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Reattività degli alogenuri alchilici

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• 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 , siano polarizzati a favore dei rispettivi carboni.

H H

H H

C C X

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• 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 con contemporanea formazione di un doppio legame carbonio-carbonio e uscita dello ione alogenuro (eliminazione)

H H

H H

C C X

Nu

Nu

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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

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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.

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• 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.

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• 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.

2) Stereochimica delle reazioni con racemizzazione all'atomo di carbonio che subisce l'attacco nucleofilo:

C Br

H3CH2C

H3C

PhC

CH2CH3

CH3

Ph

HO +

(S)-2-Fenil-2-Bromobutano

(R)-2-Fenil-2-Bromobutano

C

Ph CH3

CH2CH3

+

H2O

C OH

H3CH2C

H3C

Ph

(S)-2-Fenil-2-Bromobutano

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10

Vediamola all’opera…

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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:

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

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I

+ CH3O- →

63 %

19 %

18 %

• 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.

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• 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.

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Importanza del gruppo uscente

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

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• 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-

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Vediamo la E1 all’opera…

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• 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-]

Meccanismi bimolecolari: sostituzione nucleofila bimolecolare

(SN2)

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

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• 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.

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• 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.

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

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• 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 CH3

CH3-O-H Nu-

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25

Vediamo la SN2 in azione…

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Confronto SN1 con SN2

• Per una SN2 occorre un nucleofilo di buona forza

• Alogenuri alchilici

metilico primario secondario terziario

Tendenza alla SN1

Tendenza alla SN2

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Confronto dei meccanismi

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Meccanismi bimolecolari: eliminazione bimolecolare

(E2) • Quando un nucleofilo ha buone caratteristiche

basiche, strappa l’idrogeno in consentendo così al doppietto che rimane sul carbonio di formare un doppio legame e di allontanare l’alogenuro.

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• 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

CH3

CH3

C Br

CH3

H

CH3

C Br

CH3

H

H

B: B:

B:

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• Inoltre la base e il gruppo uscente si pongono da parti opposte dello stesso piano determinando così quale isomero geometrico si ottiene.

C C

CH2CH3

CH2CH3

CH3

Br

CH3H

B:C C

CH2CH3CH3CH2

CH3 CH3

cis-3-esene

C C

CH3

CH2CH3

CH3

Br

CH2CH3H

B:C C

CH3CH3CH2

CH3 CH2CH3

trans-3-esene

• Anche in questo caso, come nella E1, si forma sempre l’alchene più sostituito (Saytzeff).

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Vediamo una E2 all’opera…

32

O anche…

33

E adesso?

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• 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

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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 SN2 SN2

primario non impedito stericamente

NON REAGISCE SN2 SN2 E2

primario impedito stericamente

NON REAGISCE SN2 E2 E2

secondario SN1 lenta, E1 SN2 E2 E2

terziario SN1, E1 SN1, E1 E2 E2

benzilico o allilico

SN1 SN1 SN1 SN1

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O anche…

GruppoAlchilico

metilico primario secondario terziarioBenzilic

o o allilico

attaccante

Nucleof.debole

H2O

RSHROH

Ogni altro

base ingomb

rante

terz-butilato

Nucleof. forte ma

base debole

I-, Br-, CH3COO-

base forte

OH-, RO-

Nucleof.Debole

H2O

RSHROH

Nucleof. forte ma

base debole

I-, Br-

CH3COO-

base forte

OH-, RO-

nucleDebol

e

H2O

RSHROH

Tutti

solventepolare

aproticopoco

polare polare

aproticopoco

polarepolareprotico

polareaprotico

poco polare

polareprotic

o

temperatura alta bassa altabassa (alta)

bassa altabassa (alta)

meccanismo prevalente

NONREAGISC

ESN2 E2 SN2 E2

SN1

(E1)SN2 E2

SN1

(E1)SN1

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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

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Cosa si ottiene da…

CH3CHCH2Br

CH3

I-+

• Alogenuro primario

• Solvente aprotico

• Nucleofilo forte/base debole

• SN2CH3CHCH2I

CH3

DMSO

Al lavoro, con un po’ di esercizi

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E questo?Cosa si ottiene da…

CH3CHCH2CH3

Br

CH3S-+

• Alogenuro secondario

• Solvente aprotico• Nucleofilo forte/base debole

• SN2CH3CHCH2CH3

SCH3

Con inversione

acetone

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E ancora…• Cosa si ottiene da

CH3OH+

• Alogenuro secondario

• Solvente protico• Nucleofilo debole

• SN1/ E1

CH3OHCl

OCH3

+

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Stanchi?Cosa si ottiene da…

OH-+

• Alogenuro terziario• Solvente protico

• E2 (CH3)2C=CHCH3 prevalente

CH3CCH2CH3

Cl

CH3

• Nucleofilo forte/base forte

acqua

CH2=C(CH2CH3)CH3

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Cosa si ottiene da…

CH3CHCH2CH3

Cl

CH3OH/H2O T bassa+

• Alogenuro secondario

• Solvente protico

• Nucleofilo debole

• SN1 CH3CHCH2CH3CH3CHCH2CH3

OH

+

OCH3

Con racemizzazione

Vediamo questo

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Eh sì, dai, e dopo…Cosa si ottiene da…

+

• Alogenuro terziario• Solvente protico

• E2

CH3CHCCH2CH=CH2

Cl

CH3

• Nucleofilo forte/base forte

CH3

OH-

(CH3)2CH (CH3)C=CHCH=CH2

(CH3)2C=C(CH3)CH2CH=CH2

Prevalente. Perché?

acqua

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Veloci che è l’ultimo…• Cosa si ottiene da

I-+

• SN2

acetoneCl

• Alogenuro secondario

• Solvente aprotico• Nucleofilo forte/base debole

CH3

I

CH3

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Ci arrabbiamo se ne arriva ancora uno?

Cosa si ottiene da…

CH3CH2CHCH2CH3

Br

CH3O-+

• Alogenuro secondario

• Solvente protico• Nucleofilo forte/base forte

• E2 CH3CH2CH=CHCH3

CH3OH