Tutti i composti che, come gli alogenuri, hanno un atomo elettronegativo o un gruppo elettron-attrattore legato
ad un carbonio sp3, danno queste reazioni.
Nel corso di queste reazioni, un atomo o un gruppo di atomi (Gruppo Uscente) viene sostituito o eliminato
insieme ad un idrogeno
Esistono 2 possibili meccanismi:
a) meccanismo sincrono di formazione del legame C-Nu e rottura del legame C-X (reazione SN2).
b) meccanismo a due stadi: rottura eterolitica del legame C-X e formazione di un carbocatione.
Conseguente attacco del nucleofilo (reazione SN1).
SN2 SN1
Reazioni di sostituzione nucleofila (SN) : SN2
Il Nu è attratto dalla parziale carica positiva del carbonio e si avvicina. Appena si inizia a formare un nuovo legame tra Nu-C, il legame C-alogeno si rompe in maniera eterolitica. I due processi sono CONCERTATI; cioè rottura e formazione del legame avvengono simultaneamente, in un solo stadio.
S
N2
H
H H
H
H H
• Quando un alogenuro reagisce con un nucleofilo questo meccanismo, la velocità della reazione dipende dalle concentrazioni di entrambi
• La legge cinetica è la seguente
v= k [alogenoalcano] [Nucleofilo]
La reazione è del secondo ordine globale.
Meccanismi bimolecolari: sostituzione nucleofila bimolecolare (SN2)
S sostituzione N nucleofila
2 bimolecolare (i due reagenti sono coinvolti nello stadio che determina la velocità della reazione
La reazione SN2 avviene in un solo stadio attraverso un meccanismo concertato. Si ha l’ingresso del nucleofilo contemporaneamente all’allontanamento del gruppo uscente.
Il Meccanismo S n 2
Quindi sia il Nu che l’alogenuro alchilico partecipano alla formazione della stato di transizione, e quindi non si passa attraverso intermedi.
Nello stato di transizione il carbonio è pentacoordinato: forma 3 legami completi e 2 legami parziali. E’ quindi chiaramente una specie molto affollata. Con il progredire della reazione il Nu si avvicina sempre più al carbonio, il bromo si allontana sempre più. Alla fine il legame tra C-Nu risulterà pienamente formato, il legame tra C-Br sarà completamente rotto ed il C tornerà ad essere tetraedrico.
H H H
H H
H
H H H
7
Vediamo la SN2 in azione…
https://www.youtube.com/watch?v=TnY1S5IdVqI
Diagramma Energetico per una Reazione che Decorre con Meccanismo S
n2
Stato di transizione con simultanea rottura e formazione di legami
Ea
Stereochimica della reazione S
N2
Il Nu (OH-) attacca il C elettrofilo dal lato opposto rispetto al gruppo uscente. Questo perché il gruppo uscente blocca l’avvicinamento del Nu dalla parte frontale della molecola.
Quando la sostituzione avviene su un alogenuro alchilico chirale, il prodotto, se anch’esso chirale, ha la configurazione invertita rispetto a quella del reagente
Il decorso stereochimico della reazione indica che essa procede con inversione di configurazione; l’attacco del nucleofilo avviene dal lato opposto a quello del gruppo uscente (attacco da retro)
Fattori che influenzano le reazioni S
N2
-La struttura dell’alogenuro alchilico
-La natura del gruppo uscente -La forza del nucleofilo
-Il solvente in cui avviene la reazione
I composti che danno più facilmente la SN2 sono gli alogenuri meno ingombrati. Gli alogenuri terziari sono quelli che reagiscono meno velocemente mentre quelli metilici sono quelli più favoriti.
Poiché il Nu attacca il carbonio dal lato opposto del gruppo uscente, sostituenti ingombranti legati al carbonio rendono più difficile per un Nu l’accesso al carbonio. Cioè maggiore è l’affollamento al carbonio che subisce sostituzione, maggiore è l’energia di attivazione, più lenta è la reazione.
Struttura dell’alogenuro alchilico: grado si
sostituzione alchilica
La presenza di gruppi alchilici al carbonio che subisce la sostituzione (carbonio a) ed anche sul carbonio b rallenta la reazione in quanto aumenta il contenuto energetico dello stato di transizione e, di conseguenza, l’energia di attivazione.
Fattori che influenzano le reazioni S
N2
-La struttura dell’alogenuro alchilico
-La natura del gruppo uscente -La forza del nucleofilo
-Il solvente in cui avviene la reazione
-Natura del Gruppo Uscente
Sperimentalmente si osserva …
-Quanto più è stabile come anione, più aumenta la capacità di agire come gruppo uscente.
-Gli anioni più stabili, perciò buoni gruppi
uscenti sono le basi deboli (basi coniugate di
acidi forti).
Quanto più scarsa è la basicità di un gruppo, tanto maggiore è la sua tendenza a fungere da gruppo uscente
Fattori che influenzano le reazioni S
N2
-La struttura dell’alogenuro alchilico
-La natura del gruppo uscente -La forza del nucleofilo
-Il solvente in cui avviene la reazione
Natura del nucleofilo
Perchè avvenga una SN2 occorre un buon nucleofilo.
