10 Sostituzioni Nucleofile - Dipartimento di Scienze Chimiche · Decorso stereochimico di una...

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SOSTITUZIONI NUCLEOFILESOSTITUZIONI NUCLEOFILE

H

HH

H

HH+ HBr + H2O

SUBSTRATISUBSTRATI

alogenuri, eteri, epossidi, esteri solfonicialogenuri, eteri, epossidi, esteri solfonici

H OH H Br

Possibili meccanismiPossibili meccanismi

SSNN1, S1, SNN2, S2, SNN2’, S2’, Snnii

12009 - G. Licini, Università di Padova. La riproduzione a fini commerciali è vietata

GeneralitàGeneralità

Gruppo uscente (LG) deve essere una base debole (XGruppo uscente (LG) deve essere una base debole (X--, H, H22O, RO, R22S)S)

Il carbonio in Il carbonio in al gruppo uscente diviene un miglior al gruppo uscente diviene un miglior Il carbonio in Il carbonio in α al gruppo uscente diviene un miglior al gruppo uscente diviene un miglior elettrofilo grazie alla sostituzione con il LG elettrofilo grazie alla sostituzione con il LG

C S

Me

δ+Me

C Oδ+ δ−

H

C Oδ+ δ−

SO2R

C Clδ+ δ−

polarizzazione del legame Cpolarizzazione del legame C--LGLG

Le reazioni avvengono con un ben determinato decorso Le reazioni avvengono con un ben determinato decorso stereochimicostereochimico


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Nei reagenti è sempre presente un eteroatomo Nei reagenti è sempre presente un eteroatomo (O, X, S) legato ad un atomo di carbonio (O, X, S) legato ad un atomo di carbonio

ibridizzato spibridizzato sp33. Il gruppo contenente . Il gruppo contenente l’eteroatomo viene chiamato l’eteroatomo viene chiamato gruppo uscentegruppo uscente

In tutte le reazioni è presente un In tutte le reazioni è presente un nucleofilonucleofilo. . I I nucleofilinucleofili sono specie neutre o anioniche con sono specie neutre o anioniche con

un doppietto elettronico non condiviso che un doppietto elettronico non condiviso che un doppietto elettronico non condiviso che un doppietto elettronico non condiviso che reagisce con la molecola di substratoreagisce con la molecola di substrato

32009 - G. Licini, Università di Padova. La riproduzione a fini commerciali è

vietata

Nelle reazioni di sostituzioni di derivati alifatici Nelle reazioni di sostituzioni di derivati alifatici un un nucleofilonucleofilo sostituisce un sostituisce un gruppo uscentegruppo uscente


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Legame CLegame C--LG polarizzatoLG polarizzatoGruppo uscente base deboleGruppo uscente base debole

Il doppietto elettronico del nucleofilo Il doppietto elettronico del nucleofilo è attratto dal carbonio elettrofiloè attratto dal carbonio elettrofilo

... portando alla sostituzione del LG Br... portando alla sostituzione del LG Br-- da da parte di Xparte di X--. Br. Br-- è una base deboleè una base debole

Anche negli alcoli il carbonio è Anche negli alcoli il carbonio è elettrofiloelettrofilo

ma l’OHma l’OH-- non è una base debolenon è una base debole


Come fare di un OHCome fare di un OH-- un buon gruppo uscente?un buon gruppo uscente?

Lo si trasforma nel corrispondente Lo si trasforma nel corrispondente

ESTERE SOLFONICOESTERE SOLFONICO

MeSO

OO

F3CSO

OO SO

OO

Ione metansolfonatoIone metansolfonato(mesilato)(mesilato)

TrifluorometansolfonatoTrifluorometansolfonato(triflato)(triflato)

pp--ToluensolfonatoToluensolfonato(tosilato)(tosilato)( )( ) ( f )( f ) ( )( )

Bontà LG: IBontà LG: I-- > RSO> RSO33-- > Br> Br-- > Cl> Cl-- >> RCOO>> RCOO--


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Buoni gruppi uscentiBuoni gruppi uscenti


Gruppi uscenti dopo attivazione in situGruppi uscenti dopo attivazione in situ

LA= Acido di LewisLA= Acido di Lewis 82009 - G. Licini, Università di Padova. La riproduzione a fini commerciali è vietata

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Cattivi gruppi uscenti o non gruppi uscentiCattivi gruppi uscenti o non gruppi uscenti

Il nucleofilo reagisce ma non fornisce una SIl nucleofilo reagisce ma non fornisce una SNNPuò deprotonare il gruppo R o attaccare il gruppo funzionalePuò deprotonare il gruppo R o attaccare il gruppo funzionale


