Competizione tra reazioni di sostituzione e di

Competizione tra reazioni di sostituzione
e di eliminazione
δ+
C
Centro
elettrofilo
δ+ H
CH2
G
δPotenziale buon
Centro elettrofilo
gruppo uscente
Si distinguono due principali meccanismi di
eliminazione:
E1 (unimolecolare)
E2 (bimolecolare)
Reazione di Eliminazione
Favorita dalle temperature elevate
H
C
C
+ :Y
–
C
C + H Y + :X
X
β-eliminazione
–
Regioselettività: In chimica la regioselettività è la caratteristica di una reazione chimica di
procedere preferenzialmente con la rottura o formazione di determinati legami tra quelli
possibili, con la produzione di un dato composto chimico che risulta favorita rispetto a
quella di un altro correlato
Regola di Zaitsev: se l’alogenuro alchilico possiede
due carboni β, il prodotto preferenziale è quello
che si ottiene per rimozione del protone dal
carbonio β legato al minor numero di idrogeni.
Quindi il prodotto principale è l’alchene più
sostituito, termodinamicamente più stabile.
Alchene
C
non sostituito
Alchene
H
R
C
C
H
H
H
R
H
R
R
C
C
C
H
H
H
R
R
R
R
C
R
C
C
H
R
monosostituito
C
R
trisostituito
Alchene
C
H
Alcheni
disostituiti
H
H
C
Alchene
tetrasostituito
R
Orientamento nelle reazioni E2
Br
Prodotto
secondario
H2C
H
H
alchene meno sostituito
BBr
H2C
H
H
B-
alchene più sostituito
Prodotto
principale
Esempi
Meccanismo di eliminazione E2
E2
CH3CH2
•• –
O ••
••
Meccanismo bimolecolare
Br
Basi usate nelle reazioni di
Eliminazione
-OH/etanolo
CH3CH2O-/etanolo
(CH3)3CO-/alcol terzbutilico
Dal momento che anche questo meccanismo
è bimolecolare e segue quindi una cinetica del 2°
ordine esiste una analogia e quindi una forte
Competizione tra Sn2 ed E2
Eliminazione contro Sostituzione
La reazione principale di un alogenuro
alchilico secondario e uno ione alcossido
(base forte) è l’eliminazione attraverso il
meccanismo E2.
Esempio
CH3CHCH3
Br
NaOCH2CH3
etanolo, 55°C
CH3CHCH3
+
CH3CH=CH2
OCH2CH3
(13%)
(87%)
Quando è favorita la sostituzione?
Siccome la reazione principale di un
alogenuro alchilico con un alcossido è la
E2, possiamo aspettarci che la percentuale
di sostituzione cresca con:
1) diminuzione dell’ingombro al
carbonio che porta il gruppo uscente
Alogenuri alchilici poco ingombrati
diminuzione dell’ingombro al carbonio che porta
il gruppo uscente aumenta la sostituzione.
Alogenuro alchilico primario
CH3CH2CH2Br
NaOCH2CH3
etanolo, 55°C
CH3CH2CH2OCH2CH3 +
(91%)
CH3CH=CH2
(9%)
Ma una base molto ingombrata può favorire
l’eliminazione anche con un alogenuro alchilico
primario.
Alogenuro primario + base ingombrata
CH3(CH2)15CH2CH2Br
KOC(CH3)3
Alcol tert-butilico, 40°C
CH3(CH2)15CH2CH2OC(CH3)3 + CH3(CH2)15CH=CH2
(13%)
(87%)
Base dell’ Alcol tert-butilico
Nucleofilo
Nucleofili Anionici
( Basi deboli)
(RS-, SCN-, I-, Br-, N3-, CN- etc.)
