Reazioni di eliminazione dimolecolare E2 Quando in chimica si parla di reazioni di 'eliminazione' bisogna riferirsi al processo in cui un protone ed un gruppo uscente sono allontanati da atomi di carbonio adiacenti dando origine ad un legame p tra tali due atomi di carbonio. Nel caso specifico delle reazioni di eliminazione HX invece, si intende uno dei metodi di preparazione degli alcheni più noto ed utile sebbene abbastanza complesso, che avviene precisamente quando si fa reagire un alogenuro alchilico con una base forte (un nucleofilo è una molecola che nella reazione cede un doppietto elettronico) che abbia idrogeni in posizione ß (cioè che abbia un atomo di idrogeno legato ad un atomo di carbonio adiacente a quello che porta l'alogeno) e che porta quindi alla rimozione del protone e simultaneo allontanamento del gruppo uscente. Inoltre la velocità della reazione di ß-­‐eliminazione dipende dalla concentrazione sia dell'alogenuro alchilico che della base; è pertanto una reazione di secondo ordine: v= k [alogenuro] [base] Per tale motivo queso tipo di reazione viene identificata con la sigla E2 in cui E sta per eliminazione e 2 sta per secondo ordine. La reazione pertanto avviene in un unico stadio, non vengono prodotti composti intermedi e non si verificano trasposizioni nello scheletro idrocarbonico. Meccanismo di reazione: Il processo decorre in un unico stadio, attraverso uno stato di transizione nel quale inizia a formarsi il doppio legame e nel contempo i gruppi H e X si stanno allontanando(osservazioni sperimentali portano anche ad affermare che si verifica una trans-­‐eliminazione; essa viene ottenuta da una sistemazione coplanare sia degli atomi H e X che vengono eliminati, sia dei due atomi di C che formeranno il doppio legame). 1) La base(B) attacca un idrogeno adiacente iniziando a distaccarlo; allo stesso tempo il doppio legame inizia a formarsi ed il gruppo X ad uscire. 2) L'alchene neutro si forma dopo che il legame C-­‐H si è rotto completamente e il gruppo X si è allontanato con la coppia di elettroni del legame C-­‐X Nonostante l'eliminazione di HX dagli alogenuri alchilici sia un metodo molto avanzato ed efficente tale processo è caratterizzato da alcune asperità. Dapprima si riscontra un problema di natura regiochimica, infatti quale prodotto si otterrà dalla perdita di HX da un alogenuro alchilico? A questa domanda ci risponde la regola di Alexander Zaitsev che formulò nel 1875 la regola secondo cui reazioni di eliminazione, indotte dalle basi, generalmente danno come prodotto l'alchene più sostituito( con cui si intende l’alchene con minor numero di atomi di idrogeno sui carboni impegnati nel doppio legame e quindi col maggior numero di sostituenti su esso) Questo anche perché l’alchene più è sostituito, più risulta stabile. Di conseguenza la regioselettività di una reazione E2 è determinata, dalle stabilità relativa degli stati di transizione: infatti, il complesso attivato per la formazione di un alchene rassomiglia nella struttura all’alchene stesso e viene, quindi, stabilizzato dagli stessi fattori che stabilizzano l’alchene. Ad esempio, nel caso del 2-­‐bromobutano la base ha due differenti punti di attacco per estrarre un protone e dare come prodotti gli alcheni . N.B. una reazione si dice regioselettiva se fornisce in maniera predominante un isomero costituzionale di un solo tipo. Abbiamo notato quindi che i doppi legami carbonio-­‐carbonio vengono stabilizzati (termodinamicamente) da sostituenti alchilici, e che questa stabilizzazione si potrebbe valutare con appropriate misure del calore di idrogenazione. Poiché lo stato di transizione di E2 possiede un significativo carattere di doppi legame carbonio-­‐carbonio, le differenze di stabilità degli alcheni si rifletterà negli stati di transizione delle reazioni di eliminazione, e quindi nell'energia di attivazione degli stadi determinanti per la velocità. Da questa considerazione vediamo che se due o più alcheni possono essere generati da una reazione di eliminazione E2, l'alchene più stabile si formerà molto più rapidamente e diventerà, quindi, il prodotto predominante. Quanto detto è illustrato per il 2-­‐bromometano, dal diagramma di energia in basso. La propensione delle eliminazioni E2 a fornire come prodotto l'alchene più stabile influenza anche la distribuzione dei prodotti stereomerici. Nella eliminazione del 2-­‐bromobutano, ad es., troviamo che il rapporto tra trans-­‐2-­‐butene e cis-­‐2-­‐butene è di 6:1. 