Utente:SilviaMattiuzzo/Sandbox

Scissione Ossidativa degli Alchini

Gli alchini, simili agli alcheni, possono essere ossidati delicatamente o fortemente a seconda dell'ambiente di reazione. Poiché gli alchini sono meno stabili degli alcheni, le condizioni di reazione possono essere più delicate. Per esempio, gli alchini formano dicarbonili vicinali in una soluzione di permanganato neutro.

Ossidazione Forte degli Alchini – Scissione Ossidativa

Durante la forte ossidazione con l'ozono o il permanganato di potassio basico, l'alchil è scisso in due prodotti. Poiché almeno uno dei prodotti di reazione è un acido carbossilico, è importante considerare la chimica acido-base del prodotto nella soluzione di reazione. Gli acidi carbossilici sono deprotonati in soluzioni basiche di carbossilatori. Una seconda fase di reazione è necessaria per protonare il carbossilato fino alla forma neutra del l'acido carbossilico.

Obiettivi

Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di:

• Scrivere un’equazione per rappresentare la scissione ossidativa di un alchino con permanganato di potassio o ozono.

• Identificare i prodotti che derivano dalla scissione ossidativa di un determinato alchino.

• Identificare i reagenti necessari per effettuare la scissione ossidativa di un alchino.

• Utilizzare i risultati di una scissione ossidativa per determinare l’identità di un alchino dalla struttura sconosciuta.

Note di Studio

Confronta la scissione ossidativa degli alchini con quella degli alcheni, trattata nella Sezione 8.8.

Esercizio

Disegna le strutture a legami di linea dei prodotti delle seguenti reazioni.

Acidità degli alchini - Formazione di anioni acetiluro

Un anione acetilato è un anione formato rimuovendo il protone dal carbonio finale di un alchene terminale:

Un ordine di acidità è una lista di composti disposti in ordine crescente o decrescente di acidità.

Le idee generali discusse in questa sezione dovrebbero già essere familiari alla vostra precedente esposizione alla chimica e alla revisione nella sezione 2.8. Un resoconto leggermente diverso del perché gli alchini terminali sono acidi più forti degli alcheni o degli alcani è dato sotto. Tuttavia, l'argomento è ancora basato sulle differenze tra gli orbitali sp-, sp2- e sp3-ibridi.

I carboni di un triplo legame sono sp-ibridati. Un orbitale sp-ibrido ha carattere 50% s e 50% p, mentre un orbitale sp2-ibrido è 33% s e 67% p, e un orbitale sp3-ibrido è 25% s e 75% p. Maggiore è il carattere s del l'orbitale, più vicini sono gli elettroni al nucleo. Così in un legame di C(sp)-H, gli elettroni di legame sono più vicini al nucleo del carbonio che sono in un legame di C(sp2)-H. In altre parole, rispetto ad un legame C(sp2)-H (o un legame C(sp3)-H), un legame C(sp)-H è molto leggermente polare: Cδ -Hδ+. Questa leggera polarità rende più facile per una base rimuovere un protone da un alchene terminale piuttosto che da un alchene o alcano meno polare o non polare.

Come si vedrà, la reazione tra l'ammide di sodio e un alchino terminale è una reazione acido-base. Il prodotto acetilato di sodio è naturalmente un sale. Gli alchini terminali possono anche formare sali con alcuni cationi di metalli pesanti, in particolare argento (I) e rame (I). Nella componente di laboratorio di questo corso, si utilizzerà la formazione di un acetiluro d'argento insolubile come metodo per distinguere alchini terminali da alcheni e alchini non terminali:

Gli acetilidi metallici sono esplosivi a secco. Dovrebbero essere distrutti mentre sono ancora umidi riscaldandosi con acido nitrico diluito:

Acidità degli alchini terminali: formazione di anioni acetilidi

Gli alchini terminali sono molto più acidi della maggior parte degli altri idrocarburi. La rimozione del protone terminale porta alla formazione di un anione acetilato, RC C: .

L'acidità aumenta tipicamente con la stabilità della base coniugato corrispondente. L'origine della maggiore acidità degli alchini terminali può essere attribuita alla stabilità del l'anione acetilato, che ha gli elettroni non accoppiati in un orbitale ibridato sp. L'ibridazione di un orbitale influenza la sua elettronegatività. All'interno di una conchiglia, gli orbitali s occupano la regione più vicina al nucleo rispetto agli orbitali p. Pertanto, gli orbitali s sferici sono più elettronegativi degli orbitali p lobati. L'elettronegatività relativa degli orbitali ibridati aumenta con l'aumento del carattere percentuale s e segue l'ordine sp > sp2 > sp3.

Questa tendenza indica che gli orbitali sp ibridizzati dell'anione acetilato sono più elettronegativi e meglio in grado di stabilizzare una carica negativa rispetto agli orbitali sp2 o sp3 ibridati. Esiste una forte correlazione tra il carattere s nel l'orbitale contenente gli elettroni non leganti del l'anione e l'acidità degli idrocarburi. La tabella che segue mostra come l'ibridazione orbitale si confronta con l'identità del l'atomo nel predire l'acidità relativa. Ricordiamo che quando il pKa di un composto diminuisce, la sua acidità aumenta.

