Chimica Organica - reazioni: alogenuri alchilici

Alogeni alchilici

R - X   X = F, Cl, Br, I → sp³

Reazioni

• Sostituzione nucleofila
• β-eliminazione

Nucleofilo → dona un doppietto

Sostituzione N_u → reazione in cui il nucleofilo è sostituito da un altro nucleofilo su un atomo di carbonio sp³

Nu^⊖ + | -C - X | → | - C - Nu + |X^⊖ SN

Nucleofilo → basi, quindi SN e β-E sono reazioni in competizione

Reazione: Nu^⊖ + CH₃X → CH₃Nu + X^⊖

• HO^⊖ → CH₃OH Alcol
• RO^⊖ → CH₃OR Etere
• HS^⊖ → CH₃SH Tiolo (mercaptano)
• RS^⊖ → CH₃SR Solfuro (tiotetere)
• ⊖C^⊖ → CH₃I Ioduro alchilico
• NH₃ → CH₃NH₃⁺ Ione alchilammonio
• HOH → CH₃OH₂⁺ Alcol (dopo il trasferimento di un protone)
• ROH → CH₃O₂R⁺ Etere (dopo il trasferimento di un protone)

Alogenuri alchilici

R - X   X = F, Cl, Br, I → sp³

Reazioni

• Sostituzione nucleofila
• β-eliminazione

Alogenuri alchilici

Nucleofilo → dona un doppietto

Sostituzione Nu → reazione in cui il nucleofilo è sostituito da un altro nucleofilo su un atomo di carbonio sp³

Nucleofilo → basi, quindi SN e β-E sono reazioni in competizione

Reazione: Nu:^- + CH₃X → CH₃Nu + X^-

Nu e prodotto

SN2 sostituzione nucleofila bimolecolare

La rottura e la formazione del legame avviene con inversione di configurazione. Nucleofilo e substrato si combinano nello stato di transizione che determina la velocità.

Meccanismo

Nu attacca dal lato opposto del gruppo uscente, "backside attack".

☛ H — Br → [ δ- H — C — Br δ+ ] → H — OSN

SN1 sostituzione nucleofila unimolecolare

La rottura del legame R—X viene completata prima della formazione del legame R—Nu. Solo il reagente elettronico è coinvolto nello stadio determinante della velocità.

Meccanismo

R— Br → ⊕ + Br- → CH₃CH → CH₃CO → CH₃ + ⊕ CH₃C — I⊕O → CH₃ — CH ⊕ O — I₊₁ IONE OSSONIO

Tabella 6.1 Le reazioni dei nucleofili più comuni con gli alogenuri alchilici (eqq. 6.2 e 6.3)

Nucleofili all'ossigeno

1. HO^- idrossido R—OH alcol
2. RO^- alcol R—OR etere
3. H₂O acqua R—₊ ion alcossosonio
4. ROH alcol R—₊ ion dialchilossosonio
5. R—O^- carbossilato R—C—R estere

Nucleofili all'azoto

1. NH₃ ammoniaca R—₊ ion alchilammonio
2. RNH₂ ammina primaria R—NH₂ ion dialchilammonio
3. R₂NH ammina secondaria R—NHR₂ ion trialchilammonio
4. R₃N ammina terziaria R—NR₃ ion tetraalchilammonio

Nucleofili allo zolfo

1. HS^- idrosolfuro R—SH tiolo
2. RS^- mercapturo R—SR tioetere (solfuro)
3. R₂S^- tioetere R—SR₂ ion trialchilsulfonio

Nucleofili all'alogeno

1. I^- ioduro R—I ioduro alchilico

Nucleofili al carbonio

1. C≡N^- cianuro R—C≡N: cianuro alchilico (nitrile)
2. C≡CR acetiluro R—C≡CR alchino

Note

1. STRUTTURA DI Nu influisce nella velocità di S_N2. + Se Nu carico —> S_N2
2. STRUTTURA DELL'ALOGENURO ALCHILICO S_N1 —> Stabilità del carbocatione. S_N2 —> ostacoli sterici

Stabilità del carbocatione

1. III —> S_N1 (stabili)
2. I —> No con S_N1

Ingombro sterico

1. Attacco da dietro (S_N2) favorito dal I (nessun ingombro)

Alogenuro III

→ S_N1 (mai con S_N2 per ingombro)

Metilico o I → S_N2

Alogenuro II → sia S_N1 che S_N2 in base al nucleofilo e al solvente

Gruppo uscente

Lo sviluppo una osso⁻ più stabile più è un migliore gruppo uscente.

