SOSTITUZIONI NUCLEOFILE
H
H
H
H
+ HBr
H
H
OH
+ H2O
Br
SUBSTRATI
alogenuri, eteri, epossidi, esteri solfonici
Possibili meccanismi
SN1, SN2, SN2’, Sni
1
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Generalità
Gruppo uscente (LG) deve essere una base debole (X-, H2O, R2S)
Il carbonio in α al gruppo uscente diviene un miglior
elettrofilo grazie alla sostituzione con il LG
SO2R
C
δ+
Cl
δ−
C
δ+
O
δ−
Me
H
C
δ+
O
δ−
C
δ+
S
Me
polarizzazione del legame CC-LG
Le reazioni avvengono con un ben determinato decorso
stereochimico
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2
1
Nei reagenti è sempre presente un eteroatomo
(O, X, S) legato ad un atomo di carbonio
ibridizzato sp3. Il gruppo contenente
l’eteroatomo viene chiamato gruppo uscente
In tutte le reazioni è presente un nucleofilo
nucleofilo..
I nucleofili sono specie neutre o anioniche con
un doppietto elettronico non condiviso che
reagisce con la molecola di substrato
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3
Nelle reazioni di sostituzioni di derivati alifatici
un nucleofilo sostituisce un gruppo uscente
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4
2
Legame CC-LG polarizzato
Gruppo uscente base debole
Il doppietto elettronico del nucleofilo
è attratto dal carbonio elettrofilo
... portando alla sostituzione del LG Br- da
parte di X-. Br- è una base debole
Anche negli alcoli il carbonio è
elettrofilo
ma l’OH- non è una base debole
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5
Come fare di un OH- un buon gruppo uscente?
Lo si trasforma nel corrispondente
ESTERE SOLFONICO
O
O
Me
O
S
O
Ione metansolfonato
((mesilato))
O
F3C
O
S
O
S
O
O
Trifluorometansolfonato
((triflato)
f
)
p-Toluensolfonato
((tosilato))
Bontà LG: I- > RSO3- > Br- > Cl- >> RCOO6
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3
Buoni gruppi uscenti
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Gruppi uscenti dopo attivazione in situ
LA= Acido di Lewis
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4
Cattivi gruppi uscenti o non gruppi uscenti
Il nucleofilo reagisce ma non fornisce una SN
Può deprotonare il gruppo R o attaccare il gruppo funzionale
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Nucleofilo
I nucleofili sono specie neutre o anioniche con
un doppietto elettronico non condiviso che
reagisce con la molecola di substrato
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5
NUCLEOFILI
Anioni:
I-, Br-, Cl-, F-, OH-, RO-, RS-, R3C-, RCOO-
Molecole neutre: R3N:, R3P:, H2S, RSH, R2S
Reagente
Nucleofilo
Reagente
Nucleofilo
HBr
Br-
NaN3
N3-
HCl
Cl-
NaCN, KCN
CN-
HI
I-
NH3
:NH3
H2O
H2O:
NHR2
:NHR2
NaOH KOH
NaOH,
OH-
PBr3
Br-
NaOCH3
CH3O-
Ph3P
Ph3P:
NaOCH2CH3
CH3CH2O-
NaSCH3
CH3S-
KOC(CH3)3
(CH3)3O-
NaSPh
PhS-
NaOPh, KOPh
PhO-
NaSePh
PhSe-
KOAc
AcO-
LiAlH4
H-
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Reazioni di sostituzione nucleofila
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La nucleofilicità dipende da:
Una specie carica negativamente è più nucleofila della sua
controparte
t
t neutra
t
OH- > H2O
Per un determinato tipo di atomo e carica, la nucleofilicità
è proporzionale alla basicità: EtO-> OH-> PhO-> CH3COO-
Queste scale di reattività vengono determinate
attraverso esperimenti competitivi
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Nucleofilicità/Basicità
Per un determinato tipo di atomo la nucleofilicità è proporzionale alla basicità:
RO->OH->PhO-> RCOO->> ROH>H2O>>>RSO32009 - G. Licini, Università di Padova. La riproduzione a fini commerciali è vietata
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7
Effetti sterici possono ridurre la nucleofilicità:
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Per ogni gruppo della tavola periodica la nucleofilicità
cresce al decrescere della elettronegatività dell’atomo
Sia all’interno dello stesso periodo della tavola periodica:
Sia l’interno dello stesso gruppo della tavola periodica:
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Definizione dei tipo di atomi di carbonio:
sp3-sp3
primario
primario
secondario
terziario
sp2-sp3
primario
benzil cloruro
primario
alcol benzilico
primario
allil bromuro
terziario
alcol allilico
sp2
aril bromuro
fenolo
vinil cloruro
Alcol vinilico
(instabile)
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Le reazioni di sostituzione nucleofila di un
alchil alogenuro può avvenire con due tipi di
meccanismi:
In una la velocità di reazione dipende
p
sia del substrato che
dal nucleofilo
Meccanismo bimolecolare
Nell’altra è indipendente dalla concentrazione del nucleofilo
Meccanismo unimolecolare
La struttura del substrato ha un’elevata influenza sul tipo
di meccanismo che si osserva
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9
Alogenuri terziari e benzilici reagiscono attraverso processi in cui la
concentrazione del nucleofilo non è rilavante.