Composto	Base coniugato	Ibridazione	"Carattere S"	pKa	C-H BDE (kJ/mol)
CH3CH3	CH3CH2−	sp3	25%	50	410
CH2CH2	CH2CH−	sp2	33%	44	473
HCCH	HCC−	sp	50%	25	523

L'acetilene, con un pKa di 25, risulta molto più acido del l'etilene (pKa = 44) o del l'etano (pKa = 50). Di conseguenza, gli anioni acetilidi possono essere facilmente formati dalla deprotonazione di un alchene terminale con una base sufficientemente forte. L'anione ammidico (NH2-), sotto forma di amide sodica (NaNH2)  è comunemente usato per la formazione di anioni acetilide.

Esercizio

Dato che il pKa del l'acqua è 14,00, vi aspettereste che lo ione idrossido fosse in grado di rimuovere un protone da ciascuna delle sostanze elencate qui di seguito? Giustificate brevemente le vostre risposte.

• etanolo (pKa = 16)
• acido acetico (pKa = 4,72)
• acetilene (pKa = 25)

Obiettivi

Dopo aver completato questa sezione, si dovrebbe essere in grado di:

• Scrivere un'equazione per la reazione che si verifica tra un alchino terminale e una base forte, come la soda caustica, NaNH2.

• Ordinare un dato elenco di composti, compresi acqua, acetilene e ammoniaca, in ordine crescente o decrescente di acidità.
• Ordinare un dato elenco di idrocarburi, quali acetilene, etilene ed etano, in ordine crescente o decrescente di acidità.
• Descrivere un metodo generale per determinare quale dei due composti è l'acido più forte.
• Fornire una spiegazione accettabile del motivo per cui gli alchini terminali sono più acidi degli alcani o degli alcheni.

Termini chiave

Assicurati di saper definire e utilizzare nel contesto i termini chiave riportati di seguito.

• anione acetiluro
• ordine di acidità

Alchilazione degli anioni acetiluro

Reazioni di sostituzione nucleofila degli acetilidi

La presenza di elettroni a coppia solitaria e una carica negativa su un carbonio, rende gli anioni acetilidi basi forti e nucleofili forti. Pertanto, gli anioni acetilidi possono attaccare elettrofili come gli alchilalogenuri per provocare una reazione di sostituzione. Queste reazioni di sostituzione saranno discusse in dettaglio nel capitolo 11.

Meccanismo

I legami C-X in alogenuri alchilici di 1o sono polarizzati a causa del l'elevata elettronegatività del l'alogeno. Gli elettroni del legame sigma C-X sono spostati verso l'alogeno, dandogli una carica parzialmente negativa. Ciò provoca anche lo spostamento degli elettroni dal carbonio, conferendogli un positivo parziale e rendendolo elettrofilico. Durante questa reazione, gli elettroni della coppia solitaria sul l'anione acetilato attaccano il carbonio elettrofilo nel 1o alogenuro alchil formando un nuovo legame C-C. La formazione di questo nuovo legame provoca l'espulsione del l'alogeno come gruppo di uscita. Nel complesso, questa reazione forma un legame C-C e converte un alchene terminale in un alchene interno. Poichè un nuovo gruppo alchil si aggiunge all'alchina durante questa reazione, è chiamato comunemente un alkylation.

Questa reazione di sostituzione è spesso associata alla formazione del l'acetilato, discussa nella sezione precedente e presentata come una singola reazione.

Esempio  

Gli alchini terminali possono essere generati mediante la reazione di acetilene e un alogenuro alchilico di 1°.  

Esempio

Poiché l'anione acetilato è una base molto forte, questa reazione di sostituzione è più efficiente con metile o alogenuri primari. Gli alogeni primari secondari, terziari o anche ingombranti daranno alcheni mediante il meccanismo di eliminazione del l'E2 discusso nella sezione 11.10. Un esempio di questo effetto è la reazione del bromociclopentano con l'anione di propina. La reazione produce il prodotto di eliminazione ciclopentene invece del prodotto di sostituzione 1-propynylcyclopentane.

Addizione nucleofila di acetilidi ai carbonili

Gli anioni acetilidi si aggiungono anche al carbonio elettrofilo in aldeidi e chetoni per formare alcossidi che, dopo protonazione, danno alcoli propargili. Con aldeidi e chetoni non simmetrici, in assenza di catalizzatore chirale, il prodotto sarà una miscela racemica dei due enantiomeri. Questi tipi di reazione saranno discussi più dettagliatamente nel capitolo 19.

Esercizio

Il pKa di ammoniaca è 35. Stimare la costante d'equilibrio per la deprotonazione del p ent-1-in da ammide di sodio, come indicato qui di seguito.

Esercizio

Indicare gli eventuali reagenti che potrebbero formare le seguenti molecole per alchilazione.

Esercizio

Proporre una via sintetica per produrre il 2-pentene a partire dal propina e da un alogenuro alchilico.

Esercizio

Utilizzando l'acetilene come materiale di partenza, mostrare come si sintetizzerebbe i seguenti composti.

Esercizio

Mostra come si potrebbe realizzare la seguente trasformazione sintetica.

Obiettivi

Dopo aver completato questa sezione, si dovrebbe essere in grado di:

• Scrivere un'equazione per descrivere la reazione di uno ione acetilato con un alogenuro alchilico
• Discutere l'importanza della reazione tra ioni acetilidi e alogenuri alchilici come metodo per estendere una catena di carbonio
• Identificare l'alchene (e quindi lo ione acetilato) e l'alogenuro di alchile necessari per sintetizzare un dato alchene
• Determinare se la reazione di uno ione acetilato con un dato alogenuro alchilico comporterà o meno la sostituzione o l'eliminazione e tracciare la struttura del prodotto formato in entrambi i casi.

