Post on 21-Feb-2019
AlogenoalcaniAlogenoalcani
• I composti contenenti un atomo di alogeno legato covalentemente ad un atomo di carbonio ibridato sp3 sono chiamati alogenoalcanialogenoalcani o alogenuri alchilicialogenuri alchilici.
• Il simbolo generale per un alogenuro alchilico è R-X dove X può essere Fluoro, Cloro, Bromo o Iodio
RR--XXRR--F RF R--Cl Cl RR--BrBr RR--II
NomenclaturaNomenclatura
• Nella nomenclatura IUPAC l’atomo di alogeno viene visto come un sostituente dell’alcano.
• La nomenclatura comune identifica i piùsemplici come alogenuri di alchile considerando le catene alchiliche come sostituenti degli acidi alogenidrici
CH3CH2 IBr
11--iodoetanoiodoetanoioduro di etileioduro di etile
22--bromobutanobromobutanobromuro di isobutilebromuro di isobutile
Tipi di alogenuriTipi di alogenuri
• Anche per gli alogenuri si usa la denominazione metilico, primario, secondario e terziario a seconda del tipo di atomo di carbonio legato all’atomo di alogeno
R CR
RX R C
H
RX
R CH2
X CH3 X
alogenuro terziario alogenuro secondario alogenuro primario alogenuro metilico
ProprietProprietàà
• Il legame C-X è polarizzato:– A causa della maggiore elettronegatività degli
alogeni rispetto al carbonio. – L’atomo di alogeno possiede una parziale carica
negativa (δ-) e l’atomo di carbonio una parziale carica positiva (δ+).
ProprietProprietàà
• Gli alogenoalcani hanno punti di ebollizione maggiori rispetto ai corrispondenti alcani.– Questo a causa alle interazioni
dipolo-dipolo che si vengono a creare tra le molecole degli alogenoalcani.
– All’aumentare della grandezza dell’alogeno aumentano anche le interazioni molecolari
– Gli atomi più grandi sono infatti piùpolarizzabili
ReattivitReattivitàà
• L’atomo di carbonio polarizzatocarbonio polarizzatopositivamente è elettrofiloelettrofilo ed è soggetto all’attaccoattacco da parte di anioni ed altre specie nucleofilespecie nucleofile.
• Il nucleofilo sostituirà l'atomo di alogeno
Nu
Sostituzione nucleofilaSostituzione nucleofila
• Nella descrizione della reazione, il reagente organico (alogenuro) viene detto substratosubstrato.
• L'attacco del nucleofilo promuoverà il distacco dell’atomo di alogeno che si porterà via gli elettroni di legame.
• Il risultato sarà la sostituzionesostituzione dell’atomo di alogeno, che viene detto gruppo uscentegruppo uscente, con il nucleofilo.
R X RNu X-+Nu- +δ+ δ−
Sostituzione nucleofilaSostituzione nucleofila
• I nucleofili possono essere carichi negativamente come :OH-
• o neutri, come :NH3 e in questo caso di nucleofili neutri la reazione terminerà con l’espulsione di un protone
R X RNu X-+Nucleofilo Gruppo UscenteSubstrato
Nu- +
R X RHNu RNuX-+Nucleofilo Gruppo UscenteSubstrato
HNu: + + H++
Sostituzione nucleofilaSostituzione nucleofila
• A seconda del tipo di nucleofilo usato si possono formare prodotti diversi
R-OR’EtereEtere
-OR’
R-SR’SolfuroSolfuro
-SR’
R-+NH3 ⇆ RNH2 + H+
AmminaAmminaNH3
R-BrBromuro alchilicoBromuro alchilicoBr-
R-CICloruro alchilicoCloruro alchilicoCI-
R-OHAlcoolAlcool
-OH
ProdottoNucleofilo
Sostituzione nucleofilaSostituzione nucleofila
• Il meccanismo della reazione dipende da vari fattori come il tipo di substratosubstrato, il tipo di nucleofilonucleofilo, il tipo di gruppo uscente gruppo uscente ed il tipo di solventesolvente usati.
