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Organic Chemistry, Second Edition Janice Gorzynski Smith University of Hawai’i Chapter 7 Lecture Outline Prepared by Rabi Ann Musah State University of New York at Albany Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile
Introduzione agli alogenuri alchilici Gli alogenuri alchilici sono molecole organiche contenenti un atomo di alogeno legato ad un carbonio ibridato sp3. Gli alogenuri organici sono classificati come come primari (1°), secondari (2°), o terziari (3°), a seconda del numero di atomi di carbonio legati al carbonio alogenato. L’atomo di alogeno negli alogenuri è spesso indicato dal simbolo “X”.

Introduzione agli alogenuri alchilici Ci sono altri tipi di alogenuri organici. Tra questi gli alogenuri vinilici, alogenuri arilici, alogenuri allilici e alogenuri benzilici. Gli alogenuri vinilici sono caratterizzati da un atomo di alogeno (X) legato ad un doppio legame C—C. Gli alogenuri arilici sono caratterizzati da un atomo di alogeno legato ad un anello benzenico. Gli alogenuri allilici sono caratterizzati da un atomo di alogeno legato ad un carbonio adiacente ad un doppio legame C—C. Gli alogenuri benzilici sono caratterizzati da un atomo di alogeno legato ad un carbonio adiacente ad un anello benzenico.

Introduzione agli alogenuri alchilici Figure 7.1 Examples of 1°, 2°, and 3° alkyl halides Figure 7.2 Four types of organic halides (RX) having X near a π bond

Nomenclatura

Nomenclatura I nomi comuni sono usati spesso per gli alogenuri alchilici semplici. Per assegnare il nome comune: Nominare tutti gli atomi di carbonio di una molecola come un singolo gruppo alchilico. Nominare l’alogeno legato al gruppo alchilico. Combinare insieme i nomi del gruppo alchilico e dell’alogenuro, separando le parole con uno spazio.

Proprietà fisiche Gli alogenuri alchilici sono molecole debolmente polari. Esibiscono interazioni dipolo-dipolo a causa del loro legame polare C—X, ma, dal momento che il resto della molecola contiene solo legami C—C e C—H, non sono in grado di legarsi con ponti a idrogeno.

Proprietà fisiche

Il legame polare carbonio-alogeno L’atomo elettronegativo di alogeno crea un legame C—X polare, rendendo elettron-povero l’atomo di carbonio. Le mappe di potenziale elettrostatico di quattro alogenuri alchilici semplici illustrano questo punto. Figure 7.5 Electrostatic potential maps of four halomethanes (CH3X)

Il legame polare carbonio-alogeno

Caratteristiche generali della sostituzione nucleofila In ogni reazione di sostituzione sono sempre presenti tre componenti.

Caratteristiche generali della sostituzione nucleofila I nucleofili carichi negativamente come HO¯ e HS¯ sono usati come sali con controione Li+, Na+, o K+ per bilanciare la carica. L’identità del catione è normalmente ininfluente, pertanto essa è spesso omessa nella equazione chimica. Quando si utilizza un nucleofilo neutro, il prodotto di sostituzione reca una carica positiva.

Caratteristiche generali della sostituzione nucleofila Inoltre, quando il prodotto della sostituzione reca una carica positiva e contiene anche un protone legato ad O o N, il prodotto iniziale della sostituzione perde rapidamente un protone in una reazione acido-base di BrØnsted-Lowry, formando così un prodotto neutro. Per disegnare i prodotti di una sostituzione nucleofila: Trovare il carbonio ibrido sp3 recante il gruppo uscente. Identificare il nucleofilo, la specie con una coppia elettronica non condivisa o un legame . Sostituire il nucleofilo al gruppo uscente e assegnare le cariche (se necessario) ad ogni atomo che è implicato nelle formazione o scissione di legame.

Il gruppo uscente In una reazione di sostituzione nucleofila di R—X, il legame C—X è scisso eteroliticamente, e il gruppo uscente si allontana con la coppia elettronica di quel legame formando X:¯. Più stabile è il gruppo uscente X:¯, più è in grado di accettare una coppia elettronica. Per esempio, H2O è un miglior gruppo uscente rispetto ad HO¯ perchè l’H2O è una base più debole.

