G. Licini, Università di Padova. La riproduzione a fini commerciali è vietata

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1 SSTITUZINI NUCLEFILE H H H H H + HBr + H H 2 H Br SUBSTRATI alogenuri, eteri, epossidi, esteri solfonici Possibili meccanismi S N 1, S N 2, S N 2, S n i 1 Generalità Gruppo uscente (LG) deve essere una base debole (X -, H 2, R 2 S) Il carbonio in α al gruppo uscente diviene un miglior elettrofilo grazie alla sostituzione con il LG C δ + Cl δ C δ + δ S 2 R C δ + δ H C δ + Me S Me polarizzazione del legame C-LG Le reazioni avvengono con un ben determinato decorso stereochimico 2

2 Nei reagenti è sempre presente un eteroatomo (, X, S) legato ad un atomo di carbonio ibridizzato sp 3. Il gruppo contenente l eteroatomo viene chiamato gruppo uscente In tutte le reazioni è presente un nucleofilo. I nucleofili sono specie neutre o anioniche con un doppietto elettronico non condiviso che reagisce con la molecola di substrato G. Licini, Università di Padova. La riproduzione a fini commerciali è vietata 3 Nelle reazioni di sostituzioni di derivati alifatici un nucleofilo sostituisce un gruppo uscente 4

3 Legame C-LG polarizzato Gruppo uscente base debole Il doppietto elettronico del nucleofilo è attratto dal carbonio elettrofilo... portando alla sostituzione del LG Br - da parte di X -. Br - è una base debole Anche negli alcoli il carbonio è elettrofilo ma l H - non è una base debole 5 Come fare di un H - un buon gruppo uscente? Lo si trasforma nel corrispondente ESTERE SLFNIC Me S F 3 C S S Ione metansolfonato Trifluorometansolfonato p-toluensolfonato (mesilato) (triflato) (tosilato) Bontà LG: I - > RS 3- > Br - > Cl - >> RC - 6

4 Buoni gruppi uscenti 7 Gruppi uscenti dopo attivazione in situ LA= Acido di Lewis LA= Acido di Lewis 8

5 Cattivi gruppi uscenti o non gruppi uscenti Il nucleofilo reagisce ma non fornisce una S N Può deprotonare il gruppo R o attaccare il gruppo funzionale 9 Nucleofilo I nucleofili sono specie neutre o anioniche con un doppietto elettronico non condiviso che reagisce con la molecola di substrato 10

6 NUCLEFILI Anioni: I -, Br -, Cl -, F -, H -, R -, RS -, R 3 C -, RC - Molecole neutre: R 3 N:, R 3 P:, H 2 S, RSH, R 2 S Reagente Nucleofilo Reagente Nucleofilo HBr HCl Br - Cl - HI I - NH 3 NaN 3 N - 3 NaCN, KCN H 2 H 2 : NHR 2 NaH, KH NaCH 3 NaCH 2 CH 3 KC(CH 3 ) 3 NaPh, KPh KAc H - CH 3 - CH 3 CH 2 - (CH 3 ) 3 - Ph - Ac - PBr 3 Ph 3 P NaSCH 3 NaSPh NaSePh CN - :NH 3 :NHR 2 Br - Ph 3 P: CH 3 S - PhS - PhSe - LiAlH 4 H - 11 Reazioni di sostituzione nucleofila 12

7 La nucleofilicità dipende da: Una specie carica negativamente è più nucleofila della sua controparte t neutra H - > H 2 Per un determinato tipo di atomo e carica, la nucleofilicità è proporzionale alla basicità: Et - > H - > Ph - > CH 3 C - Queste scale di reattività vengono determinate attraverso esperimenti competitivi 13 Nucleofilicità/Basicità Per un determinato tipo di atomo la nucleofilicità è proporzionale alla basicità: R - >H - >Ph - > RC - >> RH>H 2 >>>RS

8 Effetti sterici possono ridurre la nucleofilicità: 15 Per ogni gruppo della tavola periodica la nucleofilicità cresce al decrescere della elettronegatività dell atomo Sia all interno dello stesso periodo della tavola periodica: Sia l interno dello stesso gruppo della tavola periodica: 16

9 Definizione dei tipo di atomi di carbonio: sp 3 -sp 3 primario primario secondario terziario sp 2 -sp 3 primario benzil cloruro primario alcol benzilico primario allil bromuro terziario alcol allilico sp 2 aril bromuro fenolo vinil cloruro Alcol vinilico (instabile) 17 Le reazioni di sostituzione nucleofila di un alchil alogenuro può avvenire con due tipi di meccanismi: In una la velocità di reazione dipende sia del substrato che dal nucleofilo Meccanismo bimolecolare Nell altra è indipendente dalla concentrazione del nucleofilo Meccanismo unimolecolare La struttura del substrato ha un elevata influenza sul tipo di meccanismo che si osserva 18

10 Alogenuri terziari e benzilici reagiscono attraverso processi in cui la concentrazione del nucleofilo non è rilavante. Queste reazioni si indicano S N 1 SSTITUZINE NUCLEFILA UNIMLECLARE Alogenuri metilici, primari e molti secondari reagiscono con nucleofili attraverso un processo bimolecolare. Queste reazioni si indicano S N 2 SSTITUZINE NUCLEFILA BIMLECLARE 19 Passaggi chiave: Rottura del legame tra l atomo di carbonio e il gruppo uscente Formazione del legame tra il carbonio e il nucleofilo passaggio lento Nel primo passaggio il LG (Br - ) dissocia insieme al doppietto elettronico L atomo di carbonio rimane con sei elettroni e quindi diventa planare passaggio veloce Nel secondo passaggio, il nucleofilo reagisce con il carbocatione generando un nuovo legame 20

11 Uso di diversi nucleofili in reazioni S N 1 Piridina miglior nucleofilo della Et 3 N 3 Esperimento competitivo: Prodotto maggioritario 21 Il processo S N 1 è favorito da: 1. Molecole che favoriscono la formazione di carbocationi 2. Uso di nucleofili deboli, spesso molecole neutre 3. Uso di solventi polari che stabilizzano l intermedio carico 22

12 Solventi polari: I solventi polari, mediante la formazione di legami assistono l uscita del gruppo uscente e stabilizzano ioniche che si formano (carbocatione eanione) idrogeno, le specie 23 REAZINI DI SLVLISI il solvente stesso è il nucleofilo (specie neutra) reazione acido-base 24

13 Scrivere un meccanismo ragionevole per la seguente solvolisi (indicando con frecce il movimento degli elettroni) 25 Esercizio. Scrivere un meccanismo ragionevole per la seguente solvolisi 26

14 LA FRMAZINE DEL CARBCATINE DIPENDE DA: 1. Ingombro sterico, 2.Stabilizzazione per delocalizzazione o iperconiugazione Catione benzilico Catione allilico 27 Stabilizzazione per risonanza di eteroatomi C è overlap tra un orbitale p dell ossigeno e l orbitale p del carbocatione 28

15 Stabilizzazione per iperconiugazione - Sistemi alifatici Minor ingombro sterico (sp 2 ) specie a più elevata energia (6 e - ) Effetti induttivi 29 Iperconiugazione: delocalizzazzione di elettroni attraverso legami sigma 30

16 terz-butil carbocatione Più un carbocatione è sostituito più è stabile Minore overlap 31 32

17 terz-butil carbocatione: Scrivere le forme di risonanza Disporre i seguenti carbocationi in ordine di stabilità (dal più al meno stabile) 33 Passaggi chiave: Rottura del legame tra l atomo di carbonio e il gruppo uscente Formazione del legame tra il carbonio e il nucleofilo passaggio lento Nel primo passaggio il LG (Br - ) dissocia insieme al doppietto elettronico L atomo di carbonio rimane con sei elettroni e quindi diventa planare passaggio veloce Nel secondo passaggio, il nucleofilo reagisce con il carbocatione generando un nuovo legame 34

18 35 36

19 Postulato di Hammond La struttura dello stato di transizione è simile alla specie (reagente o prodotto) più vicina in energia Processo esotermico Processo endotermico 37 38

20 Quali di questi bromoalcani vi aspettate reagisca via S N 1 più velocemente? 39 Reattività dei carbocationi 1. Sostituzione 2. Eliminazione 3. Addizione 4. Riarrangiamento 40

21 Riarrangiamenti di Wagner-Meerwein 41 42

22 Decorso stereochimico di una reazione S N 1 Produzione di prodotti racemi a partire da reagenti enantiopuri Me Br Et Ph NaI Me I Et Ph Me + I Ph Et (RS) 43 44

23 Decorso stereochimico di una reazione S N 1 Produzione di prodotti parzialmente racemizzati a partire da reagenti enantiopuri 45 Effetto solvente nelle S N 1 46

24 Energia libera di eterolisi di un agente alchilante 47 Ciclo termodinamico per calcolare l energia libera per l eterolisi di alchil bromuri in soluzione Reazioni veloci in solventi polari G. Licini, Università di Padova. La riproduzione a fini commerciali è vietata 48

25 Solventi polari aprotici H 3 C S CH 3 H N CH 3 N N Dimetilsolfossido (DMS) CH 3 Dimetilformammide (DMF) Tetraidrofurano (THF) N,N -dimetilpropilenurea (DMPU) H 3 C CH H3 3 C C N H 3 C Acetone Acetonitrile H 3 C CH 3 Dietiletere (etere) Dimetossietano (DME) CH 3 P NM 2 NMe 2 NMe 2 Esametilforsforotriamide (HMPA) 49 Che prodotti si formano? 50