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Aldo Galeone » 8.Alogenuri alchilici


Introduzione e nomenclatura

I composti contenenti un atomo di alogeno legato covalentemente ad un atomo di carbonio sp3 sono detti alogenoalcani o alogenuri alchilici e si indicano genericamente con R-X. Il legame C-X è polarizzato rendendo il carbonio elettrofilo. Il nome IUPAC degli alogenoalcani deriva dal nome del corrispondente alcano secondo le regole descritte in precedenza, considerando l’alogeno come un sostituente. In diversi casi si usa spesso il nome comune, indicato in parentesi negli esempi della figura.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Sostituzione nucleofila alifatica e β-eliminazione

Una sostituzione nucleofila è una reazione in cui un nucleofilo (X: gruppo uscente) è sostituito da un altro nucleofilo (Nu) e la reazione ha luogo su un carbonio sp3. Poiché tutti i nucleofili sono anche delle basi la sostituzione nucleofila e la β-eliminazione sono reazioni in competizione tra loro, come è illustrato nella reazione del bromocicloesano con lo ione etossido che è sia un nucleofilo che una base.


Alcune reazioni di sostituzione nucleofila

Le sostituzioni nucleofile sono le reazioni più importanti degli alogenuri alchilici perché permettono di ottenere un’ampia varietà di gruppi funzionali diversi, alcuni dei quali sono illustrati in figura.


Meccanismi della Sostituzione Nucleofila Alifatica Meccanismo SN2

Sulla base delle osservazioni sperimentali i chimici hanno proposto due meccanismi limite per le sostituzioni nucleofile. Nel meccanismo SN2 (sostituzione nucleofila bimolecolare) entrambi i reagenti, alogenuro alchilico e nucleofilo, sono coinvolti nello stadio che determina la velocità dell’intero processo. Nelle SN2 il nucleofilo attacca il centro reattivo dal lato opposto del gruppo uscente e nell’esempio illustrato, il carbonio subisce un’inversione di configurazione, cioè i gruppi legati ad esso sono ribaltati verso il lato opposto.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Inversione di configurazione su un carbonio chirale nella reazione SN2

Una reazione SN2 effettuata su un carbonio chirale produce un’inversione di configurazione, ma questo non significa che la configurazione del carbonio cambia da R ad S o viceversa. Tutto dipende dalla priorità dei gruppi nei reagenti e nei prodotti. Nell’esempio illustrato l’(S)-1-bromo-1-cloroetano subisce un’inversione di configurazione dopo una SN2 in cui il nucleofilo è uno ione idrossido ma il prodotto, l’(S)-1-cloroetanolo, ha anch’esso una configurazione S.


Diagramma di energia potenziale per una reazione SN2

Nel diagramma di energia potenziale di una reazione SN2 è presente un unico stato di transizione e nessun intermedio di reazione poichè questa avviene in un unico stadio.

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Meccanismo SN1


Diagramma di energia potenziale per una reazione SN1

Nel diagramma di energia potenziale di una reazione SN1 vi è uno stato di transizione (ST1) che porta alla formazione di un intermedio carbocationico (stadio 1) ed un secondo stato di transizione (ST2) per la reazione del carbocatione col nucleofilo (CH3OH nell’esempio) (stadio 2). Poiché la barriera di energia potenziale più alta si ha nello stadio 1 (Ea1) questo stadio determina la velocità dell’intero processo.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Racemizzazione in una reazione SN1 condotta su uno stereocentro

Se uno stereocentro tetraedrico subisce una reazione SN1 si ottiene una miscela racemica. Nell’esempio illustrato si parte dall’enantiomero R. Dopo la ionizzazione si ottiene un carbocatione intermedio planare (e quindi achirale). L’attacco del nucleofilo dal lato destro del carbocatione darà luogo all’enantiomero R, mentre dal lato sinistro darà luogo all’enantiomero S. Poiché l’attacco può avvenire con la stessa probabilità su entrambe i lati del carbocatione gli enantiomeri R e S si formano in uguali quantità e si ottiene una miscela racemica.


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.

Struttura del nucleofilo (nucleofilicità)

La nucleofilicità è una proprietà cinetica che si può valutare dalle velocità di reazione relative. I vari nucleofili possono essere confrontati misurando la velocità alla quale ciascuno di essi sostituisce un gruppo uscente in un alogenuro alchilico, per es.:
CH3CH2Br + Nu- = CH3CH2Nu + Br-
Poiché il nucleofilo partecipa all’unico stadio di una reazione SN2, maggiore è la sua nucleofilicità più veloce è la reazione SN2 e maggiore sarà la probabilità che essa proceda con questo meccanismo. Invece, nello stadio che determina la velocità di una reazione SN1 il nucleofilo non partecipa e quindi questo non è in grado di influenzarne significativamente la velocità.