Anioni più stabili → basi coniugate di acidi forti Stabilità, reattività del gruppo uscente

Solvente

Protico e aprotico

Ingresso di donare protoni

Solventi aprotici: acandi, alcoli, acidi carbossilici (con gruppi OH)

Primo stadio di SN­₁ → formazione di ioni

Solventi polari → ingresso di solventi con anioni → Favoriscono SN­₁

SN­₂ solvente di solventi aprotici

Solventi aprotici: acetone, DMSO

Assenza gruppi OH

Solvatano i cationi → accettianno SN­₂, lasciano liberi anioni esufando va nucleoficità.

Gli ioni negativi sono più nucleofili, cioè forniscono elettroni con maggiore facilità, delle molecole neutre corrispondenti. Ne consegue che:

• HO^- > HOH
• RS^- > RSH
• RO^- > ROH

Gli elementi che si trovano più in basso sono più nucleofili degli elementi che si trovano più in alto nella stessa colonna (gruppo) della tavola periodica. Perciò:

• HS^- > HO^-
• I^- > Br^- > Cl^- > F^- (nei solventi protici)

Lungo la stessa riga (periodo) della tavola periodica gli elementi tendono a essere meno nucleofili al crescere della elettronegatività. Perciò:

• RR—C > N
• R—O^- > F^- e H₂N^- > H₂O: > H^-

Tabella 6.2 Confronto tra la sostituzione S_N2 e la sostituzione S_N1

* I substrati allilici e benzilici rappresentano le eccezioni più comuni.

A 6.3 Comuni solventi protici

• Acqua H₂O
• Acido formico HCOOH
• Metanolo CH₃OH
• Etanolo CH₃CH₂OH
• Acido acetico CH₃COOH

A 6.4 Comuni solventi aprotici

• Dimetilsolfossido (DMSO) CH₃SOCH₃
• Acetone CH₃COCH₃
• Diclometano CH₂Cl₂
• Etere dietilico (CH₃CH₂)₂O

Tabella 6.5 Sommario dei confronti tra le reazioni S_N1 e S_N2 degli alogenuri alchilici

Sostituzione ad uno stereocentro

Inversione di configurazione. Il nucleofilo attacca lo stereocentro dalla parte opposta rispetto al gruppo uscente

Racemizzazione. Il carbocatione intermedio è planare e l'attacco del nucleofilo avviene con uguale probabilità da entrambi i lati

β-Eliminazione (deidroalogenazione)

Lo zolfo di -H e -X da composti con doppi legami.

Avviene in presenza di una base forte (es: ione ossidrile, ione etossido)

_H^H -_C=^C- ^Nu + ^X sostituzioneeliminazione

Sostituzione

Il nucleofilo si sostituisce a X

Eliminazione

Il nucleofilo agisce come base strappando un protone al carbonio β, accanto al carbonio con -X

C^X-_H ^H HBasi più comuni: OH⁻, OR⁻, NH₂⁻ Prodotto principale: alchene più sostituito

La regola di Zaitsev

E1

2 stadi, 1° stadio in comune con la rottura del legame C-X viene completata prima che avvenga la reazione acido-base

CH₃  .. ⇒ M₃C - C - CH₃ + Br⁻

           |           CH₃H     H    H O^─ H - CH₂

   H₃CO^├HM^├CH₃H - CH₂ - C - CH₃ + Br⁻

           |           HNu ^├   M    ^├       C   ├─── C=C   ─── →

           ─+ H⁺

E2

Una base rimuove un idrogeno β mentre si rompe H-X La niniene con maggiore probabilità se la base è forte

CH₃CH₂O⁻ → H - CH₂ - CH₂- Br⁻

CH₃CH₂O⁻ ⅶ   →   CH₃ CH = CH₂ + Br⁻

OSS. Sia per E1 che per E2 viene seguita la regola di Zaitsev.

TABELLA 6.6 Sommario dei confronti tra le reazioni S_N1 e S_N2 degli alogenuri alchilici

Confronto tra sostituzione e eliminazione

(a) Alogeni terziari

• Sostituzione → S_N1
• Eliminazione → E1 ^E2

NUCLEOFILI DEBOLI + SOLVENTI POLARI

(CH₃)₃CBr + H₂O S_N1

(CH₃)₃COH (80%)

E1 (CH₃)₂C=CH₂ + H⁺ (20%)

NUCLEOFILI FORTI / SOLVENTI POCO POLARI → E2

OH^- / CN^-H - C - C - OH₃CH₃C=CH₂ + H₂O + Br^- (100%)

(b) Alogeni primari

• ESCLUSO S_N2 OSSSO → SOSTITUZIONE (S_N2)
• CON NUCLEOFILI MOLTO INGOMBRANTI E MOLTO BASICI → G2 (OSTACOLANO LA SOSTITUZIONE)