Competizione tra reazioni di sostituzione e di eliminazione
Reazioni degli alogenuri alchilici R-X
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
Trasformazione dei Gruppi Funzionali Attraverso la Sostituzione Nucleofila.
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
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
+ R X
dà un etere
lo ione alcossido come nucleofilo
.. O: .. R' – + : X R .. O .. R' –
(CH3)2CHCH2O- + CH3CH2Br
alcol isobutilico
(CH3)2CHCH2OCH2CH3 + NaBr etere etilisobutilico (66%)
+ R X
dà un estere
Ione carbossilato come nucleofilo
.. O: .. R'C – + : X R .. O .. R'C – O O
O- + CH3(CH2)16C CH3CH2I acetone, acqua + I -O CH2CH3 CH3(CH2)16C ottadecanoato di etile (95%) O O Esempio
+ R X
dà un tiolo
ione idrogenosolfuro come nucleofilo
.. S: .. H – + : X R .. S .. H –
+ R X
fornisce un nitrile
Ione cianuro come nucleofilo
– + : X R – C N : : C N :
.. .. HO : – .. .. CH3O : – .. .. HS : – – C N : : etc. Nucleofili
Non tutti i nucleofili sono anioni. Molti sono neutri. .. .. HO : – .. .. CH3O : – .. .. HS : – – C N : : etc. .. ..
HOH CH3OH .. .. : NH3 per esempio
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
.. ..
HOH CH3OH .. .. per esempio
Molti dei solventi in cui avvengono le sostituzioni nucleofile sono essi stessi dei nucleofili.
+
sostituzione mediante un nucleofilo anionico R—X + :Nu— R—Nu + :X—
R—X + :Nu—H R—Nu—H + :X—
Esempi di sostituzioni nucleofile
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
Il Meccanismo di
CH3Br + HO – CH3OH + Br – V = k[CH3Br][HO – ]
La sostituzione nucleofila riportata segue una cinetica del secondo ordine.
C H CH3 Br CH3(CH2)5 C H CH3 HO (CH2)5CH3 NaOH (S)-(+)-2-Bromoottano (R)-(–)-2-Ottanolo Stereochimica Inversione di configurazione
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
HO – + CH3Br HOCH3 + Br –
un passaggio concertato
Meccanismo proposto
che spiega sia i dati cinetici che stereochimici
HO – + CH3Br HOCH3 + Br – un passaggio concertato Meccanismo bimolecolare
HO CH3 Br d - d - stato di transizione HO – + CH3Br HOCH3 + Br – un passaggio concertato Meccanismo bimolecolare
Le Sostituzioni Nucleofile che mostrano cinetica del secondo ordine sono
stereospecifiche e procedono con inversione di configurazione.
Il nucleofilo attacca il carbonio dal lato opposto rispetto al
legame del gruppo uscente
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
HO CH3 Br d - d - HO – + CH3Br HOCH3 + Br – Meccanismo bimolecolare Ea ST
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
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
CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBr Reattività decrescente nella SN2
CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBr Reattività decrescente nella SN2
RBr + LiI
RI + LiBr
Bromuro
Tipo
Velocità
Alchilico
relativa
CH
3Br
Metilico
221,000
CH
3CH
2Br
Primario
1,350
(CH
3)
2CHBr
Secondario
1
(CH
3)
3CBr
Terziario
troppo bassaper essere misurata
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
RBr + LiI
RI + LiBr
Bromuro
Struttura
Velocità
Alchilico
relativa
Etile
CH
3CH
2Br
1.0
Propile
CH
3CH
2CH
2Br
0.8
Isobutile
(CH
3)
2CHCH
2Br 0.036
Neopentile
(CH
3)
3CCH
2Br
0.00002
Effetti di “ramificazione” sulla reazione di sostituzione SN2
.. .. HO : – .. .. CH3O : – .. .. HS : – – C N : : etc. Nucleofili
Non tutti i nucleofili sono anioni. Molti sono neutri. .. .. HO : – .. .. CH3O : – .. .. HS : – – C N : : etc. .. ..
HOH CH3OH .. .. : NH3 per esempio
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
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.
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
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
il potere nucleofilo è fortemente influenzato dal solvente nel senso che solventi polari protici diminuiscono la nucleofilicità perchè solvatano le cariche negative
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.
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.
solventi polari protici solventi polari aprotici acqua dimetilsolfossido metanolo dimetilformammide etanolo dimetilacetammide acido formico acido acetico
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
-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.
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
Reattività relativa degli alogenuri come gruppi uscenti
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
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
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?
Sostituzione Nucleofila Unimolecolare SN1
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...
+ + H Br .. .. : O : : H H C CH3 CH3 CH3 Br C OH .. .. .. .. : CH3 CH3 CH3
+ : : O H H C CH3 CH3 CH3 Br .. .. :
velocità = k[(CH
3)
3CBr]
Il meccanismo di questa reazione non è SN2.
Esempio di una solvolisi. Idrolisi del bromuro di tert-butile. C OH CH3 CH3 CH3 Cinetica
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
+ Br – .. : : .. lento C CH3 CH3 CH3 Br .. .. : C H3C CH3 CH3 + Meccanismo 1° Stadio
veloce
C H3C CH3 CH3 + O : : H HC
+
O : H H CH3 CH3 CH3 Meccanismo 2° StadioC
+
O : H H CH3 CH3 CH3 + H2O: C CH3 CH3 CH3 OH + H3O+ 3° Stadio deprotonazione veloceCinetica 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
Stabilità carbocationica e velocità delle reazioni SN1
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
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
CH3Br CH3CH2Br
(CH3)2CHBr (CH3)3CBr
Scala di reattività degli alogenuri nella SN1
