ALOGENURI ALCHILICI R-X: REAZIONI DI SOSTITUZIONE NUCLEOFILA A – B + C  A – C + B Abbiamo avuto la rottura del legame A – B e la formazione del legame A – C. Chi mette a disposizione gli elettroni per il nuovo legame? Ci sono due possibilità: Lo stesso C porta con sé elettroni per legarsi ad A al posto di B. Se ciò avviene significa che C ha elettroni disponibili, quindi è un nucleofilo, per cui le reazioni sono dette “Sostituzioni nucleofile” C è detto “gruppo entrante” B è detto “gruppo uscente”

REAZIONI DI SOSTITUZIONI NUCLEOFILE ALIFATICHE Consideriamo un composto del C generico, R – X, in cui R è un raggruppamento di atomi di C ed X un atomo più elettronegativo del C: R = CH3 – CH2 e X = Cl Come sappiamo, se X è più elettronegativo del C, il legame C – X è spostato verso X (cioè è polarizzato), e dà origine ad un dipolo: R  X + - L’entità della polarizzazione è tanto più grande quanto maggiore è la differenza di elettronegatività tra i due atomi. Supponiamo di introdurre nel sistema un nucleofilo: R  X + - + Y- R – Y + X- Un nucleofilo entra ed un nucleofilo esce.

Vediamo qual è il possibile meccanismo di reazione Vediamo qual è il possibile meccanismo di reazione. Vi possono essere due casi: Si rompe il legame R – X e si forma il legame R – Y (2 stadi di reazione) Man mano che si rompe il legame R – X si forma il legame R – Y (reazioni concertate o contemporanee) Caso 1) Essendo X più elettronegativo di R, richiamerà a sé gli elettroni: 1° stadio: R – X  R + X- 2° stadio: R + Y-  R – Y Questa reazione viene indicata con il simbolo SN1 , cioè sostituzione nucleofila mononucleare. Tutto il processo si svolgerà con una certa velocità, che però non è la stessa per entrambi gli stadi. Sappiamo che data V1 la velocità del 1° stadio e V2 la velocità del 2° stadio, la V totale sarà data da quella più lenta.

Caso 2) L’altro caso che abbiamo ipotizzato è che man mano che si rompe il legame R – X si vada formando il legame R – Y, ed in tal caso la quantità di Y- va aumentando contemporaneamente alla scomparsa di X-. La reazione è detta del tipo SN2, in quanto 2 sono le specie che intervengono nello stadio lento. L’attacco di Y- avverrà naturalmente dalla parte opposta rispetto a cui si trova X-. Se dunque R = CH3 – CH2 e X = Cl avremo: CH3 C H Cl CH3 Y- Y C Cl- H H Y- e Cl sono sullo stesso piano. La velocità del processo di questo tipo di reazione dipenderà dunque sia dalla [X-] che dalla [Y-]: V = K2 [R – X ] [Y-] SN2

Inversione di configurazione Il nucleofilo attacca il carbonio dal lato opposto rispetto al legame del gruppo uscente L’arrangiamento tridimensionale dei legami del prodotto è opposto rispetto a quello del reagente

ALOGENURI ALCHILICI In generale gli alogenuri alchilici si classificano come: CH3 – CH2 – CH2 Cl alogenuri primari: CH3 – CH – CH3 Cl alogenuri secondari: CH3 – CH – Cl CH3 alogenuri terziari:

Consideriamo l’1-cloro-propano CH2 – CH3 H Cl CH3 – CH2 – CH2 Cl Dal punto di vista della struttura avrò un tetraedro di ibridizzazione sp3: Supponendo che un nucleofilo Y- debba attaccare questa molecola, esso attaccherà il C dalla parte opposta rispetto alla posizione del Cl, in quanto trova una certa difficoltà ad entrare dalla parte del Cl per via dell’ingombro sterico del gruppo CH2CH3. Non c’è formazione di ioni, quindi la reazione è di tipo SN2. Nucleofilo C CH2 – CH3 H Cl C CH2 – CH3 H N + Cl-

Consideriamo il 2-cloro-propano CH3 Cl H CH3 – CH – CH3 Cl In questo caso l’ingombro sterico è maggiore in quanto c’è anche un gruppo metilico. La reazione è comunque di tipo SN2. Nucleofilo C CH3 Cl H C CH3 H N + Cl-

Consideriamo il 2metil-2cloro-propano CH3 Cl CH3 – C – Cl CH3 In quest’ultimo caso l’ingombro sterico è insormontabile, per cui la reazione con il nucleofilo sarà di tipo SN1: C CH3 Cl C CH3  Si è formato il C e la molecola è su di un piano, per cui il nucleofilo potrà attaccare sia da sopra che da sotto il piano stesso.

F >> Cl > Br > I Conclusioni generali: Le reazioni SN2 si hanno con tutti gli alogenuri Iari ed anche con i IIari se non c’è un forte ingombro sterico Le reazioni SN1 si hanno con gli alogenuri IIIari Importante: Al di là della posizione dell’alogeno (primario, secondario o terziario) è fondamentale valutare l’ingombro sterico dei sostituenti vicini al C cui è legato l’alogeno: se il gruppo presente è molto ingombrante, anche su un alogenuro primario si potrà avere una reazione SN1 e non la prevedibile SN2. La velocità di reazione è influenzata dalla natura dell’alogeno, in quanto dipende dall’energia di legame tra il C e l’alogeno stesso: F >> Cl > Br > I Lo ione ioduro reagirà molto più velocemente dei bromuri, e questi dei cloruri, etc., proprio perché più forte è il legame con il C meno veloce sarà la reazione (è indirettamente correlata all’elettronegatività).

RIEPILOGANDO: Le reazioni nucleofile sono reazioni che si verificano in 2 modi diversi a seconda dell’ingombro sterico Le sostituzioni nucleofile sono tanto più difficili quanto più forte è il legame da rompere Le sostituzioni nucleofile si verificano quando il gruppo entrante è un miglior nucleofilo del gruppo uscente Le sostituzioni nucleofile SN2 sono più favorite rispetto alle SN1 e si verificano se non c’è un forte ingombro sterico