X = F, Cl, Br o I Le reazioni degli alogenuri alchilici

Le reazioni degli alogenuri alchilici: le sostituzioni nucleofile e le eliminazioni
δ- X
X = F, Cl, Br o I
δ+
C
Dato il carattere elettrofilo del carbonio
alogeno sostituito, buona parte della chimica
degli alogenuri alchilici si basa sulle reazioni
polari con nucleofili e basi ricche di elettroni.
atomo di carbonio elettrofilo
Nucleofilo: reagente in possesso di siti ricchi di elettroni che può dare origine a un legame
donando una coppia di elettroni ad un sito che ne è povero.
Elettrofilo: reagente caratterizzato dalla presenza di siti poveri di elettroni capace di dar
luogo a un legame accettando una coppia di elettroni da un nucleofilo.
Reagendo con un nucleofilo gli alogenuri alchilici fanno l’una o l’altra di queste due cose:
- subire la sostituzione del gruppo X ad opera del nucleofilo (SN2 o SN1);
- subire l’eliminazione di HX con formazione dell’alchene (E2 o E1).
1
Reazione SN2 → sostituzione nucleofila bimolecolare
H3C
CH3
H
OH-
Br
δ−
δ−
HO
Br
H
H3CH2C
(R)-2-Bromobutano
CH2CH3
stato di transizione con
rottura e formazione di legame
simultanee
CH3
HO
H
CH2CH3
(S)-2-butanolo
Si svolge in un solo tempo con l’attacco del nucleofilo entrante sul substrato a 180° dal gruppo che
si allontana. La reazione si accompagna all’inversione della stereochimica intorno al carbonio
stereogeno.
La reazione risulta inibita dalla voluminosità dei reagenti. Ne viene che le reazioni SN2 sono
favorite nel caso dei substrati primari e secondari. Tali alogenuti danno SN2 in presenza di un
nucleofilo forte e di un solvente aprotico polare.
2
1
Reazione SN1 → sostituzione nucleofila unimolecolare
Stadio 1: Scissione del legame C-X e formazione del carbocatione
H3C
CH3
+
Br
H
H3C
H
+
Br-
CH3
La reazione, condotta in solventi protici e in presenza
di un nucleofilo debole, è governata principalmente
da
fattori
elettronici,
cioè
la
stabilità
relativa
dell’intermedio carbocationico. Gli alogenuri alchilici
intermedio carbocationico
secondari e terziari reagiscono con meccanismo SN1.
Stadio 2: Reazione dell'intermedio con il nucleofilo
CH3
H
CH3
H
H2O
+
O
H
CH3
H
H3C
+
H
O
H
CH3
H
H3 C
Stadio 3: Trasferimento di un protone all'acqua per dare il prodotto neutro.
H
H3C
H
H3C
H2O
O
H
H
H3C
OH
+
H3O+
3
H3C
Scrivere il prodotto della reazione:
1-bromobutano + metossido di potassio
Br
H2C
H2
C
H2
C
CH3
+
CH3OK
H
H
H
CH3OH3CH2CH2C
Br
δ−
δ−
H3CO
Br
H
CH2CH2CH3
H
H3CO
H
CH2CH2CH3
stato di transizione con
rottura e formazione di legame
simultanee
4
2
Scrivere le strutture dei prodotti di sostituzione della seguente reazione :
(R)-3-Bromo-3-metilesano + H2O
H3CH2C
CH2CH3
+
Br
H3C
R
H3CH2CH2C
H
+
Br-
CH2CH2CH3
intermedio carbocationico
CH2CH3
CH3OH
+
H
CH2CH3
H3C
O
CH3
H
CH2CH2CH3
la natura planare dell'intermedio carbocationico
favorisce la formazione di una miscela di enantiomeri
CH3
H3CH2C
+
CH3
S
H
H3CH2CH2C
CH3OH
CH2CH3
O
O
H3C
CH2CH2CH3
H3C
CH3
H3CH2C
+
H3C
H3CH2CH2C
CH2CH2CH3
O
5
R
Cloruro di (S)-1-feniletile + etanolo
Cl
C
CH3
C
+ Cl -
CH3
CH3
C
H
H
H
O
H
CH2CH3
CH2CH3
H
CH3
C
O+
H
O+
CH2CH3
CH3
C
+
H
Alogenuro 2°
Nucleofilo debole
H
SN1
solvente protico
CH2CH3
CH3
C
O
H
O
CH2CH3
+
CH3
C
H
Sintesi della miscela racemica
6
3
Competizione tra SN1 a SN2
Gli alogenuri alchilici secondari
- in presenza di nucleofilo forte reagiscono con un
meccanismo SN2
- in presenza di nucleofilo debole in solventi ionizzanti
reagiscono con un meccanismo SN1
7
Reazioni di eliminazione
Si realizzano quando un protone ed un gruppo uscente sono allontanati da atomi di
carbonio adiacenti
Eliminazione E1
3-bromo-3-etilpentano + etanolo in acqua
H
Br
H3C
H2
C
C
H2
C
H3C
CH3
C+
C
H
Br -
CH3
CH2CH3
CH2CH3
Rottura del legame carbonioalogeno e formazione del
carbocatione
H3C
H2
C
H2
C
C
CH2CH3
Il nucleofilo strappa il protone in β rispetto al
carbonio recante la carica positiva; gli elettroni
del legame C-H formano il doppio legame C-C
H
C
CH3
+ HBr + acqua
8
4
Eliminazione E2
3-cloro-3-metilpentano + t-butossido di sodio
La reazione E2 è regioselettiva perché uno dei due isomeri
strutturali si forma in quantità superiori all'altro.