• I due meccanismi con i quali può avvenire tale reazione prendono il nome di SN2 SN2 e SN1SN1 dove SNSN sta per sostituzione sostituzione nucleofilanucleofila
Meccanismo SN2Meccanismo SN2• Nel meccanismo SN2SN2 la reazione avviene in un unico stadiounico stadio:
• Il nucleofilo attacca il substrato polarizzato dalla parte opposta del gruppo uscente forzando ad uscire l’atomo di alogeno che se ne va portando con sé gli elettroni di legame.
• Nello stato di transizione il legame Nu-C è parzialmente formato e quello C-X è parzialmente rotto e la carica negativa è suddivisa tra i due gruppi, entrante ed uscente.
• Al termine si la completa formazione del legame Nu-C e la completa rottura di quello C-X.
C BrH
HH
COHH
HH
CH H
OH BrH
HO- + Br-δ+
δ−
#δ− δ−
SostituzioneNucleofilaSostituzioneNucleofilaBimol.MOVBimol.MOV
Meccanismo SN2Meccanismo SN2
• La sigla SN2SN2 sta ad indicare che la reazione una Sostituzione Nucleofila BimolecolareSostituzione Nucleofila Bimolecolare.
• Nello stadio fondamentale della reazione infatti ci sono due specie (Substrato e Nucleofilo) che partecipano alla reazione.
• Poiché la reazione avviene in un unico stadio la velocità di reazione dipende sia dalla concentrazione del substrato che dalla concentrazione del nucleofilo e l’equazione cinetica è del 22°° ordine globaleordine globale e del 1° ordine rispetto ad ognuno di essi.
[ ] -R-Br OHv k ⎡ ⎤= ⎣ ⎦
Punto di attacco• Una reazione SN2 è spinta dall'attrazione tra la carica
negativa del nucleofilo (in questo caso l'ossigeno carico negativamente dello ione idrossido) e il centro di carica positiva dell'elettrofilo (in questo caso la carica parziale positiva sul carbonio legato al cloro che funge da gruppo uscente).
Tipo di substrato• Gli alogeno metani (CH3-X) sono i substrati più reattivi,
seguiti dagli alogenuri primari (RCH2-X). La reazione è molto più lenta per gli alogenuri secondari (R2CH-X) e ancor di piùper i terziari (R3C-X).
• Questo a causa della diminuzione di accessibilità dell’atomo di carbonio che subisce l’attacco del nucleofilo all’aumentare del numero di gruppi alchilici legati ad esso.
Ingombro sterico• All'aumentare dell'ingombro dei sostituenti legati al
carbonio che sta subendo l'attacco nucleofilo diminuisce la possibilità di accedere al retro del carbonio, con conseguente diminuzione della velocità della reazione SN2.
Decorso stereochimicoDecorso stereochimico
• Nel caso in cui il substrato sia chirale:
La reazione avviene con inversione di configurazione in quanto La reazione avviene con inversione di configurazione in quanto il nucleofilo attacca il substrato dalla parte opposta rispetto il nucleofilo attacca il substrato dalla parte opposta rispetto
al gruppo uscenteal gruppo uscente
SN2QT4.MOVSN2.MOV
SN2Octane.xyz
CCH3 H
OH BrCH2
CH3
C BrCH2
CH3H
CH3
COHCH2
CH3H
CH3
BrOH +
#
CH3
COHH
CH2
CH3
S
CH3
C BrCH2 H
CH3
R
EsempioEsempio
D
CH3SO3 HPh + I
OSO2CH3
HDbz
H
OSO2CH3
D bz
D
H IPh + CH3SO3
I
HD bz
Reagente (S)(S)
Prodotto(R)(R)
Meccanismo SN1Meccanismo SN1• Nel meccanismo SN1SN1 la reazione avviene in due due
stadistadi:
• Nel primo stadio lento, il gruppo uscente si stacca portandosi via gli elettroni di legame e generando un intermedio intermedio carbocationecarbocatione planareplanare (sp2)
• Nel secondo stadio veloce, il nucleofilo reagisce con il carbocatione portando alla formazione del prodotto di sostituzione
C XR
RR
CNuR
RR
CR R
R
Nu-
+ X-
δ+δ− +
lento veloce
Meccanismo SN2Meccanismo SN2
• La sigla SN1SN1 sta ad indicare che la reazione una Sostituzione Nucleofila MonomolecolareSostituzione Nucleofila Monomolecolare.
• Allo stadio fondamentale (LENTO) della reazione infatti partecipa solamente il Substrato che si dissocia per formare l’intermedio carbocatione.
