Romualdo Caputo » 11.Reazioni di sostituzione nucleofila e di eliminazione – Parte prima

Sostituzione nucleofila

Definizione
La sostituzione nucleofila deriva dall’interazione tra nucleofili ed elettrofili.
In questa reazione, un nucleofilo prende il posto di un gruppo presente in un’altra molecola.
Il gruppo che viene sostituito si chiama gruppo uscente.
I gruppi uscenti sono singoli atomi, o gruppi, più elettronegativi del carbonio: l’elettronegatività ne polarizza il legame con l’atomo di carbonio e conferisce a quest’ultimo e ad ogni atomo di idrogeno vicino a esso un parziale carattere positivo (sito elettrofilo).

Nucleofili

… più usati
Da una reazione di sostituzione si forma un nuovo legame: questo è il principale modo in cui si creano nuovi legami carbonio-ossigeno, carbonio-zolfo, carbonio-azoto e carbonio-carbonio, per citare i più comuni.
I reagenti nucleofili che si possono usare per formare tali legami sono mostrati in tabella.

Sostituzione nucleofila

Decorso di reazione
Prendiamo ad esempio,la sostituzione di un atomo di Br con uno di I.
lo ione ioduro, in acetone, reagisce con 1-bromobutano sostituendo l’atomo di bromo e formando 1-iodobutano.
La reazione è reversibile.
Lo ione ioduro è il nucleofilo, ossia la specie che ha elettroni da donare, e reagisce con l’1-bromobutano all’atomo di carbonio che porta il bromo.
La differenza di elettronegatività fra Br e C polarizza il legame fra i due in modo da creare una parziale carica positiva.
Il C è dunque un sito carente di elettroni, quindi è un centro elettrofilo.
I “protagonisti” di questa reazione sono quindi il nucleofilo, l’elettrofilo ed il gruppo uscente, vediamoli più da vicino.

Il gruppo uscente

Gruppo uscente (GU)…vediamolo più da vicino
In una sostituzione nucleofila il legame che si rompe è scisso eteroliticamente (cioè i due elettroni del legame si allontano con uno solo dei due atomi, lasciando l’altro carente di elettroni) ed il GU si allontana con la coppia di elettroni formando un anione X:^-.
Il GU è una specie stabile, neutra o ionica, ma cosa rende una specie un buon GU, cioè tale da contribuire a spostare l’equilibrio verso destra?
È chiaro che X:^- è più stabile quando è in grado di accettare facilmente la coppia di elettroni.
Ma allora un GU è più stabile quanto più è una base debole.

Il gruppo uscente

Un esempio. Talvolta può essere necessario cambiare le condizioni di reazione per migliorare le caratteristiche di un GU:

1. consideriamo l’esempio in figura 1, dove un ossidrile potrebbe essere sostituito da un atomo di Br. In realtà, se si usa bromuro di sodio non avviene alcuna reazione, in quanto lo ione idrossido non è un buon GU e la sostituzione non ha luogo. Se, invece, si utilizza acido bromidrico il bromuro di tertbutile si forma facilmente. Che avviene? l’acido protona l’atomo di ossigeno dell’alcol: in questo modo si viene a formare un nuovo GU, l’acqua, base coniugata dello ione idronio, un acido forte (pKa –1.7). Con questo nuovo GU, migliore dello ione idrossido, può avere luogo la ionizzazione e il catione tert-butile che si forma può combinarsi poi con il nucleofilo presente nell’ambiente di reazione, lo ione Br^-.
2. esiste anche la possibilità di trasformare l’alcol nell’estere dell’acido p-toluensolfonico, acido abbastanza forte, pKa ~ –0.6. Il vantaggio di questa trasformazione risiede nel fatto che, all’atto dell’attacco del nucleofilo sul carbonio elettrofilo che lega l’ossigeno, non sarà più lo ione idrossido, OH^-, ad allontanarsi come GU bensì una base molto più debole, stabilizzata per risonanza, qual è l’anione p-toluensolfonato.

