Angela Zampella » 12.Gli alogenuri alchilici: la reazione di sostituzione

Gli alogenuri alchilici

Sono composti organici in cui un idrogeno di una catena alchilica è sostituito con un alogeno.

Gli alogenuri alchilici

Gli alogenuri alchilici sono suddivisi in primari, secondari e terziari a seconda del carbonio a cui è legato l’alogeno.

Struttura degli alogenuri alchilici

L’alogeno è più elettronegativo del carbonio. Il legame C-X è polarizzato con maggiore densità elettronica sull’atomo di alogeno.

Il carbonio è elettrofilo.

La reattività

Gli alogenuri alchilici subisco reazione di sostituzione nucleofila: un nucleofilo si sostituisce all’atomo di alogeno legato al carbonio.

Approfondisci con “Reazioni di Sostituzione”

Sostituzione nucleofila: due meccanismi

Esistono 2 possibili meccanismi:

• meccanismo sincrono di formazione del legame C-Nu e rottura del legame C-X (reazione S_N2).
• meccanismo a due stadi: rottura eterolitica del legame C-X e formazione di un carbocatione. Conseguente attacco del nucleofilo (reazione S_N1).

Reazione S_N2

• La velocità di reazione dipende dalla concentrazione dell’alogenuro alchilico e del nucleofilo (cinetica bimolecolare).
• La velocità di reazione diminuisce all’aumentare delle dimensioni dell’alogenuro alchilico.
• Nel caso di un alogenuro alchilico chirale, il prodotto ha la configurazione invertita rispetto a quella del reagente.

Reazione S_N2

Tutte le evidenze sperimentali sono spiegate ammettendo una reazione a singolo stadio dove sia nucleofilo che substrato partecipano alla formazione della stato di transizione.

Nello stato di transizione il carbonio è pentacoordinato: forma 3 legami completi e 2 legami parziali. E’ quindi chiaramente una specie molte affollata.
Animazione S_N2

La struttura dell’alogenuro alchilico

Maggiore è l’affollamento al carbonio che subisce sostituzione, maggiore è l’energia di attivazione, più lenta è la reazione.

Gli alogenuri alchilici meno sostituiti sono più reattivi in una reazione S_N2

Natura del nucleofilo

Se confrontiamo specie chimiche con il centro nucleofilo sullo stesso tipo di atomo osserviamo che maggiore è la basicità, migliore è la nucleofilicità:

• OH^– > H₂O
• CH₃O^– > CH₃OH
• ^–NH₂> NH₃

La relazione diretta basicità-nucleofilicità continua anche con centri nucleofili su atomi di dimensioni comparabili.

Effetti sterici e nucleofilicità

Gli effetti sterici influenzano la nucleofilicità, ma non la basicità.

Un nucleofilo ingombrato non può agevolmente avvicinarsi al carbonio per operare la sostituzione.

Reazione S_N1

• La velocità di reazione dipende solo dalla concentrazione dell’alogenuro alchilico (cinetica monomolecolare).
• La velocità di reazione aumenta all’aumentare delle dimensioni dell’alogenuro alchilico.
• Nel caso di un alogenuro alchilico chirale, si forma una miscela racemica.

Meccanismo

Vedi “S_N1 animato”

Gruppo uscente

Mentre la reattività del nucleofilo non ha effetto sulla velocità di S_N1, la bontà del gruppo uscente è un fattore critico.

Ricorda: lo stadio determinante da un punto di vista cinetico è quello di formazione del carbocatione dove deve rompersi il legame C-alogeno.

Ruolo del solvente

Le reazioni di sostituzione nucleofila avvengono generalmente in solventi polari.

I solventi polari sono distinti in protici e aprotici.

Protici: donatori di legami a idrogeno (esempio H₂O e alcoli).

Aprotici: non sono donatori di legame a idrogeno (esempio DMSO e DMF).

Ruolo del solvente: reazione S_N1

Nelle S_N1 lo stato di transizione dello stadio lento ha carattere carbocationico ed è più carico dei reagenti. Un aumento di polarità del solvente quindi stabilizzerà (ne abbassa l’energia libera) lo stato di transizione in misura maggiore rispetto ai reagenti. La reazione quindi sarà più veloce in un solvente polare.

Ruolo del solvente: reazione S_N2

Nelle S_N2 il nucleofilo è generalmente carico. Anche lo stato di transizione è carico ma la carica è dispersa su più atomi. Un aumento di polarità del solvente quindi stabilizzerà maggiormente i reagenti diminuendo la velocità di reazione.