Termini chiave

Assicurarsi di poter definire e utilizzare nel contesto il termine chiave che segue.

• alchilazione

Note di studio

L'alchilazione degli ioni acetilidi è importante nella sintesi organica perché è una reazione in cui si forma un nuovo legame carbonio-carbonio; può quindi essere utilizzata quando un chimico organico sta cercando di costruire una molecola complicata a partire da materiali di partenza molto più semplici.

L'alogenuro di alchil utilizzato in questa reazione deve essere primario. Così, se vi fosse stata chiesta una sintesi adeguata di 2,2-dimetil-3-esina, avreste scelto di attaccare iodoetano con l'anione di 3,3- dimetil-1-butene

anziché attaccare il 2-iodo-2-metilpropano con l'anione di 1-butene.

Le ragioni saranno chiarite nel capitolo 11.

Introduzione alla sintesi organica

Obiettivo

Dopo aver completato questa sezione, si dovrebbe essere in grado di progettare una sintesi a più fasi per preparare un dato prodotto da un dato materiale di partenza, utilizzando qualsiasi delle reazioni introdotte nel libro fino a questo punto.

Note di studio

Si dovrebbe aver notato che alcuni dei problemi assegnati hanno richiesto che si stringono insieme un certo numero di reazioni organiche per convertire un composto organico ad un altro quando non c'è una singola reazione per raggiungere questo obiettivo. Una tale serie di reazioni è chiamata "sintesi organica". Per raggiungere questo obiettivo, dovrete avere tutte le reazioni descritte nel corso disponibili nella vostra memoria. Dovrai ricordare alcune reazioni molto più frequentemente di altre, e l'unico modo per padroneggiare questo obiettivo è quello di praticare. Gli esempi forniti in questo capitolo saranno relativamente semplici, ma vedrete presto che è possibile elaborare alcune sintesi piuttosto sofisticate utilizzando un numero limitato di reazioni di base.

Introduzione

Lo studio della chimica organica introduce gli studenti a un'ampia gamma di reazioni interdipendenti. Gli alcheni, per esempio, possono essere convertiti in alcani, alcoli, alchilalogenuri, epossidi, glicoli e borani strutturalmente simili; spaccati in aldeidi più piccoli, chetoni e acidi carbossilici; ampliati da aggiunte di carbocazione e radicali nonché da cicloaddizioni. La maggior parte di queste reazioni sono indicate nella mappa delle reazioni di alchene riportata qui sotto. Tutti questi prodotti possono essere successivamente trasformati in una serie di nuovi composti che incorporano un'ampia varietà di gruppi funzionali. Di conseguenza, la concezione logica di una sintesi in più fasi per la costruzione di un composto designato a partire da un determinato materiale di partenza diventa uno dei problemi più difficili che possono essere posti. Le mappe di reazione di gruppi funzionali come quella qui sotto per gli alcheni possono essere utili nella progettazione di sintesi a più stadi. Può essere utile costruire e progettare le proprie mappe di reazione per ogni gruppo funzionale studiato.

Mappa delle reazioni di alchene

Nota: I reagenti per ciascuna trasformazione chimica sono stati intenzionalmente omessi in modo che questa mappa possa essere utilizzata come strumento di studio. Le risposte sono fornite alla fine di questa sezione come parte degli esercizi.

Sintesi semplici in più fasi

Non è difficile dedurre una o due sequenze di reazioni semplici. Per esempio, la sintesi di meso-3,4-esanediolo da 3-esinene può avvenire attraverso più di una via multi-step.

Un approccio potrebbe essere quello di ridurre l'alchene a cis o trans-3-esene prima di intraprendere la formazione di glicole. Il permanaganato o l'osmio tetrosside idrossilato di cis-3-esene formerebbero l'isomero meso desiderato.

Dal trans-3-esene, sarebbe necessario prima epossidizzare l'alchene con un peracido seguito da un'apertura di anello con idrolisi acida o basica.

Le sintesi più lunghe a fasi multiple richiedono un'analisi e una riflessione approfondite, poiché molte opzioni devono essere prese in considerazione. Come un esperto giocatore di scacchi che valuta i pro e i contro a lungo termine delle mosse potenziali, il chimico deve valutare il potenziale successo dei vari percorsi di reazione possibili, concentrandosi sulla portata e sui limiti che vincolano ciascuna delle singole reazioni impiegate. L'abilità viene acquisita con la pratica, l'esperienza e spesso con tentativi ed errori.

Pensare con 3 esempi

I tre esempi che seguono illustrano strategie per lo sviluppo di sintesi in più fasi a partire dalle reazioni studiate nei primi dieci capitoli del presente testo. È utile cercare sistematicamente cambiamenti strutturali a partire dalla catena del carbonio e fare un brainstorming delle reazioni di conversione dei gruppi funzionali. La retro-sintesi è l'approccio che consiste nel lavorare a ritroso dal prodotto al materiale di partenza.

Nel primo esempio, ci viene chiesto di sintetizzare l'1-butanolo dal l'acetilene.

La catena del carbonio raddoppia in dimensione, indicando una reazione di SN2 acetilide con un alogenuro alchilico. La formazione di alcol primario da una reazione di idratazione anti-Markovnikov alchene (idroborazione-ossidazione) è più probabile di una reazione di sostituzione. Applicando la retro-sintesi, lavoriamo all'indietro dall'alcol all'alchene all'alchil da una reazione di acetilide che costruisce inizialmente la catena del carbonio.

