Reattività degli alogenuri alchilici

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1 Reattività degli alogenuri alchilici 1

2 Sono composti organici che contengono almeno un legame carbonio-alogeno (C X) X (F, Cl, Br, I) Il carbonio è sp3 Possono contenere più legami C X: composti polialogenati. 2

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5 II. Nomenclatura IUPAC alogenoalcano Comune alchil alogenuro CH 2 Cl 2 diclorometano metilene dicloruro CHI 3 CBr 4 triiodometano tetrabromometano iodoformio carbonio tetrabromuro Br bromometano metil bromuro CCl 2 F 2 Cl I diclorodifluorometano 2-cloropropano iodocicloesano Freon-12 isopropil cloruro cicloesil ioduro Br 2-bromo-2,4-dimetilpentano

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14 Alchil alogenuri: Preparazioni da alcheni per addizione di acidi alogenidrici HCl, HBr, HI da alcani e Cl 2 o Br 2, calore o luce da alcoli per reazione con acidi alogenidrici 14

15 Reazioni degli alogenuri alchilici Sostituzione nucleofila Eliminazione (beta-eliminazione) Gli alogenuri alchilici non rivestono grande interesse dal punto di vista biologico, se non per il fatto che molti alogeno derivati, specialmente quelli insaturi (ad es., cloruro di vinile, tricloroetilene), sono piuttosto tossici. Sono tuttavia molto importanti chimicamente in quanto reagiscono facilmente con molti reattivi nucleofili, formando una grande varietà di prodotti, tanto che qualsiasi derivato della serie alifatica può essere preparato a partire da alogenuri. 15

16 Struttura Il legame C X si allunga scendendo nel gruppo e diventa più debole. Lunghezza di legame C-X e E di dissociazione Å kcal/mole -H -F -Cl -Br -I Teflon! δ+ δ Il legame C X è polarizzato verso l alogeno: R X 16

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18 Legame debole.. R X.. : Reattività di R-X X, alta affinità elettronica, buon gruppo uscente, X - o X δ- R + o R δ+ R elettrofilo attaccabile da un nucleofilo. Un nucleofilo è anche base. 1) Sostituzione Nucleofila R X + Nu R Nu + X R X + Nu R Nu + X 2) β-eliminazione β α H C C X + B C=C + HB + X Nucleofilo: specie con disponibilità elettronica: neutro, Nu; carico parzialmente Nu δ o totalmente Nu (base) Elettrofilo: specie con carenza elettronica parziale E δ+ o totale E + (acido) 18

19 Nucleofili.. HO: HS: O :.. :.. N C: etc.

20 Nucleofili.. HO: HS O : :.. :.. N C: etc. Non tutti i nucleofili sono anioni. Molti sono neutri..... HOH.. OH.. : NH 3 per esempio

21 Nucleofili.. HO: HS: O :.. :.. N C: etc. Non tutti i nucleofili sono anioni. Molti sono neutri..... HOH.. OH.. : NH 3 per esempio Tutti i nucleofili, tuttavia, sono basi di Lewis, cioè donatori di una coppia di elettroni.

22 Nucleofili Molti dei solventi in cui avvengono le sostituzioni nucleofile sono essi stessi dei nucleofili... HOH.... OH.. per esempio

23 Che cosa differenzia dunque un nucleofilo da una base? Un nucleofilo è un reagente in grado di fornire un doppietto elettronico per formare un legame covalente

24 Una base è un reagente che presenta un doppietto elettronico disponibile per formare un legame con un protone.

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26 Gli alogenuri alchilici sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo X, attaccato direttamente al carbonio. La sua elettronegatività non solo fa sì che il legame C-X sia polarizzato a favore di quest ultimo ma comporta anche che tutti i legami C-H, fino al carbonio in b, siano polarizzati a favore dei rispettivi carboni. H d+ d+ H C C X d- H d+ H d+ 26

27 Questa situazione spiega la reattività degli alogenuri alchilici che può essere riassunta in 1) sostituzione di X per opera di un nucleofilo (sostituzione nucleofila) 2) allontanamento di un H + dal carbonio in b con contemporanea formazione di un doppio legame carbonio-carbonio e uscita dello ione alogenuro (eliminazione) H H Nu C C X Nu H H 27

28 Le due diverse reazioni (sostituzione o eliminazione) possono avvenire secondo meccanismi differenti che sono determinati da tipo di alogenuri per quanto riguarda sia R (primario, secondario, terziario) sia X forza del nucleofilo e sue proprietà basiche natura del solvente temperatura 28

