Chimica organica per il liceo/Reazioni degli alogenuri alchilici



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Approfondimenti

Introduzione

Le reazioni

Qui vengono mostrate due reazioni, entrambe con riscaldamento di un alogenoalcano a riflusso con una soluzione di idrossido di sodio o di potassio. Possono verificarsi due reazioni diverse.

Sostituzione nucleofila

Gli ioni idrossido presenti sono buoni nucleofili e una possibilità è la sostituzione dell'atomo di alogeno con un gruppo -OH per dare un alcol tramite una reazione di sostituzione nucleofila.

Nell'esempio, il 2-bromopropano viene convertito in propan-2-olo.

Eliminazione

Anche gli ioni idrossido sono basi forti, quindi anche gli alogenuri alcalini subiscono reazioni di eliminazione in presenza di idrossido di sodio o di potassio.

In questa reazione, il 2-bromopropano ha reagito per formare un alchene- propene.

Si noti che un atomo di idrogeno è stato rimosso da uno degli atomi di carbonio terminali insieme al bromo da quello centrale. In tutti i casi semplici reazioni di eliminazione le cose che vengono rimosse si trovano sugli atomi di carbonio adiacenti e un doppio legame si instaura tra quei carboni.

Cosa determina se si ottiene una sostituzione o un'eliminazione?

I reagenti utilizzati sono gli stessi sia per la sostituzione che per l'eliminazione: l'alogenoalcano e una soluzione di idrossido di sodio o di potassio. In tutti i casi, si otterrà una miscela di entrambe le reazioni: una parte di sostituzione e una parte di eliminazione. Il risultato più probabile dipende da diversi fattori.

La reazione SN2

Reazioni acido-base di Brønsted-Lowry

Per molti aspetti, il processo di trasferimento protonico in una reazione acido-base di Brønsted-Lowry può essere pensato semplicemente come un tipo speciale di reazione di sostituzione nucleofila, una in cui l'elettrofilo è un idrogeno piuttosto che un carbonio.

In entrambi i tipi di reazione, stiamo osservando attori molto simili: una specie ricca di elettroni (il nucleofilo/base) attacca una specie povera di elettroni (l'elettrofilo/protone), allontanando il gruppo uscente/base coniugata. Invece di mostrare un nucleofilo specifico come l'idrossido, ci riferiremo semplicemente al reagente nucleofilo come 'Nu'. In modo simile, chiameremo il gruppo uscente 'X'. Vedremo, studiando le reazioni reali, che i gruppi uscenti sono talvolta caricati negativamente, talvolta neutri e talvolta caricati positivamente. Vedremo anche alcuni esempi di nucleofili caricati negativamente e alcuni neutri. Pertanto, in questa immagine generale non includeremo una designazione di carica sulle specie 'X' o 'Nu'. Generalizzeremo gli altri tre gruppi legati al carbonio centrale elettrofilo come R1, R2 e R3: questi simboli potrebbero rappresentare idrogeni così come gruppi alchilici. Ecco, quindi, l'immagine generalizzata di una reazione di sostituzione nucleofila concertata (a singolo stadio).

Reazione SN2 generale

Esempio:

Il meccanismo SN2

Le reazioni di sostituzione nucleofila bimolecolare (SN2) sono concertate, il che significa che sono un processo a uno stadio poiché nucleofilo ed elettrofilo reagiscono insieme, si dice anche che è una reazione bimolecolare. Ciò significa che il processo in cui il nucleofilo attacca e il gruppo uscente si allontana è simultaneo. Quindi, la formazione del legame tra il nucleofilo e il carbonio elettrofilo avviene contemporaneamente alla rottura del legame tra il carbonio elettrofilo e l'alogeno. Questo è chiamato un meccanismo 'SN2'. Nel termine SN2, S sta per 'sostituzione', il pedice N sta per 'nucleofila' e il numero 2 si riferisce al fatto che questa è una reazione bimolecolare: la velocità complessiva dipende da uno stadio in cui due molecole separate (il nucleofilo e l'elettrofilo) si scontrano. Il meccanismo inizia quando gli elettroni di una coppia solitaria del nucleofilo attaccano il carbonio elettrofilo dell'alogenuro alchilico per formare un legame sigma C-Nu. Contemporaneamente, il legame X-C viene rotto quando gli elettroni vengono spinti sul gruppo uscente. Nel complesso, durante questo meccanismo, un insieme di elettroni di una coppia solitaria viene trasferito dal nucleofilo ai gruppi uscenti.

Se si osserva attentamente il progresso della reazione SN2, si realizzerà qualcosa di molto importante riguardo al risultato. Il nucleofilo, essendo una specie ricca di elettroni, deve attaccare il carbonio elettrofilo dal lato posteriore rispetto alla posizione del gruppo uscente. L'approccio dal lato anteriore semplicemente non funziona: il gruppo uscente - che è anche un gruppo ricco di elettroni - blocca la strada.

