Reattività degli alogenuri alchilici

1. Reattività degli alogenuri alchilici

2. H H C C X H H d+ d+ d- d+ d+ • 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.

3. H H Nu C C X H H Nu • 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)

4. 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

5. 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.

7. 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.

8. 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.

10. Vediamola all’opera…

11. 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:

12. 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 carbonio-carbonio:

13. 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 %

14. 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.

15. Importanza del gruppo uscente • Il gruppo uscente è tanto migliore quanto • ha una minore densità di carica • L’anione è poco basico

16. 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-

17. Vediamo la E1 all’opera…

18. 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-]

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

20. 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.

21. 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.

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

23. d- O S d+ CH3 CH3 • 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.

25. Vediamo la SN2 in azione…

26. 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

27. Confronto dei meccanismi

28. 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.

29. CH3 CH3 CH3 C C C Br Br Br B: B: CH3 CH3 H B: H CH3 H • 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.

30. CH2CH3 H CH3 CH2CH3 CH3 B: C C C C CH3 CH3 CH3 CH3CH2 CH3 CH3 H C C CH2CH3 Br trans-3-esene CH2CH3 B: CH2CH3 CH3CH2 C C CH3 Br CH2CH3 • Inoltre la base e il gruppo uscente si pongono da parti opposte dello stesso piano determinando così quale isomero geometrico si ottiene. cis-3-esene • Anche in questo caso, come nella E1, si forma sempre l’alchene più sostituito (Saytzeff).

31. Vediamo una E2 all’opera…

32. O anche…

33. E adesso?

34. 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

36. O anche…

37. 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

38. Al lavoro, con un po’ di esercizi CH3 CH3CHCH2I Cosa si ottiene da… CH3 DMSO CH3CHCH2Br + I- • Alogenuro primario • Solvente aprotico • Nucleofilo forte/base debole • SN2

39. SCH3 CH3CHCH2CH3 Con inversione E questo? Cosa si ottiene da… Br acetone + CH3S- CH3CHCH2CH3 • Alogenuro secondario • Solvente aprotico • Nucleofilo forte/base debole • SN2

40. Cl OCH3 + E ancora… • Cosa si ottiene da CH3OH + CH3OH • Alogenuro secondario • Solvente protico • Nucleofilo debole • SN1/ E1

41. Cl CH3CCH2CH3 CH3 Stanchi? Cosa si ottiene da… acqua + OH- • Alogenuro terziario • Solvente protico • Nucleofilo forte/base forte • E2 (CH3)2C=CHCH3 prevalente CH2=C(CH2CH3)CH3

42. OH OCH3 CH3CHCH2CH3 + CH3CHCH2CH3 Con racemizzazione Vediamo questo Cosa si ottiene da… Cl CH3CHCH2CH3 + CH3OH/H2O T bassa • Alogenuro secondario • Solvente protico • Nucleofilo debole • SN1

43. (CH3)2CH(CH3)C=CHCH=CH2 Prevalente. Perché? (CH3)2C=C(CH3)CH2CH=CH2 Eh sì, dai, e dopo… Cosa si ottiene da… Cl acqua + OH- CH3CHCCH2CH=CH2 CH3 CH3 • Alogenuro terziario • Solvente protico • Nucleofilo forte/base forte • E2

44. I CH3 Veloci che è l’ultimo… • Cosa si ottiene da Cl acetone + I- CH3 • Alogenuro secondario • Solvente aprotico • Nucleofilo forte/base debole • SN2

45. Ci arrabbiamo se ne arriva ancora uno? Cosa si ottiene da… Br CH3OH + CH3O- CH3CH2CHCH2CH3 • Alogenuro secondario • Solvente protico • Nucleofilo forte/base forte • E2 CH3CH2CH=CHCH3