NucleofiloNucleofilo

I I nucleofilinucleofili sono specie neutre o anioniche con sono specie neutre o anioniche con un doppietto elettronico non condiviso che un doppietto elettronico non condiviso che

reagisce con la molecola di substratoreagisce con la molecola di substrato


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NUCLEOFILINUCLEOFILIAnioni:Anioni: II--, , BrBr--, Cl, Cl--, F, F--, OH, OH--, RO, RO--, RS, RS--, R, R33CC--, RCOO, RCOO--

Molecole neutre: Molecole neutre: RR33N:, RN:, R33PP:, H:, H22S, RSH, RS, RSH, R22SS

ReagenteReagente NucleofiloNucleofilo ReagenteReagente NucleofiloNucleofilo

HBrHBr BrBr-- NaNNaN33 NN33--

HClHCl ClCl-- NaCN, KCNNaCN, KCN CNCN--

HIHI II-- NHNH33 :NH:NH33

HH22OO HH22O:O: NHRNHR22 :NHR:NHR22

NaOH KOH NaOH KOH OHOH-- PBrPBr BrBr--NaOH, KOH NaOH, KOH OHOH PBrPBr33 BrBrNaOCHNaOCH33 CHCH33OO-- PhPh33PP PhPh33P:P:NaOCHNaOCH22CHCH33 CHCH33CHCH22OO-- NaSCHNaSCH33 CHCH33SS--

KOC(CHKOC(CH33))33 (CH(CH33))33OO-- NaSPhNaSPh PhSPhS--

NaOPh, KOPhNaOPh, KOPh PhOPhO-- NaSePhNaSePh PhSePhSe--

KOAcKOAc AcOAcO-- LiAlHLiAlH44 HH--11


Reazioni di sostituzione nucleofilaReazioni di sostituzione nucleofila


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La nucleofilicità dipende da:La nucleofilicità dipende da:

Una specie carica negativamente è più nucleofila della sua Una specie carica negativamente è più nucleofila della sua t t tt t t OHOH H H OOcontroparte neutracontroparte neutra OHOH-- > H> H22OO

Per un determinato tipo di atomo e carica, la nucleofilicità Per un determinato tipo di atomo e carica, la nucleofilicità è proporzionale alla basicità:è proporzionale alla basicità: EtOEtO--> OH> OH--> PhO> PhO--> CH> CH33COOCOO--

Queste scale di reattività vengono determinate Queste scale di reattività vengono determinate attraverso esperimenti competitiviattraverso esperimenti competitivi


Nucleofilicità/BasicitàNucleofilicità/Basicità

Per un determinato tipo di atomo la nucleofilicità è proporzionale alla basicità:Per un determinato tipo di atomo la nucleofilicità è proporzionale alla basicità:

RORO-->OH>OH-->PhO>PhO--> RCOO> RCOO-->> ROH>H>> ROH>H22O>>>RSOO>>>RSO33--


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Effetti sterici possono ridurre la nucleofilicità:Effetti sterici possono ridurre la nucleofilicità:


Per ogni gruppo della tavola periodica la Per ogni gruppo della tavola periodica la nucleofilicitànucleofilicitàcresce al decrescere della elettronegatività cresce al decrescere della elettronegatività dell’atomodell’atomo

Sia Sia all’interno dello stesso periodo della tavola periodica:all’interno dello stesso periodo della tavola periodica:

Sia l’interno dello stesso gruppo della tavola periodica:Sia l’interno dello stesso gruppo della tavola periodica:

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Definizione dei tipo di atomi di carbonio:Definizione dei tipo di atomi di carbonio:

spsp33--spsp33

primarioprimarioprimarioprimario secondariosecondario terziarioterziario

spsp22--spsp33

primarioprimarioalcol benzilicoalcol benzilico

primarioprimariobenzil clorurobenzil cloruro

primarioprimarioallil bromuroallil bromuro

terziarioterziarioalcol allilicoalcol allilico

spsp22

fenolofenoloaril bromuroaril bromuro vinil clorurovinil cloruro Alcol vinilicoAlcol vinilico(instabile)(instabile)


Le reazioni di sostituzione nucleofila di un Le reazioni di sostituzione nucleofila di un alchil alogenuro può avvenire con due tipi di alchil alogenuro può avvenire con due tipi di

meccanismi:meccanismi:

In una la velocità di reazione dipende sia del substrato che In una la velocità di reazione dipende sia del substrato che ppdal nucleofilodal nucleofilo

Nell’altra è indipendente dalla concentrazione del nucleofiloNell’altra è indipendente dalla concentrazione del nucleofilo

Meccanismo bimolecolareMeccanismo bimolecolare

Meccanismo unimolecolareMeccanismo unimolecolare

La struttura del substrato ha un’elevata influenza sul tipo La struttura del substrato ha un’elevata influenza sul tipo di meccanismo che si osservadi meccanismo che si osserva


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Alogenuri terziari e benzilici reagiscono attraverso processi in cui la Alogenuri terziari e benzilici reagiscono attraverso processi in cui la concentrazione del nucleofilo non è rilavante.concentrazione del nucleofilo non è rilavante.

