e di eliminazione

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Testo completo

(1)

Competizione tra reazioni di sostituzione e di eliminazione

Reazioni degli alogenuri alchilici R-X

(2)

Si può predire il percorso di reazione per un particolare alogenuro alchilico?

C C H X + : Y – C C Y H X : – + C C + H Y : X – + b-eliminazione Sostituzione nucleofila

(3)
(4)

Trasformazione dei Gruppi Funzionali Attraverso la Sostituzione Nucleofila.

(5)

Y :

R X Y R

+ + : X

il nucleofilo è una base di Lewis (donatore di coppie di elettroni), può essere carico negativamente o può essere neutro con una coppia elettronica disponibile il substrato è generalmente un alogenuro alchilico

Sostituzione Nucleofila

d

(6)

Il substrato non può essere un alogenuro di vinile o di arile, eccetto in alcune condizioni particolari che discuteremo in seguito.

X C

C

X

(7)

+ R X

dà un etere

lo ione alcossido come nucleofilo

.. O: .. R' – + : X R .. O .. R' –

(8)

(CH3)2CHCH2O- + CH3CH2Br

alcol isobutilico

(CH3)2CHCH2OCH2CH3 + NaBr etere etilisobutilico (66%)

(9)

+ R X

dà un estere

Ione carbossilato come nucleofilo

.. O: .. R'C – + : X R .. O .. R'C – O O

(10)

O- + CH3(CH2)16C CH3CH2I acetone, acqua + I -O CH2CH3 CH3(CH2)16C ottadecanoato di etile (95%) O O Esempio

(11)

+ R X

dà un tiolo

ione idrogenosolfuro come nucleofilo

.. S: .. H – + : X R .. S .. H –

(12)

+ R X

fornisce un nitrile

Ione cianuro come nucleofilo

+ : X R – C N : : C N :

(13)

.. .. HO : .. .. CH3O : .. .. HS : – – C N : : etc. Nucleofili

(14)

Non tutti i nucleofili sono anioni. Molti sono neutri. .. .. HO : .. .. CH3O : .. .. HS : – – C N : : etc. .. ..

HOH CH3OH .. .. : NH3 per esempio

(15)

Tutti i nucleofili, tuttavia, sono basi di Lewis.

Non tutti i nucleofili sono anioni. Molti sono neutri.

.. .. HO : .. .. CH3O : .. .. HS : – – C N : : etc. .. ..

HOH CH3OH .. .. : NH3 per esempio

(16)

.. ..

HOH CH3OH .. .. per esempio

Molti dei solventi in cui avvengono le sostituzioni nucleofile sono essi stessi dei nucleofili.

(17)

+

sostituzione mediante un nucleofilo anionico R—X + :Nu— R—Nu + :X

R—X + :Nu—H R—Nu—H + :X—

Esempi di sostituzioni nucleofile

(18)

R—Nu + HX

prodotti della reazione globale

+

sostituzione mediante un nucleofilo anionico R—X + :Nu— R—Nu + :X

R—X + :Nu—H R—Nu—H + :X—

Esempi di sostituzioni nucleofile

(19)

Il Meccanismo di

(20)

CH3Br + HO – CH3OH + Br – V = k[CH3Br][HO – ]

La sostituzione nucleofila riportata segue una cinetica del secondo ordine.

(21)

C H CH3 Br CH3(CH2)5 C H CH3 HO (CH2)5CH3 NaOH (S)-(+)-2-Bromoottano (R)-(–)-2-Ottanolo Stereochimica Inversione di configurazione

(22)

Una reazione stereospecifica prevede

che materiale iniziale con stereoisomeria

definita fornisca prodotti con stereoisomeria altrettanto definita.

La reazione del 2-bromoottano con NaOH (in etanolo-acqua) è stereospecifica.

(+)-2-Bromoottano (–)-2-Ottanolo

(–)-2-Bromoottano (+)-2-Ottanolo

(23)

HO – + CH3Br HOCH3 + Br –

un passaggio concertato

Meccanismo proposto

che spiega sia i dati cinetici che stereochimici

(24)

HO – + CH3Br HOCH3 + Br – un passaggio concertato Meccanismo bimolecolare

(25)

HO CH3 Br d - d - stato di transizione HO – + CH3Br HOCH3 + Br – un passaggio concertato Meccanismo bimolecolare

(26)
(27)

Le Sostituzioni Nucleofile che mostrano cinetica del secondo ordine sono

stereospecifiche e procedono con inversione di configurazione.