Il gruppo uscente Ci sono andamenti periodici nella bontà del gruppo uscente:

Il gruppo uscente

Il nucleofilo I nucleofili e le basi sono strutturalmente simili: entrambi hanno una coppia non condivisa o un legame . Essi differiscono per cosa attaccano.

Il nucleofilo Benchè la nucleofilicità e la basicità siano correlate, esse sono fondamentalmente diverse. La basicità è una misura di quanto prontamente un atomo dona la sua coppia elettronica al protone. Essa è caratterizzata dalla costante di equilibrio Ka di una reazione acido-base, che la rende una proprietà termodinamica. La nucleofilicità è invece una misura di quanto prontamente un atomo dona la sua coppia elettronica ad altri atomi. Essa è caratterizzata dalla costante di velocità k, che la rende una proprietà cinetica.

Il nucleofilo Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile
La nucleofilicità è parallela alla basicità in tre casi: Per due nucleofili con lo stesso atomo nucleofilo, più forte è la base più forte è il nucleofilo. La nucleofilicità relativa di HO¯ e CH3COO¯, due nucleofili ossigenati, si può determinare paragonando i valori di pKa dei loro acidi coniugati (H2O = 15.7, e CH3COOH = 4.8). HO¯ è una base più forte e un nucleofilo migliore rispetto a CH3COO¯. 2. Un nucleofilo carico negativmente è sempre più forte del suo acido coniugato. HO¯ è una base più forte e nucleofilo migliore rispetto ad H2O. 3. Muovendosi da destra a sinistra lungo una riga della tavola periodica, la nucleofilicità aumenta parallelamente all’aumentare della basicità:

La nucleofilicità non è correlata alla basicità quando l’ingombro sterico diventa importante. L’ingombro sterico causa una diminuzione della reattività per la presenza di gruppi voluminosi attorno al centro di reazione. L’ingombro sterico diminuisce la nucleofilicità ma non la basicità. Le basi stericamente impedite che sono nucleofili deboli sono chiamate basi non nucleofile.

Se si usa il sale NaBr come fonte del nucleofilo Br¯ in H2O, il catione Na+ è solvatato dalle interazioni ione-dipolo con le molecole di H2O, mentre gli ioni Br¯ sono solvatati dalle forti interazioni del legame idrogeno.

Il nucleofilo In solventi polari protici, la nucleofilicità aumenta scendendo lungo una colonna della tavola periodica, parallelamente all’aumento del volume dell’anione. Questo andamento è opposto alla sua basicità. Figure 7.6 Example of polar protic solvents

Anche i solventi polari aprotici mostrano interazioni dipolo—dipolo, ma, non avendo legami O—H o N—H essi non sono in grado di formare legami idrogeno. Figure 7.7 Examples of polar aprotic solvents

I solventi polari aprotici solvatano i cationi attraverso interazioni ione—dipolo. Gli anioni non sono ben solvatati perchè il solvente non può legarli con legame ad idrogeno. Questi anioni sono detti anioni “nudi”.

Il nucleofilo Nei solventi polari aprotici, la nucleofilicità è parallela alla basicità, e la base forte è il nucleofilo più forte. Poichè la basicità decresce con l’aumento della dimensione lungo una colonna, anche la nucleofilicità mostra il medesimo andamento.

Il nucleofilo

I meccanismi della sostituzione nucleofila In una sostituzione nucleofila: Ma qual’è l’ordine in cui i legami si scindono e si formano? In teoria, ci sono due possibilità. [1] La scissione e la formazione dei legami avvengono nello stesso tempo. In questo scenario, il meccanismo è composto di un singolo stadio. In questa reazione bimolecolare, la velocità dipende dalla concentrazione di entrambi i reagenti, cioè, la reazione è del secondo ordine.

I meccanismi della sostituzione nucleofila [2] La scissione del legame avviene prima della formazione del nuovo legame. In questo scenario, il meccanismo presenta due stadi e si forma un carbocatione come intermedio. Dal momento che il primo stadio è quello cineticamente determinante, la velocità dipende dalla concentrazione solamente di RX; cioè, l’equazione della velocità è del primo ordine.