Il risultato di questo attacco posteriore è che la configurazione stereochimica al carbonio centrale si inverte man mano che la reazione procede. In un certo senso, la molecola viene rivoltata. Le reazioni SN2 che iniziano con l'enantiomero R come substrato formeranno l'enantiomero S come prodotto. Quelle che iniziano con l'enantiomero S come substrato formeranno l'enantiomero R come prodotto. Questo concetto si applica anche ai substrati che sono cis e ai substrati che sono trans. Se la configurazione cis è il substrato, il prodotto risultante sarà trans. Al contrario, se la configurazione trans è il substrato, il prodotto risultante sarà cis. Ciò significa che le reazioni SN2, siano esse catalizzate da enzimi o meno, sono intrinsecamente stereoselettive: quando la sostituzione avviene in un centro stereogenico, possiamo prevedere con sicurezza la configurazione stereochimica del prodotto. Di seguito è riportata un'animazione che illustra i principi che abbiamo appena imparato, mostrando la reazione SN2 tra l'ione idrossido e lo ioduro di metile. Si noti come l'attacco posteriore del nucleofilo idrossido si traduce nell'inversione al carbonio tetraedrico elettrofilo.

Esempio:

Esercizi

Caratteristiche della reazione S_N2

Diagramma dell'energia potenziale e Stato di Transizione

La reazione S_N2 (Sostituzione Nucleofila Bimolecolare) avviene in un singolo stadio concertato, il che significa che la rottura del vecchio legame e la formazione del nuovo avvengono simultaneamente.

Processo concertato: Non si formano intermedi stabili (come i carbocationi), ma solo uno stato di transizione effimero.
Stato di transizione: Rappresenta il massimo di energia del diagramma. Il carbonio centrale è temporaneamente "pentacoordinato" con i legami al nucleofilo e al gruppo uscente parzialmente formati/rotti.
Esempio: Nella reazione tra idrossido (OH^-) e clorometano (CH₃Cl), lo stato di transizione vede l'ossigeno e il cloro legati debolmente ai lati opposti del carbonio centrale.

L'effetto dell'ingombro sterico

L'ingombro sterico è l'ostacolo fisico creato dai sostituenti voluminosi che impedisce al nucleofilo di avvicinarsi al carbonio elettrofilo.

Substrati Metilici e Primari: Sono i più reattivi perché il carbonio è "esposto". (Esempio: CH₃Br).
Substrati Secondari: Reagiscono più lentamente a causa della presenza di due gruppi alchilici che schermano il centro di reazione.
Substrati Terziari: Sono essenzialmente inerti alla S_N2. (Esempio: il bromuro di tert-butile, (CH₃)₃CBr, non reagisce poiché l'accesso al retro del carbonio è totalmente bloccato).
Ingombro in beta (β): Anche i gruppi vicini influenzano la velocità. Il neopentil bromuro, pur essendo primario, è lentissimo perché il carbonio adiacente è molto ingombrato.

Il Nucleofilo

Il nucleofilo è una specie chimica "amante dei nuclei", ovvero ricca di elettroni, che cerca un centro a bassa densità elettronica (il carbonio).

Forza del nucleofilo (Nucleofilia): È una misura della velocità con cui il reagente attacca.
Esempio di carica: Lo ione idrossido (OH^-) è un nucleofilo molto più forte della molecola d'acqua (H₂O) perché la carica negativa netta aumenta l'attrazione verso il carbonio positivo.
Tendenze periodiche: Scendendo lungo un gruppo, la nucleofilia aumenta con la dimensione dell'atomo (polarizzabilità). Esempio: I^- > Br^- > Cl^- > F^-.

Nucleofilia crescente: H₂O < CH₃CO₂^- < NH₃ < Cl^- < Br^- < HO^- < I^- < CN^-

Esempi di prodotti formati tramite S_N2
Nucleofilo	Nome	Prodotto	Nome Prodotto
CN^-	Cianuro	CH₃CN	Acetonitrile (Nitrile)
CH₃O^-	Metossido	CH₃OCH₃	Dimetiletere (Etere)
CH₃S^-	Metantiolato	CH₃SCH₃	Dimetilsolfuro (Solfuro)
NH₃	Ammoniaca	CH₃NH₃⁺	Ione metilammonio (Ammina)

Il Gruppo Uscente (Leaving Group)

Il gruppo uscente è l'atomo o il gruppo di atomi che si distacca portando con sé la coppia di elettroni di legame.

Capacità di uscita: Un buon gruppo uscente deve essere una base debole, ovvero capace di stabilizzare bene la carica negativa che riceve.
Esempio: Lo ione ioduro (I^-) è un eccellente gruppo uscente perché è un'anione molto stabile (base coniugata dell'acido forte HI).
Cattivi gruppi uscenti: Lo ione idrossido (OH^-) o l'ammide (NH₂^-) sono basi troppo forti e quindi pessimi gruppi uscenti.

Influenza del Solvente

Il solvente gioca un ruolo determinante nella competizione tra nucleofilo e substrato.

Solventi Polari Protici (es. Acqua, Etanolo): Svantaggiosi per la S_N2. Formano forti legami a idrogeno con il nucleofilo, "ingabbiandolo" (solvatazione) e riducendo la sua capacità di attacco.
Solventi Polari Aprotici (es. Acetone, DMSO, DMF): Ideali per la S_N2. Questi solventi solvatano bene i cationi (come Na⁺) ma lasciano il nucleofilo anionico "nudo" e molto reattivo.
Esempio pratico: Una reazione può essere migliaia di volte più veloce in Dimetilsolfossido (DMSO) rispetto al metanolo.

