Reattività degli alogenuri alchilici

Gli alogenuri alchilici sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo –X, attaccato direttamente al carbonio. La sua elettronegatività non solo fa sì che il legame C-X sia polarizzato a favore di quest’ultimo ma comporta anche che tutti i legami C-H, fino al carbonio in b, siano polarizzati a favore dei rispettivi carboni. H C X d+ d-

Questa situazione spiega la reattività degli alogenuri alchilici che può essere riassunta in 1) sostituzione di X per opera di un nucleofilo (sostituzione nucleofila) 2) allontanamento di un H+ dal carbonio in b con contemporanea formazione di un doppio legame carbonio-carbonio e uscita dello ione alogenuro (eliminazione) H C X Nu

Le due diverse reazioni possono avvenire secondo meccanismi differenti che sono determinati da tipo di alogenuri per quanto riguarda sia R (primario, secondario, terziario) sia X forza del nucleofilo e sue proprietà basiche natura del solvente temperatura

Meccanismi unimolecolari: sostituzione nucleofila unimolecolare (SN1) Un alogenuro che reagisca con questo meccanismo lo fa in due stadi, il primo dei quali è lento e consiste nella dissociazione dell’alogenuro stesso con formazione del carbocatione. Nel secondo passaggio, che è veloce, il carbocatione si combinerà con il nucleofilo per dare il prodotto. Poiché lo stadio lento interessa un solo reagente, il meccanismo è detto unimolecolare, e la velocità globale della reazione dipende solo dalla concentrazione dell’alogenuro v= k [RX] mentre è indifferente sia il tipo di nucleofilo sia la sua concentrazione.

RI>RBr>RCl>RF. Inoltre, poiché si passa attraverso la formazione di un carbocatione, questo meccanismo sarà quello preferito dagli alogenuri che formano carbocationi più stabili, come i terziari o il benzilico e l’allilico. A parità di radicale, la reazione sarà più veloce quanto meglio potrà portare la carica negativa il gruppo uscente (X-): RI>RBr>RCl>RF.

Per quanto riguarda la configurazione sterica, il fatto che il carbocatione intermedio sia planare e che possa essere attaccato da ambo il lati, consente di ottenere metà prodotto con la stessa configurazione dell’alogenuro di partenza e metà con configurazione opposta.

Vediamola all’opera…

Meccanismi unimolecolari: eliminazione unimolecolare (E1) Anche quando un alogenuro alchilico procede secondo questo meccanismo, la reazione passa attraverso due stadi. Il primo, che è quello lento e determina la velocità della reazione, è identico al primo della SN1 e consiste nella formazione del carbocatione:

Nel secondo stadio, invece, un base allontana un idrogeno dal carbonio in b, lasciando il doppietto sul carbonio stesso. Immediatamente il doppietto si sposta a formare un doppio legame carbonio-carbonio:

Qualora fossero attaccabili più idrogeni e quindi fossero possibili più alcheni, vale la regola di Saytzeff, secondo la quale si forma prevalentemente l’alchene più sostitutito nella forma trans. + CH3O- → I 18 % 63 % 19 %

Anche in questo meccanismo sono importanti solo le caratteristiche e la concentrazione dell’unico composto che partecipa allo stadio lento della reazione e cioè di RX. Come già succedeva con la SN1, questo modo di reagire sarà preferito da alogenuri che formano carbocationi più stabili, come terziari, benzilici e allilici e sarà tanto più veloce quanto meglio il gruppo uscente potrà ospitare la carica negativa.

Importanza del gruppo uscente Il gruppo uscente è tanto migliore quanto ha una minore densità di carica L’anione è poco basico

E’ invece del tutto ininfluente la forza della base che attacca perché essa non partecipa allo stadio lento. E1 e SN1 sono meccanismi che interessano contemporaneamente gli stessi composti e la prima è favorita da temperature più alte, mentre entrambe sono favorite da solventi polari protici che stabilizzano entrambi gli ioni che si ottengono dalla dissociazione dell’alogenuro alchilico. R+ X-

Vediamo la E1 all’opera…

Meccanismi bimolecolari: sostituzione nucleofila bimolecolare (SN2) Quando un alogenuro reagisce con questo meccanismo lo fa in un unico stadio al qual partecipa assieme al nucleofilo. La velocità dipende dunque dalle concentrazioni di entrambi v= k [RX] [Nu-]

Si ha dunque l’ingresso del nucleofilo contemporaneo all’allontanamento del gruppo uscente.

Durante l’attacco i tre sostituenti del carbonio vengono rovesciati nel senso opposto a quello di entrata del nucleofilo: la configurazione del carbonio subisce inversione.

Inoltre, questo meccanismo, in cui il nucleofilo deve farsi strada attraverso i sostituenti presenti sul carbonio, è molto sensibile all’ingombro sterico: gli alogenuri terziari sono quelli che più difficilmente reagiranno mentre quelli metilici sono quelli più favoriti.

Con modelli a spazio pieno possiamo vedere meglio gli ingombri sterici negli intermedi pentacoordinati.

La SN2 è favorita è favorita da solventi polari aprotici, come l’acetone, poiché non si legano agli anioni. Il nucleofilo, che è un anione, è così libero di arrivare “nudo” al carbonio e di reagire con esso. Un solvente protico, invece, rivestendo il nucleofilo ne renderebbe difficile l’azione. S O CH3 d+ d-

Vediamo la SN2 in azione…

Confronto SN1 con SN2 Per una SN2 occorre un nucleofilo di buona forza Alogenuri alchilici Tendenza alla SN1 metilico primario secondario terziario Tendenza alla SN2

Confronto dei meccanismi

Meccanismi bimolecolari: eliminazione bimolecolare (E2) Quando un nucleofilo ha buone caratteristiche basiche, strappa l’idrogeno in b consentendo così al doppietto che rimane sul carbonio di formare un doppio legame e di allontanare l’alogenuro.