29 Prodotti della reazione di sostituzione 29

30 Sostituzione nucleofila 30

31 Meccanismo della Reazione di Sostituzione Nucleofila

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33 Meccanismo unimolecolare: sostituzione nucleofila unimolecolare (SN1) Un alogenuro che reagisca con questo meccanismo lo fa in due stadi, il primo dei quali è lento e consiste nella dissociazione dell alogenuro stesso con formazione del carbocatione. Nel secondo passaggio, che è veloce, il carbocatione si combinerà con il nucleofilo per dare il prodotto. Poiché lo stadio lento interessa un solo reagente, il meccanismo è detto unimolecolare 33

34 Esempio di una SN1 C.. Br.. : + : O: H H C.. OH.. + H.. Br.. :

35 bromuro di tert-butile. C.. Br.. : + : O: H C OH H

36 C.. Br.. : 1 Stadio lento H 3 C CH C + : Br :..

37 2 Stadio H 3 C CH + 3 C : O: H H veloce C + O: H H

38 3 Stadio C + O: H + H 2 O: C OH H deprotonazione veloce + H 3 O +

39 Carbocationi si classificano in primari, secondari e terziari in relazione al numero di atomi di carbonio legati all atomo di carbonio che porta la carica. 39

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42 H C CH3 C X X CH 2 X H C CH3 CH 2 C

43 Quindi poiché si passa attraverso la formazione di un carbocatione, questo meccanismo sarà quello preferito dagli alogenuri che formano carbocationi più stabili. 43

44 Fattori che influenzano la SN1 Struttura dell alogenuro alchilico Forza del Nucleofilo Natura del Solvente Gruppo Uscente

45 Natura del Nucleofilo Il nucleofilo nella SN1 deve essere debole perché altrimenti si avrebbe più prodotto di eliminazione (competizione!!!!!)

46 lassificazione dei reattivi Molto buoni Buoni Discreti Deboli Molto deboli Nucleofili Ioduro (I-), Idrogeno Solfuro (HS-), Achil Solfuro (RS-) Bromuro (Br-), Idrossido (OH-), Alcolato (RO-), Cianuro (CN-), Azide (N3-) Ammoniaca (NH3), Cloruro (Cl-), Floruro (F-), Carbossilato (RCO2-) Acqua (H2O), Alcoli (ROH) Acido Carbossilico (RCO2H) 46

47 Effetto del solvente La velocità della reazione S N 1 aumenta in Solventi Polari Protici i quali Essi riescono efficacemente a solvatare gli ioni che si formano in seguito alla rottura eterolitica del legame C-X

48 Solventi protici e aprotici I solventi possono essere protici o aprotici. I solventi protici contengono gruppi OH, donatori di legame idrogeno (es. acqua, alcoli, acidi carbossilici). Tali solventi sono in grado di solvatare gli anioni ed i cationi, favorendo la scissione eterolitica dei legami e la formazione dei carbocationi, favorendo in questo modo le S N1. I solventi aprotici non contengono gruppi OH. Possono essere polari, con una densità di carica negativa localizzata, come acetone, dimetilsolfossido (DMSO), oppure apolari, come diclorometano (DCM) o etere etilico. 48

49 PROTICI sono "donatori di legami ad idrogeno", poiché nella loro strutura possiedono "O-H". In virtù di questo fatto, riescono a solvatare bene sia gli anioni che i cationi e quindi favoriscono le SN1. Ci son poi quelli APROTICI che invece, mancando di "O-H" nella loro struttura, NON son capaci di fornire legami a idrogeno, favorirebbero le reazioni SN2 49

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51 Natura del gruppo uscente 51

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54 Meccanismi unimolecolari: eliminazione unimolecolare (E1) Anche quando un alogenuro alchilico procede secondo questo meccanismo, la reazione passa attraverso due stadi. Il primo, che è quello lento e determina la velocità della reazione, è identico al primo della SN1 e consiste nella formazione del carbocatione: 54

55 Nel secondo stadio, invece, una base allontana un idrogeno dal carbonio in b, lasciando il doppietto sul carbonio stesso. Immediatamente il doppietto si sposta a formare un doppio legame carbonio-carbonio: 55

56 Qualora fossero attaccabili più idrogeni e quindi fossero possibili più alcheni, vale la regola di Zaytzeff, secondo la quale si forma prevalentemente l alchene più sostituito nella forma trans. I + O - 63 % 18 % 19 % 56

57 Anche in questo meccanismo sono importanti solo le caratteristiche e la concentrazione dell unico composto che partecipa allo stadio lento della reazione e cioè di RX. Come già succedeva con la S N 1, questo modo di reagire sarà preferito da alogenuri che formano carbocationi più stabili, come terziari e sarà tanto più veloce quanto meglio il gruppo uscente potrà ospitare la carica negativa. 57