Nucleofili Anionici
( Basi Forti)
( HO-, RO-)
Nucleofili Neutri
(H2O, ROH, RSH, R3N)
Nucleofili poco basici
Nucleofili poco basici aumentano
la sostituzione relativamente alla eliminazione
Alogenuro secondario + nucleofilo poco basico
CH3CH(CH2)5CH3
Cl
KCN
pKa (HCN) = 9.1
DMSO
CH3CH(CH2)5CH3
(70%)
CN
Nucleofili poco basici
Nucleofili poco basici aumentano
la sostituzione relativamente alla eliminazione
Alogenuro secondario + nucleofilo poco basico
I
NaN3
N3
(75%)
pKa (HN3) = 4.6
Alogenuri alchilici terziari
Gli alogenuri alchilici terziari sono talmente ingombrati
che l’eliminazione predomina con nucleofili anionici.
Solo in reazioni di solvolisi la sostituzione predomina
sull’eliminazione.
esempio
(CH3)2CCH2CH3
Br
EtOH
CH3
CH3CCH2CH3
OCH2CH3
in etanolo, 25°C
64% (SN1)
EtO- /EtOH
CH3
CH3C=CHCH3
con etossido di sodio
in etanolo, 25°C
A 40°-50°da eliminazione (E1) 99%
36% (E2)
CH3
CH3
Meccanismo E1
..
:
Br
..
C
CH3
Stadio
unimolecolare lento
H3C
+
C
CH3
CH3
+
.. –
: Br :
..
1° stadio
In comune con
Il 1° stadio della Sn1
CH3
CH3
Meccanismo E1
..
:
Br
..
C
CH3
1° stadio
unimolecolare
lento
H3C
+
C
CH3
CH3
+
.. –
: Br :
..
H
H3C
+
C
CH2
base
Meccanismo E1
CH3
2° stadio
stadio
bimolecolare veloce
CH3
C
H3C
CH2
Dal momento che il meccanismo E1 ha la stessa
equazione cinetica del meccanismo Sn1
esiste una forte competizione tra questi 2 percorsi
di reazione.
Cinetica del primo ordine
Si forma di preferenza l’alchene più sostituito
Sostituzione o eliminazione?
Competizione fra eliminazione e sostituzione
Con un alogenuro alchilico primario:
con nucleofili forti, si ha sostituzione SN2
con basi forti e stericamente impedite, si ha eliminazione E2
Con un alogenuro alchilico terziario:
con nucleofili o basi deboli, si ha una miscela di prodotti SN1
ed E1
con basi forti, si eliminazione E2
Con un alogenuro alchilico secondario:
con nucleofili e basi forti, si ha una miscela di prodotti SN2 ed
E2
con basi forti e stericamente impedite, si ha eliminazione E2
In definitiva….
-Alogenuri alchilici primari danno sostituzione nucleofila,
con il meccanismo SN2 tranne che in presenza di una base
ingombrata
-Alogenuri alchilici terziari danno prevalentemente la eliminazione
(E1 +E2) tranne che in condizione di solvolisi (meccanismo SN1)
-Alogenuri alchilici secondari danno eliminazione E2 soprattutto
se trattati a temperature elevate con una base forte e poco
nucleofila altrimenti danno sostituzione via SN2 in presenza di
un buon nucleofilo
H3C CH2 CH2 CH2 Cl
+ CH3O25° metanolo
H3C CH2 CH2 CH2 OCH3
H3C CH2 CH2 CH2 Cl
CH3
+ H3C C O-K
CH3
H3C CH2 C
H
CH2
alcol terzbutilico
CH3
H3C C I
CH3
+ CH3OH
CH3
H3C C OCH3
CH3
25°
50°
H3C
H
H3C
H
I
H
I
CH3
+ CNDMSO
+ H2O
H3C
H
25°
CH3
H3C C
CH2
H
CN
H3C
H
OH
CH3
H3C
H
CH3
OH
Nucleofilo
Nucleofili Anionici
( Basi deboli)
(RS , SCN-, I-, Br-, N3-, CN- etc.)
Nucleofili Anionici
( Basi Forti)
( HO-, RO-)
Nucleofili Neutri
(H2O, ROH, RSH, R3N)
Gruppo
Alchilico
Primario
RCH2-
Sostituzione SN2 veloce. La velocità di reazione può
essere ridotta dalla sostituzione in β come nel caso del
neopentile.
