Chimica organica, Reazioni di eliminazione

Z.

La stereochimica della reazione E1

L’eliminazione E1 avviene in due passaggi. Nel primo passaggio c’è l’allontanamento del gruppo uscente,

mentre nel secondo passaggio viene strappato un protone dal carbonio adiacente seguendo la regola di

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Zaitsev, cioè con la formazione dell’alchene più stabile. Il carbocatione formato nel primo stadio è una specie

planare e quindi gli elettroni del legame C – H possono muoversi verso il carbonio carico positivamente da



entrambi i lati quindi, l’eliminazione può essere sia sin che anti.

Poiché in una reazione E1 l’eliminazione può essere sai sin che anti, si formano sia l prodotto E che quello Z,

indipendentemente dal fatto che il carbonio β dal quale è rimosso il protone leghi uno o due idrogeni Il

prodotto principale è quello con i gruppi più ingombranti da alti opposti del doppio legame perché è l’alchene

più stabile.

Al contrario, abbiamo appena visto che in un’eliminazione E2 si formano sia il prodotto E che quello Z solo se

il carbonio β dal quale viene strappato il protone lega due idrogeni. Se invece questo carbonio è legato a un

solo idrogeno, si forma un solo prodotto perché è favorita l’eliminazione anti.

ELIMINAZIONE DA COMPOSTI CICLICI

Eliminazione E2 da composti ciclici

La reazione di eliminazione per composti ciclici segue le stesse regole stereochimiche dell’eliminazione per i

composti aciclici. Per ottenere la geometria anti-coplanare che è preferita per una reazione E2, i due gruppi

che devono essere eliminati dal composto ciclico devono trovarsi in posizione trans l’uno rispetto all’altro.

Nel caso degli anelli a sei termini, i gruppi da eliminare saranno anti-coplanari solo se sono entrambi in

posizione assiale.

Il conformero più stabile del clorociloesano non può dare reazione E2 perché il sostituente cloro si trova in

posizione equatoriale. Il conformero meno stabile, con il sostituente cloro in posizione assiale, subisce

velocemente una reazione E2. 12

Poiché uno dei due conformeri non subisce una reazione E2, la velocità della reazione di eliminazione è

influenzata dalla stabilità del conformero che subisce la reazione. La costante di velocità della reazione è data

da k’K . Perciò, la reazione è più veloce se K è grande (cioè se l’eliminazione avviene attraverso il

eq eq

conformero più stabile). Se l’eliminazione deve avvenire attraverso il conformero meno stabile, K sarà

eq

piccola. Per esempio, il cloruro di neomentile dà la reazione E2 con lo ione etossido circa 200 volte più

velocemente rispetto al cloruro di mentile. Il conformero dei cloruro di neomentile che dà l’eliminazione è il

conformero più stabile poiché quando il Cl e l’H si trovano nella richiesta posizione assiale, i gruppi metilici e

isopropilico si trovano entrambi in posizione equatoriale.

Al contrario, il conformero del cloruro di mentile che subisce l’eliminazione è il conformero meno stabile

perché quando il Cl e l’H si trovano nella richiesta posizione assiale, i gruppi metilici e isopropilici sono

anch’essi in posizione assiale.

Si noti che quando il cloruro di metile e, più semplicemente, il trans-1-cloro-2-metilcicloesano, subiscono la

reazione E2, l’idrogeno eliminato non viene rimosso dal carbonio β legato al minor numero di idrogeni.

Questa potrebbe sembrare una violazione della regola di Zaitsev, ma la regola dice che quando c’è più di un

carbonio β dal quale può essere strappato l’idrogeno, allora questo viene strappato dal carbonio β che lega

il minor numero di idrogeni. Nelle due reazioni precedenti, l’idrogeno che deve allontanarsi deve trovarsi in

posizione assiale e solo uno dei carboni β possiede un idrogeno in posizione assiale. Perciò quell’idrogeno è

l’unico che è eliminato anche se esso non è legato al carbonio β con il minor numero di idrogeni. 13

Eliminazione E1 da composti ciclici

Quando un cicloesano sostituito subisce una reazione E1, i due gruppi che vengono eliminati non devono

necessariamente essere entrambi in posizione assiale poiché in questo caso la reazione di eliminazione non

è concertata. Nella reazione seguente si forma un carbocatione nel primo passaggio. Questa specie poi perde

un protone dal carbonio adiacente che lega il minor numero di idrogeni, seguendo la regola di Zaitsev.

Poiché in una reazione E1 si forma un carbocatione, non si può escludere la possibilità di una trasposizione

carbocationica prima che si formi il prodotto di eliminazione seguendo la regola di Zaitsev. Nella seguente

reazione, il carbocatione secondario subisce uno spostamento 1,2 di idruro, che porta alla formazione di un

più stabile carbocatione terziario: 14

UN EFFETTO ISOTOPICO CINETICO

Un meccanismo è un modello che tiene conto di tutte le evidenze sperimentali che sono note per una

particolare reazione. Per esempio, i meccanismi delle reazioni S 1, S 2, E2 ed E1 sono basati sulla conoscenza

N N

dell’equazione cinetica della reazione, le reattività dei reagenti e la struttura dei prodotti.