• La velocità di reazione dipende solo dallo stadio lento e quindi solo dalla concentrazione del substrato: l’equazione cinetica è del 11°° ordineordinerispetto ad esso.
[ ]R-Clv k=
Tipo di substrato
• Il processo monomolecolare è veloce su Substrati terziari, benzilici e allilici che danno carbocationicarbocationi stabilistabili mentre è lenta su substrati secondari; i substrati primari che non possono dare carbocationi stabili reagiscono preferenzialmente via SN2
Decorso stereochimicoDecorso stereochimico
• Nel caso il substrato sia asimmetrico, si ha la produzione di un prodotto racemo perché il carbocatione intermedio èplanare e può subire l’attacco da entrambi i lati
SN1rSN1r--SN1skSN1sk
Br
Br
Quali di questi Quali di questi bromoalcanibromoalcani vi aspettate reagisca vi aspettate reagisca via SN1 pivia SN1 piùù velocemente ?velocemente ?
EsempioEsempio
DifferenzaDifferenza
• La differenza sostanziale tra una reazione di sostituzione che segua un meccanismo SN2 piuttosto che un meccanismo SN1 èche:
• la SN2SN2 procede in un unico stadio attraverso uno stato di transizionestato di transizione
• la SN1SN1 procede in due stadi, attraverso un intermediointermedio carbocatione
Tipo di substratoTipo di substrato
HH
HX R
H
HX R
R
HX R
R
RX
Metilico Primario Secondario TerziarioMetilico Primario Secondario Terziario
I substrati metilici, primari e molti secondari reagiscono con il meccanismo SN2
I substrati terziari, ed alcuni secondari attraverso il meccanismo SN1
I substrati metilici, primari e terziari reagiscono più velocemente.
NucleofiliNucleofiliAnioni: I-, Br-, Cl-, F-, OH-, RO-, RS-, R3C-, RCOO-
Molecole Neutre: R3N, R3P, H2O
NucleofiloNucleofilo ReagenteReagente Sostituente Sostituente FinaleFinale
Br- HBr -Br
Cl- HCl -Cl
I- HI -I
H2O -OH
OH- NaOH -OH
RO- NaOR -OR
CN- NaCN, KCN -CN
NH3, NR3 -NH2, -NR2
Le SN2 sono favorite da nucleofili anionici
Sostituzione nucleofilaSostituzione nucleofila
La reazione avviene anche su altri substrati che portino dei gruppi elettronegativi su
catene alchiliche come gli alcolialcoli, gli eterieteri, i tiolitioli.
R OH R SHR OR'
Alcol Etere Tiolo
δ+δ−
δ+δ−
δ+δ−
La presenza di buoni gruppi uscenti sposta il meccanismo a favore della SN1 in quanto sarà più facile che avvenga la
ionizzazione del substrato
Effetto solventeEffetto solvente
• I solventi polari polari proticiprotici stabilizzano i composti polari ed eventuali ioni che si possono formare nel corso della reazione– stabilizzano il gruppo uscente;– stabilizzano il carbocatione che si forma durante il
meccanismo monomolecolare facilitando la dissociazione del substrato;
– stabilizzano il nucleofilo diminuendone la reattività, in quanto possono protonarlo o semplicemente solvatarlo
• Aumentando la polarità del solvente e la sua abilitàsolvatante, il meccanismo si sposta verso la SN1.
Il processo SN2 Il processo SN2 èè favoritofavorito• Substrati poco ingombrati.
– Su substrati Metilici (CH3X) e Primari (RCH2X)– Su substrati Secondari (R2CHX) solo con nucleofili
forti – Mai su substrati Terziari (R3CX)
• Uso di nucleofili forti, anionici. • Uso di solventi apolari che non favoriscono la
formazione del carbocatione
Il processo SN1 Il processo SN1 èè favoritofavorito• Substrati che portano alla formazione di carbocationi
stabili.– Su substrati Terziari (R3CX)– Su substrati Secondari (R2CHX) con nucleofili
deboli • Uso di nucleofili deboli, spesso neutri.
– Spesso il nucleofilo è lo stesso solvente, come l’acqua, gli alcoli e gli acidi carbossilici
• Uso di solventi polari protici che stabilizzano il carbocatione intermedio, il nucleofilo (disattivando l’attacco via SN2) ed il gruppo uscente.