Sostituzione SN2 veloce. Può verificarsi anche
una eliminazione E2.
Sostituzione SN2 (N ≅ S >>O)
Secondario
R2CH-
Sostituzione SN2 più eliminazione E2 (dipende dalla
basicità del nucleofilo). La velocità di reazione può
essere ridotta dalla sostituzione in β e questo aumenterà
la eliminazione.
La eliminazione E2 sarà predominante.
Sostituzione SN2 (N ≅ S >>O)
In solventi fortemente polari, come acqua,
dimetilsolfossido e acetonitrile, si possono avere
anche prodotti derivanti da SN1 e E1.
Terziario
R3C-
La eliminazione E2 predomina con la maggior parte dei
nucleofili (anche se sono basi deboli). In solventi
fortemente polari, come acqua, dimetilsolfossido e
acetonitrile, si possono avere anche prodotti derivanti
da SN1 e E1.
La eliminazione E2 predomina. In solventi
fortemente polari, come acqua, dimetilsolfossido
e acetonitrile, si possono avere anche prodotti
derivanti da SN1 e E1.
Eliminazione E2 con nucleofili azotati (sono basici).
Nessuna sostituzione SN2 . In solventi fortemente
polari, come acqua, dimetilsolfossido e acetonitrile,
si possono avere anche prodotti derivanti da SN1
e E1.
Allile
H2C=CHCH2
-
Veloce sostituzione SN2 nel caso di alogenuri 1° e 2°.
Nel caso dei 3° si ha una lenta sostituzione
SN2 oppure, se il nucleofilo è moderatamente basico,
una eliminazione E2. In solventi fortemente polari,
come acqua, dimetilsolfossido e acetonitrile, si possono
avere anche prodotti derivanti da SN1 e E1.
Veloce sostituzione SN2 nel caso di alogenuri 1°.
Nel caso dei 2° si ha una competizione
fra SN2 ed E2. Nel caso dei 3° la Eliminazione
E2 domina. In solventi fortemente polari, come
acqua, dimetilsolfossido e acetonitrile, si possono
avere anche prodotti derivanti da SN1 e E1.
Nucleofili all'azoto ed allo zolfo danno
Sostituzione SN2 nel caso di alogenuri 1°e 2°. Gli
alogenuri 3° daranno eliminazione E2 con nucleofili
azotati (perchè sono basici). In solventi fortemente
polari, come acqua, dimetilsolfossido e acetonitrile,
si possono avere anche prodotti derivanti da SN1
e E1. L'idrolisi sarà favorita nel caso di
alogenuri 2° & 3°.
Benzile
C6H5CH2-
Veloce sostituzione SN2 nel caso di alogenuri 1° e 2°.
Nel caso dei 3° si ha una lenta sostituzione
SN2 oppure, se il nucleofilo è moderatamente basico,
una eliminazione E2. In solventi fortemente polari,
come acqua, dimetilsolfossido e acetonitrile, si possono
avere anche prodotti derivanti da SN1 e E1.
Veloce sostituzione SN2 nel caso di alogenuri 1°.
Nel caso dei 2° si ha una competizione
fra SN2 ed E2. Nel caso dei 3° la Eliminazione
E2 domina. In solventi fortemente polari, come
acqua, dimetilsolfossido e acetonitrile, si possono
avere anche prodotti derivanti da SN1 e E1.
Nucleofili all'azoto ed allo zolfo danno
Sostituzione SN2 nel caso di alogenuri 1°e 2°. Gli
alogenuri 3° daranno eliminazione E2 con nucleofili
azotati (perchè sono basici). In solventi fortemente
polari, come acqua, dimetilsolfossido e acetonitrile,
si possono avere anche prodotti derivanti da SN1
e E1. L'idrolisi sarà favorita nel caso di
alogenuri 2° & 3°.