In un secondo tempo, si specificano i reagenti necessari per ciascuna trasformazione identificata dalla retro sintesi. Il bromuro di etile deve anche essere derivato dal l'acetilene in modo da combinare più vie di reazione, come indicato di seguito.

Nel secondo esempio, ci viene chiesto di sintetizzare 1,2-dibromobutano da acetilene.

Ancora una volta c'è un aumento della lunghezza della catena del carbonio che indica una reazione di acetilide SN2 con un alogenuro alchilico simile al primo esempio. L'idroalogenazione può essere sottile da discernere perché gli atomi di idrogeno non sono mostrati nelle strutture della legame-linea. Confrontando le formule chimiche di 1-butene con 1,2-dibromobutano, si ha una differenza di due atomi H e due atomi Br che indicano idroalogenazione e non alogenazione. L'aggiunta di entrambi gli atomi di bromo allo stesso atomo di carbonio sostiene anche l'idea che l'idroalogenazione si verifichi su un alchene e non su un alchene. La formazione del dialogenuro geminale indica anche l'idroalogenazione invece dell'alogenazione perché l'alogenazione produce dialogenuri vicinali. Con questa intuizione, la retrosintesi indica le seguenti serie di trasformazioni chimiche.

In base al l'evoluzione futura, si specificano i reagenti necessari per ciascuna trasformazione.

Nel terzo esempio, ci viene chiesto di produrre 6-ossoeptanale da metilcicloesano.

Contando i carboni, il materiale di partenza e il prodotto contengono entrambi sette atomi di carbonio ed esiste una reazione di clivaggio di un alchene in condizioni riduttive. Un importante aspetto mancante di questa reazione è un buon gruppo di uscita (LG). Gli alcani sono chimicamente abbastanza noiosi. Possiamo bruciarli come combustibile o eseguire l'alogenazione dei radicali liberi per creare alogenuri alchilici con eccellenti gruppi di uscita. Con queste osservazioni, la seguente retrosintesi è ragionevole.

Nel corso del l'operazione, si specificano i reagenti necessari per ciascuna reazione. Per l'alogenazione iniziale dell'alcano con radicali liberi, abbiamo la possibilità di utilizzare cloro (Cl2) o bromo (Br2). Poiché il metilcicloesano ha diverse classificazioni dei carboni, la selettività di Br2 è più importante della reattività più rapida di Cl2. Una base forte con calore può essere usata per il secondo passo per seguire un meccanismo E2 e formare 1-metilcicloesene. Il gruppo delle aldeidi sul prodotto finale indica una leggera scissione ossidativa da parte di uno dei vari percorsi di reazione. Queste reazioni possono essere combinate nella seguente sintesi in più fasi.

Mappe di reazione per costruire la maestria nella conversione di gruppi funzionali

Dopo aver esaminato gli esempi di cui sopra, possiamo vedere quanto sia importante memorizzare tutte le reazioni dei gruppi funzionali studiate nei primi dieci capitoli. Possiamo applicare la conoscenza di queste reazioni alla saggezza delle sintesi a più fasi.

Nota: I reagenti per ciascuna trasformazione chimica sono stati intenzionalmente omessi in modo che queste mappe possano essere utilizzate come strumenti di studio. Le risposte sono fornite alla fine di questa sezione come parte degli esercizi.

Esercizio

1) A partire dal 3-esino prevedere le vie sintetiche per ottenere:

• trans-3-esene

• 3,4-dibromohexano

• 3-esanolo.

2) A partire dal l'acetilene e da qualsiasi alogenuro alchilico si propone una sintesi per fare

• pentanalo.

• esano.

3) Mostra come si realizzano le seguenti trasformazioni sintetiche.

Esercizi

Esercizio 1

Reazione:

(CH₃)₃C–Cl + H₂O → ?

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Esercizio 2

Reazione:

CH₃–CHCl–CH₃ + H₂O → ?

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Esercizio 3 (riarrangiamento)

Reazione:

CH₃–CH₂–CHCl–CH₃ + H₂O → ?

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Esercizio 4

Reazione:

(CH₃)₃C–Br + CH₃OH → ?

---

Esercizio 5 (cinetica)

Domanda:

Da cosa dipende la velocità di una reazione SN1?

Esercizio 6

Reazione:

(CH₃)₂CH–CH₂Cl + H₂O → ?

---

Esercizio 7

Reazione:

C₆H₅–CH₂Cl + H₂O → ?

---

Esercizio 8

Reazione:

(CH₃)₃C–Cl + CH₃CH₂OH → ?

---

Esercizio 9

Reazione:

CH₃–CH₂–C(Br)(CH₃)–CH₃ + H₂O → ?

---

Esercizio 10 (miscela racemica)

Reazione:

CH₃–CH(Cl)–CH₂–CH₃ + H₂O → ?

Soluzioni

Esercizio 1

Svolgimento:

Il substrato è un alogenuro terziario, quindi la reazione procede tramite meccanismo SN1.

Nel primo stadio (lento) si ha la rottura eterolitica del legame C–Cl con formazione di un carbocatione terziario stabile:

(CH₃)₃C–Cl → (CH₃)₃C⁺ + Cl⁻

Nel secondo stadio l’acqua attacca il carbocatione formando un intermedio protonato.

Segue la deprotonazione.

Prodotto finale:

(CH₃)₃C–OH (tert-butanolo)

---

Esercizio 2

Svolgimento:

Il substrato è un alogenuro secondario. Può reagire tramite SN1 formando un carbocatione secondario:

CH₃–CHCl–CH₃ → CH₃–CH⁺–CH₃ + Cl⁻

L’acqua attacca il carbocatione e successivamente si ha perdita di un protone.

