Chimica organica - sostituzione nucleofila

Meccanismi limite di rottura e formazione dei legami

Si riconoscono due meccanismi limite che si differenziano per il momento nel quale avviene la rottura del legame C-X e la formazione del legame C-Y:

1. Rottura del legame C-X e formazione del legame C-Y avvengono nello stesso momento:
   • Reazione bimolecolare: 2 specie coinvolte nello stadio lento, reazione concertata a 1 solo stadio.
2. La rottura del legame C-X avviene prima che si inizi la formazione del legame C-Y:
   • Reazione unimolecolare: 1 sola specie è coinvolta nello stadio lento, reazione a 2 stadi.

Reattività degli alogenuri alchilici

I. Sostituzione Nucleofila SNC

Si distinguono due meccanismi limite:

Generale: velocità = k [RX] + k [RX][Y-]

1. Aumenta k1:
   • RX = CH
2. Aumenta k2:
   • [Y-] k ~ 0
   • k ~ 0
3. [RX] costante

Velocità = k velocità = k[RX][Y-]

(bimolecolare) (unimolecolare)

S N

Meccanismo di reattività degli alogenuri alchilici

A. Cinetica

1. →– –CH I + OH CH OH + I
2. si trova che: velocità = k[CH I][OH ], ossia bimolecolare–3∴ I che OH partecipano nel RDSsia CH –3ricordando la reattività: R–I > R–Br > R–Cl >> R–F∴ La rottura del legame C–X avviene nel RDS⇒ meccanismo concertato, a uno stadio:δ- δ-[HO---CH ---I]3STCH I + OH–3 CH OH + I–3 172.
3. Reattività di alogenuri alchilici: S NMeccanismo S 2NB.
4. Stereochimica: inversione di configurazioneReazione stereospecifica:H Br HO HNaOH(R)-(–)-2-bromoottano (S)-(+)-2-ottanoloLa reazione procede coninversione di configurazione(non sempre con inversionedel descrittore) 182.
5. Reattività di alogenuri alchilici: S NMeccanismo S 2NC.
6. Meccanismo HH H+δ δ- δ- δ-C I HO CHO C IHO I+H HH HHH inversione di configurazioneAttacco da dietroC I HO CHO C IHO IC sp C sp C sp3 2 3ST ad alta energia 192.
7. Reattività di

alogenuri alchilici: S_N, S_N2

HHδ- δ-Br----C----IHS.T.ENERGIA Br – CH I3 20IBrCH –32

Reattività di alogenuri alchilici: S_NMeccanismo S_N2

Effetti sterici→es. R–Br + I R–I + Br– – α1. ramificazioni al carbonio (X–C–C–C.... )α β γ

Composto velocità relativametile CH Br 1503 CH Br 1RX 1º CH aumento di3 2 ingombro sterico) CHBr 0.008RX 2º (CH 3 2) CBr ~0RX 3º (CH 3 3metil bromuro etil bromuro t-butil bromuroisopropil bromuro

Reattività di alogenuri alchilici: S_NMeccanismo S_N2

Effetti sterici α1. ramificazioni al carboniocarbonio metilicoH C BrI ingombro sterico minimoH HH H carbonio 3°H CH C BrI ingombro sterico massimoCH H CH HH

Reattività di alogenuri alchilici: S_NMeccanismo S_N2

Effetti sterici α1. ramificazioni al carbonio∴ Reattività verso S₂:NCH X > 1º RX > 2º RX >> 3º

RX3reagiscono più non reagiscefacilmente difficile concon meccanismo meccanismoS 2 2SN N(k (kgrande) ~ 0)2 2 232. Reattività di alogenuri alchilici: S NMeccanismo S 2ND. Effetti sterici β2. ramificazioni al carboniovel. rel.β αCH CH CH Br 13 2 2CH ingombro3 α stericoCH CH CH Br 0.0033 2 crescenteCH3 αCH C CH Br 0.000013 2CH3 ~ non c'è S 2 con i substrati neopentiliciN (v. seguito)242. Reattività di alogenuri alchilici: S NMeccanismo S 2NE. Nucleofili e nucleofilicità (nucleofilia)1. anioniR X OH R OH X+ +R X CN R CN X+ +2. specie neutre OH XR X R O H+ + ROH + HX2 idrolisiHsolvolisi R X R'OH R O R' X+ ROR' + HX+ alcoolisiHsolventi 252. Reattività di alogenuri alchilici: S NMeccanismo S 2NE. Nucleofili e nucleofilicità (nucleofilia)a. specie cariche sono più nucleofile di specie neutreHO > H O– 2RO > ROH–HS > H S– 2b. quando gli atomi nucleofili sono dello

stesso periodo, la nucleofilia segue la basicità:

H N > HO > F– – –2

H N > H O3 2

RO > RCO 2––

c. quando gli atomi nucleofili sono dello stesso gruppo, la nucleofilia segue la polarizzabilità (raggio ionico):

I > Br > Cl > F– – – –

HS > HO– –PH > NH3 3

262. Reattività di alogenuri alchilici: S N

Meccanismo S 2N

E. Nucleofili e nucleofilità (nucleofilia):

Riassunto:

Nu molto buoni : I , HS , RS , H N– – – –2

buoni: Br , HO , RO , CN , N– – – – 3–

abbastanza: NH , Cl , F , RCO– – 2–3

cattivi: H O, ROH2 H

molto cattivi: RCO2 2

72. Reattività di alogenuri alchilici: S N

Meccanismo S 1N

A. Cinetica

es. CH CH3 3∆H C C Br CH OH H C C O CH HBr+ +3 3 3 3

CHCH3 3C 3º, no S 2N

Trovato: velocità = k[(CH ) CBr] unimolecolare3 3∴ ) CBr

RDS dipende solo da (CH3 3

282. Reattività di alogenuri

alchilici: S NMeccanismo S 1NA. Cinetica

CH CH3 3RDS: H C C Br H C C Br+3 3CH CH3 3carbocatione

CH CH H3 3HOCHH C C H C C O33 3 CHCH CH 33 3CH CHH3 3+-HH C C O H C C O CH HBr+3 3 3CHCH CH33 3 292. Reattività di alogenuri alchilici: S NMeccanismo S 1NA. Cinetica

Meccanismo a due stadi:

ST1 carbocatione

ST2R+RBr + CH OH3 ROCH + HBr3 302. Reattività di alogenuri alchilici: S NMeccanismo S 1NB. Stereochimica

CH CH CH3 3 3H O sR R2Br H HO H H OH+CH CH CH CHCH CH3 2 3 2 3 2OHR CHCH CHOHBr 33 22 H+ CHR 3CH CH CCHCH CH H3 233 2 HH CHCH CH 33 2OH S2 OHcarbocationesp trigonale planare2 miscela racema312. Reattività di alogenuri alchilici: S NMeccanismo S 1NC. Stabilità dei carbocationi

Stabilità di R : 3° > 2° >> 1° > CH+ 3+

Reattività di R–X verso la S 1: 3° > 2° >> 1° > CH XN 3CH 3+1° R+2° R benzilico 1°, allilico 1°+ benzilico 2°, allilico 2°3° R+ 322.

2 è favorito da solventi moderatamente polari e polari aprotici. Destabilizza Nu-, rendendolo più nucleofilo in H2O: forti legami H con l'acqua rende OH meno reattivo. OH- in DMSO: una scarsa solvatazione rende OH più reattivo (nucleofilo) in DMSO. In H2O: RX + OH- -> ROH + X-. S1 vs S2N NB. Riassunto v = k [RX] + k [RX][Nu]1 2 velocità di S1 crescente (stabilità carbocatione)