Le reazioni degli alogenuri alchilici: le sostituzioni nucleofile e le eliminazioni

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1 Le reazioni degli alogenuri alchilici: le sostituzioni nucleofile e le eliminazioni δ - X δ X = F, l, o I 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 X con formazione dell alchene (E2 o E1). 1 Reazione SN2 sostituzione nucleofila bimolecolare δ 3 δ (R)-2-omobutano stato di transizione con rottura e formazione di legame simultanee (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

2 Reazione SN1 sostituzione nucleofila unimolecolare Stadio 1: Scissione del legame -X e formazione del carbocatione intermedio carbocationico Stadio 2: Reazione dell'intermedio con il nucleofilo 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 secondari e terziari reagiscono con meccanismo SN Stadio 3: Trasferimento di un protone all'acqua per dare il prodotto neutro Scrivere il prodotto della reazione: 1-bromobutano metossido di potassio K δ 3 δ stato di transizione con rottura e formazione di legame simultanee 4

3 Scrivere le strutture dei prodotti di sostituzione della seguente reazione : (R)-3-omo-3-metilesano R intermedio carbocationico la natura planare dell'intermedio carbocationico favorisce la formazione di una miscela di enantiomeri S R 5 loruro di (S)-1-feniletile etanolo l 3 3 l Alogenuro 2 Nucleofilo debole SN1 solvente protico Sintesi della miscela racemica 6

4 ompetizione 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 Rottura del legame carbonioalogeno e formazione del carbocatione 2 3 Il nucleofilo strappa il protone in β rispetto al carbonio recante la carica positiva; gli elettroni del legame - formano il doppio legame acqua 2 3 8

5 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. ( 3 ) 3 ( 3 ) l metil-2-pentene 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 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. I gruppi da eliminare devono trovarsi in trans l I gruppi da eliminare devono trovarsi in posizione assiale Il conformero più stabile di un clorocicloesano non può dare reazione E2 perché il sostituente alogeno si trova in posizione equatoriale. più stabile l l meno stabile - - condizioni E2 condizioni E2 nessuna reazione 10

6 Prevedete la struttura dell alchene che si forma come prodotto principale nelle reazioni E2 dei seguenti alogenuri alchilici. 3 ( 3 ) 2 etossido di sodio l ( 3 ) 2 ( 3 ) l 11 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. 3 l

7 Prevedete la struttura dell alchene che si forma come prodotto principale nella reazione E1 dell 1-bromo-2,3-dimetilcicloesano con etanolo carbocatione secondario 3 3 carbocatione terziario 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 (R) alchene più sostituito (R) ( 3 ) 2 - alchene meno sostituito Si forma in piccole quantità 14

8 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 3 3 (R) (R) 3 S - 3 (Z)-2-buten-2-olo 15 ompetizione 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 on nucleofili deboli in solventi protogeni SN1, E1 Gli alogenuri alchilici terziari In presenza di una base forte E2 on nucleofili deboli in solventi protici SN1, E1 N.B. le reazioni di eliminazione sono favorite alle sostituzioni in condizioni di alta temperatura ( ) 16

9 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). 17 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 l

10 (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 DMS Alogenuro 1 -Buon nucleofilo - solvente aprotico SN2 19