(28)

Il nucleofilo attacca il carbonio dal lato opposto rispetto al

legame del gruppo uscente

(29)

l’arrangiamento tridimensionale dei legami del prodotto è opposto rispetto a quello del reagente

Il nucleofilo attacca il carbonio dal lato opposto rispetto al

legame del gruppo uscente

(30)
(31)

HO CH3 Br d - d - HO – + CH3Br HOCH3 + Br – Meccanismo bimolecolare Ea ST

(32)

La velocità di una sostituzione nucleofila con meccanismo SN2 è governata da effetti sterici

L’ingombro sterico al carbonio dell’alogenuro alchilico che porta il gruppo uscente rallenta la velocità della sostituzione nucleofila

bimolecolare, in quanto viene influenzata la stabilità dello stato di transizione

Impedimenti sterici al centro di reazione

(33)

C H .. .. Nu X .. H H C H .. .. Nu X .. R H C R .. .. Nu X .. R H

Stato di transizione della Sn2 con il carbonio quasi pentavalente

Passando dall’alogenuro 1° al 2° e al 3° lo stato di

transizione diventa più instabile e quindi aumenta Ea

Alogenuro metilico

(34)

CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBr Reattività decrescente nella SN2

(35)

CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBr Reattività decrescente nella SN2

(36)

RBr + LiI

RI + LiBr

Bromuro

Tipo

Velocità

Alchilico

relativa

CH

3

Br

Metilico

221,000

CH

3

CH

2

Br

Primario

1,350

(CH

3

)

2

CHBr

Secondario

1

(CH

3

)

3

CBr

Terziario

troppo bassa

per essere misurata

(37)

La velocità di una sostituzione nucleofila con meccanismo SN2 è governata da effetti sterici

L’ingombro sterico al carbonio adiacente a quello che porta i gruppi uscenti

rallenta la velocità della reazione di

sostituzione nucleofila, con effetto minore rispetto all’effetto dell’ingombro sul centro di reazione stesso.

Ingombro al carbonio adiacente al centro di reazione

(38)

RBr + LiI

RI + LiBr

Bromuro

Struttura

Velocità

Alchilico

relativa

Etile

CH

3

CH

2

Br

1.0

Propile

CH

3

CH

2

CH

2

Br

0.8

Isobutile

(CH

3

)

2

CHCH

2

Br 0.036

Neopentile

(CH

3

)

3

CCH

2

Br

0.00002

Effetti di “ramificazione” sulla reazione di sostituzione SN2

(39)
(40)

.. .. HO : .. .. CH3O : .. .. HS : – – C N : : etc. Nucleofili

(41)

Non tutti i nucleofili sono anioni. Molti sono neutri. .. .. HO : .. .. CH3O : .. .. HS : – – C N : : etc. .. ..

HOH CH3OH .. .. : NH3 per esempio

(42)

Tutti i nucleofili, tuttavia, hanno a disposizione una coppia di elettroni non condivisa e sono quindi basi di Lewis.

Non tutti i nucleofili sono anioni. Molti sono neutri.

.. .. HO : .. .. CH3O : .. .. HS : – – C N : : etc. .. ..

HOH CH3OH .. .. : NH3 per esempio

(43)

La tabella successiva paragona le velocità di sostituzione per una varietà di nucleofili nei confronti del substrato ioduro di metile. Lo standard del paragone è il metanolo, al quale viene assegnata una velocità relativa di 1.0.

La nucleofilicità è la misura della reattività di un nucleofilo.

(44)

Tipo Nucleofilo Velocità relativa forte I-, HS-, RS- >105 buono Br-, HO-, 104 RO-, CN-, N 3- medio NH3, Cl-, F-, RCO2- 103 debole H2O, ROH 1 debolissimo RCO2H 10-2 Nucleofilicità

(45)

Gli ioni più polarizzabili sono più nucleofili di quelli meno polarizzabili in solventi come H2O.

La polarizzabilità cresce aumentando le dimensioni dello ione.

Tipo Nucleofilo Velocità relativa

forte I- >105

buono Br- 104

medio Cl-, F- 103

(46)

il potere nucleofilo è fortemente influenzato dal solvente nel senso che solventi polari protici diminuiscono la nucleofilicità perchè solvatano le cariche negative

(47)

Solvatazione di uno ione cloruro attraverso forze attrattive

ione-dipolo con l’acqua. Gli ioni cloruro carichi negativamente

interagiscono con gli idrogeni dell’acqua polarizzati positivamente.

(48)

Scala di nucleofilità in solventi polari protici come l’acqua

F- > Cl- > Br- > I- Un guscio di molecole di solvente intorno allo ione lo rende meno reattivo. L’effetto di solvatazione sarà

maggiore per ioni piccoli come lo ione F- in cui la carica

negativa è più concantrata. In generale quindi solventi polari protici abbassano il potere nucleofilo della

specie carica.