Se confrontiamo specie chimiche con il centro nucleofilo sullo stesso tipo di atomo osserviamo che maggiore è la
basicità, migliore è la nucleofilicità:
(nucleofilo forte) OH– > H2O (nucleofilo debole) CH3O– > CH3OH
–NH2> NH3
Specie neutre Specie cariche
Possibili prodotti di Sostituzione Nucleofila
(Alogenoalcano + Nucleofilo =………..)
Attraverso le reazioni di sostituzione si possono introdurre diversi gruppi funzionali
Risultato sperimentale
Il nucleofilo è troppo debole, la reazione è lentissima!!!
Un meccanismo diverso…
Alogenoalcano primario
Alogenoalcano terziario
Reazioni di sostituzione nucleofila (SN):
S
N1
S
N1
Avviene in due stadi:
a) Il legame C-alogeno si rompe in maniera eterolitica formando un carbocatione. (stadio lento)
a)
b)
Intermedio carbocationico
b) Successivamente il carbocatione, un elettrofilo, reagisce con un Nu formando il prodotto di sostituzione (stadio veloce)
CH3 CH3
CH3
CH3 CH3
CH3
CH3 CH3
CH3
CH3 CH3
CH3
Meccanismi unimolecolari: sostituzione nucleofila unimolecolare (SN1)
Poiché lo stadio lento, cioè il primo, la formazione del carbocatione, interessa un solo reagente (l’alogenuro alchilico), il meccanismo è detto unimolecolare, e la velocità globale della reazione dipende solo dalla concentrazione dell’alogenuro, mentre è indifferente sia il tipo di nucleofilo sia la sua concentrazione:
• S sostituzione
• N nucleofila
• 1 reazione monomolecolare (solo una specie è coinvolta nello stadio che determina la velocità)
Equazione cinetica
Velocità=k[alogenuro alchilico]
Al contrario di quanto accade in una reazione SN2, in una reazione SN1 il gruppo uscente si allontana prima che il Nu si avvicini.
Nel 1° stadio il legame C-alogeno si rompe eteroliticamente, con l’alogeno che trattiene la coppia di elettroni e si forma un intermedio carbocationico (un elettrofilo).
Nel 2° stadio il Nu reagisce rapidamente con il carbocatione per formare un alcol protonato (nell’esempio qui riportato).
Il Meccanismo S n 1
Diagramma Energetico per una Reazione che Decorre con Meccanismo SN1
La reazione avviene in tre stadi. Lo stadio lento e, quindi, cineticamente determinante, è quello che porta al carbocatione (primo stadio). Il contenuto energetico dello stato di transizione che porta al carbocatione, dunque, influenza la velocità della reazione.
Più stabile è il carbocatione, minore energia ha lo stato di transizione, più veloce è la reazione.
Energia potenziale
Ea1
La prima reazione che porta alla formazione del carbocatione attraversa la barriera di energia potenziale più alta pertanto rappresenta lo stadio limitante la velocità della reazione globale.
Ea2
Ea3
Sono classificati in base al grado di sostituzione alchilica all’atomo di carbonio elettron-deficiente (+)
energia
La stabilità aumenta all’aumentare del numero di sostituenti alchilici legati al carbonio carico positivamente che sono elettron donatori e quindi, per effetto induttivo, tendono a stabilizzare la carica positiva del carbocatione.
STABILITA’
S
N1: Velocità di reazione
Nella SN1, reagiscono più velocemente gli alogenuri che formano carbocationi più stabili (terziari).
La reattività è invertita rispetto alla S
N2!
Di fatto gli alogenuri metilici e primari non
reagiscono attraverso meccanismo SN
1Vediamola all’opera…
Il carbocatione è un acido di Lewis.
L’atomo di carbonio con la carica positiva è ibridato sp2 e presenta un orbitale 2p perpendicolare al piano degli orbitali sp2 che non contiene elettroni.
Stereochimica della reazione SN1
Il carbocatione intermedio è planare e può essere attaccato con uguale probabilità da entrambi i lati: al di sopra e al di sotto del piano del carbocatione. Se a reagire è un alogeno alcano chirale si otterranno quindi 2 diversi prodotti: sia il prodotto con la stessa configurazione dell’alogenuro di partenza che con configurazione opposta.
Stereochimica della reazione SN1
Il carbocatione intermedio è planare e può essere attaccato con uguale probabilità da entrambi i lati: al di sopra e al di sotto del piano del carbocatione. Si ottenono quindi 2 diversi prodotti: sia il prodotto con la stessa configurazione dell’alogenuro di partenza che con configurazione opposta.
Fattori che influenzano le reazioni S
N1
-La natura del gruppo uscente -La reattività del nucleofilo
-Il solvente in cui avviene la reazione
Natura del gruppo uscente
Lo stadio determinante da un punto di vista cinetico per la SN1 è quello di formazione del carbocatione dove deve rompersi il legame C-alogeno. Per cui la natura del gruppo uscente gioca un ruolo determinante.
Le basi deboli sono buoni gruppi uscenti in quanto stabili
