Meccanismi delle reazioni di sostituzione nucleofila

Meccanismi di reazione di sostituzione

1. Il meccanismo SN2

Come descritto nel precedente capitolo, la maggior parte delle reazioni sin qui mostrate sembra che procedano con un comune meccanismo a singolo stadio. Questo meccanismo è denominato SN2, dove S sta per Sostituzione, N per Nucleofilo e 2 sta per bimolecolare. Altre caratteristiche del meccanismo SN2 sono l'inversione del carbonio alfa, l'aumento della reattività con aumento della nucleofilia del reagente nucleofilo e l'impedimento sterico del legame in posizione contrapposta, specialmente negli alogenuri terziari e nel neopentile. Sebbene la reazione 3 mostri una cinetica del secondo ordine, essa è una reazione di eliminazione, pertanto deve procedere secondo un meccanismo molto diverso, che sarà descritto più avanti.

Per osservare un modello animato di reazione SN2  


2. Il meccanismo SN1

La reazione 7, mostrata alla fine del precedente capitolo, è chiaramente differente dalle altre che abbiamo esaminato. Non solo mostra una cinetica del primo ordine, quanto il bromuro alchilico terziario chirale si sottopone a sostituzione da parte di un modesto nucleofilo come l'acqua con estesa racemizzazione. Per tutte queste caratteristiche, il meccanismo di questa reazione non assomiglia affatto al meccanismo SN2. Un simile esempio si evidenzia nell'idrolisi del cloruro di tert-butile, mostrato appresso. Notare che il prodotto di sostituzione iniziale, in questa reazione, è in realtà uno ione idronio che trasferisce rapidamente un protone all'anione cloruro. Questo secondo trasferimento protonico acido-base viene spesso omesso durante la scrittura della reazione globale, come nel caso della reazione 7:

(CH3)3C-Cl   +   H2O   ——>  (CH3)3C-OH2(+)   +   Cl(–)   ——>  (CH3)3C-OH   +   HCl

Sebbene l'idrolisi del cloruro di tert-butile, come sopra mostrato, potrebbe essere interpretato come una reazione di tipo SN2, in cui la concentrazione alta e costante dell'acqua non prenda parte all'equazione cinetica, ci sono ottime prove che questo non è vero per il caso presentato. Per prima cosa, l'equivalente idrolisi del bromuro di etile è oltre un centinaio di volte più lenta, mentre le vere reazioni SN2 mostrano chiaramente un forte aumento della velocità per gli alogenuri alchilici primari. Secondo, un modesto aumento della concentrazione dello ione idrossido non ha alcun effetto sulla velocità dell'idrolisi del cloruro di tert-butile, a dispetto del più alto grado di nucleofilia dell'anione idrossido in confrontato con l'acqua. La cinetica del primo ordine di queste equazioni suggerisce un meccanismo a due stadi in cui lo stadio determinante della velocità consista nella ionizzazione dell'alogenuro alchilico, come illustrato nel diagramma a destra. In questo meccanismo, si forma un carbocatione come intermedio ad alta energia, che si lega immediatamente ai nucleofili vicini. Se il nucleofilo è un a molecola neutra, il prodotto iniziale è un catione "-onio", come disegnato sopra per il cloruro di t-butile, e previsto nel diagramma di energia. Nel valutare questo meccanismo, possiamo dedurre diverse conseguenze dal suo funzionamento.
                Primo, il solo reagente sottoposto ad un cambiamento nel primo stadio (determinante per la velocità), è l'alogenuro alchilico, da cui presumiamo che tali reazioni siano unimolecolari e che seguono un'equazione del primo ordine. Da qui si applica a questo meccanismo il nome SN1.
                Secondo, poiché i nucleofili partecipano solo nel secondo stadio, veloce, la loro concentrazione molare relativa, anziché il loro grado di nucleofilia, sarebbe il principale fattore che determina il prodotto. Se viene utilizzato un solvente nucleofilo come l'acqua, la sua alta concentrazione assicurerà che gli alcoli saranno il maggior prodotto.La ricombinazione dell'anione alogenuro con il carbocatione intermedio, semplicemente riforma il composto di partenza. Notare che le reazioni SN1, in cui il nucleofilo è anche il solvente, sono comunemente denominate reazioni di solvolisi. L'idrolisi del cloruro di tert-butile ne rappresenta un esempio.
                Terzo, il postulato di Hammond suggerisce che l'energia di attivazione del primo stadio determinante per la velocità sarà inversamente proporzionale alla stabilità del carbocatione intermedio. La stabilità dei carbocationi è stata esaminata precedentemente; sotto, se ne può osservare una scala qualitativa.