Prodotto finale:

CH₃–CHOH–CH₃ (2-propanolo)

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Esercizio 3 (riarrangiamento)

Svolgimento:

Si forma inizialmente un carbocatione secondario.

Può avvenire un riarrangiamento tramite spostamento di un idruro (hydride shift) per ottenere un carbocatione più stabile.

Successivamente l’acqua attacca il carbocatione e si ha deprotonazione.

Prodotto finale:

Prevalentemente 2-butanolo, con possibile formazione di una miscela di prodotti.

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Esercizio 4

Svolgimento:

Alogenuro terziario, quindi meccanismo SN1.

Formazione del carbocatione terziario:

(CH₃)₃C–Br → (CH₃)₃C⁺ + Br⁻

Il metanolo attacca il carbocatione e successivamente avviene deprotonazione.

Prodotto finale:

(CH₃)₃C–OCH₃ (etere metil-terz-butilico)

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Esercizio 5 (cinetica)

Svolgimento:

La legge cinetica è:

v = k [R–X]

La velocità dipende solo dalla concentrazione del substrato, poiché lo stadio lento è la formazione del carbocatione.

Conclusione:

La stabilità del carbocatione è determinante:

terziario > secondario >> primario

Esercizio 6

Svolgimento:

Il substrato è un alogenuro primario, ma può reagire tramite SN1 grazie a un riarrangiamento.

Nel primo stadio si forma un carbocatione primario instabile:

(CH₃)₂CH–CH₂Cl → (CH₃)₂CH–CH₂⁺ + Cl⁻

Segue uno spostamento di idruro che porta a un carbocatione secondario più stabile:

(CH₃)₂C⁺–CH₃

L’acqua attacca il carbocatione e si ha deprotonazione.

Prodotto finale:

(CH₃)₂C(OH)–CH₃ (2-metil-2-propanolo)

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Esercizio 7

Svolgimento:

Il substrato è un alogenuro benzilico.

La formazione del carbocatione è favorita dalla risonanza con l’anello aromatico:

C₆H₅–CH₂Cl → C₆H₅–CH₂⁺ + Cl⁻

Il carbocatione è stabilizzato per delocalizzazione della carica.

L’acqua attacca e segue deprotonazione.

Prodotto finale:

C₆H₅–CH₂OH (alcol benzilico)

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Esercizio 8

Svolgimento:

Alogenuro terziario → meccanismo SN1.

Formazione del carbocatione:

(CH₃)₃C–Cl → (CH₃)₃C⁺ + Cl⁻

L’etanolo attacca il carbocatione formando un intermedio protonato, seguito da deprotonazione.

Prodotto finale:

(CH₃)₃C–OCH₂CH₃ (etere etil-terz-butilico)

---

Esercizio 9

Svolgimento:

Il carbonio legato al bromo è terziario.

Si forma un carbocatione terziario stabile:

CH₃–CH₂–C⁺(CH₃)–CH₃ + Br⁻

L’acqua attacca il carbocatione e successivamente si ha deprotonazione.

Prodotto finale:

CH₃–CH₂–C(OH)(CH₃)–CH₃ (2-metil-2-butanolo)

---

Esercizio 10 (miscela racemica)

Svolgimento:

Il substrato è un alogenuro secondario.

Si forma un carbocatione planare:

CH₃–CH⁺–CH₂–CH₃

Essendo planare, il nucleofilo può attaccare da entrambi i lati.

Segue deprotonazione.

Prodotto finale:

CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ (2-butanolo) come miscela racemica (R/S)

Esercizi SN2

Esercizio 1

Reazione:

CH₃Br + OH⁻ → ?

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Esercizio 2

Reazione:

CH₃CH₂Cl + CN⁻ → ?

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Esercizio 3

Reazione:

CH₃CH₂CH₂Br + OH⁻ → ?

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Esercizio 4 (inversione di configurazione)

Reazione:

(CH₃)CH(Br)CH₂CH₃ + OH⁻ → ?

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Esercizio 5

Reazione:

CH₃I + NH₃ → ?

---

Esercizio 6

Reazione:

CH₃CH₂Br + SH⁻ → ?

---

Esercizio 7

Reazione:

CH₃CH₂CH₂Cl + I⁻ → ?

---

Esercizio 8

Reazione:

(CH₃)₂CHCH₂Br + OH⁻ → ?

---

Esercizio 9

Reazione:

CH₃CH₂Cl + OCH₃⁻ → ?

---

Esercizio 10 (cinetica)

Domanda:

Da cosa dipende la velocità di una reazione SN2?

Soluzioni SN2

Esercizio 1

Svolgimento:

Il substrato è un alogenuro metilico, molto reattivo in SN2.

L’OH⁻ attacca il carbonio da retro (backside attack) mentre il Br⁻ lascia simultaneamente.

Prodotto finale:

CH₃OH + Br⁻

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Esercizio 2

Svolgimento:

Alogenuro primario → favorito SN2.

Lo ione CN⁻ attacca il carbonio e il Cl⁻ lascia in un unico stadio.

Prodotto finale:

CH₃CH₂CN + Cl⁻

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Esercizio 3

Svolgimento:

Substrato primario → SN2.

Attacco nucleofilo diretto e uscita del Br⁻.

Prodotto finale:

CH₃CH₂CH₂OH + Br⁻

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Esercizio 4 (inversione di configurazione)

Svolgimento:

Substrato secondario. SN2 possibile con nucleofilo forte.