Un esempio di evidenza sperimentale che può aiutare a determinare il meccanismo di una reazione è l’effetto

isotopico cinetico del deuterio (cioè il rapporto tra la costante cinetica osservata per un composto che

contiene idrogeno e la costante cinetica osservata per un composto identico in cui uno o più idrogeni siano

stati sostituiti dal deuterio). Il nucleo del deuterio possiede un protone e un neutrone, mentre il nucleo

dell’idrogeno contiene solo il protone.

Le proprietà chimiche del deuterio e quelle dell’idrogeno sono simili; tuttavia, un legame C – D è circa

1,2kcal/mol più forte di un legame C – H. Perciò è più difficile rompere un legame C – D che il corrispondente

legame C – H.

Quando la costante cinetica per l’eliminazione di HBr da 1-bromo-2-feniletano viene confrontata con la

costante cinetica per l’eliminazione di DBr da 2-bromo-1,1-dideuterio-1-fenietano, la prima risulta essere 7

volte più grande della seconda. Perciò, l’effetto isotopico cinetico del deuterio è 7,1. La differenza nella

velocità delle due reazioni è dovuta alla differenza tra l’energia richiesta per rompere un legame C – H e

quella richiesta per rompere un legame C – D.

Poiché l’effetto isotopico cinetico del deuterio per questa reazione è maggiore di 1, se ne deduce che il

legame C – H (o C – D) deve essere rotto nello stadio che determina la velocità.

COMPETIZIONE TRA SOSTITUZIONE ED ELIMINAZIONE 15

Gli alogenuri alchilici possono dare quattro tipi di reazioni: S 2, S 1, E2 ed E1.

N N

Condizioni S 2 / E2

N

Prendiamo in considerazione prima le condizioni che portano a reazioni S 2 / E2 (alta concentrazione di buon

N

nucleofilo/base forte). I gruppi carichi negativamente possono fungere da nucleofili e quindi attaccare il

carbonio α da retro, portando al prodotto di sostituzione, o possono fungere da basi e strappare un idrogeno



dal carbonio β, portando al prodotto di eliminazione quindi, le due reazioni competono tra di loro. Si noti

che entrambe le reazioni avvengono per lo stesso motivo – l’alogeno elettron-attrattore conferisce al

carbonio al quale è legato una parziale carica positiva.

Poiché un alogenuro alchilico primario è il substrato più reattivo in una reazione S 2 e il meno reattivo in una

N

reazione E2, in una reazione condotta in condizioni che favoriscono reazioni S 2 / E2 un alogenuro alchilico

N



primario forma principalmente il prodotto di sostituzione la sostituzione vince la competizione.

Tuttavia, se l’alogenuro alchilico primario o il nucleofilo/base è una specie stericamente impedita, il nucleofilo



avrà difficoltà ad attaccare il carbonio α da retro di conseguenza, in questo caso l’eliminazione vincerà la

competizione, e quindi il prodotto di eliminazione predominerà.

In condizioni S 2 / E2, un alogenuro alchilico secondario può formare prodotti sia di sostituzione che di

N

eliminazione. La quantità relative dei due prodotti dipendono dalla forza della base e dall’ingombro del

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nucleofilo/base. Quanto più forte e ingombrante è la base, tanto maggiore sarà la percentuale di prodotto di

eliminazione. Per esempio, l’acido acetico è un acido più forte (pK =7,76) dell’etanolo (pK =15,9) e quindi lo

a a

ione acetato è una base più debole dello ione etossido. Il prodotto di eliminazione è il prodotto principale

che si forma nella reazione del 2-cloropropano con lo ione etossido fortemente basico, mentre non si forma

prodotto di eliminazione quando lo stesso substrato reagisce con lo ione acetato debolmente basico. La

percentuale di prodotto di eliminazione che si forma aumenterà ulteriormente se si usa lo ione terz-

butossido, ingombrante, al posto dello ione etossido.

Un alogenuro alchilico terziario è l’alogenuro alchilico meno reattivo nella reazione S 2 e quello più reattivo

N



nella reazione E2 di conseguenza, quando un alogenuro alchilico terziario reagisce con un nucleofilo/base

in condizioni S 2 / E2, si formerà unicamente il prodotto di eliminazione.

N

Condizioni S 1 / E1

N

Ora vediamo cosa accade quando un alogenuro alchilico viene posto in condizioni che favoriscono le reazioni

S 1 / E1 (nucleofilo scadente/base debole). In reazioni S 1 / E1, l’alogenuro alchilico si dissocia dando luogo

N N

alla formazione di un carbocatione, che può:

a) Combinarsi con un nucleofilo portando alla formazione del prodotto di sostituzione;

b) Perdere un protone dal carbonio adiacente portando alla formazione del prodotto di eliminazione.

Gli alogenuri alchilici hanno lo stesso ordine di reattività in entrambe le reazioni S 1 ed E1 perché per

N

entrambe le reazioni lo stadio che determina la velocità è la dissociazione eterolitica dell’alogenuro alchilico

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 tutto gli alogenuri alchilici che reagiscono in condizioni S 1 / E1 daranno sia prodotti di sostituzione che di

N

eliminazione.

LE REAZIONI DI SOSTITUZIONE ED ELIMINAZIONE NELLA SINTESI ORGANICA

Quando nella sintesi organica vengono utilizzate le reazioni di sostituzione o di eliminazione, bisogna

scegliere bene le condizioni di reazione e i reagenti che aumentano il più possibile la resa del prodotto

desiderato. -

Gli eteri si possono ottenere dalla