BrNH2
NaOH
(1eq)
Quali sono i due prodotti di sostituzione attesi in Quali sono i due prodotti di sostituzione attesi in questa reazione ?questa reazione ?
EsempioEsempio
OH NH
Eliminazione ad alchene• Un alogenoalcano che abbia in β all’atomo di alogeno un
atomo di idrogeno, può reagire con un nucleofilo (che può anche funzionare da base) anche in modo diverso e cioèeliminando acido alogenidrico e formando un alchenealchene.
• Si ha la perdita di H e X da atomi adiacenti e viene quindi definita: 1,2- o α,β-eliminazione.
• E’ uno dei principali metodi per la sintesi di alcheni• Questa reazione è in competizione con la sostituzione
nucleofila.
CH CH CH3CH3
X
HCH CH CH3CH3
+ Y-
+ HY + X-α
β
Meccanismi
• Anche l’eliminazione può avvenire con due meccanismi diversi:
H
H
H
HCH2
CH2
XH
B-X
E2-BH
H
H
R
RCH2
C XHR
R
CH2
CHR
R E1velocelento
-X -BH
B
Eliminazione bimolecolareEliminazione bimolecolare
Eliminazione monomolecolareEliminazione monomolecolare
Meccanismo E2
•• Il meccanismo E2 Il meccanismo E2 èè un meccanismo concertato in un meccanismo concertato in cui il nucleofilo agisce da base e strappa un cui il nucleofilo agisce da base e strappa un protone aiutando lprotone aiutando l’’uscita delluscita dell’’alogenuroalogenuro
•• EE’’ favorita da una forte basicitfavorita da una forte basicitàà del reagente e del reagente e dalla bassa polaritdalla bassa polaritàà del solventedel solvente–– I solventi polari solvatano e quindi inattivano la baseI solventi polari solvatano e quindi inattivano la base
H
H
H
HCH2 C
H2
XH-X
-BH
:B
[ ][ ]R X Bv k= −
Meccanismo E1
•• EE’’ un processo che avviene in due stadiun processo che avviene in due stadi•• Il primo stadio della E1 Il primo stadio della E1 èè lo stesso della SN1 e porta alla lo stesso della SN1 e porta alla
formazione dello stesso formazione dello stesso carbocationecarbocatione intermediointermedio•• Questo nelle eliminazioni si stabilizza espellendo un protone Questo nelle eliminazioni si stabilizza espellendo un protone
e formando un legame e formando un legame ππ anzichanzichéé addizionando il nucleofiloaddizionando il nucleofilo•• Si formano sempre miscele di prodotti (di sostituzione e di Si formano sempre miscele di prodotti (di sostituzione e di
eliminazione)eliminazione)
[ ]XR −= kv
H
H
R
RCH2
C XHR
R
CH2
CHR
Rvelocelento
-X -BH
B
Regiochimica
In entrambi i casi si forma lIn entrambi i casi si forma l’’alchene pialchene piùù stabile e ciostabile e cioèè il piil piùùsostituito o quello sostituito o quello delocalizzatodelocalizzato
CH2
CH3 CH3
H
BrCH2CH3
H
H
H
CH3
H
H
CH3
- HBr
(1)
(2)
(1)(2)6% 94%
- HBr
CH2
CH2
CH3
H
BrCH2CH3
HH
CH3
H
H
CH2
- HBr
(1)
(2) (1)(2)87%
13%
- HBr
Eliminazione vs.Sostituzione
• In presenza di alogenuri alchilici che reagiscono con nucleofili si ha sempre competizione fra sostituzione ed eliminazione che possono avvenire con due meccanismi diversi
Me CH
CMe2
H
Me CH
CMe2
H
Br
Me CMe2
H
Me CH
CMe2
H OH
HO- Br
HO
Sostituzione
EliminazioneE1
SN1
H
Br
HOH OH H
Br
OH
Sostituzione Eliminazione
E2SN2
E1/SN1 E1/SN1
E2/SN2E2/SN2
Eliminazione vs.Sostituzione
•• Alogenuri terziariAlogenuri terziari– Sostituzione via SN1– Eliminazione via E1 o E2
• In presenza di nucleofili debolinucleofili deboli e solventi solventi polaripolari la competizione è fra SN1 e E1 e si ha una miscela di prodotti.