Struttura dell’alogenuro alchilico: l’ingombro sterico

In una reazione SN2, il nucleofilo deve avvicinarsi al centro di sostituzione per formare un nuovo legame covalente. Nel caso di un alogenuro 1° l’avvicinamento del nucleofilo (freccia rossa) è schermato da due atomi di idrogeno ed un gruppo alchilico, mentre per un alogenuro 3° da tre gruppi alchilici. Quindi, nel caso di un alogenuro 1° l’accesso al centro di sostituzione è più facile rispetto ad un alogenuro 3° in cui è schermato da tre gruppi alchilici di maggiori dimensioni di un atomo di idrogeno. Questo si traduce in una velocità di reazione maggiore per un alogenuro 1°. Gli alogenuri alchilici 2° presentano una situazione intermedia.


Struttura dell’alogenuro alchilico: i fattori elettronici

I carbocationi 3° sono quelli più stabili e per la loro formazione richiedono la minore energia di attivazione, mentre quelli 1° sono i meno stabili e richiedono la maggiore energia di attivazione. Pertanto, gli alogenuri alchilici 3° reagiscono più facilmente attraverso la formazione di carbocationi, gli alogenuri 2° hanno una minore propensione a formare carbocationi e quelli 1° o metilici non reagiscono mai attraverso la formazione di carbocationi.


Effetto combinato dei fattori sterici ed elettronici nelle reazioni SN1 e SN2

L’effetto combinato dei fattori sterici ed elettronici fa si che gli alogenuri 3° reagiscano con meccanismo SN1 perché i carbocationi 3° sono i più stabili, mentre non reagiscono mai con meccanismo SN2 perché il sito di reazione non è accessibile. Per gli alogenuri metilici e quelli primari l’accesso al sito di reazione è facile e quindi questi reagiscono con meccanismo SN2, ma mai con meccanismo SN1 perché i loro carbocationi sono quelli meno stabili. Gli alogenuri 2° possono reagire sia con SN1 che con SN2 a seconda del nucleofilo e del solvente.


Struttura del gruppo uscente

Nello stato di transizione di una sostituzione nucleofila su alogenuri alchilici, il gruppo uscente sviluppa una parziale carica negativa sia nelle SN1 che nelle SN2. Pertanto, la capacità di un gruppo di comportarsi da gruppo uscente è in relazione a quanto esso sia stabile come anione. Gli anioni più stabili sono le basi coniugate degli acidi forti e quindi saranno i migliori gruppi uscenti. Le informazioni sulla forza relativa degli acidi organi ed inorganici possono essere usate per determinare quali anioni risulteranno i gruppi uscenti migliori.


Effetto del tipo di solvente usato: solventi protici

I solventi protici contengono gruppi –OH che sono in grado di solvatare efficacemente sia gli anioni che i cationi grazie alle interazioni elettrostatiche tra i loro atomi di ossigeno con carica parziale negativa e i cationi, e tra i loro atomi di idrogeno con parziale carica positiva e gli anioni. Queste proprietà favoriscono la scissione eterolitica del legame C-X per la formazione di un anione X- e di un carbocatione. Quindi i solventi protici sono in grado di favorire le reazioni SN1.


Effetto del tipo di solvente usato: solventi aprotici

I solventi aprotici non contengono gruppi –OH ed, almeno quelli più polari, sono in grado di solvatare efficacemente i cationi ma non gli anioni, per cui non favoriscono la rottura eterolitica del legame C-X e quindi la reazione SN1. Per lo stesso motivo, non solvatano efficacemente il nucleofilo rendendolo più forte e, come abbiamo visto, più forte è il nucleofilo più favorita sarà la reazione SN2.


La reazione di β-eliminazione

La reazione di β-eliminazione illustrata è una deidroalogenazione. In presenza di una base forte, un alogeno ed un idrogeno legati a due carboni adiacenti possono essere rimossi per formare un doppio legame carbonio-carbonio.

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES

Fonte: modificata da Brown Poon, Introduzione alla Chimica Organica, EdiSES


Regola di Zaitsev

In molti casi i carboni adiacenti a quello che lega l’alogeno (A e B) non sono equivalenti e la rimozione di un idrogeno da uno o l’altro degli atomi di carbonio può portare a due alcheni diversi, come nel caso del 2-bromobutano. In questi casi, il prodotto principale è l’alchene più sostituito (nell’esempio illustrato il 2-butene), cioè quello più stabile. Si dice che la reazione segue la regola di Zaitsev dal nome del chimico russo che la formulò.


Meccanismi della β-eliminazione

Il 1° stadio è la scissione eterolitica del legame carbonio-alogeno, esattamente come nel caso della SN1. Nel 2° stadio una base (nel caso illustrato CH3OH che funge anche da solvente) cattura un protone di un gruppo adiacente alla carica positiva con formazione di un alchene.

Meccanismo E1: eliminazione monomolecolare

Meccanismo E1: eliminazione monomolecolare


Meccanismo E2: eliminazione bimolecolare

Il meccanismo di eliminazione E2 è concertato, cioè vi è un solo stadio e gli eventi di trasferimento di un protone, formazione del doppio legame carbonio-carbonio ed espulsione dello ione bromuro avvengono simultaneamente.


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