L’attacco avviene da retro con inversione della configurazione (inversione di Walden).

Prodotto finale:

CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ (configurazione invertita rispetto al reagente)

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Esercizio 5

Svolgimento:

Alogenuro metilico → SN2.

NH₃ attacca il carbonio, si forma un intermedio ammonio che poi perde un protone.

Prodotto finale:

CH₃NH₂ + HI

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Esercizio 6

Svolgimento:

Nucleofilo forte (HS⁻) e substrato primario → SN2.

Attacco diretto e uscita del Br⁻.

Prodotto finale:

CH₃CH₂SH + Br⁻

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Esercizio 7

Svolgimento:

Reazione di sostituzione con inversione, tipica (tipo Finkelstein).

I⁻ attacca e Cl⁻ lascia.

Prodotto finale:

CH₃CH₂CH₂I + Cl⁻

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Esercizio 8

Svolgimento:

Substrato primario (ramificato ma ancora accessibile) → SN2.

Attacco nucleofilo e uscita del Br⁻.

Prodotto finale:

(CH₃)₂CHCH₂OH + Br⁻

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Esercizio 9

Svolgimento:

Nucleofilo forte (alcossido) e substrato primario → SN2.

Formazione di un etere.

Prodotto finale:

CH₃CH₂OCH₃ + Cl⁻

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Esercizio 10 (cinetica)

Svolgimento:

La legge cinetica è:

v = k [R–X][Nu⁻]

La velocità dipende da:

• concentrazione del substrato
• concentrazione del nucleofilo

È una reazione concertata (un solo stadio).

Conclusione:

Reattività: metilico > primario > secondario >> terziario (quasi impossibile per SN2)

Esercizi SN2

Esercizio 1

Riconoscere una reazione SN2

Indica se la seguente reazione può avvenire facilmente tramite meccanismo SN2:

CH3Br + OH⁻ → ?

Esercizio 1

Sì, la reazione avviene facilmente tramite SN2.

• Il substrato è metilico (CH3Br), quindi molto poco ingombrato.
• OH⁻ è un nucleofilo forte.
• Br⁻ è un buon gruppo uscente.

Prodotto:

CH3OH + Br⁻

Si forma metanolo.

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Esercizio 2

Scrivere il prodotto

Scrivi il prodotto della seguente reazione:

CH3CH2Cl + CN⁻ → ?

Esercizio 2

Il nucleofilo CN⁻ sostituisce il Cl⁻.

Prodotto:

CH3CH2CN

Nome: propanonitrile (o propionitrile).

È una tipica sostituzione nucleofila SN2.

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Esercizio 3

Ordine di reattività

Ordina i seguenti substrati dal più veloce al più lento nelle reazioni SN2:

• CH3Br
• CH3CH2Br
• (CH3)2CHBr
• (CH3)3CBr

Esercizio 3

Ordine corretto:

CH3Br > CH3CH2Br > (CH3)2CHBr >>> (CH3)3CBr

Spiegazione:

La SN2 richiede l’attacco dal lato posteriore. Maggiore è l’ingombro sterico, più difficile sarà l’attacco del nucleofilo.

• Metilico = molto veloce
• Primario = veloce
• Secondario = lento
• Terziario = praticamente non reagisce via SN2

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Esercizio 4

Meccanismo concertato

Spiega cosa significa che la reazione SN2 è “concertata”.

Esercizio 4

Una reazione concertata avviene in un unico stadio.

Nella SN2:

• il nucleofilo forma il nuovo legame con il carbonio;
• contemporaneamente il gruppo uscente si allontana.

Non esistono intermedi stabili.

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Esercizio 5

Inversione stereochimica

Nella seguente reazione:

(S)-2-clorobutano + OH⁻ → ?

quale sarà la configurazione del prodotto?

Esercizio 5

Nella SN2 avviene inversione di configurazione (inversione di Walden).

Quindi:

(S)-2-clorobutano → (R)-2-butanolo

Il nucleofilo attacca dal lato opposto rispetto al gruppo uscente.

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Esercizio 6

Miglior nucleofilo

Quale tra i seguenti nucleofili è il più forte nelle reazioni SN2?

• F⁻
• Cl⁻
• Br⁻
• I⁻

Esercizio 6

Ordine di nucleofilia:

I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻

Quindi il nucleofilo più forte è I⁻.

Gli ioni più grandi sono più polarizzabili e reagiscono meglio nelle SN2.

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Esercizio 7

Gruppo uscente

Quale tra questi è il miglior gruppo uscente?

• OH⁻
• NH2⁻
• Cl⁻
• I⁻

Esercizio 7

Il miglior gruppo uscente è I⁻.

Un buon gruppo uscente deve essere stabile dopo l’uscita.

Ordine:

I⁻ > Cl⁻ > OH⁻ > NH2⁻

OH⁻ e NH2⁻ sono basi forti e quindi pessimi gruppi uscenti.

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Esercizio 8

Effetto del solvente

Quale solvente favorisce maggiormente una reazione SN2?

• Acqua
• Etanolo
• DMSO
• Metanolo

Esercizio 8

Il solvente migliore è il DMSO.

Il DMSO è un solvente polare aprotico.

I solventi aprotici:

• non “intrappolano” il nucleofilo;
• aumentano la reattività del nucleofilo.

Acqua, etanolo e metanolo sono solventi protici e rallentano la SN2.

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Esercizio 9

Vero o falso

Indica se le seguenti affermazioni sono vere o false.