• In presenza di nucleofili fortinucleofili forti e solventi solventi apolariapolari è favorita l’eliminazione con meccanismo E2.
Eliminazione vs.Sostituzione
•• Alogenuri primariAlogenuri primari– Sostituzione via SN2– Eliminazione via E2 – Non può avvenire né la SN1 né la E1 perché non
si può formare il carbocatione• In presenza di nucleofili molto ingombrati nucleofili molto ingombrati
e fortemente basicie fortemente basici si può avere l’eliminazione con meccanismo E2.
• In presenza di tutti gli altri nucleofilinucleofili si ha prevalentemente la sostituzione via SN2.
Eliminazione vs.Sostituzione
•• Alogenuri secondariAlogenuri secondari– Sostituzione via SN1 o SN2– Eliminazione via E1 o E2
• Si ha sempre una miscela di prodotti.• La sostituzione è favorita da nucleofili nucleofili
forti che non siano basi fortiforti che non siano basi forti (SN2)• L’eliminazione è favorita dalle basi fortibasi forti
(E2).
Reazioni biologicheReazioni biologiche
• Negli ambienti biologici le reazioni di SN avvengono spesso su un substrato che è un difosfato organico piuttosto che un alogenuro alchilico.
• Pertanto, il gruppo uscente è lo ione difosfato (PPi)• La dissociazione di un organodifosfato è una reazione
biologica tipicamente favorita dalla complessazione di un catione divalente metallico, come Mg2+, che aiuta a neutralizzare la carica.
R O P O P OO
O O
O
Mg2+
R+
O P O P OO
O O
O
Mg2+
+dissociazione
(PPi)
Biosintesi GeranioloBiosintesi Geraniolo
PPi C+
PPiH
C+
PPiH
PPiC
+
O+
HH OH
- PPi
OH2
- H+
eliminazione
- PPi
- H+
SN1SN1
SN1SN1
dimetilallildimetilallil difosfatodifosfato
isopentenilisopentenil difosfatodifosfato
geranilgeranil difosfatodifosfato
geraniologeraniolo
Sintesi AdrenalinaSintesi Adrenalina
OH
OH
OH H
NH2
N
N
N
N
OS
+
H NH3
CH3
NH2
OH OH
O
O
OH
OH
OH H
N+
CH3
H H
N
N
N
N
OS
H NH3
NH2
OH OH
O
O
SN2
++
adrenalinaadrenalina
SAM o SAM o SS--adenosilmetioninaadenosilmetionina (ione (ione sulfoniosulfonio)) SS--adenosilmonocisteinaadenosilmonocisteina
noradrenalinanoradrenalina
Grup
poGr
uppo
usce
nte
usce
nte
Reazioni biologiche di eliminazione
5-Diidrossichimato5-Diidrochinato Tirosina
OH CO2-
HH
H
OH
OHO
OH CO2-
HH
HH
OH
OHO H
H
H
OH
OHO
CO2-
CO2-
HH3NOH
B+
H
- H2O
:B
+
-
Biosintesi della tirosinaBiosintesi della tirosina
Reazioni biologiche di eliminazione
Tioestere crotonile3-Idrossibutirriltioestere
Istidina(amminoacido nell’enzima)
SRCH3
OH H
H H
O
SRCH3
OH H O
H
N NH N N+H H
C SRCH3
OH H O
HSRCH3
O
H
H
+ H+
- H+
- H2O
Biosintesi dei grassiBiosintesi dei grassi
Alogenuri aromaticiAlogenuri aromatici• Gli alogenuri vinilici ed arilici non danno reazioni di
sostituzione nucleofila ma le reazioni tipiche dei composti aromatici.
• Non danno reazioni SN2 perché quando il nucleofilo si avvicina al carbonio sp2 da retro viene respinto dalla nuvola elettronica π del doppio legame o dell'anello aromatico.
• Non danno reazioni SN1 perché, il legame carbonio-alogeno è più corto e più forte poiché l'alogeno è legato ad un carbonio sp2 ed i carbocationi vinilici ed arilici che si dovrebbero formare sono altamente instabili.
ClNO2
NO2
Br
OH
Cl
pp--bromofenolobromofenolo clorobenzeneclorobenzene2,42,4--dinitroclorobenzenedinitroclorobenzene