Nucleofilo vs base

Un confronto utile
Si definisce nucleofilia (con un inglesismo, nucleofilicità) la più o meno spiccata tendenza delle basi di Lewis a condividere una coppia di elettroni con un sito elettrofilo.
Ma allora basi e nucleofili sono strutturalmente simili; tuttavia le prime attaccano i protoni, mentre i secondi attaccano altri atomi elettrondeficenti.
Generalmente, comunque, una base forte è un nucleofilo forte, inoltre:

1. per due siti nucleofili con lo stesso atomo nucleofilo, più forte è la base, più forte è il nucleofilo.
2. Procedendo lungo un periodo della tavola periodica, la forza dei nucleofili diminuisce all’aumentare dell’elettronegatività.

Nucleofilo vs base

Continuiamo il confronto
3. Gli anioni sono nucleofili più forti dei loro acidi coniugati non carichi. Gli elettroni su un atomo che porta una carica negativa sono meno fortemente trattenuti e quindi più facilmente condivisi rispetto agli elettroni di una molecola non carica. Pertanto, gli anioni alcossido sono nucleofili migliori degli alcoli e gli ioni ammiduro sono nucleofili migliori delle ammine.
4. La forza di molecole non cariche è tanto maggiore quanto più il loro centro nucleofilo si trova in basso in un dato gruppo della tavola periodica. La facilità con cui la nuvola elettronica che circonda un atomo può essere distorta si definisce polarizzabilità dell’atomo. Procedendo dall’alto verso il basso lungo un gruppo della tavola periodica gli atomi sono via via più grandi e in genere più polarizzabili e più nucleofili.
5. Procedendo lungo un gruppo della tavola periodica, la forza dei nucleofili aumenta dall’alto verso il basso.

Nucleofilo vs base

Un confronto utile
Talvolta l’ingombro sterico (cioè l’ingombro che due gruppi offrono l’un l’altro nello spazio) determina cambiamenti tali da diminuire la reattività dei siti coinvolti.
Ad esempio l’etossido è un nucleofilo più forte del t-butossido sebbene il pKa di quest’ultimo ci dica che questa è una base più forte.

Il solvente

La forza di un nucleofilo è una grandezza relativa, non assoluta: essa dipende dagli altri reagenti, dagli altri ioni presenti in soluzione, dal solvente e dal grado di solvatazione degli ioni.
A proposito del solvente, qualcosa va detto, visto che i reagenti della sostituzione nucleofila sono polari e quindi si usano solventi polari per scioglierli.
Esistono solventi polari protici e aprotici.
I solventi polari protici sono in grado di dare legami idrogeno; il legame idrogeno fa diminuire la disponibilità degli elettroni non leganti dell’anione e, di conseguenza, il suo carattere nucleofilo.
Pertanto, ad esempio, nei solventi ossidrilati lo ione cloruro (anione più piccolo e quindi più solvatato) è un nucleofilo più debole dello ione bromuro!
I più comuni sono l’H₂O, il metanolo CH₃OH, l’etanolo C₂H₅O, l’acido acetico CH₃COOH.

Il solvente

… e in quelli aprotici?
Anche in questi sono presenti interazione dipolo-dipolo, ma in questo caso non c’è formazione di legami idrogeno.
Tutti questi solventi hanno un elevato momento dipolare a causa della presenza di gruppi polari, hanno anche alte costanti dielettriche e sono molto efficaci come solventi per reazioni organiche che coinvolgano reagenti o intermedi di reazione ionici.
Quando i composti ionici sono disciolti in questi solventi, gli anioni non vengono solvatati così fortemente come avverrebbe in solventi ossidrilati e perciò sono più disponibili per prender parte alle reazioni di sostituzione nucleofila le cui velocità sono, infatti, più elevate di quanto lo siano negli alcoli.