Chimica organica, Reazioni di sostituzione

N

La velocità di una reazione di sostituzione nucleofila dipende dalla concentrazione di

entrambi i reagenti.

Se si conosce la relazione tra la velocità di reazione e la concentrazione dei reagenti, si

può scrivere l’equazione cinetica della reazione.

può essere sostituito dal segno di uguaglianza e dalla costante di

 k

proporzionalità, che, in questo caso, ha il simbolo ed è chiamata costante di

velocità. Il valore di questa costante definisce quanto è difficile superare la

barriera energetica della reazione o quanto è difficile raggiungere lo stato di

transizione.

Poiché la velocità di questa reazione dipende dalla concentrazione di due reagenti, la

reazione viene definita una reazione di secondo ordine.

L’equazione cinetica indica quali molecole sono coinvolte nello stato di transizione

dello stadio che determina la velocità della reazione. 2

La reazione del bromuro di metile con lo ione idrossido è un esempio di reazione S 2,

N

dove “S” sta per sostituzione, “N” sta per nucleofila e “2” sta per bimolecolare.

Bimolecolare significa che due molecole sono coinvolte nello stadio che determina la

velocità.

Nel 1937 Hughes e Ingold hanno basato il meccanismo per la reazione S 2 sulle

N

seguenti tre evidenze sperimentali:

1. La velocità della reazione dipende dalla concentrazione dell’alogenuro alchilico

e dalla concentrazione del nucleofilo entrambi i reagenti sono coinvolti nello



stato di transizione dello stadio che determina la velocità.

2. Quando i tre idrogeni del bromuro di metile vengono progressivamente sostituiti

con gruppi metilici, la velocità di reazione con un dato nucleofilo diventa

progressivamente più lenta.

3. La reazione di un alogenuro alchilico chirale in cui l’alogeno è legato a un

carbonio asimmetrico porta alla formazione di un unico stereoisomero e la

configurazione del carbonio asimmetrico nel prodotto risulta invertita rispetto

alla configurazione dell’alogenuro alchilico che ha reagito. concentrata,

Hughes e Ingold hanno proposto che la reazione S 2 sia una reazione

N

che, cioè, avviene in un solo stadio, e quindi non passa attraverso nessun prodotto

intermedio. Il nucleofilo attacca il carbonio che lega il gruppo uscente e provoca

l’allontanamento di quest’ultimo. 3

Poiché in questa reazione sono efficaci solo gli urti nei quali il nucleofilo attacca il

carbonio dal lato opposto a quello che lega il gruppo uscente, si dice che il carbonio

subisce un attacco da retro. Ma perché il nucleofilo attacca il carbonio dalla parte

opposta a quella che lega il gruppo uscente? il gruppo uscente blocca



l’avvicinamento dal nucleofilo dalla parte frontale della molecola.

La teoria degli orbitali molecolare fornisce una valida spiegazione per l’attacco da

retro. Quando il nucleofilo si avvicina all’alogenuro alchilico, l’orbitale molecolare

HOMO del nucleofilo, un orbitale pieno di non legame, deve interagire con l’orbitale

molecolare LUMO associato con il legame C – Br, che in questo caso è un orbitale

vuoto di antilegame σ*.

Quando invece il nucleofilo si avvicina dalla parte frontale del carbonio avvengono sia

un’interazione legante che una antilegante, che si annullano a vicenda la migliore



sovrapposizione tra gli orbitali che interagiscono si ottiene attraverso l’attacco da retro

sp 3

un nucleofilo di avvicina a un carbonio ibridato sempre da retro.



Questo meccanismo prevede che l’alogenuro alchilico e il nucleofilo giungano insieme

allo stato di transizione in una reazione a singolo stadio l’aumento della



concentrazione di ciascuno di essi rende la loro collisione più probabile la reazione



seguirà una cinetica del secondo ordine.

Poiché il nucleofilo attacca il carbonio dalla parte opposta a quella che lega l’alogeno,

sostituenti ingombranti attaccati a questo carbonio renderanno più difficile per il

nucleofilo l’accesso al carbonio diminuiranno la velocità di reazione.

 4

Gli effetti sterici sono provocati da gruppi che occupano un certo volume un



effetto sterico che diminuisce la reattività è chiamato ingombro sterico. Esso ha

luogo quando i gruppi si trovano nei pressi dei siti di reazione. L’ingombro sterico fa sì

che gli alogenuri alchilici abbiano le seguenti reattività relative in una reazione S 2,

N

generalmente

poiché gli alogenuri alchilici primari sono meno ingombranti dei

secondari che, a loro volta, sono meno ingombranti degli alogenuri alchilici terziari.

I tre gruppi alchilici di un alogenuro terziario rendono praticamente impossibile

l’avvicinamento del nucleofilo al carbonio terziario gli alogenuri terziari non possono



dare luogo a reazioni S 2 l’ingombro sterico aumenta l’energia dello stato di



N

transizione, rallentando la reazione. numero

La velocità di una reazione S 2 non dipende solo dal dei gruppi alchilici legati

N

al carbonio che subisce l’attacco nucleofilo, ma anche dalla loro dimensione.