(49)
(50)

solventi polari protici solventi polari aprotici acqua dimetilsolfossido metanolo dimetilformammide etanolo dimetilacetammide acido formico acido acetico

(51)

Solvatazione di uno ione cloruro attraverso forze attrattive

ione-dipolo con l’acqua. Gli ioni cloruro carichi negativamente

interagiscono con gli idrogeni dell’acqua polarizzati positivamente.

Effetto del Solvente polare protico su un nucleofilo carico

H2O Cl

(52)

-La velocità di reazione delle SN2 aumenta in Solventi Polari Aprotici

Un solvente polare aprotico non presenta gruppi –OH o,

in generale, idrogeni su atomi molto elettronegativi.

(53)

Solvente Tipo Velocità relativa

CH3OH polare protico 1

H2O polare protico 7

DMSO polare aprotico 1300 DMF polare aprotico 2800 Acetonitrile polare aprotico 5000

CH3CH2CH2CH2Br + N3

Reattività della SN2 nei confronti del diverso tipo di solvente

(54)

Reattività relativa degli alogenuri come gruppi uscenti

(55)

Gruppi Uscenti

La reattività degli alogenuri come gruppi uscenti è la stessa che si osserva nella reazione di eliminazione.

RI > RBr > RCl > RF

La Bontà del gruppo uscente riflette la forza

basica dell’anione, nel senso che I- è la base più

debole

(56)

BrCH2CH2CH2Cl + NaCN

Un solo prodotto di reazione fu ottenuto quando l’1-bromo-3-cloropropano fu fatto reagire con

un equivalente molare dicianuro di sodio in etanolo acquoso. Quale è il prodotto?

il Br è un miglior gruppo uscentedel Cl

(57)

CH2CH2CH2Cl + NaBr

C N

:

BrCH2CH2CH2Cl + NaCN

Un solo prodotto di reazione fu ottenuto quando l’1-bromo-3-cloropropano fu fatto reagire con

un equivalente molare dicianuro di sodio in etanolo acquoso. Quale è il prodotto?

(58)

Sostituzione Nucleofila Unimolecolare SN1

(59)

Gli alogenuri alchilici terziari non sono reattivi nelle

sostituzioni che procedono attraverso il meccanismo SN2. Riusciranno a reagire in una sostituzione nucleofila?

Si. Ma il meccanismo è diverso dalla SN2. Gli esempi più comuni sono le reazioni di solvolisi.

(CH3)3CBr + H2O

Una domanda...

(60)

+ + H Br .. .. : O : : H H C CH3 CH3 CH3 Br C OH .. .. .. .. : CH3 CH3 CH3

(61)

+ : : O H H C CH3 CH3 CH3 Br .. .. :

velocità = k[(CH

3

)

3

CBr]

Il meccanismo di questa reazione non è SN2.

Esempio di una solvolisi. Idrolisi del bromuro di tert-butile. C OH CH3 CH3 CH3 Cinetica

(62)

velocità = k[alogenuro alchilico]

La cinetica del primo ordine richiede un “rate-determining step” unimolecolare.

Il meccanismo proposto si chiama SN1, che sta per

sostituzione nucleofila unimolecolare

(63)

+ Br .. : : .. lento C CH3 CH3 CH3 Br .. .. : C H3C CH3 CH3 + Meccanismo 1° Stadio

(64)

veloce

C H3C CH3 CH3 + O : : H H

C

+

O : H H CH3 CH3 CH3 Meccanismo 2° Stadio

(65)

C

+

O : H H CH3 CH3 CH3 + H2O: C CH3 CH3 CH3 OH + H3O+ 3° Stadio deprotonazione veloce

(66)

Cinetica del primo ordine: velocità = k[RX]

“rate-determining step” unimolecolare

intermedio carbocationico

la velocità è influenzata dalla stabilità del carbocatione che si forma nel “rate-determining step”

La conseguenza stereochimica del meccanismo proposto è che la reazione procede con

racemizzazione

(67)

Stabilità carbocationica e velocità delle reazioni SN1

(68)

La velocità della sostituzione nucleofila SN1 è governata da

effetti elettronici.

La formazione del carbocatione determina la velocità. Più stabile è il carbocatione, più veloce

sarà la velocità della sua formazione, e maggiore sarà la velocità totale della reazione.

Effetti elettronici governano la velocità delle SN1

(69)

Solvolisi di RBr in acido formico acquoso

Alchil Bromuro Tipo Velocità relativa

CH3Br Metilico 1

CH3CH2Br Primario 2

(CH3)2CHBr Secondario 43 (CH3)3CBr Terziario 100,000,000

(70)

CH3Br CH3CH2Br

(CH3)2CHBr (CH3)3CBr

Scala di reattività degli alogenuri nella SN1

figura

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