Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith University

Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith University of Hawai’i Capitolo 7 Alogenuri alchilici e reazioni di sostituzione Prepared by Rabi Ann Musah State University of New York at Albany Copyright © The Mc. Graw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 1 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Introduzione agli alogenuri alchilici • Gli alogenuri alchilici sono molecole organiche contenenti un atomo di alogeno legato ad un carbonio ibridato sp 3. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 2 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Introduzione agli alogenuri alchilici • Ci sono altri tipi di alogenuri organici. Tra questi gli alogenuri vinilici, alogenuri arilici, alogenuri allilici e alogenuri benzilici. alogenuri vinilici, alogenuri arilici: Alogeno su un Csp 2 Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith alogenuri allilici e alogenuri benzilici. 3 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Nomenclatura IUPAC Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 4 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Proprietà fisiche • Sono presenti interazioni dipolo-dipolo a causa del legame polare C —X, Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 5 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Proprietà fisiche Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 6 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Proprietà chimiche. Il legame polare carbonio-alogeno • L’atomo elettronegativo di alogeno crea un legame C—X polare, rendendo elettron-povero l’atomo di carbonio. Le mappe di potenziale elettrostatico di quattro alogenuri alchilici semplici illustrano questo punto. Effetto induttivo elettronattrattore • Gli effetti induttivi sono effetti elettronici che si trasmettono attraverso i legami . In particolare, l’effetto induttivo è lo spostamento di densità elettronica attraverso legami causata dalle differenze di elettronegatività tra gli atomi. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 7 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Il legame polare carbonio-alogeno Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 8 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Nucleofilicità - basicità • La nucleofilicità e la basicità sono correlate, ma sono fondamentalmente diverse. La basicità è una misura di quanto prontamente un atomo dona la sua coppia elettronica al protone. Essa è caratterizzata dalla costante di equilibrio Ka di una reazione acido-base, che la rende una proprietà termodinamica. La nucleofilicità è invece una misura di quanto prontamente un atomo dona la sua coppia elettronica ad altri atomi. Essa è caratterizzata dalla costante di velocità k, che la rende una proprietà cinetica. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 9 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Caratteristiche generali della sostituzione nucleofila • In ogni reazione di sostituzione sono sempre presenti tre componenti. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 10 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Il nucleofilo Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 11 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Gli alogenuri alchilici e la sostituzione nucleofila Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 12 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Caratteristiche generali della sostituzione nucleofila I nucleofili • Nucleofili carichi negativamente: HO¯ , RO¯, CN¯ etc. • Nucleofili neutri senza atomi di idrogeno: NR 3 (ammine terziarie) il prodotto di sostituzione reca una carica positiva. Il prodotto di sostituzione reca una carica positiva. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 13 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile • Nucleofili neutri con atomi di H legati a un O o a un N: H 2 O, ROH (alcoli), NH 3, RNH 2, RNHR (ammine primarie e secondarie): il prodotto iniziale della sostituzione perde rapidamente un protone in una reazione acido-base di BrØnsted-Lowry, formando così un prodotto neutro. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 14 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Il gruppo uscente A parità di altre condizioni (struttura della catena R, nucleofilo, solvente), gli iodoalcani RI reagiscono più velocemente dei bromoalcani RBr e dei cloroalcani RCl. Praticamente non si conoscono reazioni di sostituzione nucleofila su fluoroalcani RF. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 15 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila In una sostituzione nucleofila: Ci possono essere due meccanismi: [1] La scissione e la formazione dei legami avvengono nello stesso tempo. In questo scenario, il meccanismo è composto di un singolo stadio. In questa reazione bimolecolare, la velocità dipende dalla concentrazione di entrambi i reagenti, cioè, la reazione è del secondo ordine. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 16 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile [2] La scissione del legame avviene prima della formazione del nuovo legame. In questo scenario, il meccanismo presenta due stadi e si forma un carbocatione come intermedio. Dal momento che il primo stadio è quello cineticamente determinante, la velocità dipende dalla concentrazione solamente di RX; cioè, l’equazione della velocità è del primo ordine. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 17 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila Considerare la reazione [1]: I dati cinetici mostrano che la velocità della reazione [1] dipende dalla concentrazione di entrambi i reagenti, e questo suggerisce una reazione bimolecolare con un meccanismo a singolo stadio. Questo è un esempio di una meccanismo SN 2 (sostituzione nucleofila bimolecolare). Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 18 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila Considerare la reazione [2]: I dati cinetici mostrano che la velocità della reazione [2] dipende dalla concentrazione del solo alogenuro alchilico. Questo suggerisce un meccanismo a due stadi, in cui lo stadio cineticamente determinante coinvolge il solo alogenuro alchilico. Questo è un esempio di un meccanismo SN 1 (sostituzione nucleofila monomolecolare). Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 19 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila Il meccanismo di una reazione SN 2 dovrebbe essere disegnato secondo l’esempio. Notare la notazione della freccia curva che è usata per mostrare lo spostamento degli elettroni. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 20 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila Figure 7. 8 An energy diagram for the SN 2 reaction: Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 21 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila—Stereochimica • Tutte le reazioni SN 2 procedono con un attacco da retro da parte del nucleofilo, che provoca un’inversione della configurazione ad un centro stereogenico. Figure 7. 9 Stereochemistry of the SN 2 reaction Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 22 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila—Stereochimica Figure 7. 10 Two examples of inversion of configuration in the SN 2 reaction Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 23 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila • Gli alogenuri metilici e 1° danno le reazioni SN 2 con facilità. • Gli alognuri 2° reagiscono più lentamente. • Gli alogenuri 3° non danno reazioni SN 2. Questo ordine di reattività può essere spiegato con effetti sterici. L’ingombro sterico causato dai voluminosi gruppi R rende più difficoltoso l’attacco nucleofilo da retro, rallentando la velocità. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 24 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila Le mappe di potenziale elettrostatico illustrano gli effetti dell’ingombro sterico attorno al carbonio che porta il gruppo uscente in una serie di alogenui alchilici. Figure 7. 11 Steric effects in the SN 2 reaction Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 25 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila • Maggiore è la Ea, più lenta è la velocità di reazione. Pertanto tutti i fattori che aumentano Ea diminuiscono la velocità di reazione. Figure 7. 12 Two energy diagrams depicting the effect of steric hindrance in SN 2 reactions Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 26 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila • Aumentare il numero di gruppi R sul carbonio recante il gruppo uscente aumenta la congestione sterica nello stato di transizione, diminuendo la velocità della reazione SN 2. • La reazione SN 2 è più veloce con alogenuri non ingombrati. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 27 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 28 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila Il meccanismo di una reazione SN 1 dovrebbe essere disegnato come nell’esempio: Notare il formalismo della freccia curva che è usato per mostrare il movimento degli elettroni. Le caratteristiche chiave del meccanismo SN 1 sono che presenta due stadi, e come intermedi reattivi si formano 29 Fondamenti di chimica organica Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl Janicecarbocationi. Gorzynski Smith

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila Figure 7. 15 An energy diagram for the SN 1 reaction: Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 30 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila—Stereochimica Per comprendere la stereochimica della reazione SN 1, dobbiamo esaminare la geometria del carbocatione intermedio. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 31 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila • La perdita del gruppo uscente nello stadio [1] genera un carbocatione planare che è achirale. Nello stadio [2], l’attacco del nucleofilo può avvenire da entrambi i lati per fornire due prodotti che sono una coppia di enantiomeri. • Dal momento che il nucleofilo non ha una direzione privilegiata di attacco, i due enantiomeri sono prodotti in ugual quantità, si forma cioè una miscela racemica. Si dice pertanto che è avvenuta una racemizzazione. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 32 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila Figure 7. 16 Two examples of racemization in the SN 1 reaction Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 33 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila • La velocità di una reazione SN 1 è influenzata dal tipo di alogenuro coinvolto. • Questo andamento è esattamente opposto a quello osservato nel meccanismo SN 2. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 34 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile I meccanismi della sostituzione nucleofila Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 35 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Stabilità dei carbocationi • L’effetto del tipo di alogenuro alchilico sulla velocità di una reazione SN 1 può essere spiegato considerando la stabilità dei carbocationi. • I carbocationi sono classificati come primari (1°), secondari (2°), o terziari (3°), a seconda del numero dei gruppi R legati all’atomo di carbonio carico positivamente. Al crescere del numero di gruppi R, la stabilità del carbocatione aumenta. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 36 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Stabilità dei carbocationi • L’ordine della stabilità dei carbocationi può essere razionalizzata attraverso gli effetti induttivi e l’iperconiugazione. • Gli effetti induttivi sono effetti elettronici che si trasmettono attraverso i legami . In particolare, l’effetto induttivo è lo spostamento di densità elettronica attraverso legami causata dalle differenze di elettronegatività tra gli atomi. • I gruppi alchilici sono gruppi elettron donatori che stabilizzano una carica positiva. Poichè un guppo alchilico ha molti legami , ciascuno contenente densità elettronica, è più polarizzabile di un atomo di idrogeno, e più capace di donare densità elettronica. • In generale, maggiore il numero di gruppi alchilici legati ad un carbonio con una carica positiva, maggiore 37 la Fondamenti di chimica organica Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl Janice Gorzynski Smith stabilità del catione.

