Reattività degli alogenuri
alchilici
1
• 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.
d+
d+
H
H
C
C
H
H
d+
X
d-
d+
2
• 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
H
Nu
C
C
X
H
H
Nu
3
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.
5
6
• 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:
Ph
H3C
Ph
C
Br
H3CH2C
(S)-2-Fenil2-Bromobutano
CH3
C +
CH2CH3
H2O
Ph
H3C
CH3
HO
C
+
CH2CH3
(R)-2-Fenil2-Bromobutano
Ph
C
OH
H3CH2C
(S)-2-Fenil2-Bromobutano
8
9
Vediamola all’opera…
10
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 b, lasciando il doppietto sul
carbonio stesso. Immediatamente il doppietto si
sposta a formare un doppio legame carboniocarbonio:
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• 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 %
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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-
16
Vediamo la E1 all’opera…
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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-]
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• Si ha dunque l’ingresso del nucleofilo
contemporaneo all’allontanamento del
gruppo uscente.
19
• 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.
21
• 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.
d-
O
S
d+
CH3
CH3
d- d+
CH3-O-H
Nu-
23
24
Vediamo la SN2 in azione…
25
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
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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 b 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.
CH3
B:
CH3
CH3
C
CH3
Br
B:
B:
C
C
Br
Br
H
CH3
CH3
H
H
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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.
CH3
CH2CH3
H
CH3
CH3
B:
C
C
C
C
CH2CH3
CH3CH2
CH3
Br
CH2CH3
cis-3-esene
CH2CH3
H
CH3
B:
C
CH3
CH2CH3
C
C
C
CH3
CH3CH2
CH3
CH2CH3
Br
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…
31
O anche…
32
E adesso?
33
• 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
H2O, RSH,
ROH
I-, Br-,
CH3COO-
Base forte non
Base forte
impedita
impedita
stericamente
stericamente
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
SN1, E1
SN1, E1
E2
E2
SN1
SN1
SN1
SN1
terziario
benzilico o
allilico
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O anche…
Gruppo
Alchilico
metilico
Nucleof.
debole
Ogni
altro
attaccante
H2O
RSH
ROH
solvente
Nucleof.
base
forte ma
ingomb
base
rante
debole
terzbutilato
polare
aprotico
temperatura
NON
meccanismo
REAGISC
prevalente
E
primario
SN2
I-, Br-,
CH3COO-
secondario
terziario
Nucleof.
Nucleof.
nucle
base
forte ma base
Debole
Debol
forte
base
forte
e
debole
OH-,
RO-
H2O
RSH
ROH
I-, BrOH-,
CH3COO RO-
Benzilic
oo
allilico
Tutti
H2O
RSH
ROH
polare
poco
polare poco polare polare poco
protic
polare aprotico polare protico aprotico polare
o
alta
bassa
alta
bassa
(alta)
bassa
alta
bassa
(alta)
E2
SN2
E2
SN1
(E1)
SN2
E2
SN1
SN1
(E1)
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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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Al lavoro, con un po’ di esercizi
Cosa si ottiene da…
CH3
CH3CHCH2Br
DMSO
+
I-
• Alogenuro primario
• Solvente aprotico
• Nucleofilo forte/base debole
• SN2
CH3
CH3CHCH2I
38
E questo?
Cosa si ottiene da…
Br
CH3CHCH2CH3 + CH3
S-
acetone
• Alogenuro secondario
• Solvente aprotico
• Nucleofilo forte/base debole
• SN2
SCH3
CH3CHCH2CH3
Con inversione
39
E ancora…
• Cosa si ottiene da
Cl
+
CH3OH
CH3OH
• Alogenuro secondario
• Solvente protico
• Nucleofilo debole
• SN1/ E1
OCH3
+
40
Stanchi?
Cosa si ottiene da…
Cl
CH3CCH2CH3
+
OH-
acqua
CH3
• Alogenuro terziario
• Solvente protico
• Nucleofilo forte/base forte
• E2
(CH3)2C=CHCH3 prevalente
CH2=C(CH2CH3)CH3
41
Vediamo questo
Cosa si ottiene da…
Cl
CH3CHCH2CH3
+
CH3OH/H2O T bassa
• Alogenuro secondario
• Solvente protico
• Nucleofilo debole
• SN1
OH
CH3CHCH2CH3
OCH3
+
CH3CHCH2CH3
Con racemizzazione
42
Eh sì, dai, e dopo…
Cosa si ottiene da…
Cl
CH3CHCCH2CH=CH2
+
OH-
acqua
CH3CH3
• Alogenuro terziario
• Solvente protico
• Nucleofilo forte/base forte
• E2
(CH3)2CH (CH3)C=CHCH=CH2
(CH3)2C=C(CH3)CH2CH=CH2
Prevalente. Perché?
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Veloci che è l’ultimo…
• Cosa si ottiene da
Cl
+
acetone
I-
CH3
• Alogenuro secondario
• Solvente aprotico
• Nucleofilo forte/base debole
• SN2
I
CH3
44
Ci arrabbiamo se ne
arriva ancora uno?
Cosa si ottiene da…
Br
CH3CH2CHCH2CH3 + CH3
O-
CH3OH
• Alogenuro secondario
• Solvente protico
• Nucleofilo forte/base forte
• E2
CH3CH2CH=CHCH3
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