58 Importanza del gruppo uscente Il gruppo uscente è tanto migliore se ha una minore densità di carica 58

59 E invece del tutto ininfluente la forza della base che attacca perché essa non partecipa allo stadio lento. E1 e S N 1 sono meccanismi che interessano contemporaneamente gli stessi composti e la prima (E1) è favorita da temperature più alte, mentre entrambe sono favorite da solventi polari protici che stabilizzano entrambi gli ioni che si ottengono dalla dissociazione dell alogenuro alchilico. R + X - 59

60 Meccanismi bimolecolari: sostituzione nucleofila bimolecolare (SN2) Quando un alogenuro reagisce con questo meccanismo lo fa in un unico stadio al quale partecipa assieme al nucleofilo. La velocità dipende dunque dalle concentrazioni di entrambi v= k [RX] [Nu - ] 60

61 Si ha dunque l ingresso del nucleofilo contemporaneo all allontanamento del gruppo uscente. 61

62 Durante l attacco i tre sostituenti del carbonio vengono rovesciati nel senso opposto a quello di entrata del nucleofilo: la configurazione del carbonio subisce inversione. 62

63 Inoltre, questo meccanismo, in cui il nucleofilo deve farsi strada attraverso i sostituenti presenti sul carbonio, è molto sensibile all ingombro sterico: gli alogenuri terziari sono quelli che più difficilmente reagiranno mentre quelli metilici sono quelli più favoriti. 63

64 La S N 2 è favorita è favorita da solventi polari aprotici, come l acetone, poiché non si legano agli anioni. Il nucleofilo, che è un anione, è così libero di arrivare nudo al carbonio e di reagire con esso. Un solvente protico, invece, rivestendo il nucleofilo ne renderebbe difficile l azione. O S d+ d- d- d+ -O-H Nu - 64

65 Confronto S N 1 con S N 2 Per una S N 2 occorre un nucleofilo di buona forza Tendenza alla S N 1 metilico primario secondario terziario Tendenza alla S N 2 65

66 Confronto dei meccanismi 66

67 Meccanismi bimolecolari: eliminazione bimolecolare (E2) Quando un nucleofilo ha buone caratteristiche basiche, strappa l idrogeno in b consentendo così al doppietto che rimane sul carbonio di formare un doppio legame e di allontanare l alogenuro. 67

68 La reazione avviene anche in questo caso in un unico passaggio e la velocità dipende, come nell SN2, dalle concentrazioni sia del nucleofilo sia dell alogenuro: v= k [RX] [Nu-] Vi è dunque, a ulteriore somiglianza con la sostituzione bimolecolare, un momento in cui il nucleofilo e il gruppo uscente sono attaccati contemporaneamente alla molecola ma, poiché l attacco avviene lontano dal centro di reazione, in questo caso l ingombro sterico non è un problema. Anzi, gli alogenuri terziari, poiché più ricchi di idrogeni attaccabili, risultano più favoriti in questa reazione. B: C Br B: C Br B: H C Br H H 68

69 Inoltre la base e il gruppo uscente si pongono da parti opposte dello stesso piano determinando così quale isomero geometrico si ottiene. B: H C CH 2 C CH 2 Br CH 2 C C cis-3-esene CH 2 B: H C C CH 2 CH 2 C C CH 2 Br CH 2 trans-3-esene Anche in questo caso, come nella E1, si forma sempre l alchene più sostituito (Zaytzeff). 69

70 E adesso? 70

71 Come facciamo a prevedere secondo quale meccanismo reagiranno un certo alogenuro e un dato nucleofilo? Si decide tenendo conto, in ordine, di : 1) alogenuro alchilico 2) nucleofilo/base 3) solvente 4) temperatura 71

72 Nucleofilo scadente H 2 O, RSH, ROH debolmente basico Buon nucleofilo Base forte non impedita stericamente Base forte impedita stericamente I -, Br -, COO - OH -, O - ( ) 3 CO - Alogenuro metilico NON REAGISCE S N 2 S N 2 S N 2 primario non impedito stericamente NON REAGISCE S N 2 S N 2 E2 primario impedito stericamente NON REAGISCE S N 2 E2 E2 secondario S N 1 lenta, E1 S N 2 E2 E2 terziario S N 1, E1 S N 1, E1 E2 E2 benzilico o allilico S N 1 S N 1 S N 1 S N 1 72

73 In linea di massima ricordare che Un metilico può solo dare S N 2 Un primario dà solo meccanismi bimolecolari Un terziario dà meccanismi unimolecolari con nucleofili deboli ed E2 con quelli forti I secondari hanno comportamento che dipende da nucleofilo e solvente Un nucleofilo forte, si fa sentire, e spinge verso meccanismi bimolecolari i secondari e Benzilico e allilico danno solo S N 1 73