1. La velocità della SN2 dipende sia dal nucleofilo sia dal substrato.
2. Le reazioni SN2 formano carbocationi intermedi.
3. Le SN2 avvengono meglio con substrati poco ingombrati.
4. I substrati terziari reagiscono facilmente tramite SN2.

Esercizio 9

1. Vero
2. Falso
3. Vero
4. Falso

Spiegazione:

• La SN2 è bimolecolare.
• Non ci sono intermedi.
• L’ingombro sterico ostacola il meccanismo.
• I substrati terziari sono troppo ingombrati.

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Esercizio 10

Completare la reazione

Completa la seguente reazione:

CH3CH2Br + CH3O⁻ → ?

Esercizio 10

Il nucleofilo metossido (CH3O⁻) sostituisce il bromo.

Prodotto:

CH3CH2OCH3 + Br⁻

Nome del prodotto: metossietano.

La reazione produce un etere tramite meccanismo SN2.

Esercizio 11

Velocità di reazione

Quale delle seguenti reazioni SN2 sarà più veloce?

• CH3Cl + OH⁻
• CH3I + OH⁻

Esercizio 11

La reazione più veloce è:

CH3I + OH⁻

Motivo:

I⁻ è un gruppo uscente migliore rispetto a Cl⁻.

Più il gruppo uscente è stabile, più facilmente abbandona il substrato.

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Esercizio 12

Attacco del nucleofilo

Da quale lato attacca il nucleofilo nella SN2?

Esercizio 12

Il nucleofilo attacca dal lato opposto rispetto al gruppo uscente.

Questo tipo di attacco è detto “backside attack”.

L’attacco posteriore provoca l’inversione della configurazione spaziale.

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Esercizio 13

Reagente limitante

Nella seguente legge cinetica:

v = k[CH3Br][OH⁻]

quale tipo di reazione è descritto?

Esercizio 13

Si tratta di una reazione SN2.

La velocità dipende:

• dalla concentrazione del substrato;
• dalla concentrazione del nucleofilo.

Per questo motivo la reazione è detta bimolecolare.

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Esercizio 14

Substrato più adatto

Quale substrato reagisce meglio tramite SN2?

• 2-bromopropano
• bromometano
• 2-bromo-2-metilpropano

Esercizio 14

Il substrato migliore è bromometano.

Motivo:

Il carbonio legato al bromo è poco ingombrato e il nucleofilo può attaccare facilmente.

Il composto terziario è quasi impossibile da attaccare tramite SN2.

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Esercizio 15

Prodotto della reazione

Completa la seguente reazione:

CH3CH2CH2Cl + NH3 → ?

Esercizio 15

NH3 sostituisce il Cl⁻.

Prodotto:

CH3CH2CH2NH2

Nome: propilammina.

È una sostituzione nucleofila SN2.

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Esercizio 16

Solvente migliore

Quale coppia di solventi favorisce maggiormente una SN2?

• acqua e metanolo
• DMSO e acetone
• etanolo e acqua

Esercizio 16

La risposta corretta è:

DMSO e acetone.

Entrambi sono solventi polari aprotici.

I solventi aprotici aumentano la nucleofilicità degli anioni.

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Esercizio 17

Stato di transizione

Nella SN2 il carbonio centrale, durante la reazione, quanti legami parziali possiede?

Esercizio 17

Nel punto di transizione il carbonio possiede:

• un legame parziale con il nucleofilo;
• un legame parziale con il gruppo uscente.

In totale il carbonio è temporaneamente legato a cinque gruppi.

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Esercizio 18

Nucleofilo neutro

Anche una molecola neutra può agire da nucleofilo in una SN2?

Esercizio 18

Sì.

Molecole come NH3 o H2O possiedono coppie di elettroni libere e possono attaccare il carbonio elettrofilo.

Tuttavia sono generalmente nucleofili meno forti rispetto agli anioni.

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Esercizio 19

Confronto tra substrati

Quale reagisce più lentamente in una SN2?

• CH3CH2Br
• (CH3)2CHBr

Esercizio 19

Reagisce più lentamente:

(CH3)2CHBr

Infatti è un substrato secondario e presenta maggiore ingombro sterico.

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Esercizio 20

Domanda teorica

Perché le SN2 non avvengono facilmente sui substrati terziari?

Esercizio 20

Nei substrati terziari il carbonio legato al gruppo uscente è circondato da molti gruppi alchilici.

Questo crea forte ingombro sterico.

Il nucleofilo non riesce ad avvicinarsi abbastanza per effettuare l’attacco posteriore richiesto dal meccanismo SN2.

Esercizio 1

Riconoscere una reazione SN1

Indica se il seguente substrato reagisce facilmente tramite SN1:

(CH3)3CCl

Esercizio 1

Sì, il tert-butilcloruro reagisce facilmente tramite SN1.

Motivo:

• il carbonio è terziario;
• si forma un carbocatione terziario stabile;
• il Cl⁻ è un buon gruppo uscente.

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Esercizio 2

Intermedio di reazione

Qual è l’intermedio caratteristico delle reazioni SN1?

Esercizio 2

L’intermedio caratteristico è il carbocatione.

Nella SN1:

1. il gruppo uscente abbandona il substrato;
2. si forma il carbocatione;
3. il nucleofilo attacca il carbocatione.

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Esercizio 3

Legge cinetica

La seguente legge cinetica:

v = k[(CH3)3CBr]

è tipica di quale meccanismo?

Esercizio 3

È tipica di una reazione SN1.

La velocità dipende solo dalla concentrazione del substrato.

Per questo motivo la reazione è detta unimolecolare.

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Esercizio 4

Stabilità dei carbocationi

Ordina i seguenti carbocationi dal più stabile al meno stabile:

• terziario
• secondario
• primario
• metilico

Esercizio 4

Ordine corretto:

terziario > secondario > primario > metilico

I gruppi alchilici stabilizzano la carica positiva del carbocatione.

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Esercizio 5

Prodotto della reazione

Completa la seguente reazione:

(CH3)3CBr + H2O → ?

Esercizio 5

L’acqua sostituisce il Br⁻.

Prodotto:

(CH3)3COH

Nome: tert-butanolo.

La reazione procede tramite SN1.

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Esercizio 6

Solvente migliore

Quale solvente favorisce maggiormente una SN1?

• DMSO
• acetone
• acqua
• esano

Esercizio 6

Il solvente migliore è l’acqua.

Le reazioni SN1 sono favorite da solventi polari protici.

L’acqua stabilizza:

• il carbocatione;
• il gruppo uscente.

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Esercizio 7

Stereochimica

Nelle reazioni SN1 si ottiene spesso una miscela racemica. Perché?

Esercizio 7

Il carbocatione intermedio è planare.

Il nucleofilo può attaccare:

• da un lato;
• oppure dall’altro.

Si formano quindi entrambi gli enantiomeri.

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Esercizio 8

Velocità di reazione

Quale substrato reagisce più velocemente tramite SN1?

• CH3Cl
• CH3CH2Cl
• (CH3)3CCl

Esercizio 8

Il più veloce è:

(CH3)3CCl

Infatti forma un carbocatione terziario molto stabile.

I substrati metilici e primari non reagiscono facilmente tramite SN1.

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Esercizio 9

Vero o falso

Indica se le seguenti affermazioni sono vere o false.

1. Le SN1 avvengono in due stadi.
2. Le SN1 richiedono un nucleofilo molto forte.
3. Le SN1 formano carbocationi.
4. I substrati terziari favoriscono le SN1.

Esercizio 9

1. Vero
2. Falso
3. Vero
4. Vero

Spiegazione:

• La tappa lenta è la formazione del carbocatione.
• Anche nucleofili deboli possono reagire.
• I substrati terziari stabilizzano il carbocatione.

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Esercizio 10

Confronto SN1/SN2

Quale meccanismo è più probabile per un alogenuro alchilico terziario in acqua?

Esercizio 10

Il meccanismo più probabile è SN1.

Motivi:

• il substrato terziario stabilizza il carbocatione;
• l’acqua è un solvente polare protico;
• l’ingombro sterico ostacola la SN2.

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Formazione del carbocatione

Qual è la tappa lenta della reazione SN1?

Esercizio 11

La tappa lenta è la rottura del legame tra il carbonio e il gruppo uscente.

In questa fase si forma il carbocatione.

È lo stadio determinante della velocità.

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Miglior substrato

Quale tra i seguenti substrati reagisce più facilmente tramite SN1?

• CH3CH2Cl
• (CH3)2CHCl
• (CH3)3CCl

Esercizio 12

Il migliore è:

(CH3)3CCl

Il carbocatione terziario formato è il più stabile.

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Esercizio 13

Prodotto della solvolisi

Completa la seguente reazione:

(CH3)3CCl + CH3OH → ?

Esercizio 13

Il metanolo sostituisce il Cl⁻.

Prodotto:

(CH3)3COCH3

Nome: tert-butil metil etere.

La reazione avviene tramite SN1.

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Esercizio 14

Effetto del nucleofilo

Nelle SN1 è necessario un nucleofilo molto forte?

Esercizio 14

No.

La tappa lenta è la formazione del carbocatione.

Per questo motivo anche nucleofili deboli come H2O o CH3OH possono partecipare alla reazione.

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Esercizio 15

Gruppo uscente

Quale tra questi è il miglior gruppo uscente nelle SN1?

• F⁻
• Cl⁻
• Br⁻
• I⁻

Esercizio 15

Il migliore è I⁻.

Ordine:

I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻

I⁻ è molto stabile dopo l’uscita.

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Esercizio 16

Solvente protico

Perché i solventi protici favoriscono le SN1?

Esercizio 16

I solventi protici stabilizzano:

• il carbocatione;
• il gruppo uscente.

Questo rende più facile la formazione dell’intermedio.

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Esercizio 17

Carbocatione secondario

Il seguente substrato può reagire tramite SN1?

CH3CHBrCH3

Esercizio 17

Sì, può reagire tramite SN1.

Il carbocatione formato è secondario, quindi moderatamente stabile.

La reazione è possibile soprattutto in solventi protici.

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Esercizio 18

Miscela racemica

Cosa significa che una SN1 produce una miscela racemica?

Esercizio 18

Significa che si formano due enantiomeri in quantità simili.

Questo accade perché il carbocatione planare può essere attaccato da entrambi i lati.

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Esercizio 19

Confronto tra SN1 e SN2

Quale caratteristica distingue maggiormente una SN1 da una SN2?

Esercizio 19

Nella SN1 si forma un carbocatione intermedio.

Nella SN2 la reazione avviene in un unico stadio senza intermedi.

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Esercizio 20

Identificare il meccanismo

Un alogenuro terziario reagisce in acqua formando un alcol. Qual è il meccanismo più probabile?

Esercizio 20

Il meccanismo più probabile è SN1.

Motivi:

• il substrato terziario stabilizza il carbocatione;
• l’acqua è un solvente polare protico;
• il nucleofilo è debole.