Riepilogo dei fattori chiave

Substrato: Deve essere poco ingombrato (Metilico > 1° > 2°).
Nucleofilo: Deve essere forte (solitamente carico negativamente come OH^- o CN^-).
Gruppo Uscente: Deve essere stabile (es. I^-, Br^-, Cl^- o Tosilato).
Solvente: Polare aprotico (Acetone, DMF, DMSO) per non disattivare il nucleofilo.

Esempi ed Esercizi (Fonte esterna)

Reazione SN1

Reazione SN1 generale

La reazione S_N1 è un processo di sostituzione nucleofila che avviene in due stadi distinti. A differenza della S_N2, la velocità di questa reazione dipende esclusivamente dalla concentrazione del substrato (reazione del primo ordine).

Osservando la seguente reazione di sostituzione ci si aspetterebbe che fosse estremamente lenta. La reazione rappresenta lo scenario peggiore basato sulle regole di una reazione SN2. Il substrato è stericamento impedito, il nucleofilo è relativamente debole e il solvente è polare protico. Tuttavia, la reazione procede rapidamente e preferisce i substrati terziari rispetto ai metilici, il che è l'opposto della tendenza osservata nelle reazioni SN2. Ha senso che questa reazione di sostituzione avvenga usando un meccanismo diverso dall'SN2.

Il meccanismo SN1

Un secondo modello per una reazione di sostituzione nucleofila è chiamato meccanismo "SN1". Nella reazione SN1, il legame tra il substrato e il gruppo uscente si rompe quando il gruppo uscente si allontana con la coppia di elettroni che in precedenza componeva il legame.

Ciò si traduce nella formazione di un carbocatione (da "carbonio" e "catione"), la parola per un atomo di carbonio caricato positivamente. Poiché il carbocatione ha solo tre legami, porta una carica formale di +1. Ricorda che un carbocatione è ibridato sp2, con geometria trigonale planare. La carica positiva è contenuta in un orbitale p vuoto, non ibridato, perpendicolare al piano formato dai tre legami sigma. La formazione di un carbocatione non è energeticamente favorita, quindi questo stadio della reazione è lo stadio più lento e determina la velocità complessiva della reazione. Lo stadio che controlla la velocità complessiva di una reazione è chiamato stadio determinante la velocità.

Nel secondo stadio di questa reazione a due stadi, il nucleofilo attacca l'orbitale p vuoto, "affamato di elettroni", del carbocatione per formare un nuovo legame e riportare il carbonio alla geometria tetraedrica. Poiché il nucleofilo attacca il carbocatione solo dopo che il gruppo uscente si è allontanato, non è necessario un attacco dal lato posteriore. Il carbocatione e i suoi sostituenti sono tutti sullo stesso piano, il che significa che il nucleofilo può attaccare da entrambi i lati. Di conseguenza, entrambi gli enantiomeri si formano in una reazione SN1, portando a una miscela racemica di entrambi gli enantiomeri.

Poiché le reazioni SN1 coinvolgono quasi esclusivamente nucleofili neutri, il prodotto di questo secondo stadio del meccanismo è spesso caricato positivamente. Il prodotto di sostituzione neutro è solitamente formato dopo un terzo stadio, di deprotonazione.

Diagrammi di coordinate di reazione e meccanismo S_N1

A differenza della S_N2, la reazione S_N1 coinvolge la formazione di un intermedio di reazione (il carbocatione). Nel diagramma dell'energia potenziale, questo intermedio è rappresentato da una "valle" situata tra due stati di transizione.

Meccanismo S_N1 e diagramma delle coordinate energetiche

Le caratteristiche principali del meccanismo sono:

Natura unimolecolare: Lo stadio che determina la velocità (RDS) è il primo, ovvero la dissociazione del gruppo uscente per formare il carbocatione. Poiché il nucleofilo non è coinvolto in questo passaggio, la velocità di reazione dipende esclusivamente dalla concentrazione del substrato.
Intermedi multipli: Se il nucleofilo è neutro (come l'acqua), il meccanismo prevede uno stadio aggiuntivo di deprotonazione. In questo caso, il diagramma presenta più valli corrispondenti agli intermedi carichi (I₁ e I₂).
Stadio determinante la velocità: Il primo stadio è quello con l'energia di attivazione più alta. Nel primo stato di transizione, il legame tra il carbonio e il gruppo uscente è parzialmente rotto, con una carica parziale positiva (δ+) che inizia a svilupparsi sul carbonio e una negativa (δ-) sul gruppo uscente.

Stato di transizione 1: rottura del legame C-X

Sintesi del processo

Stadio 1 (Lento): Rottura del legame C-X e formazione del carbocatione (I₁). È il passaggio critico.
Stadio 2 (Veloce): Attacco nucleofilo al carbocatione.
Stadio 3 (Veloce, se necessario): Deprotonazione per ottenere il prodotto neutro finale.