Esempio anche se il bromuro di etile e il bromuro di propile sono entrambi alogenuri



alchilici primari, il bromuro di etile è circa due volta più reattivo in una reazione S 2

N

poiché nel bromuro di propile il gruppo più voluminoso sul carbonio che subisce

l’attacco nucleofilo costituisce un maggiore ingombro sterico per l’attacco da retro.

Inoltre, sebbene il bromuro di neopentile sia un alogenuro alchilico primario esso

subisce molto lentamente le reazioni S 2 poiché il suo unico gruppo alchilico è molto

N

voluminoso.

Esempio appena il nucleofilo si avvicina al carbonio del bromuro di metile, dalla



parte opposta a quella che lega l’alogeno, i legami C – H cominciano ad allontanarsi

dal nucleofilo e dai suoi elettroni che conducono l’attacco. Nel momento in cui si

raggiunge lo stato di transizione, i legami C – H sono tutti nello stesso piano e il

carbonio è pentacoordinato (forma un legame completo con tre atomi e un legame

parziale con due) e non più tetraedrico. Con il progredire della reazione il nucleofilo si

avvicina sempre di più al carbonio, il bromo si allontana sempre di più e i legami C – H

continuano a muoversi nella stessa direzione. Alla fine il legame fra il carbonio e il

nucleofilo risulterà pienamente formato, il legame fra il carbonio e il bromo sarà

completamente rotto e il carbonio tornerà a essere tetraedrico. 5

Il carbonio sul quale avviene la sostituzione ha invertito la sua configurazione durante

inversione

il corso della reazione questa inversione di configurazione è chiamata



di Walden.

Poiché una reazione S 2 ha luogo con inversione di configurazione, quando un

N

alogenuro alchilico chirale subisce una reazione S 2 si forma un solo prodotto di

N

sostituzione. R)-2-

Esempio il prodotto della reazione di sostituzione tra lo ione idrossido e (

 l’(S)-2-pentanolo.

bromopentano è

FATTORI CHE INFLUENZANO LE REAZIONI S 2

N

Il gruppo uscente

Se si trattano uno ioduro alchilico, un bromuro alchilico, un cloruro alchilico e un

fluoruro alchilico con lo stesso nucleofilo, nelle stesse condizioni, si troverà che lo

ioduro alchilico è il più reattivo e il fluoruro alchilico il meno reattivo. 6

La sola differenza tra queste quattro reazioni è la natura del gruppo uscente lo ione



Quanto più è

ioduro è il gruppo uscente migliore mentre lo ione fluoruro è il peggiore.

debole la basicità di un gruppo, tanto maggiore è la sua tendenza a fungere da gruppo

uscente basi deboli sono basi stabili , cioè sopportano facilmente gli elettroni che



precedentemente condividevano un elettrone. Poiché le basi deboli hanno una debole

tendenza a condividere i propri elettroni, una base debole non è legata così

fortemente a un carbonio come lo sarebbe una base forte e un legame più debole è

rotto più facilmente.

Gli ioni alogenuro hanno le seguenti basicità relative poiché quanto più sono grandi gli

atomi tanto meglio essi stabilizzano le proprie cariche negative.

Poiché basi stabili (deboli) sono migliori gruppi uscenti, la capacità a fungere da

gruppo uscente tra gli ioni alogenuro segue un ordine inverso rispetto alla basicità:

Perciò, gli ioduri sono i più reattivi tra gli alogenuri alchilici mentre i fluoruri sono i

meno reattivi lo ione fluoruro è una base tanto forte che i fluoruri alchilici



praticamente non subiscono reazioni S 2.

N

E’ la natura polare del legame carbonio – alogeno a far sì che l’alogenuro vada

incontro a reazioni di sostituzione. Tuttavia, il carbonio e lo iodio hanno la stessa

elettronegatività. Perché allora un alogenuro alchilico subisce la reazione di

sostituzione? la polarizzabilità aumenta all’aumentare della dimensione dell’atomo



e quindi gli atomi grandi sono più polarizzabili di quelli piccoli. L’alta polarizzabilità

dell’atomo di iodio fa sì che esso reagisca come se il legame con il carbonio fosse

polare anche se il legame in realtà non è polare.

Il nucleofilo

La basicità è la misura della tendenza di un composto (una base) a condividere la

propria coppia di elettroni con un protone. Quanto più forte è la base tanto meglio

costante di equilibrio

essa condivide i suoi elettroni. La basicità è misurata da una (K )

a

che indica la tendenza dell’acido coniugato della base a perdere un protone. 7

La nucleofilicità è la misura di quanto facilmente un composto (un nucleofilo) è

capace di attaccare un atomo elettron-deficiente. La nucleofilicità è misurata da una

costante di velocità (k). Nel caso di una reazione S 2, la nucleofilicità è una misura

N sp 2

della facilità con cui il nucleofilo attacca un carbonio ibridato legato a un gruppo

uscente. atomo che reca la coppia

Se confrontiamo tra loro molecole che hanno in comune l’

elettronica, si ha una relazione diretta fra basicità e nucleofilicità: le basi più forti sono

migliori nucleofili. Per esempio, una specie carica negativa è una base più forte e un

miglior nucleofilo rispetto a una specie in cui l’atomo che conduce l’attacco è lo stesso

+

ma neutro. Perciò HO è una base più forte e un miglior nucleofilo risp