano

poi il doppio legame.

Orientamento:

Saytzeff:

• Si forma l’alchene più ramificato, perché risulta essere l’alchene termodinamica-

mente più favorito e più stabile;

Hofmann:

• Si forma l’alchene meno ramificato, ossia su carbonio con più idrogeno. Avviene

in presenza di basi molto ingombranti, per motivi sterici. In alcune situazioni avviene

senza ricorrere a delle basi ingombranti;

Quello con più idrogeni accetta un idrogeno, il meno idrogenato perde idrogeni.

Saytzeff: Si ottiene quasi sempre una miscela di due alcheni in percentuali diverse.

Hoffman: Si verifica facilmente in una eliminazione che coinvolge cicloalcani. Non si sviluppa

totalmente, perché comunque prevale un po’ l’alchene più ramificato, essendo più stabile.

Cl

H H H CH3

Cl

H CH3 H H

47

5.8.1 Competizione tra sostituzione ed eliminazione

H3 C H3 C

S 2 NaSCH3

N

CH CH + NaBr

Br CH

S 3

CH3 OH

H3 C H3 C

H3 C

H3 C E2 NaOCH3

CH CH + NaBr + CH3 OH

Br H

CH3 OH

H3 C H3 C

−13 −10

Ka = 10 Ka = 10

OH– S–

CH3 OH CH3 SH

CH3 CH3

5.8.2 S 2 Alliliche / Benziliche

N Velocità reazione

◦

50 C

I– Cl–

−

− −Cl

CH2 CH−CH2 + CH2 CH−CH−I + 73

acetone

◦

60 C

I– Cl–

−CH2 −CH2 −Cl −CH2 −CH−I

CH3 + CH3 + 1

acetone

◦

C

60

I– Cl–

+ +

CH2 CH2 I

Cl acetone 100 000

Nel caso del benzile e dell’alchene la reazione avviene molto più velocemente perché il carbonio

2

sp π

sostituito durante la sostituzione è ibridato e il suo orbitale vuoto è parallelo agli

orbitali vuoti del benzene e dell’alchene, delocalizzandone la carica positiva, stabilizzandolo e

π

abbassando l’energia dello stato di transizione. Essendo che il benzene possiede un orbitale

delocalizzato su 6 carboni è in grado di stabilizzare meglio il carbocatione.

5.9 Proprietà fisiche alcoli O

R H O

R H

Posseggono un punto di fusione e di ebollizione simile all’acqua a causa dei legami idrogeni che

si creano, che gli conferiscono anche una grande solubilità, perché creano tali legami anche con

l’acqua. Questo però vale fino i quattro o cinque carboni, suberati i quali la catena idrofoba

influisce maggiormente e l’acool perde solubilità. A parità di carboni, la solubilità è minore se

il carbone è maggiormente ramificato. Può formare cicli da cinque o sei atomi molto stabili e

quindi favoriti nella loro formazione.

Reazioni: Sono acidi deboli, talmente tanto che persino in acqua non si comportano da acidi.

Possono dare:

1. Reazioni di salificazione ;

O−H

2. Reazioni di sostituzione nucleofila ;

C−O

3. Reazioni di eliminazione ;

C−O

4. Reazioni di ossidazione (gruppo cambia numero di ossidazione).

O−H

Acidità: R−O– Na+

R−O−H + Na + + H2

R−O– O+

R−OH + H2 O + H3

O+ H−O– O+

H + H2 O + H3

3 48

– –

RO è una base più forte di OH , a causa dell’effetto elettronrepulsore, che spinge elettroni

sull’ossigeno e lo rende leggermente più negativo. Essendo R un alcano, ha effetto +I che lo

destabilizza. L’acidità dell’alcool diminuisce con ramificazioni e catene più lunghe. In acqua si

protonarsi,

comporta come base se si aggiunge anche un acido forte, che la induce a ossia a

legarsi con il protone dell’acido forte. H

⊕

O+ CH3 + H2 O

O

−O−H

CH3 + H3 H

Sostituzione con un elettrofilo forte:  

E

 

O   B O



 ⊕

 

E+

R H + R E + BH

O

 

R H H3 C

H3 C H H

O+

H3 ⊕

R−O−H + C C C

C H

H

H H H

H CH3 CH3

H3 C H O+

−H3

⊕ ⊕

R H + C C R C R

O H O CH3 O C CH3

H H H H

Sostituzione elettrofilo debole:

O O

HB

B– X–

R H + R O + E−X R +

E

O −H2 O

⊕

− R+ Cl–

R H + B R H

O R−Cl

+

H

Per gli alcoli primari e secondari questa reazione non dà cloruri data la scarsa stabilità del

cloruro di

carbocatione. Necessita l’impiego di PBr o di SOCl (quest’ultimo viene chiamato

3 2

tionile). −O−H −Cl

H3 C−CH2 + SOCl2 H3 C−CH2 + SO2 + HCl

O

Cl H3 C + HCl

CH2

H3 C O

CH2 O S

H S O Cl

Cl O Cl–

−CH2 −Cl

H3 C CH3 + SO2 +

CH2 O S Cl

Cl

Saggio di Lucas: Serve a distinguere alcool primari, secondari e terziari.

ZnCl3 /HCl

H3 C CH3

CH2 CH2

CH CH

CH3 CH3

OH Cl

CH3

CH3 ZnCl3 /HCl CH3 CH CH3

H3 C C CH3

OH Cl

I due cloruri ch