Stabilità dei carbocationi CH3(+) <CH3CH2(+)< (CH3)2CH(+) CH2=CH-CH2(+)<C6H5CH2(+) (CH3)3C(+)

Di conseguenza, prevediamo che gli alogenuri alchilici terziari saranno più reattivi delle loro controparti primari e secondari che seguono un meccanismo SN1. Questo è l'opposto all'ordine di reattività osservato per il meccanismo SN2. Gli alogenuri allilico e benzilico sono eccezionalmente reattivi con entrambi i meccanismi.
                Quarto, allo scopo di facilitare una reazione di ionizzazione, come richiesto dal primo stadio, sarà necessario un solvente ionizzante. Due proprietà del solvente acquisteranno particolare importanza in questo contesto. La prima è la capacità delle molecole del solvente di orientarsi tra gli ioni in modo da attenuare la forza elettrostatica esercitata da uno ione nei confronti di un altro. Questa proprietà è legata alla costante dielettrica, ε, del solvente. I solventi che hanno alte costanti dielettriche, come l'acqua (ε = 81), l'acido formico (ε = 58), il dimetil sulfossido (ε = 45) e l'acetonitrile (ε = 39), sono generalmente considerati solventi ionizzanti migliori dei comuni solventi organici come l'etanolo (ε = 25), l'acetone (ε = 21), il cloruro di metilene (ε = 9) e l'etere (ε = 4). Il secondo fattore è la solvatazione, che si riferisce alla capacità del solvente a stabilizzare gli ioni proteggendoli con un involucro di proprie molecole debolmente legate fra di esse. Gli anioni vengono solvatati da solventi con legami idrogeno, come è stato notato precedentemente. I cationi sono spesso maggiormente solvatati dalle regioni nucleofile delle molecole del solvente (ad es., atomi di ossigeno ed azoto), ma nel caso dei carbocationi, questi nucleofili possono formare forti legami covalenti con il carbonio, che converte l'intermedio in un prodotto di sostituzione. Questo è quanto accade nelle reazioni di idrolisi descritte sopra.
                Quinto, la stereospecificità di queste reazioni può variare. L'atomo di carbonio caricato positivamente di un carbocatione possiede una configurazione trigonale (planare), per la preferenza all'ibridizzazione sp2, e può legarsi ad un nucleofilo egualmente bene da entrambe le facce. Se il prodotto intermedio proveniente da un alogenuro alchilico chirale sopravvive abbastanza a lungo per incontrare un ambiente favorevole, i prodotti previsti sono racemi (una miscela 50:50 di enantiomeri). D'altro canto, se lo ione alogenuro che si allontana blocca temporaneamente il lato frontale, o se il nucleofilo è orientato selettivamente verso l'una o l'altra faccia, allora la sostituzione potrebbe avvenire prevalentemente con inversione oppure conservandone la configurazione.

Per osservare un modello animato di reazione SN


Se hai compreso i fattori ed i principi che influenzano il corso delle reazioni di sostituzione nucleofila, prova a svolgere i seguenti esercizi. Per ogni esercizio, deve essere considerata l'eventuale possibilità che non avvenga nessuna reazione di sostituzione. Se si prevederà una sostituzione, quale meccanismo, SN1 o SN2, sarà implicato? Se sono presenti centri chirali, cambierà la configurazione?



3. Attivazione da cationi elettrofili

La scissione eterolitica del legame carbonio-alogeno degli alogenuri alchilici può essere facilitata dalla presenza di certi cationi metallici. Al limite, i carbocationi possono essere generati nel modo mostrato nella seguente equazione, dove R è l'alogenuro o l'idrogeno, ed M = Al (n = 3) o Fe (n = 3) o Sn (n = 4) o Zn (n = 2).

R3C-X   +   MXn (reattività = Al > Fe > Sn > Zn)   ——>  R3C(+)   +   MXn-X(–)

Sebbene questa tecnica risulti utile alla formazione di carbocationi intermedi in solventi idrocarburici, i reagenti costituiti da alogenuro metallico vengono disattivati in solventi protonici come l'acqua e l'alcool, rendendo tali reagenti inutili per indurre reazioni di tipo SN1. Esiste, tuttavia, un reagente alogenofilo appartenente a tale classe e capace di indurre la reazione voluta. Tale composto è il nitrato d'argento, che, in soluzione acquosa o alcolica, promuove la ionizzazione dell'alogenuro alchilico e la formazione di prodotti SN1. Quando si utilizza il nitrato d'argento con gli alogenuri alchilici primari e secondari, può avvenire il riarrangiamento prima dello stadio che vede la formazione del prodotto. Per esempio:

(CH3)3CCH2-Br   +   H2O   +   AgNO3   ——>  (CH3)2C(OH)CH2CH3   +   AgBr   +   HNO3

Si può accedere ad una più estesa ampia discussione sui fattori che influenzano la stabilità dei carbocationi cliccando qui.


Reazioni di eliminazione

Per molte combinazioni di alogenuri alchilici e nucleofili, le reazioni di eliminazione possono entrare in competizione con la sostituzione, o, addirittura, predominare sul percorso di reazione. Se nutriamo la speranza di comprendere il perché l'uno o l'altro modo di reagire diventi predominante per un determinato caso, dobbiamo studiare le reazioni di eliminazione con la stessa cura profusa nelle reazioni di sostituzione.

Reazioni di eliminazione