La reazione avviene anche in questo caso in un unico passaggio e la velocità dipende, come nell’SN2, dalle concentrazioni sia del nucleofilo sia dell’alogenuro: v= k [RX] [Nu-] Vi è dunque, a ulteriore somiglianza con la sostituzione bimolecolare, un momento in cui il nucleofilo e il gruppo uscente sono attaccati contemporaneamente alla molecola ma, poiché l’attacco avviene lontano dal centro di reazione, in questo caso l’ingombro sterico non è un problema. Anzi, gli alogenuri terziari, poiché più ricchi di idrogeni attaccabili, risultano più favoriti in questa reazione. C Br CH3 H B:

Inoltre la base e il gruppo uscente si pongono da parti opposte dello stesso piano determinando così quale isomero geometrico si ottiene. C CH2CH3 CH3 Br H B: C CH2CH3 CH3CH2 CH3 cis-3-esene C CH3 CH2CH3 Br H B: CH3CH2 trans-3-esene Anche in questo caso, come nella E1, si forma sempre l’alchene più sostituito (Saytzeff).

Vediamo una E2 all’opera…

O anche…

E adesso?

Come facciamo a prevedere secondo quale meccanismo reagiranno un certo alogenuro e un dato nucleofilo? Si decide tenendo conto, in ordine, di : 1) alogenuro alchilico 2) nucleofilo/base 3) solvente 4) temperatura

SN2 E2 SN1 lenta, E1 SN1, E1 SN1 Nucleofilo scadente Buon nucleofilo debolmente basico Base forte non impedita stericamente Base forte impedita stericamente H2O, RSH, ROH I-, Br-, CH3COO- OH-, CH3O- (CH3)3CO- Alogenuro metilico NON REAGISCE SN2 primario non impedito stericamente E2 primario impedito stericamente secondario SN1 lenta, E1 terziario SN1, E1 benzilico o allilico SN1

Nucleof. forte ma base debole meccanismo prevalente O anche… Gruppo Alchilico metilico primario secondario terziario Benzilico o allilico attaccante Nucleof. debole H2O RSH ROH Ogni altro base ingombrante terz-butilato Nucleof. forte ma base debole I-, Br-, CH3COO- base forte OH-, RO- Debole I-, Br-CH3COO- nucle Tutti solvente polare aprotico poco polare aprotico poco polare protico temperatura alta bassa bassa (alta) meccanismo prevalente NON REAGISCE SN2 E2 SN1 (E1) SN1 (E1)

In linea di massima ricordare che Un metilico può solo dare SN2 Un primario dà solo meccanismi bimolecolari Un terziario dà meccanismi unimolecolari con nucleofili deboli ed E2 con quelli forti I secondari hanno comportamento che dipende da nucleofilo e solvente Un nucleofilo forte, si fa sentire, e spinge verso meccanismi bimolecolari i secondari e Benzilico e allilico danno solo SN1

Al lavoro, con un po’ di esercizi Cosa si ottiene da… CH3 DMSO CH3CHCH2Br + I- Alogenuro primario Solvente aprotico Nucleofilo forte/base debole CH3CHCH2I CH3 SN2

E questo? SN2 Cosa si ottiene da… Alogenuro secondario Br acetone CH3CHCH2CH3 + CH3S- Alogenuro secondario Solvente aprotico Nucleofilo forte/base debole CH3CHCH2CH3 SCH3 Con inversione SN2

E ancora… SN1/ E1 Cosa si ottiene da Alogenuro secondario Cl CH3OH + CH3OH Alogenuro secondario Solvente protico Nucleofilo debole OCH3 + SN1/ E1

Stanchi? E2 Cosa si ottiene da… Alogenuro terziario Solvente protico CH3CCH2CH3 Cl CH3 acqua + OH- Alogenuro terziario Solvente protico Nucleofilo forte/base forte E2 (CH3)2C=CHCH3 prevalente CH2=C(CH2CH3)CH3

Vediamo questo SN1 Cosa si ottiene da… Alogenuro secondario Cl CH3CHCH2CH3 + CH3OH/H2O T bassa Alogenuro secondario Solvente protico Nucleofilo debole CH3CHCH2CH3 OH + OCH3 Con racemizzazione SN1

Eh sì, dai, e dopo… E2 Cosa si ottiene da… Alogenuro terziario Cl acqua + OH- CH3CHCCH2CH=CH2 CH3 CH3 Alogenuro terziario Solvente protico Nucleofilo forte/base forte E2 (CH3)2CH (CH3)C=CHCH=CH2 (CH3)2C=C(CH3)CH2CH=CH2 Prevalente. Perché?

Veloci che è l’ultimo… SN2 Cosa si ottiene da Alogenuro secondario Cl acetone + I- CH3 Alogenuro secondario Solvente aprotico Nucleofilo forte/base debole SN2 I CH3

Ci arrabbiamo se ne arriva ancora uno? Cosa si ottiene da… Br CH3OH CH3CH2CHCH2CH3 + CH3O- Alogenuro secondario Solvente protico Nucleofilo forte/base forte E2 CH3CH2CH=CHCH3