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Reazioni di Sostituzione Nucleofila
Sostituzione Nucleofila:
Nucleofilo:
Nucleofilo
Nu:
Reazione in cui un nucleofilo
è sostituito da un altro
Atomo o gruppo che può donare una
coppia di elettroni ad un altro atomo
per formare un nuovo legame covalente
gruppo
uscente
Substrato
+
SN
C
X
C
+
+
X
Nu
Nucleofilo + CH3Br
Prodotto
I nucleofili
sono Basi di
Lewis
Non tutte le basi
possono essere
dei buoni
nucleofili!
R
-
-
SR
R
SR
tioetere
-
SH
R
tiolo
SH
X
-
OH
R
OH
alcool
R
OR
etere
HPR2
NH3
OR
R
NH2
ammina
R
PR2
fosfina
Meccanismo della Sostituzione Nucleofila Bimolecolare
Meccanismo
SN2
Il nucleofilo attacca il C dal lato opposto al gruppo uscente
δ+
Il nucleofilo
reagisce con il
carbonio elettrofilo
Stato di transizione con due
reagenti e con simultanea
rottura e formazione di legame
Una reazione SN2 conduce ad una inversione della configurazione
Diagramma dell’ Energia potenziale in una SN2
Meccanismo
SN1
Sostituzione nucleofila monomolecolare
Stadio 1 : scissione eterolitica del legame C-X
lento
Un solo
reagente nello
stadio lento:
monomolecolare
Stadio 2: il nucleofilo reagisce con il carbocatione su i due lati possibili
Stadio 3: trasferimento di protone (eq. Acido-base)
Diagramma dell’ Energia potenziale in una
Stadio 1
Stadio 2
SN1
Una reazione SN1 quando è condotta su uno
stereocentro tetraedrico (carbonio chirale), conduce ad
una miscela racemica
S
Enantiomero R
Carbocatione
(planare)
R
Miscela racemica
Figura 11.11 Stereochimica della reazione SN1. Dal momento che la razione procede attraverso un
intermedio achirale, un reagente enantiomericamente puro viene trasformato in una miscela racemica.
Dal volume: McMurry “Chimica organica”
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
Etanolo
Dal volume: McMurry “Chimica organica”
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
Figura 11.12 L’ipotesi della coppia ionica nelle reazioni SN1. Il gruppo uscente ostacola da un lato
l’accesso del nucleofilo al carbocatione intermedio, portando così ad una parziale inversione di
configurazione anziché alla completa racemizzazione.
Dal volume: McMurry “Chimica organica”
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
Fattori che influenzano le velocità della reazioni SN1 e SN2
A) Struttura del Nucleofilo
B) Struttura dell’alogenuro alchilico
C) Struttura del gruppo uscente
D) Effetto del tipo di solvente usato
A) Struttura del Nucleofilo (influenza la sua nucleofilicità)
Efficacia come
nucleofilo
nucleofilo
buono
medio
scarso
B) Struttura del substrato
Le reazioni SN1 sono governate da fattori elettronici
Le reazioni SN2 sono governate da fattori sterici
2-bromo-2-metilbutano
bromometano
nucleofilo
nucleofilo
Attacco sfavorito
per ingombro
sterico
Effetto dei fattori sterici ed elettronici tra SN1 e SN2
Stabilità crescente del carbocatione
Facilità di accesso al sito di reazione
C) Struttura del gruppo uscente
Reattività come gruppo uscente
Stabilità dell’anione, forza dell’acido coniugato
Buoni gruppi uscenti sono le basi deboli!
D) Effetto del tipo di solvente usato (protico od aprotico)
Solvente protico: solvente donatore di legami idrogeno
(acqua, etanolo, ac. acetico)
Solvente
Acqua
ac.formico
metanolo
etanolo
ac.
acetico
Polarità
Questi solventi
favoriscono la
SN1.
Maggiore è la
polarità più
facilmente si
forma il
carbocatione
Solvente aprotico: solvente che non può fungere
da donatore di legami idrogeno
Solvente
Dimetilsofossido
(DMSO)
Acetone
Diclorometano
Etere dietilico
Polarità
Questi solventi
favoriscono la
SN2, esaltano il
carattere
nucleofilo degli
anioni.
Confronto tra SN2 e SN1
Struttura alogenuro
SN2
SN1
Primario
comune
Rara(ecc.allilici,
benzilici)
Secondario
osservata
osservata
Terziario
rara
comune
Stereochimica
inversione
racemizzazione
Solvente
Ritardata polari protici,
Aumentata polari
aprotici
Aumenta con polarità
solventi
Nucleofilo
Velocità dipendente dalla
concentrazione
nucleofilo, meglio se
anione
Velocità indipendente
dalla concentrazione del
nucleofilo, meglio se
neutro
La preparazione degli alogenuri alchilici a partire
dagli alcoli
ROH + HX
RX + H2O (X = Cl, Br, or I)
La reazione di HX con un alcol terziario è talmente
veloce che si effettua spesso semplicemente facendo
gorgogliare il gas HX puro nella soluzione eterea
fredda dell'alcol. Il processo si completa di solito in
pochi minuti.
Il miglior modo di trasformare in alogenuri alchilici gli alcoli primari
e secondari è quello di trattarli con reagenti come il doruro di tionile
(SOCl2) o il tribromuro di fosforo (PBr3). Queste reazioni, che
normalmente hanno luogo facilmente in condizioni blande,
comportano un ambiente meno acido e sono meno suscettibili del
metodo ad HX di causare la trasposizione catalizzata dagli acidi.
O
O
R
CH2OH
+
Cl
S
Cl
R
CH2O
+ Cl
R
CH2Cl
S
Cl
+
HCl
O
R
CH2O
S
Cl
+ SO2
+ HCl
L'alchilazione degli ioni acetiluro
Grazie al suo carattere del tutto generale, l'alchilazione degli acetiluri
costituisce il metodo migliore per preparare gli alchini sostituiti a
partire da precursori più semplici. Quelli terminali si preparano
dall'acetilene propriamente detto, quelli interni si ottengono per
ulteriore alchilazione dell'idoneo alchino terminale.
L'anione acetiluro nucleofilo
utilizza la sua coppia solitaria di
elettroni per formare un legame
verso l'atomo di carbonio del
bromometano, polarizzato in senso
positivo. Mentre nello stato di
transizione incomincia a prender
corpo il nuovo legame C-C,
incomincia anche a scindersi il
legame C- Br.
Al termine della reazione il nuovo
legame C- C si è completamente
formato e il vecchio legame C- Br
si è completamente scisso.
Composti organomagnesiaci (reattivi di Grignard)
1-clorobutano
Cloruro di butilmagnesio
La differenza di elettronegatività
tra il C e il Mg è 1.3; il legame è
fortemente polarizzato
Carattere di CARBANIONE (un C nucleofilo)
I reattivi di Grignard sono anche basi molto forti
(l’atomo basico è il carbonio)
Base più forte
Acido più forte
Acido più debole
Base più debole
Riescono a cedere un protone al reattivo di Grignard
Addizione all’ossido di etilene
Alcol primario
Reazioni di Sostituzione nucleofila in sistemi
biologici