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Stabilità dei carbocationi Figure 7. 17 Electrostatic potential maps for differerent carbocations Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 38 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Stabilità dei carbocationi • L’ordine della stabilità dei carbocationi dipende anche dall’iperconiugazione. • L’iperconiugazione è la dispersione della carica attraverso la sovrapposizione di un orbitale p vuoto con un legame adiacente. Questa sovrapposizione (iperconiugazione) delocalizza la carica positiva del carbocatione, disperdendola su un volume maggiore, e questo stabilizza il carbocatione. • Esempio: il CH 3+ non può essere stabilizzato per iperconiugazione, mentre il (CH 3)2 CH+ sì. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 39 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Predire il possibile sostituzione. meccanismo di una reazione di • Quattro fattori sono importanti nel predire se una data reazione possa procedere attraverso un meccanismo SN 1 o SN 2 — Il più importante è la natura dell’alogenuro alchilico. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 40 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Predire il possibile sostituzione. meccanismo di una reazione di • La natura del nucleofilo è un altro fattore, oltre alla struttura di R. A parità di R, ad esempio scegliendo un RCl secondario, si ha che: • Nucleofili forti (che di solito portano una carica negativa) presenti in alte concentrazioni favoriscono le reazioni SN 2. • Nucleofili deboli, come H 2 O e ROH favoriscono le reazioni SN 1 diminuendo la velocità di ogni reazione competitiva SN 2. • Confrontiamo i prodotti di sostituzione formati quando un alogenuro 2° A è trattato con il nucleofilo forte HO¯ o con il nucleofilo debole H 2 O. Poichè l’alogenuro 2° può reagire con entrambi i meccanismi, è la forza del nucleofilo a determinare quale meccanismo avrà luogo. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 41 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Predire il possibile sostituzione. meccanismo di una reazione di • Il nucleofilo forte favorisce il meccanismo SN 2. • Il nucleofilo debole favorisce il meccanismo SN 1. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 42 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Scala di nucleofilicità • La nucleofilicità è parallela alla basicità in tre casi: 1. Per due nucleofili con lo stesso atomo nucleofilo, più forte è la base più forte è il nucleofilo. La nucleofilicità relativa di HO¯ e CH 3 COO¯, due nucleofili ossigenati, si può determinare paragonando i valori di p. Ka dei loro acidi coniugati (H 2 O = 15. 7, e CH 3 COOH = 4. 8). HO¯ è una base più forte e un nucleofilo migliore rispetto a CH 3 COO¯. 2. Un nucleofilo carico negativamente è sempre più forte del suo acido coniugato. HO¯ è una base più forte e nucleofilo migliore rispetto ad H 2 O. 3. Muovendosi da destra a sinistra lungo una riga della tavola periodica, la nucleofilicità aumenta parallelamente all’aumentare della basicità: Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 43 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Scala di nucleofilicità Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 44 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Il nucleofilo • La nucleofilicità non è correlata alla basicità quando l’ingombro sterico diventa importante. • L’ingombro sterico causa una diminuzione della reattività per la presenza di gruppi voluminosi attorno al centro di reazione. • L’ingombro sterico diminuisce la nucleofilicità ma non la basicità. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 45 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Predire il possibile sostituzione. meccanismo di una reazione di • Un miglior gruppo uscente fa aumentare la velocità sia della reazione SN 1 sia di quella SN 2. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 46 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Predire il possibile meccanismo di una reazione di sostituzione. • La natura del solvente è il quarto fattore. • I solventi polari protici come H 2 O e ROH favoriscono le reazioni SN 1 poichè gli intermedi ionici (sia cationi che anioni) sono stabilizzati per solvatazione. • I solventi polari aprotici favoriscono le reazioni SN 2 poichè i nucleofili non sono ben solvatati, e di conseguenza, sono più nucleofili. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 47 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Il nucleofilo • Se si usa il sale Na. Br come fonte del nucleofilo Br¯ in H 2 O, il catione Na+ è solvatato dalle interazioni ione-dipolo con le molecole di H 2 O, mentre gli ioni Br¯ sono solvatati dalle forti interazioni del legame idrogeno. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 48 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Il nucleofilo • Anche i solventi polari aprotici mostrano interazioni dipolo —dipolo, ma, non avendo legami O—H o N—H essi non sono in grado di formare legami idrogeno. Figure 7. 7 Examples of polar aprotic solvents Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 49 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Il nucleofilo • I solventi polari aprotici solvatano i cationi attraverso interazioni ione—dipolo. • Gli anioni non sono ben solvatati perchè il solvente non può legarli con legame ad idrogeno. Questi anioni sono detti anioni “nudi”. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 50 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Predire il possibile meccanismo di una reazione di sostituzione. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 51 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Alogenuri alchilici e sostituzioni nucleofile Alogenuri vinilici e alogenuri arilici. • Gli alogenuri vinilici ed arilici non subiscono le reazioni SN 1 o SN 2, perchè l’eterolisi del legame C—X formerebbe un catione vinilico o arilico altamente instabile. Figure 7. 22 Vinyl halides and nucleophilic substitution mechanisms Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 52 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl