Reazioni degli Alogenuri Alchilici Reazioni di sostituzione nucleofila alifatica degli alogenuri alchilici. Un nucleofilo ( reagente amante del nucleo) è un qualsiasi reagente che dona una coppia non condivisa di elettroni per formare un nuovo legame covalente. Una sostituzione nucleofila è una reazione in cui un nucleofilo va a sostituire il gruppo uscente nel substrato alogenuro alchilico. L alogeno può uscire portandosi dietro il doppietto di elettroni. R- X + :Nu R-Nu + X -
R- X + :Nu R-Nu + X - Nell equazioni generali Nu: è il nucleofilo, X è il gruppo uscente e la sostituzione avviene su un atomo di carbonio ibridato sp 3. Questa reazione permette di preparare molti prodotti di sostituzione a secondo del nucleofilo Nu - H - ; I - ; Cl - ; NH 3 ; CH 3 S - ; OH - ; CH 3 COO - ; N C - ; CH 3 O - ; : N(CH 3 ) 3
Aumento della efiicacia del nucleofilo
Lo studio e la discussione sulle caratteristiche del nucleofilo e del gruppo uscente costituiscono un argomento determinante ai fini dell individuazione del meccanismo. In particolare, il meccanismo dipende dalle proprietà del nucleofilo e dell alogenuro alchilico, dal solvente, dalla temperatura di reazione ed ancora da altri fattori. Prima di attaccare il carbonio elettrofilo bisogna rompere i legami idrogeno. Per le sostituzioni nucleofile vi sono due meccanismi limite, indicati con i simboli S N 1 e S N 2. La differenza fondamentale tra i due riguarda i tempi di rottura del legame carbonio-gruppo uscente e carbonio-nucleofilo.
Vediamo un esempio di sostituzione nucleofila: OH + CH 3 CH 2 Br CH 3 CH 2 OH + Br Reazione tra lo ione idrossido e il bromuro di etile. Il bromuro di etile, substrato, reagisce con lo ione idrossido, nucleofilo per fornire alcool etilico e lo ione bromuro, il gruppo uscente. La sostituzione nucleofila è una reazione del secondo ordine, la sua velocità dipende infatti dalla concentrazione dei due reagenti.
Per la reazione presa in esame, è previsto un meccanismo di tipo S N 2 in cui l attacco del nucleofilo è contemporaneo al distacco del gruppo uscente. Si ha quindi inversione di configurazione. Questo meccanismo ricorda l ombrello che si estroflette con una folata di vento.
Esempio di reazione S N 2
Per gli alogenuri terziari dato il grosso ingombro sterico è stato ipotizzato un meccanismo S N 1 con formazione del carbocatione. Nel meccanismo S N 1 la rottura del legame carbonio-gruppo uscente viene completata prima che cominci a formarsi il legame carbonio-nucleofilo; è un processo in due passaggi. Gli elettroni C-X del legame rimangono sul gruppo uscente e si forma così un carbocatione, è questo lo stadio lento, limitante la velocità dell intero processo: R' R Br R' R + + Br Nu: R' R Nu R R Il meccanismo non prevede inversione di configurazione al carbonio anche se in alcuni casi si verifica. La velocità dipende solo dalla concentrazione del substrato. R
Esempio di reazione S N 1
... in sintesi S N 2 Primari o metilici Nucleofili forti Solventi polari aprotici (DMSO, DMF) v = k[sub][nuc] Inversione al carbonio chirale S N 1 Terziari Nucleofli deboli (a volte il solvente) Solventi polari protici v = k[sub] Racemizzazione
Reazioni al carbonile Il carbonio del carbonile è un sito elettrofilo a causa della localizzazione della carica negativa degli elettroni π sull ossigeno.
Reazioni al carbonile Subisce attacco da parte di nucleofili Z - Viene facilmente protonato sull'ossigeno carbonilico Può donare protoni legati in α
Addizioni al carbonile O + Z- R Y La rottura del legame π porterà ad un prodotto di addizione attraverso la formazione di due nuovi legami σ ed il successivo ripristino del doppio legame Y R O- Z R O Z + Y- + - OCH 3
La velocità della reazione dipende dalla forza del nucleofilo e dalle caratteristiche del gruppo uscente. Dallo studio sulle caratteristiche del nucleofilo e del gruppo uscente, si è osservato che la reattività dei derivati degli acidi aumenta secondo le caratteristiche acide dell HY che si genera dal gruppo uscente: Ac. ALOGENIDRICI > ESTERI > ETERI > AMMINE Esempio + Cl - Nessuna Reazione
L attacco al carbonile avviene frequentemente per nucleofili deboli, in catalisi acida, con il meccanismo riportato: H + + R O Y + OH OH + Z- + Y HY R Y R Z a b c R O- Z d a) attivazione con H + ; b) addizione del nucleofilo; c) transfer di un protone; d) espulsione del gruppo uscente. R O Z + YH
Oppure in catalisi basica Esempio: reazione di formazione di un estere metilico
Reazioni specifiche caratteristiche del carbonile ALDEIDI-CHETONI: Reazioni con i Grignard: O OH + R"MgX R" + R R' R' R HOMgX Reazioni con le ammine O OH + NH 2 R" R"HN R R' R' R NR" + H 2 O R R' immina
Reazioni con le ammine O OH + NH 2 R" R"HN R R' R' R NR" + H 2 O R R' immina
Reazioni con gli alcoli in catalisi acida acetale
Glucosio (forma aperta) Glucosio (forma emiacetalica)
Reazioni di sostituzione in a al carbonile In questo caso il carbonio in posizione adiacente a quello carbonilico (in a) si comporta da elettrone donatore verso l elettrofilo E +.
Ossidazione delle aldeidi con agenti ossidanti CH 3 (CH 2 ) 4 CHO CrO 3 H 2 SO 4 CH 3 (CH 2 ) 4 COOH Riduzione delle aldeidi con agenti riducenti CH 3 (CH 2 ) 4 CHO H 2 O CH 3 (CH 2 ) 4 CH 2 OH