L’ idratazione degli alcheni condotta in ambiente acido porta alla formazione di un alcol e, nel caso di alcheni asimmetrici, è rispettata la regola di Markovnikov.
Quando si fa reagire un alchene con acqua non avviene alcuna reazione a causa della mancanza di un agente elettrofilo che possa fungere da precursore della reazione. Infatti i legami O-H presenti nell’acqua sono troppo forti da permettere a un idrogeno di agire come specie elettrofila in questa reazione.
CH3CH=CH2 + H2O → nessuna reazione
Quando è aggiunto un acido come H2SO4 o HCl alla soluzione, lo ione H+ derivante dalla dissociazione dell’acido agisce da elettrofilo. L’addizione dell’acqua ad un alchene è detta idratazione per cui si può dire che un alchene è idratato in presenza di acqua in soluzione acida.
CH3CH=CH2 + H2O + H+ → CH3CH (OH) CH3 + H+
Meccanismo di reazione
Il primo stadio della reazione (lento) è lo stesso di quello previsto per l’addizione di un acido alogenidrico ad un alchene. L’elettrofilo H+ si somma al carbonio ibridato sp2 dell’alchene sfruttando gli elettroni π per dar luogo alla formazione di un carbocatione intermedio planare ibridato sp2.
Nel caso del propene i due carbocationi che, in linea teorica possono formarsi, sono due. Tuttavia ricordando l’ordine di stabilità relativa dei carbocationi, si formerà il carbocatione secondario più stabile del primario.
Il secondo stadio della reazione (veloce) prevede la reazione del carbocatione con il doppietto elettronico solitario presente sull’ossigeno della molecola di acqua che si comporta da base di Lewis. L’ossigeno legatosi al carbocatione, caricato positivamente, espelle un idrogeno sotto forma di ione H+ con relativa formazione di un alcol.
E’ da tener presente che la reazione del carbocatione con un nucleofilo è così veloce che il carbocatione si combina con il primo nucleofilo con il quale esso collide. Nella reazione di idratazione degli alcheni sono presenti in soluzione due nucleofili: l’acqua e il controione dell’acido, ad esempio Cl– .
Lo ione OH–, infatti, stante l’ambiente fortemente acido non ha una concentrazione apprezzabile. Ad esempio se il pH della soluzione è pari a 4 ciò implica che la concentrazione dello ione OH– è di 10-10 M mentre la concentrazione dell’acqua in soluzioni diluite è 55.5 M. Tuttavia dato che la concentrazione dell’acqua è molto maggiore rispetto alla concentrazione del controione dell’acido, il carbocatione ha molte più probabilità di collidere con una molecola di acqua.
Diagramma energetico
Il diagramma energetico della reazione è mostrato in figura:
E’ da notare che lo ione H+ che si addiziona nel corso del primo stadio ritorna in soluzione quando la reazione è terminata. Pertanto è una specie che non è consumata nel corso di una reazione pur accelerandone il decorso e lo ione H+ agisce da catalizzatore. La reazione con acqua degli alcheni è dunque una reazione acido-catalizzata.