2) STEREOCHIMICA DELLE REAZIONI E2 Le reazioni di eliminazione E2 di certi alogenuri cicloalchilici isomerici, mostrano velocità e regioselettività inusuali, che non sono spiegate in base ai principi finora discussi. Per esempio, il trans-­‐2-­‐metil-­‐1-­‐clorocicloesano reagisce con KOH, in soluzione alcolica, molto più lentamente del suo isomero cis. Inoltre, il prodotto di eliminazione dell'isomero trans è il 3-­‐metilcicloesene (non previsto dalla regola di Zaitsev), mentre l'isomero cis dà il previsto 1-­‐metilcicloesene, come prodotto principale Queste differenze sono dalla prima delle due reazioni, nel diagramma seguente. A differenza delle strutture a catena aperta, i composti ciclici limitano generalmente l'orientazione spaziale dei sostituenti anulari a relativamente poche disposizioni. Conseguentemente, le reazioni condotte su tali substrati spesso ci forniscono informazioni circa l'orientazione preferenziale di specie reagenti nello stato si transizione. Gli stereoisomeri sono particolarmente adatti in tale contesto, per cui i risultati qui mostrati contengono importanti informazioni sullo stato di transizione E2. L'interpretazione più sensata delle reazioni di eliminazione degli alocicloalcani 2-­‐ e 4-­‐sostituiti è che questa reazione preferisce un'orientazione anti dell'alogeno ed il beta-­‐idrogeno che viene attaccato dalla base. Queste orientazioni di tipo anti sono colorate in rosso nelle equazioni di cui sopra. I composti qui presenti sono tutti con anelli a sei membri, per cui l'orientazione anti dei gruppi richiede che essi assumano una una conformazione biassiale. Le differenze del tasso di produzione osservate sono il risultato di una preferenza sterica per l'orientazione equatoriale dei grandi sostituenti, che riduce la concentrazione effettiva dei conformeri aventi un alogeno assiale. Nel caso degli isomeri dell'1-­‐bromo-­‐4-­‐tert-­‐
butilcicloesano, il gruppo tert-­‐butile è così grande che assumerà sempre l'orientazione equatoriale, lasciando il bromo assiale nell'isomero cis ed equatoriale in quello trans. A causa della simmetria, i due atomi d'idrogeno beta, assiali, nell'isomero cis reagiscono in ugual modo con una base, con il risultato di ottenere una rapida eliminazione dello stesso alchene (in realtà, una miscela racemica). Questo riflette la costante orientazione anti di questi atomi d'idrogeno rispetto all'atomo di cloro. Per assumere una conformazione con il bromo assiale, l'isomero trans deve tollerare serie distorsioni d'affollamento. Tali conformeri sono dunque presenti in concentrazioni estremamente basse, e la velocità dell'eliminazione è molto lenta. Invero, predomina la reazione di sostituzione dall'anione idrossido. Una simile analisi degli isomeri dell'1-­‐cloro-­‐2-­‐metilcicloesano spiega le differenze di entrambe la velocità che la regioselettività. Sia il cloro che i gruppi metilici possono assumere una orientazione equatoriale in una conformazione a sedia dell'isomero trans, come mostrato nella prima equazione. Il cloro assiale necessario per la reazione di eliminazione E2 è presente solo nel meno stabile conformero a sedia alternativo, ma questa struttura ha soltanto un idrogeno beta assiale (colorato in rosso), e l'eliminazione che ne risulta fornisce il 3-­‐
metilcicloesene. Nell'isomero cis, il più piccolo atomo di cloro assume una posizione assiale nella più stabile conformazione a sedia dove vi sono due atomi d'idrogeno beta assiali. Il più stabile 1-­‐metilcicloesene è quindi il prodotto predominante, e la velocità globale è relativamente alta. Notare che la base attacca l'alogenuro alchilico dal lato opposto dell'alogeno, proprio come nel meccanismo SN2. In questo disegno, gli atomi carbonio α e β sono sottoposti ad una reibridizzazione da sp3 a sp2 e lo sviluppo del legame π è disegnato con linee tratteggiate di colore blu. Il simbolo R rappresenta un gruppo alchilico o un idrogeno. Dal momento che sia la base che l'alogenuro alchilico sono presenti nello stato di transizione, la reazione è bimolecolare ed esibisce una cinetica del secondo ordine. Dovremmo notare, tra parentesi, che uno stato di transizione sin dovrebbe anche fornire una buona sovrapposizione di orbitali per l'eliminazione, ed in alcuni casi, dove una orientazione anti è impedita da vincoli strutturali, è stata osservata l'eliminazione sin. E' anche degno di nota che gli stati di transizione anti sono stati i preferiti in diverse reazioni di addizione degli alcheni, per cui vi è un'interessante simmetria in queste trasformazioni d'inversione strutturale. 3) STEREOSELETTIVITA' Oltre ad essere regioselettive, le reazioni di ß-­‐eliminazione sono anche stereoselettive. Nel caso in cui si possano formare gli stereoisomeri cis/trans, in genere si forma in maggior quantità l'isomero trans (E). Se consideriamo ad esempio l'alogenuro RCH2CHR'X possiamo notare che la necessità di una conformazione anti-­‐coplanare e il minor livello di energia che risulta quando R e R' sono anti invece che gauche, operano insieme e possono spiegare perchè si ha predominante formazione dell'isomero trans: