Sostituzione nucleofila

Sostituzione nucleofila

Ogni reazione in cui un nucleofilo è sostituito con un altro su un carbonio tetravalente.

Definizioni chiave

Nucleofilo: amante del nucleo; una molecola o ione che dona una coppia di elettroni a un altro atomo o ione per formare un nuovo legame covalente; base di Lewis.

Gruppo uscente: gruppo che viene allontanato o perso in una reazione di sostituzione o eliminazione.

Elettrofilo: amante degli elettroni; molecola o ione che accetta una coppia di elettroni da un altro atomo o molecola in una reazione; acido di Lewis.

β-eliminazione: reazione in cui una molecola (es. HCl, HBr, HI o HOH) è allontanata per eliminazione da atomi di carbonio adiacenti.

Sostituzione nucleofila negli alogenuri alchilici

• Se il nucleofilo ha una carica negativa, l’atomo del nucleofilo che dona la coppia di elettroni in una reazione di sostituzione diventa neutro nel prodotto.
• Se il nucleofilo non ha carica elettrica, l’atomo del nucleofilo che dona la coppia di elettroni nella reazione di sostituzione diventa ricco positivamente nel prodotto.

Meccanismi della sostituzione nucleofila alifatica

Meccanismo SN2

Ad un estremo la rottura e la formazione dei legami sono simultanee. Così, l’allontanamento del gruppo uscente è assistito dall’avvicinarsi del nucleofilo. S: sostituzione; N: nucleofila; 2: reazione bimolecolare.

Reazione bimolecolare: reazione nella quale sono coinvolte 2 specie nello stadio cineticamente determinante.

Meccanismo: formazione di un nuovo legame tra un nucleofilo e un elettrofilo e contemporanea rottura di un legame con formazione di molecole o ioni stabili.

Il nucleofilo attacca il centro reattivo dal lato opposto al gruppo uscente. L’attacco dal retro da parte del nucleofilo è favorito: (1) a causa della polarizzazione del legame C-Br, l’atomo di c ha una parziale carica positiva in anti rispetto a Br e attrae il nucleofilo elettron-ricco; (2) la densità elettronica del nucleofilo favorisce l’uscita del bromo.

Il meccanismo di una reazione SN2 avviene in un unico stadio, il diagramma di energia ha una sola barriera di energia che corrisponde allo stato di transizione.

Meccanismo SN1

La rottura del legame fra carbonio e gruppo uscente è del tutto completata prima che inizi la formazione del nuovo legame con il nucleofilo. L’1 sta per reazione monomolecolare (una reazione nella quale è coinvolta solo una specie nello stadio cineticamente determinante); solo l’alogenuro alchilico, uno dei reagenti, è coinvolto nello stadio cineticamente determinante.

Solvolisi: una sostituzione nucleofila in cui il solvente è anche il nucleofilo.

Meccanismo: (1) rottura di un legame con formazione di molecole o ioni stabili; (2) formazione di un nuovo legame tra un nucleofilo e un elettrofilo; (3) rimozione di un protone.

In una reazione SN1 lo stadio cineticamente determinante è la rottura del legame C-Gu che porta alla formazione di un intermedio carbocationico. I carbocationi sono specie mancanti di due elettroni che reagiscono velocemente con i nucleofili.

Differenze meccanicistiche chiave tra le reazioni SN2 e SN1

Una reazione SN2 avviene in un unico stadio, quindi non possiede intermedi, ma ha uno stato di transizione. Una reazione SN1 procede in due stadi (o tre, quando il terzo stadio è la rimozione di un protone), ognuno dei quali ha uno stato di transizione; si forma un intermedio carbocationico.

Evidenze sperimentali per i meccanismi di SN1 e SN2

Cinetica e stereochimica

CINETICA SN1: il risultato è una reazione che segue una legge cinetica del primo ordine. La velocità non dipende dalla concentrazione del nucleofilo. Qualsiasi reazione di sostituzione la cui velocità dipende solo da [R-Gu] proceda attraverso un meccanismo SN1.

CINETICA SN2: comporta un unico stadio e la reazione è bimolecolare. Segue una cinetica del secondo ordine. Quando la velocità di reazione di una sostituzione dipende sia da [R-Gu] sia da [Nu-], questa è una SN2.

STEREOCHIMICA SN1: uno dei composti studiati per stabilire la stereochimica di una reazione SN1 è il seguente cloruro alchilico. Quando uno o l’altro degli enantiomeri di questa molecola subisce una SN1, il prodotto di entrambi i casi è quasi completamente racemizzato. La ionizzazione di un alogenuro secondario forma un carbocatione achirale. L’attacco del nucleofilo può avvenire da entrambe le parti del carbocatione planare. L’attacco del nucleofilo dalla parte destra porta all’enantiomero R; l’attacco dalla parte sinistra porta all’enantiomero S. Gli enantiomeri R ed S si formano in quantità uguali e il prodotto è una miscela racemica.

Sebbene siano stati osservati esempi di racemizzazione completa, è più frequente trovare esempi in cui avviene una racemizzazione soltanto parziale. Il prodotto prevalente è il composto che presenta un’inversione di configurazione al centro chirale. Sebbene la rottura del legame fra carbonio e Gu sia completa, il Gu resta associato per un breve periodo di tempo al carbocatione sotto forma di coppia ionica. Fino a quando il Gu resta associato con il carbocatione come coppia ionica, esso impedirà l’avvicinarsi del nucleofilo da quella parte del carbocatione. Il risultato è che si forma un po’ più del 50% del prodotto proveniente dall’attacco del nucleofilo sulla faccia del carbocatione opposta a quella dove si trova il Gu. Tutte le volte che osserviamo parziale o completa racemizzazione della stereochimica, possiamo concludere che è operativo il meccanismo SN1.

STEREOCHIMICA SN2: ogni reazione SN2 procede con l’attacco dal retro del nucleofilo e quindi con inversione di configurazione. La sostituzione con inversione di configurazione in una molecola annullava la rotazione di una molecola che non aveva reagito, cosicché per ciascuna molecola che subiva reazione si formava una coppia racemica. L’inversione di configurazione nel 50% delle molecole comportava il 100% di racemizzazione. Quando una reazione avviene con inversione completa di configurazione è una SN2.

Struttura della porzione alchilica dell'alogenuro alchilico

Le reazioni SN1 sono influenzate principalmente da fattori elettronici, in particolare dalle stabilità relative degli intermedi carbocationici. Le reazioni SN2 sono influenzate essenzialmente da fattori sterici e i loro stati di transizione sono particolarmente sensibili all’impedimento sterico attorno al centro di reazione.

SN1: considerazioni sui carbocationi

Alchilico 2° alchilico 3° allilico 3° Metilico < alchilico 1° < allilico 1° < allilico 2° < benzilico 3° benzilico 1° benzilico 2°

Stabilità crescente dei carbocationi.

SN2: impedimento sterico

Gli alogenuri alchilici terziari reagiscono attraverso il meccanismo SN1 perché i carbocationi terziari intermedi sono particolarmente stabili e gli alogenuri terziari sono molto impediti verso l’attacco dal retro; essi non reagiscono mai con un meccanismo SN2. Gli alogenuri metilici e alchilici primari non reagiscono con il meccanismo SN1. Essi hanno il centro di reazione poco ingombrato e reagiscono rapidamente attraverso il meccanismo SN2, perché il carbocatione metilico e i carbocationi primari sono instabili. Gli alogenuri secondari possono reagire sia attraverso il meccanismo SN1 sia SN2.

Il gruppo uscente Gu

Nello stato di transizione delle SN su un alogenuro alchilico, il gruppo uscente ha una parziale carica negativa, indipendentemente dal meccanismo con il quale la reazione procede. La capacità di un gruppo di funzionare come Gu è direttamente proporzionale alla sua stabilità come anione. Gli anioni più stabili, e quindi migliori come Gu sono le basi coniugate degli acidi forti.

I migliori Gu in questa serie sono lo ione ioduro, lo ione bromuro e lo ione cloruro. Lo ione idrossido, lo ione metossido e lo ione ammidico sono Gu così scadenti che raramente, o mai, sono sostituiti in una SN alifatica.

Il solvente

I solventi hanno un’influenza sulle velocità di reazione SN1 e SN2, sulla nucleofilia relativa e sulla diversa possibilità di un alogenuro alchilico di subire un meccanismo SN1 o SN2. I solventi si dividono in protici e aprotici. Si suddividono i solventi in polari e apolari, in base alla loro costante dielettrica (misura della capacità di un solvente di isolare cariche di segno opposto l’una dall’altra). Più grande è il valore della costante dielettrica, più piccola diventa l’attrazione fra ioni di carica opposta disciolti in quel solvente. Un solvente è polare quando la sua costante dielettrica ha un valore maggiore o uguale a 15. Un solvente è apolare quando la sua costante dielettrica è inferiore a 5.