Queste reazioni si indicano SN1
SOSTITUZIONE NUCLEOFILA UNIMOLECOLARE
Alogenuri metilici, primari e molti secondari reagiscono con nucleofili
attraverso un processo bimolecolare.
Queste reazioni si indicano SN2
SOSTITUZIONE NUCLEOFILA BIMOLECOLARE
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Passaggi chiave:
Rottura del legame tra l’atomo di carbonio e il gruppo uscente
Formazione del legame tra il carbonio e il nucleofilo
passaggio lento
Nel primo passaggio il LG ((Br
Br-)
dissocia insieme al doppietto
elettronico
L’atomo di carbonio rimane con sei
elettroni e quindi diventa planare
passaggio veloce
Nel secondo passaggio, il nucleofilo reagisce con il
carbocatione generando un nuovo legame
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10
Uso di diversi nucleofili in
reazioni SN1
Piridina miglior nucleofilo
della Et3N
Esperimento competitivo:
Prodotto maggioritario
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Il processo SN1 è favorito da:
1 Molecole che favoriscono la formazione di
1.
carbocationi
2. Uso di nucleofili deboli, spesso molecole neutre
3. Uso di solventi polari che stabilizzano l’intermedio
carico
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11
Solventi polari:
I solventi polari, mediante la formazione di legami idrogeno,
assistono l’uscita del gruppo uscente e stabilizzano le specie
ioniche che si formano (carbocatione e anione)
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REAZIONI DI SOLVOLISI
il solvente stesso è il nucleofilo (specie neutra)
reazione acidoacido-base 24
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Scrivere un meccanismo ragionevole per la seguente solvolisi (indicando con
frecce il movimento degli elettroni)
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Esercizio. Scrivere un meccanismo ragionevole per la seguente solvolisi
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13
LA FORMAZIONE DEL CARBOCATIONE DIPENDE DA: 1. Ingombro
sterico, 2.Stabilizzazione per delocalizzazione o iperconiugazione
Catione benzilico
Catione allilico
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Stabilizzazione per risonanza di eteroatomi
C’è overlap tra un orbitale p dell’ossigeno
e l’orbitale p del carbocatione
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Stabilizzazione per iperconiugazione - Sistemi alifatici
Minor ingombro sterico (sp2)
specie a più elevata energia (6 e-)
Effetti induttivi
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Iperconiugazione: delocalizzazzione di elettroni
attraverso legami sigma
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terz-Butil carbocatione
Più un carbocatione è sostituito più è stabile
Minore overlap
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16
terz-Butil carbocatione:
carbocatione:
Scrivere le forme di risonanza
Disporre i seguenti carbocationi in ordine di stabilità (dal più al meno stabile)
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Passaggi chiave:
Rottura del legame tra l’atomo di carbonio e il gruppo uscente
Formazione del legame tra il carbonio e il nucleofilo
passaggio lento
Nel primo passaggio il LG (Br-)
dissocia insieme al doppietto
elettronico
L’atomo di carbonio rimane con sei
elettroni e quindi diventa planare
passaggio veloce
Nel secondo passaggio, il nucleofilo reagisce con il
carbocatione generando un nuovo legame
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Postulato di Hammond
La struttura dello stato di transizione è simile alla
specie (reagente o prodotto) più vicina in energia
Processo esotermico
Processo endotermico
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19
Quali di questi bromoalcani vi aspettate reagisca via SN1 più velocemente?
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Reattività dei carbocationi
1. Sostituzione
2. Eliminazione
3. Addizione
4. Riarrangiamento
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20
Riarrangiamenti di WagnerWagner-Meerwein
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42
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Decorso stereochimico di una reazione SN1
Produzione di prodotti racemi a partire da reagenti enantiopuri
Br
I
Et
Me
Ph
NaI
Me
Ph
Me
Et
Ph
Et
+
(RS)
I
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44
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Decorso stereochimico di una reazione SN1
Produzione di prodotti parzialmente racemizzati a partire da reagenti enantiopuri
45
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Effetto solvente nelle SN1
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23
Energia libera di eterolisi di un agente alchilante
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Ciclo termodinamico per calcolare l’energia libera
per l’eterolisi di alchil bromuri in soluzione
Reazioni veloci in solventi polari
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Solventi polari aprotici
O
O
O
S
H
H3C
CH3
Dimetilsolfossido
(DMSO)
CH3
N
N
N
O
CH3
Dimetilformammide
(DMF)
Tetraidrofurano
(THF)
H3C
O
N,N’N,N’
-dimetilpropilenurea
(DMPU)
CH3
Dietiletere
(etere)
O
H3C
CH3
Acetone
H3C
C
N
Acetonitrile
NM2
O
H3C
O
Dimetossietano
(DME)
CH3
O
P
NMe2
NMe2
Esametilforsforotriamide
(HMPA)
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Che prodotti si formano?
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