I meccanismi della sostituzione nucleofila Considerare la reazione [1]: I dati cinetici mostrano che la velocità della reazione [1] dipende dalla concentrazione di entrambi i reagenti, e questo suggerisce una reazione bimolecolare con un meccanismo a singolo stadio. Questo è un esempio di una meccanismo SN2 (sostituzione nucleofila bimoleculare).

I meccanismi della sostituzione nucleofila Considerare la reazione [2]: I dati cinetici mostrano che la velocità della reazione [2] dipende dalla concentrazione del solo alogenuro alchilico. Questo suggerisce un meccanismo a due stadi, in cui lo stadio cineticamente determinante coinvolge il solo alogenuro alchilico. Questo è un esempio di un meccanismo SN1 (sostituzione nucleofila monomolecolare).

I meccanismi della sostituzione nucleofila Il meccanismo di una reazione SN2 dovrebbe essere disegnato secondo l’esempio. Notare la notazione della freccia curva che è usata per mostrare lo spostamento degli elettroni.

I meccanismi della sostituzione nucleofila Figure 7.8 An energy diagram for the SN2 reaction:

I meccanismi della sostituzione nucleofila—Stereochimica Tutte le reazioni SN2 procedono con un attacco da retro da parte del nucleofilo, che provoca un’inversione della configurazione ad un centro stereogenico. Figure 7.9 Stereochemistry of the SN2 reaction

I meccanismi della sostituzione nucleofila—Stereochimica Figure 7.10 Two examples of inversion of configuration in the SN2 reaction

I meccanismi della sostituzione nucleofila Gli alogenuri metilici e 1° danno le reazioni SN2 con facilità. Gli alognuri 2° reagiscono più lentamente. Gli alogenuri 3° non danno reazioni SN2. Questo ordine di reattività può essere spiegato con effetti sterici. L’ingombro sterico causato dai voluminosi gruppi R rende più difficoltoso l’attacco nucleofilo da retro, rallentando la velocità.

I meccanismi della sostituzione nucleofila Le mappe di potenziale elettrostatico illustrano gli effetti dell’ingombro sterico attorno al carbonio che porta il gruppo uscente in una serie di alogenui alchilici. Figure 7.11 Steric effects in the SN2 reaction

I meccanismi della sostituzione nucleofila Maggiore è la Ea, più lenta è la velocità di reazione. Pertanto tutti i fattori che aumentano Ea diminuiscono la velocità di reazione. Figure 7.12 Two energy diagrams depicting the effect of steric hindrance in SN2 reactions

I meccanismi della sostituzione nucleofila Aumentare il numero di gruppi R sul carbonio recante il gruppo uscente aumenta la congestione sterica nello stato di transizione, diminuendo la velocità della reazione SN2. La reazione SN2 è più veloce con alogenuri non ingombrati.

I meccanismi della sostituzione nucleofila

I meccanismi della sostituzione nucleofila Le sostituzioni nucleofile sono importanti nei sistemi biologici. Questa reazione è chiamata metilazione perchè un gruppo CH3 viene trasferito da un composto (SAM) ad un altro (:Nu¯).

Figure 7.14 Adrenaline synthesis from noradrenaline in
response to stress

I meccanismi della sostituzione nucleofila Il meccanismo di una reazione SN1 dovrebbe essere disegnato come nell’esempio: Notare il formalismo della freccia curva che è usato per mostrare il movimento degli elettroni. Le caratteristiche chiave del meccanismo SN1 sono che presenta due stadi, e come intermedi reattivi si formano carbocationi.

I meccanismi della sostituzione nucleofila Figure 7.15 An energy diagram for the SN1 reaction:

I meccanismi della sostituzione nucleofila—Stereochimica Per comprendere la stereochimica della reazione SN1, dobbiamo esaminare la geometria del carbocatione intermedio.

I meccanismi della sostituzione nucleofila La perdita del gruppo uscente nello stadio [1] genera un carbocatione planare che è achirale. Nello stadio [2], l’attacco del nucleofilo può avvenire da entrambi i lati per fornire due prodotti che sono una coppia di enantiomeri. Dal momento che il nucleofilo non ha una direzione privilegiata di attacco, i due enantiomeri sono prodotti in ugual quantità, si forma cioè una miscela racemica. Si dice pertanto che è avvenuta una racemizzazione.