Queste reazioni si indicano Queste reazioni si indicano SSNN11SOSTITUZIONE NUCLEOFILA UNIMOLECOLARESOSTITUZIONE NUCLEOFILA UNIMOLECOLARE

Alogenuri metilici, primari e molti secondari reagiscono con nucleofili Alogenuri metilici, primari e molti secondari reagiscono con nucleofili attraverso un processo bimolecolare.attraverso un processo bimolecolare.

Queste reazioni si indicano Queste reazioni si indicano SSNN22SOSTITUZIONE NUCLEOFILA BIMOLECOLARESOSTITUZIONE NUCLEOFILA BIMOLECOLARE


Passaggi chiave:Passaggi chiave:Rottura del legame tra l’atomo di carbonio e il gruppo uscenteRottura del legame tra l’atomo di carbonio e il gruppo uscente

Formazione del legame tra il carbonio e il nucleofiloFormazione del legame tra il carbonio e il nucleofilo

passaggio lentopassaggio lento

Nel primo passaggio il LG (Nel primo passaggio il LG (BrBr--) ) dissocia insieme al doppietto dissocia insieme al doppietto elettronicoelettronico

L’atomo di carbonio rimane con sei L’atomo di carbonio rimane con sei elettroni e quindi diventa planareelettroni e quindi diventa planare

passaggio velocepassaggio veloce

Nel secondo passaggio, il nucleofilo reagisce con il Nel secondo passaggio, il nucleofilo reagisce con il carbocationecarbocatione generando un nuovo legamegenerando un nuovo legame


11

Uso di diversi nucleofili in Uso di diversi nucleofili in reazioni Sreazioni SNN11

Piridina miglior nucleofilo Piridina miglior nucleofilo della Etdella Et33NN33

Esperimento competitivo:Esperimento competitivo:Prodotto maggioritarioProdotto maggioritario

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Il processo SIl processo SNN1 è favorito da:1 è favorito da:

11 Molecole che favoriscono la formazione di Molecole che favoriscono la formazione di 1.1. Molecole che favoriscono la formazione di Molecole che favoriscono la formazione di carbocationicarbocationi

2.2. Uso di nucleofili deboli, spesso molecole neutreUso di nucleofili deboli, spesso molecole neutre

3.3. Uso di solventi polari che stabilizzano l’intermedio Uso di solventi polari che stabilizzano l’intermedio caricocarico


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Solventi polari:Solventi polari:II solventisolventi polari,polari, mediantemediante lala formazioneformazione didi legamilegami idrogeno,idrogeno,assistonoassistono l’uscital’uscita deldel gruppogruppo uscenteuscente ee stabilizzanostabilizzano lele speciespecieionicheioniche cheche sisi formanoformano ((carbocationecarbocatione ee anione)anione)

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REAZIONI REAZIONI DIDI SOLVOLISISOLVOLISIil solvente stesso è il il solvente stesso è il nucleofilo (specie neutra)nucleofilo (specie neutra)

reazione acidoreazione acido--basebase24


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Scrivere un meccanismo ragionevole per la seguente solvolisi (indicando con Scrivere un meccanismo ragionevole per la seguente solvolisi (indicando con frecce il movimento degli elettroni)frecce il movimento degli elettroni)


Esercizio. Scrivere Esercizio. Scrivere un meccanismo ragionevole per la seguente solvolisiun meccanismo ragionevole per la seguente solvolisi


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LA FORMAZIONE DEL CARBOCATIONE DIPENDE LA FORMAZIONE DEL CARBOCATIONE DIPENDE DA: 1. DA: 1. Ingombro Ingombro sterico, sterico, 2.Stabilizzazione2.Stabilizzazione per delocalizzazione o per delocalizzazione o iperconiugazioneiperconiugazione

Catione benzilicoCatione benzilico

Catione Catione allilicoallilico


Stabilizzazione per Stabilizzazione per risonanza di eteroatomirisonanza di eteroatomi

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Stabilizzazione per Stabilizzazione per risonanza di eteroatomirisonanza di eteroatomi

C’è C’è overlapoverlap tra un orbitale p dell’ossigeno tra un orbitale p dell’ossigeno e l’orbitale p del e l’orbitale p del carbocationecarbocatione

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Stabilizzazione per Stabilizzazione per iperconiugazioneiperconiugazione -- Sistemi alifaticiSistemi alifatici