Cinetica della reazione SN1

Nel primo stadio di un meccanismo SN1, due specie cariche si formano da una molecola neutra. Questo stadio è molto più lento dei tre stadi ed è quindi determinante la velocità. Nel diagramma dell'energia di reazione, l'energia di attivazione per il primo stadio è superiore a quella per il secondo stadio, indicando che la reazione SN1 ha cinetica unimolecolare di primo ordine perché lo stadio determinante la velocità coinvolge una molecola che si divide, non due molecole che si scontrano. È importante ricordare che "primo ordine" si riferisce all'espressione della legge di velocità in cui il termine generico "substrato" viene utilizzato per descrivere l'alogenuro alchilico.

${\ce {rate = k [substrate]}}$

Poiché una reazione SN1 è complessivamente di primo ordine, la concentrazione del nucleofilo non influenza la velocità. Poiché il nucleofilo non è coinvolto nel primo stadio che limita la velocità, la natura del nucleofilo non influenza la velocità di una reazione SN1.

Considerazioni stereochimiche

Abbiamo visto che le reazioni SN2 si traducono nell'inversione della configurazione stereochimica al centro del carbonio. La differenza nei meccanismi significa che l'esito stereochimico della SN1 può essere diverso dalla SN2. Ricorda che un intermedio carbocationico prodotto durante una reazione SN1 è ibridato sp2, con un orbitale p vuoto perpendicolare al piano formato dai tre legami sigma:

Poiché il nucleofilo è libero di attaccare da entrambi i lati dell'elettrofilo carbocationico, la reazione porta a una miscela 50:50 di due prodotti stereoisomerici. In altre parole: la reazione SN1 avviene sia con ritenzione che con inversione di configurazione al carbonio elettrofilo, portando alla racemizzazione se il carbonio è chirale dopo la sostituzione.

Tuttavia, spesso le reazioni chimiche sono più complicate dei meccanismi che rappresentano casi limite come SN1 e SN2. Dati sperimentali hanno dimostrato che il prodotto di inversione è favorito rispetto alla racemizzazione a causa della formazione di coppie ioniche. Dopo la dissociazione durante lo stadio determinante la velocità, il carbocatione e il gruppo uscente sono ancora associati elettrostaticamente. L'anione del gruppo uscente è temporaneamente tenuto in posizione, il che fornisce uno scudo a un lato del carbocatione. Se la sostituzione avviene prima che l'anione del gruppo uscente si diffonda completamente, si crea il prodotto di sostituzione con inversione stereochimica. Solo dopo che il gruppo uscente si è completamente diffuso può verificarsi la racemizzazione. Complessivamente, il prodotto di una reazione SN1 mostra un eccesso del prodotto di inversione stereochimica.

Ad esempio, si consideri l'idrolisi del (S)-3-cloro-3-metilesano.

Esercizi

Caratteristiche della reazione S_N1

Il substrato nelle reazioni S_N1

Nelle reazioni S_N1, lo stadio determinante la velocità è la ionizzazione del substrato per formare un carbocatione. Secondo il Postulato di Hammond, lo stato di transizione assomiglia all'intermedio carbocationico; pertanto, ogni fattore che stabilizza il carbocatione abbassa l'energia di attivazione e accelera la reazione.

Ordine di stabilità: 3° > 2° > 1° > metilico.
Casi speciali: I carbocationi allilici e benzilici sono eccezionalmente stabili grazie alla delocalizzazione della carica per risonanza (rispettivamente su 2 e 5 forme limite).

Stabilità dei carbocationi
CH₃⁺ < CH₃CH₂⁺ < (CH₃)₂CH⁺ ≈ CH₂=CH-CH₂⁺ ≈ C₆H₅CH₂⁺ < (CH₃)₃C⁺

Effetti del gruppo uscente

Poiché la rottura del legame C-X avviene nello stadio lento, un buon gruppo uscente aumenta sensibilmente la velocità di reazione.

Basi deboli: Sono ottimi gruppi uscenti perché stabili a bassa energia (es. I^- > Br^- > Cl^-).
Protonazione: In ambiente acido, gruppi uscenti scarsi come l'OH^- possono essere convertiti in ottimi gruppi uscenti come l'acqua (H₂O), permettendo la reazione di alcoli terziari.

Il nucleofilo

Nelle reazioni S_N1, la forza del nucleofilo non influenza la velocità, poiché esso interviene solo dopo lo stadio lento.

Solvolisi: Reazioni dove il nucleofilo funge anche da solvente (es. idrolisi con acqua o metanolisi con metanolo).
Competizione: Se sono presenti più nucleofili, la distribuzione dei prodotti dipenderà dalle loro concentrazioni relative e dalla loro reattività specifica verso il carbocatione già formato.

Effetti del solvente

I solventi polari protici (acqua, alcoli) sono ideali per la S_N1 perché:

Stabilizzano l'intermedio carbocationico tramite interazioni dipolo-dipolo.
Stabilizzano lo stato di transizione, abbassando l'energia di attivazione.

Maggiore è la costante dielettrica del solvente, più rapida sarà la reazione. Ad esempio, la velocità in acqua è enormemente superiore rispetto all'acido acetico.