(H3C)3C
(H3C)3C
O
H
H2C
O
CH2CH3 H
C
C
H
CH2CH3
CH3
H3C
CH3
prodotto principale
(miscela di E e Z)
La reazione E2 è stereoselettiva, forma cioè
preferenzialmente uno degli stereoisomeri del prodotto.
L'alchene con i gruppi più ingombranti posizionati ai lati
opposti del doppio legame si formerà in quantità maggiori
perché è l'alchene più stabile.
CH2CH3
C
C
H
3-metil-2-pentene
Cl
H2C
C
H2
C
CH3
2-etil-1-butene
prodotto secondario
9
Eliminazione E2 da composti ciclici
La reazione di eliminazione per composti ciclici segue le stesse regole stereochimiche
dell’eliminazione per composti aciclici. Per ottenere la geometria anti che è preferita per una
reazione E2, i due gruppi che devono essere eliminati devono trovarsi in posizione trans l’uno
rispetto all’altro.
H
H
I gruppi da eliminare
devono trovarsi in
posizione assiale
I gruppi da eliminare
devono trovarsi in
trans
Br
Cl
H
Il conformero più stabile di un
clorocicloesano non può dare
reazione
E2
perché
il
sostituente alogeno si trova in
posizione equatoriale.
H
H
Cl
H
H
H
più stabile
meno stabile
Cl
OH-
OH-
condizioni E2
condizioni E2
nessuna reazione
10
5
Prevedete la struttura dell’alchene che si forma come prodotto principale nelle
reazioni E2 dei seguenti alogenuri alchilici.
H
CH(CH3)2
H3C
+ etossido di sodio
Cl
H
CH(CH3)2
CH(CH3)2
H3C
H3C
Cl
-
11
CH3CH2O
Eliminazione E1 da composti ciclici
Quando un cicloesano subisce una reazione E1, i due gruppi che sono eliminati non
devono necessariamente trovarsi in posizione assiale.
H
CH3
Cl
+
H3C
OH
CH3
H
CH3
CH3
CH3
CH3
12
6
Prevedete la struttura dell’alchene che si forma come prodotto principale nella
reazione E1 dell’1-bromo-2,3-dimetilcicloesano con etanolo.
H
H
CH3
+ H3CH2C
H
OH
Br
CH3
H3CH2C
OH
H
H
H
H
CH3
H
CH3
CH3
H
CH3
CH3
carbocatione secondario
CH3
carbocatione terziario
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Prevedete la struttura dell’alchene che si forma come prodotto principale nelle reazioni E2
dei seguenti alogenuri alchilici.
(R)-2-bromo-3-metilbutano + idrossido di potassio
Br
CH3
H
CH3
H3C
CH3
(R)
H
CH3
H3C
H
OH -
Br
CH3
alchene più sostituito
H
H
H
CH(CH3)2
(R)
H
CH3
H2C
H
H
OH -
alchene meno sostituito
Si forma in piccole quantità
14
7
Prevedete la struttura dell’alchene che si forma come prodotto principale nelle reazioni E2
dei seguenti alogenuri alchilici.
(2R,3R)-3-bromo-2-butanolo + idrogenosolfuro di sodio
Br
CH3
H
CH3
(R)
H
H3C
OH
(R)
H
H3C
SH
-
OH
(Z)-2-buten-2-olo
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Competizione tra sostituzioni ed eliminazioni
Gli alogenuri alchilici primari
In presenza di un buon nucleofilo → SN2
Gli alogenuri alchilici secondari
In presenza di un buon nucleofilo → SN2
In presenza di una base forte → E2
Con nucleofili deboli in solventi protogeni → SN1, E1
Gli alogenuri alchilici terziari
In presenza di una base forte → E2
Con nucleofili deboli in solventi protici → SN1, E1
N.B. le reazioni di eliminazione sono favorite alle sostituzioni in condizioni di alta temperatura (∆)
16
8
Stereochimica delle reazioni di sostituzione ed eliminazione
SN2 Si forma solo il prodotto a configurazione invertita
SN1 Si formano entrambi gli stereoisomeri (R e S) con una preferenza per quello a
configurazione invertita.
E2 Si formano sia lo stereoisomero E che quello Z (maggiore quantità dello
stereoisomero con i gruppi ingombranti dai lati opposti del doppio legame) a meno
che il carbonio b del reagente sia legato ad un solo idrogeno; in questo ultimo caso si
forma un solo stereoisomero, la cui configurazione dipende dalla configurazione del
reagente.
E1 Si formano sia lo stereoisomero E che quello Z (maggiore quantità dello
stereoisomero con i gruppi ingombranti dai lati opposti del doppio legame).
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Scrivere i prodotti delle seguenti reazioni, indicando se esse si formano con un
meccanismo SN2, SN1, E2 o E1.
clorociclopentano+ t-butossido di potassio
Alogenuro 2°
Base forte stericamente impedita
E2
CH3
Cl
+
O
C
CH3
CH3
H
18
9
(S) 2-bromopropano + acqua
Alogenuro 2° - nucleofilo debole - Solvente protico
SN1 + E1 (l’eliminazione prevale se la reazione è condotta ad alte temperature)
(R)-2-Iodobutano + etossido di potassio
Alogenuro 2° - nucleofilo forte
SN2 + E2 (l’eliminazione prevale se la reazione è condotta ad alte temperature)
1-bromoesano + etossido di sodio in DMSO
Alogenuro 1° -Buon nucleofilo - solvente aprotico
SN2
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