74 Al lavoro, con un po di esercizi Cosa si ottiene da CHCH 2 Br + I - DMSO S N 2 Alogenuro primario Solvente aprotico Nucleofilo forte/base debole CHCH 2 I la nucleofilicità degli ioni alogenuro segue l ordine I - > Br - > Cl - > F -, opposto all ordine di basicità F - > Cl - > Br - > I -. Sembra che alla base di questo fenomeno vi siano le differenze delle energie di solvatazione degli ioni 74

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76 E questo? Cosa si ottiene da Br CHCH 2 + S - acetone Alogenuro secondario Solvente aprotico Nucleofilo forte/base debole S N 2 S CHCH 2 Con inversione 76

77 E ancora Cosa si ottiene da Cl + OH OH Alogenuro secondario Solvente protico Nucleofilo debole S N 1/ E1 O + 77

78 Stanchi? Cosa si ottiene da Cl CCH 2 + OH - acqua Alogenuro terziario Solvente protico Nucleofilo forte/base forte E2 ( ) 2 C=CH prevalente CH 2 =C(CH 2 ) 78

79 Vediamo questo Cosa si ottiene da Cl CHCH 2 + OH/H 2 O T bassa Alogenuro secondario Solvente protico Nucleofilo debole OH O S N 1 CHCH 2 + CHCH 2 Con racemizzazione 79

80 Eh sì, dai, e dopo Cosa si ottiene da Cl CHCCH 2 CH=CH 2 + OH- acqua Alogenuro terziario Solvente protico Nucleofilo forte/base forte E2 ( ) 2 CH ( )C=CHCH=CH 2 Prevalente. Perché? ( ) 2 C=C( )CH 2 CH=CH 2 80

81 Veloci che è l ultimo Cosa si ottiene da Cl + I - acetone Alogenuro secondario Solvente aprotico Nucleofilo forte/base debole S N 2 I 81

82 E2 CH 2 CH=CH Cosa si ottiene da Ci arrabbiamo se ne arriva ancora uno? Br CH 2 CHCH 2 + O - OH Alogenuro secondario Solvente protico Nucleofilo forte/base forte 82

83 V. Sostituzione vs Eliminazione C. Unimolecolare: S N 1 o E1? Br H 2 O base debole Nu debole OH 2 H OH 2 OH per entrambe, v = k[rbr] non si controlla il rapporto di S N 1 e E1 83

84 V. Sostituzione vs Eliminazione D. Sommario 1. bimolecolare: S N 2 & E2 Favorite da alta concentrazione di buon Nu o forte B buon Nu, debole B: I, Br, HS, RS, NH 3, PH 3 favorita S N 2 buon Nu, forte B: HO, RO, H 2 N S N 2 & E2 cattivo Nu, forte B: tbuo (steric. ingombrato) favorita E2 Substrato: 1º RX principalmente S N 2 (tranne che con tbuo ) 2º RX sia S N 2 che E2 (ma principalmente E2) 3º RX E2 soltanto la ramificazione in β impedisce S N 2 84

85 V. Sostituzione vs Eliminazione D. Sommario 2. unimolecolare: S N 1 & E1 Ha luogo in assenza di buon Nu o forte B cattivo Nu, debole B: H 2 O, ROH, RCO 2 H Substrato: 1º RX S N 1 e E1 (solo con riarrangiamento) non si controlla 2º RX il rapporto S 3º RX N 1 e E1 (può riarrangiare) S N 1 / E1 85

86 Sostituzione o Eliminazione? La forza del nucleofilo determina l ordine: Nucleofilo forte reagirà S N 2 o E2. Alogenuri primari di solito S N 2. Alogenuri terziari miscela di S N 1, E1 o E2. Alta temperatura favorisce l eliminazione. Basi ingombranti favoriscono l eliminazione. Buoni nucleofili, ma basi deboli favoriscono la sostituzione. 86

87 E1 o E2? E1 Terziario > Secondario Base debole Solvente ionizzante v = k[alogenuro] Prodotto di Saytzeff Nessuna geometria richiesta Prodotti di riarrangiamento E2 Terziario > Secondario Richiesta base forte Polarità solvente non importante v = k[alogenuro][base] Prodotto di Saytzeff Gruppi uscenti coplanari (anti) Nessun riarrangiamento 87

88 Riassunto R-X 3 reagiscono con tutti i meccanismi tranne che con S N 2 Con basi forti: E2 Con nucleofili o basi deboli: S N 1 e E1 R-X 1 reagiscono con S N 2 e E2 Con nucleofili forti non ingombrati: S N 2 (poco reattivi verso E2) Con nucleofili forti ingombrati: E2 R-X 2 reagiscono con tutti i meccanismi S N 1, S N 2, E1, E2 Con basi e nucleofili forti: S N 2 e E2 Con basi forti ingombrate: E2 Con nucleofili o basi deboli: S N 1 e E1 88