Esercizi e approfondimenti

Prevedere i meccanismi SN1 vs. SN2

Quando si considera se una sostituzione nucleofila è probabile che avvenga tramite un meccanismo SN1 o SN2, dobbiamo davvero considerare tre fattori:

L'elettrofilo: quando il gruppo uscente è attaccato a un gruppo metilico o a un carbonio primario, è favorito un meccanismo SN2 (qui l'elettrofilo è privo di ingombro da parte dei gruppi circostanti e qualsiasi intermedio carbocationico sarebbe ad alta energia e quindi improbabile). Quando il gruppo uscente è attaccato a un carbonio terziario, allilico o benzilico, un intermedio carbocationico sarà relativamente stabile e quindi è favorito un meccanismo SN1.
Il nucleofilo: nucleofili potenti, specialmente quelli con cariche negative, favoriscono il meccanismo SN2. Nucleofili più deboli come acqua o alcoli favoriscono il meccanismo SN1.
Il solvente: I solventi polari aprotici favoriscono il meccanismo SN2 migliorando la reattività del nucleofilo. I solventi polari protici favoriscono il meccanismo SN1 stabilizzando l'intermedio carbocationico. Le reazioni SN1 sono frequentemente reazioni di solvolisi.

Ad esempio, la reazione seguente ha un bromuro alchilico terziario come elettrofilo, un nucleofilo debole e un solvente polare protico (supponiamo che il metanolo sia il solvente). Quindi prevederemmo con sicurezza un meccanismo di reazione SN1. Poiché la sostituzione avviene su un carbonio chirale, possiamo anche prevedere che la reazione procederà con racemizzazione.

Nella reazione seguente, d'altra parte, l'elettrofilo è un bromuro alchilico secondario – con questi, sono possibili sia meccanismi SN1 che SN2, a seconda del nucleofilo e del solvente. In questo esempio, il nucleofilo (un anione tiolato) è forte e viene utilizzato un solvente polare aprotico – quindi il meccanismo SN2 è fortemente favorito. Si prevede che la reazione proceda con inversione di configurazione.

Esercizi

Reazioni di eliminazione - Regola di Zaitsev

La Regola di Zaitsev

Quando un alogenuro alchilico reagisce con un nucleofilo o una base di Lewis, possono verificarsi due principali tipi di reazione:

Sostituzione, in cui il nucleofilo sostituisce un gruppo uscente sul carbonio elettrofilo.
Eliminazione, in cui il nucleofilo agisce come base e rimuove un idrogeno adiacente al gruppo uscente, portando alla formazione di un doppio legame.

Questi due meccanismi possono competere tra loro.

Introduzione

Il prefisso “regio-” indica che la formazione o rottura dei legami durante la reazione avviene in modo preferenziale secondo un orientamento specifico.

Quando un reagente contiene due o più gruppi distinti di idrogeni adiacenti, si possono ottenere alcheni costituzionalmente isomeri attraverso l’eliminazione.

La regola di Zaitsev, di natura empirica, serve a prevedere il prodotto principale delle reazioni di eliminazione. Essa afferma che:

“Il prodotto principale sarà l’alchene più stabile, ovvero quello con il doppio legame più sostituito.”

Questo è illustrato dagli esempi seguenti:

La reazione del 2-bromobutano con idrossido di potassio in etanolo produce:
- 20% di 1-butene (monosostituito)
- 80% di 2-butene (disostituito)
La reazione del 2-bromo-2,3-dimetilbutano con idrossido di potassio in etanolo produce:
- 21% di 2,3-dimetil-1-butene (disostituito)
- 79% di 2,3-dimetil-2-butene (tetrasostituito)

In entrambe le reazioni, l'uso di una base forte favorisce l’eliminazione rispetto alla sostituzione.

In ogni caso, sono presenti due gruppi di idrogeni adiacenti disponibili per l’eliminazione (colorati in blu e magenta).

Se la velocità di eliminazione fosse uguale per entrambi i gruppi, ci si aspetterebbe che il rapporto tra i prodotti riflettesse il numero di idrogeni coinvolti.

Ad esempio, nel 2-bromobutano:

Ci sono tre idrogeni primari (magenta) e due secondari (blu).
Statisticamente, ci si aspetterebbe un rapporto 3:2 tra 1-butene e 2-butene.
Tuttavia, si osserva un rapporto 1:4 a favore del 2-butene.

Nel secondo esempio, la discrepanza è ancora più evidente:

6 idrogeni primari contro 1 terziario → eppure prevale il prodotto tetrasostituito.

Questo conferma che il prodotto con il doppio legame più sostituito è favorito, secondo la regola di Zaitsev.

I Meccanismi E1, E2 ed E1cB

Le reazioni di eliminazione avvengono tramite tre meccanismi principali:

E1
E2
E1cB (verrà solo accennato in questa pagina ma non trattato)

Tutti implicano la rottura dei legami C–H e C–X, ma in momenti differenti del meccanismo.

Ogni meccanismo può influenzare sottilmente i prodotti finali, come sarà discusso in seguito.

Meccanismo E1

Avviene in due stadi.
Il legame C–X si rompe per formare un carbocatione intermedio.
Una base rimuove un idrogeno β e gli elettroni formano il legame π dell’alchene.
Il primo stadio è lento e determina la velocità della reazione.
La cinetica è unimolecolare e di primo ordine rispetto al substrato.