Minor ingombro sterico (Minor ingombro sterico (spsp22))specie specie a più elevata energia (6 ea più elevata energia (6 e--))

Effetti induttiviEffetti induttivi


Iperconiugazione: Iperconiugazione: delocalizzazzione di elettroni delocalizzazzione di elettroni attraverso legami sigmaattraverso legami sigma


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terzterz--ButilButil carbocationecarbocationePiù un Più un carbocationecarbocatione è sostituito più è stabileè sostituito più è stabile

31


Minore Minore overlapoverlap


17

terzterz--ButilButil carbocationecarbocatione: : Scrivere Scrivere le forme di risonanzale forme di risonanza

Disporre i seguenti Disporre i seguenti carbocationicarbocationi in ordine di stabilità (dal più al meno stabile)in ordine di stabilità (dal più al meno stabile)


Passaggi chiave:Passaggi chiave:Rottura del legame tra l’atomo di carbonio e il gruppo uscenteRottura del legame tra l’atomo di carbonio e il gruppo uscente

Formazione del legame tra il carbonio e il nucleofiloFormazione del legame tra il carbonio e il nucleofilo

passaggio lentopassaggio lentopassaggio lentopassaggio lento

Nel primo passaggio il LG (BrNel primo passaggio il LG (Br--) ) dissocia insieme al doppietto dissocia insieme al doppietto elettronicoelettronico

L’atomo di carbonio rimane con sei L’atomo di carbonio rimane con sei elettroni e quindi diventa planareelettroni e quindi diventa planare

passaggio velocepassaggio veloce

Nel secondo passaggio, il nucleofilo reagisce con il Nel secondo passaggio, il nucleofilo reagisce con il carbocatione generando un nuovo legamecarbocatione generando un nuovo legame


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Postulato di HammondPostulato di Hammond

La struttura dello stato di transizione è simile alla La struttura dello stato di transizione è simile alla specie (reagente o prodotto) più vicina in energiaspecie (reagente o prodotto) più vicina in energia

Processo esotermicoProcesso esotermico Processo endotermicoProcesso endotermico



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Quali di questi Quali di questi bromoalcanibromoalcani vi aspettate reagisca via Svi aspettate reagisca via SNN1 più velocemente?1 più velocemente?


Reattività dei carbocationiReattività dei carbocationi

1. Sostituzione1. Sostituzione

2. Eliminazione2. Eliminazione

3. Addizione3. Addizione

4. Riarrangiamento4. Riarrangiamento


21

Riarrangiamenti di WagnerRiarrangiamenti di Wagner--MeerweinMeerwein



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Decorso stereochimico di una reazione SDecorso stereochimico di una reazione SNN11Produzione di prodotti racemi a partire da reagenti enantiopuriProduzione di prodotti racemi a partire da reagenti enantiopuri

Br

Me Ph

Et NaI

I

Me Ph

EtMe Ph

Et+ (RS)Ph Ph I



23

Decorso stereochimico di una reazione SDecorso stereochimico di una reazione SNN11Produzione di prodotti parzialmente racemizzati a partire da reagenti enantiopuriProduzione di prodotti parzialmente racemizzati a partire da reagenti enantiopuri

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Effetto solvente nelle SEffetto solvente nelle SNN11


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Energia libera di eterolisi di un agente alchilanteEnergia libera di eterolisi di un agente alchilante


Ciclo termodinamico per calcolare l’energia libera Ciclo termodinamico per calcolare l’energia libera per l’eterolisi di alchil bromuri in soluzioneper l’eterolisi di alchil bromuri in soluzione

Reazioni veloci in solventi polariReazioni veloci in solventi polari

482009 - G. Licini, Università di Padova. La riproduzione a fini

commerciali è vietata

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Solventi polari aproticiSolventi polari aproticiSolventi polari aproticiSolventi polari aprotici

N N

O

OCH3

O

DimetilsolfossidoDimetilsolfossido(DMSO)(DMSO)

DimetilformammideDimetilformammide(DMF)(DMF)

TetraidrofuranoTetraidrofurano(THF)(THF)

DietiletereDietiletere(etere)(etere)

N N

NM2

N,N’N,N’--dimetilpropilenureadimetilpropilenurea(DMPU)(DMPU)

H3CS

CH3

O

H NCH3

CH3

O

H3C O CH3

DimetossietanoDimetossietano(DME)(DME)AcetoneAcetone AcetonitrileAcetonitrile

O P2

NMe2

NMe2

EsametilforsforotriamideEsametilforsforotriamide(HMPA)(HMPA)

H3C CH3 H3CO

OCH3H3C C N


Che prodotti si formano?Che prodotti si formano?


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