I meccanismi della sostituzione nucleofila Figure 7.16 Two examples of racemization in the SN1 reaction

I meccanismi della sostituzione nucleofila La velocità di una reazione SN1 è influenzata dal tipo di alogenuro coinvolto. Questo andamento è esattamente opposto a quello osservato nel meccanismo SN2.

I meccanismi della sostituzione nucleofila

Stabilità dei carbocationi L’effetto del tipo di alogenuro alchilico sulla velocità di una reazione SN1 può essere spiegato considerando la stabilità dei carbocationi. I carbocationi sono classificati come primari (1°), secondari (2°), o terziari (3°), a seconda del numero dei gruppi R legati all’atomo di carbonio carico positivamente. Al crescere del numero di gruppi R, la stabilità del carbocatione aumenta.

Stabilità dei carbocationi L’ordine della stabilità dei carbocationi può essere razionalizzata attraverso gli effetti induttivi e l’iperconiugazione. Gli effetti induttivi sono effetti elettronici che si trasmettono attraverso i legami . In particolare, l’effetto induttivo è lo spostamento di densità elettronica attraverso legami  causata dalle differenze di elettronegatività tra gli atomi. I gruppi alchilici sono gruppi elettron donatori che stabilizzano una carica positiva. Poichè un guppo alchilico ha molti legami , ciascuno contenente densità elettronica, è più polarizzabile di un atomo di idrogeno, e più capace di donare densità elettronica. In generale, maggiore il numero di gruppi alchilici legati ad un carbonio con una carica positiva, maggiore la stabilità del catione.

Stabilità dei carbocationi Figure 7.17 Electrostatic potential maps for differerent carbocations

Stabilità dei carbocationi L’ordine della stabilità dei carbocationi dipende anche dall’iperconiugazione. L’iperconiugazione è la dispersione della carica attraverso la sovrapposizione di un orbitale p vuoto con un legame  adiacente. Questa sovrapposizione (iperconiugazione) delocalizza la carica positiva del carbocatione, disperdendola su un volume maggiore, e questo stabilizza il carbocatione. Esempio: il CH3+ non può essere stabilizzato per iperconiugazione, mentre il (CH3)2CH+ sì.

Predire il possibile meccanismo di una reazione di sostituzione. Quattro fattori sono importanti nel predire se una data reazione possa procedere attraverso un meccanismo SN1 o SN2—Il più importante è la natura dell’alogenuro alchilico.

Predire il possibile meccanismo di una reazione di sostituzione. La natura del nucleofilo è un altro fattore. Nucleofili forti (che di solito portano una carica negativa) presenti in alte concentrazioni favoriscono le reazioni SN2. Nucleofili deboli, come H2O e ROH favoriscono le reazioni SN1 diminuendo la velocità di ogni reazione competitiva SN2. Confrontiamo i prodotti di sostituzione formati quando un alogenuro 2° A è trattato con il nucleofilo forte HO¯ o con il nucleofilo debole H2O. Poichè l’alogenuro 2° può reagire con entrambi i meccanismi, è la forza del nucleofilo a determinare quale meccanismo avrà luogo.

Predire il possibile meccanismo di una reazione di sostituzione. Il nucleofilo forte favorisce il meccanismo SN2. Il nucleofilo debole favorisce il meccanismo SN1.

Predire il possibile meccanismo di una reazione di sostituzione. Un miglior gruppo uscente fa aumentare la velocità sia della reazione SN1 sia di quella SN2.

Predire il possibile meccanismo di una reazione di sostituzione. La natura del solvente è il quarto fattore. I solventi polari protici come H2O e ROH favoriscono le reazioni SN1 poichè gli intermedi ionici (sia cationi che anioni) sono stabilizzati per solvatazione. I solventi polari aprotici favoriscono le reazioni SN2 poichè i nucleofili non sono ben solvatati, e di conseguenza, sono più nucleofili.

Predire il possibile meccanismo di una reazione di sostituzione.

Alogenuri vinilici e alogenuri arilici. Gli alogenuri vinilici ed arilici non subiscono le reazioni SN1 o SN2, perchè l’eterolisi del legame C—X formerebbe un catione vinilico o arilico altamente instabile. Figure 7.22 Vinyl halides and nucleophilic substitution mechanisms

Gli alogenuri alchilici e la sostituzione nucleofila

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