Meccanismo E2

Avviene in un singolo passaggio concertato.
La base rimuove un idrogeno β mentre contemporaneamente:
- Si forma il doppio legame
- Il gruppo uscente lascia
La reazione segue una cinetica del secondo ordine, dipendendo dalla concentrazione sia della base che del substrato.

Meccanismo E1cB

Inizia con la deprotonazione di un idrogeno β da parte della base, formando un carbanione.
Gli elettroni del carbanione si spostano per creare il legame π, causando la rottura del legame C–X.

Esercizio 11.7.1

1 - Ignorando la stereochimica dell’alchene, indica i prodotti di eliminazione dei seguenti composti:

a. 3-bromo-2,4-dimetilesano

b. 3-cloro-2,3,5-trimetilottano

c. (1-bromopropil)cicloesano

2 - Prevedi il prodotto principale delle seguenti reazioni:

a. (2-bromopropil)cicloesano con NaOEt

b. 2-bromo-2-metilesano con NaOH

c. 1-cloro-1-metilciclopentano con tBuOK

La Reazione E2

Introduzione

Una reazione E2 è una reazione di eliminazione bimolecolare; quindi, due molecole sono coinvolte nello stadio che limita la velocità. In questa sezione, ci occupiamo delle reazioni E2 che coinvolgono un alogenuro alchilico e una base

La reazione E2, eliminazione bimolecolare, fu proposta negli anni '20 dal chimico britannico Christopher Kelk Ingold. Le reazioni E2 si osservano tipicamente con alogenuro di alchile secondari e terziari, in presenza di una base (OH-, RO-, R2N-). Per un alogenuro primario affinché avvenga una reazione E2 è solitamente necessaria una base stericamente impedita. I prodotti di una reazione E2 seguono la regola di Zaitsev, l'alchene più sostituito è di solito il prodotto principale.

Meccanismo E2

Il meccanismo E2 avviene in un singolo passo concertato. La velocità con cui questo meccanismo avviene segue una cinetica di ordine due e dipende dalla concentrazione sia della base che dell'alogenuro di alchile. La base rimuove un idrogeno da un carbonio adiacente al carbonio con il gruppo uscente. Gli elettroni del legame H-C rotto si spostano a formare il legame pi del prodotto neutro alchene. In questo processo, il legame C-X si rompe, causando la rimozione del gruppo uscente. Complessivamente, durante questa reazione, una coppia di elettroni viene trasferita dalla base al gruppo uscente.

Stato di Transizione della Reazione E2

Poiché si prevede che la reazione E2 segua un meccanismo concertato, ci si aspetta un solo stato di transizione nel suo diagramma energetico.

Meccanismo della reazione SN1 (intermedio carbocationico)

Quando la base inizia a rimuovere un idrogeno adiacente al gruppo uscente, si sta formando un H-B e un legame H-C è in fase di rottura. Allo stesso tempo, si forma un legame C=C pi e il legame C-X si rompe. Durante questa reazione, un set di elettroni e una carica negativa vengono trasferiti dalla base al gruppo uscente. Questo è rappresentato da una parziale carica negativa presente sia sulla base che sul gruppo uscente nello stato di transizione.

Esercizio 11.8.1

Qual è il prodotto della seguente molecola in una reazione E2? Qual è la stereochimica?

Risposta: La stereochimica è ( Z ) per la reazione.; Diagramma energetico delle conformazioni del butano

Le Reazioni E1

L'Eliminazione Unimolecolare (E1) è una reazione in cui la rimozione di un sostituente HX porta alla formazione di un doppio legame. È simile alla reazione di sostituzione nucleofila unimolecolare (SN1) in vari aspetti, uno dei quali è la formazione di un intermedio carbocationico. Inoltre, l'unico passo determinante (lento) è la dissociazione del gruppo uscente per formare un carbocatione, da cui il nome unimolecolare. Poiché queste due reazioni si comportano in modo simile, competono tra loro. Molte volte entrambe le reazioni avvengono simultaneamente per formare diversi prodotti da una singola reazione. Tuttavia, una può essere favorita rispetto all'altra tramite il controllo termodinamico. Sebbene l'eliminazione comprenda due tipi di reazioni, E1 ed E2, ci concentreremo principalmente sulle reazioni E1 con qualche riferimento alle E2.

Reazione Generale E1

Una reazione E1 implica la rimozione del gruppo uscente alogeno, seguita dalla deprotonazione di un idrogeno adiacente per produrre un prodotto alchene. Per realizzare questo passaggio è necessario un base di Lewis.

Meccanismo

Il meccanismo inizia con la rimozione spontanea del gruppo uscente. Il gruppo uscente rimuove anche gli elettroni dal legame C-Br, rendendo il carbonio legato un carbocatione. Come nel meccanismo SN1, il primo passo del meccanismo E1 è lento, rendendolo il passo determinante della velocità. Ciò rende la cinetica della reazione E1 unimolecolare e di primo ordine rispetto al substrato. Successivamente, una base di Lewis (B-) deprotona un idrogeno adiacente al carbocatione. Gli elettroni del legame C-H sono donati al legame C-C adiacente, formando un doppio legame. A differenza delle reazioni E2, che richiedono che il protone adiacente sia anti rispetto al gruppo uscente, le reazioni E1 richiedono solo un idrogeno adiacente. Questo perché il gruppo uscente ha già lasciato la molecola per formare un carbocation trigonal-planare, achirale.

Reattività degli Alogenoalcani nelle Reazioni E1

Poiché le reazioni E1 creano un intermedio carbocationico, la reattività degli alogenoalcani verso la reazione E1 rispecchia quella delle reazioni SN1.

Come ci si aspetta, i carbocationi terziari sono favoriti rispetto ai secondari, primari e metilici. Questo è dovuto al fenomeno della iperconiugazione, che essenzialmente consente a un legame C-C o C-H vicino di interagire con l'orbitale p del carbonio per portare gli elettroni a uno stato di energia inferiore. Questo ha un effetto stabilizzante sulla molecola nel suo complesso. In generale, i carbocationi primari e metilici non procedono attraverso il percorso E1 per questa ragione, a meno che non ci sia un meccanismo di riarrangiamento del carbocatione che sposti la carica positiva su un carbonio più stabile. I carbocationi secondari e terziari formano carbocationi più stabili, quindi le reazioni E1 avvengono rapidamente su questi atomi.

I carbocationi secondari possono essere soggetti al percorso di reazione E2, ma ciò avviene generalmente in presenza di una base forte. L'aggiunta di una base debole alla reazione sfavorisce E2, spingendo essenzialmente verso il percorso E1. In molte istanze, la solvolisi si verifica invece di usare una base per deprotonare. Questo significa che si aggiunge calore alla soluzione, e il solvente stesso deprotona un idrogeno. Il mezzo può anche influenzare il percorso della reazione. I solventi polari protici possono essere usati per ostacolare i nucleofili, quindi sfavorendo le reazioni E2/SN2.

La Connessione tra Reazioni SN1 e E1

I meccanismi E1 e SN1 iniziano entrambi con il passo determinante della velocità, che è la rimozione unimolecolare di un gruppo uscente per formare un intermedio carbocationico. Condividendo lo stesso passo determinante della velocità, gli alogenoalcani producono sia i prodotti di sostituzione SN1 che quelli di eliminazione E1 ogni volta che sono reagiti con nucleofili non basici in un solvente protico. Ad esempio, l'idrolisi del cloruro di tert-butile in una soluzione di acqua ed etanolo dà una miscela di 2-metil-2-propanolo (60%) e 2-metilpropene (40%) a una velocità indipendente dalla concentrazione di acqua.

Per produrre il prodotto alcolico, l'acqua attacca il carbocatione come nucleofilo come parte di una reazione SN1. Per produrre il prodotto alchene, l'acqua agisce come base e deprotona un idrogeno adiacente come parte di una reazione E1. Come ci si aspetta, i meccanismi delle due reazioni hanno caratteristiche simili. Entrambe mostrano cinetiche di primo ordine; nessuna delle due è molto influenzata da un cambiamento nel nucleofilo/base; e entrambe sono relativamente non stereospecifiche.

Riassunto

Quando gli intermedi carbocationici sono formati, ci si può aspettare che reagiscano ulteriormente in uno o più dei seguenti modi:

Il catione può legarsi a un nucleofilo per dare un prodotto di sostituzione.
Il catione può trasferire un protone adiacente a una base, dando un prodotto alchene.
Il catione può riarrangiarsi in un carbocatione più stabile, e quindi reagire secondo il metodo #1 o #2.

Confronto tra Meccanismi E1 ed E2

Quando si considera se una reazione di eliminazione sia probabile che avvenga tramite un meccanismo E1 o E2, dobbiamo considerare tre fattori:

La base: le basi forti favoriscono il meccanismo E2, mentre le reazioni E1 richiedono solo una base debole.
Il solvente: solventi ionizzanti buoni (polari protici) favoriscono il meccanismo E1 stabilizzando l'intermedio carbocationico.
L'aloalcano: gli alogenoalcani primari sono l'unica struttura utile per distinguere tra i percorsi E2 ed E1. Poiché non si formano carbocationi primari, è possibile solo il meccanismo E2.

Alla fine, se il meccanismo di eliminazione è E1 o E2 non è molto importante, poiché il prodotto è lo stesso alchene. Dobbiamo ricordare, però, che la regola di Zaitsev determina sempre l'alchene più probabile da formare.

TABELLA RIASSUNTIVA DEI PARAMETRI DELLE REAZIONI E1 E2
Parametro di reazione	E1	E2
struttura alogenuro alchilico	terziario > secondario > primario	terziario > secondario >>>> primario
nucleofilo	alta concentrazione di una base forte	base debole
meccanismo	1 passaggio	2 fasi
passo di limitazione della velocità	bimolecolare stato di transizione	carbocation formazione
legge di velocità	tasso = k[R-X][Base]	tasso = k[R-X]
solvente	non importante	protico polare

Esercizio 11.10.1

Prevedi il meccanismo di eliminazione dominante (E1 o E2) per ciascuna delle reazioni riportate di seguito. Spiega il tuo ragionamento.
Esercizio 1 – Identificazione di prodotti di eliminazione
Specifica le condizioni di reazione per favorire il meccanismo di eliminazione indicato.
Esercizio 3 – Meccanismi di eliminazione E1/E2

Risposta

xxx
xxx

a) Base forte, come l'idrossido, un alcolato o equivalente.

b) Acqua o alcool o base debole con calore.

c) Base forte, come l'idrossido, un alcolato o equivalente.

Esercizi

Un riassunto della reattività – SN1, SN2, E1, E1cB ed E2

Avendo discusso i molti fattori che influenzano le reazioni di sostituzione nucleofila ed eliminazione degli alogenuri alchilici, dobbiamo ora considerare il problema pratico di prevedere l'esito più probabile quando un dato alogenuro alchilico viene fatto reagire con un dato nucleofilo. Come abbiamo notato in precedenza, ci sono molte variabili da considerare, la più importante delle quali è la sostituzione dell’alogenuro alchilico. Le reazioni SN2 favoriscono alogenuri alchilici con basso ingombro sterico come gli alogenuri metilici e primari. In generale, affinché una reazione SN1 o E1 abbia luogo, l’intermedio carbocationico deve essere relativamente stabile, come nel caso degli alogenuri terziari, secondari allilici o benzilici secondari.

La variabile successiva più importante per prevedere l'esito di una reazione è la natura del reagente nucleofilo.

Nucleofili forti favoriscono la sostituzione SN2
Basi forti, specialmente quelle ingombranti (come il tert-butile), favoriscono l'eliminazione E2
Nucleofili deboli che sono anche basi deboli tendono a favorire le reazioni SN1 ed E1

Buoni nucleofili che sono basi deboli:

I⁻, Br⁻, SCN⁻, N₃⁻, CH₃CO₂⁻, RS⁻, CN⁻, Ammine, ecc.

Buoni nucleofili che sono basi forti:

HO⁻, RO⁻

Poveri nucleofili che sono basi deboli:

H₂O, ROH, RSH

Regole generali per prevedere una reazione

Considera questi punti nell’ordine indicato.

Alogenuri alchilici metilici

Avviene una sostituzione SN2 indipendentemente dal fatto che si usi un buon o cattivo nucleofilo

Alogenuri alchilici primari ‍

Avviene un’eliminazione E2 se si utilizza una base forte e ingombrante
Avviene un’eliminazione E1cB se si usa una base forte e il gruppo uscente è a due atomi di carbonio da un gruppo carbonilico
Avviene una sostituzione SN2 se si usa un buon nucleofilo

Alogenuri alchilici secondari ‍

Avviene un’eliminazione E1cB se si usa una base forte e il gruppo uscente è a due carboni da un carbonile
Avviene una eliminazione E2 se si usa una base forte
Avviene una reazione SN2 se si usa un buon nucleofilo che è una base debole in un solvente polare aprotico
Avviene una reazione SN1 insieme a E1 se si usa un nucleofilo debole che è una base debole in un solvente protico

Alogenuri alchilici terziari

Avviene un’eliminazione E1cB se il gruppo uscente è a due carboni da un carbonile e si usa una base forte
Avviene una eliminazione E2 se si usa una base forte
Avviene una reazione SN1 insieme a E1 se si usa un nucleofilo debole e base debole in un solvente protico

Esempi ed esercizi

Introduzione

Le reazioni

Sostituzione nucleofila

Eliminazione

Cosa determina se si ottiene una sostituzione o un'eliminazione?

La reazione SN2

Reazioni acido-base di Brønsted-Lowry

Reazione SN2 generale

Il meccanismo SN2

Caratteristiche della reazione SN2

Diagramma dell'energia potenziale e Stato di Transizione

L'effetto dell'ingombro sterico

Il Nucleofilo

Il Gruppo Uscente (Leaving Group)

Influenza del Solvente

Riepilogo dei fattori chiave

Reazione SN1

Reazione SN1 generale

Il meccanismo SN1

Diagrammi di coordinate di reazione e meccanismo SN1

Sintesi del processo

Cinetica della reazione SN1

Considerazioni stereochimiche

Caratteristiche della reazione SN1

Il substrato nelle reazioni SN1

Effetti del gruppo uscente

Il nucleofilo

Effetti del solvente

Prevedere i meccanismi SN1 vs. SN2

Reazioni di eliminazione - Regola di Zaitsev

La Regola di Zaitsev

Introduzione

I Meccanismi E1, E2 ed E1cB

Meccanismo E1

Meccanismo E2

Meccanismo E1cB

Esercizio 11.7.1

La Reazione E2

Introduzione

Meccanismo E2

Stato di Transizione della Reazione E2

Esercizio 11.8.1

Le Reazioni E1

Reazione Generale E1

Reattività degli Alogenoalcani nelle Reazioni E1

La Connessione tra Reazioni SN1 e E1

Confronto tra Meccanismi E1 ed E2

Esercizio 11.10.1

Un riassunto della reattività – SN1, SN2, E1, E1cB ed E2

Buoni nucleofili che sono basi deboli:

Buoni nucleofili che sono basi forti:

Poveri nucleofili che sono basi deboli:

Regole generali per prevedere una reazione

Alogenuri alchilici metilici

Alogenuri alchilici primari ‍

Alogenuri alchilici secondari ‍

Alogenuri alchilici terziari

Caratteristiche della reazione S_N2

Diagrammi di coordinate di reazione e meccanismo S_N1

Caratteristiche della reazione S_N1

Il substrato nelle reazioni S_N1