La sostituzione nucleofila Sn è una delle reazioni più largamente usate nella sintesi organica nelle interconversioni funzionali di molecole organiche.
Essa consiste nell’attacco, da parte di un agente nucleofilo, ovvero sovrabbondate di elettroni, e nell’eliminazione di un gruppo uscente.
Meccanismi
Le reazioni di sostituzione nucleofila possono avvenire in due modi:
1) SN1 in cui in un primo stadio lento si rompe il legame tra il carbonio e il gruppo uscente con formazione di un carbocatione. Nel secondo stadio veloce il carbocatione si combina con il gruppo entrante costituito da uno ione negativo per dare il prodotto di reazione
2) SN2 processo costituito da un unico stadio in cui il nucleofilo entrante attacca da tergo il carbonio recante il gruppo uscente con formazione di un intermedio in cui sia il nucleofilo entrante che il gruppo uscente sono parzialmente legati al carbonio su cui avviene la sostituzione. Successivamente il gruppo uscente con il suo doppietto elettronico si allontana e viene sostituito dal gruppo entrante.
Le reazioni di sostituzione nucleofila, sia che avvengano via SN1 che via SN2, possono essere così schematizzate :
R-X + Nu:–→ R-Nu + X :–
Tabella
Si riportano, di seguito, in tabella gli agenti nucleofili :
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Agenti nucleofili ionici |
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| H– | Ioni idruro |
| R3C– | Carbanioni |
| -CC– | Ione acetiluro |
| CN– | Ione cianuro |
| HO–, RO–, AcO–, HO-O– | Ioni ossigenati |
| HS– ,RS–,AcS–, HSO3– | Ioni solforati |
| F–, Cl–, Br–, I– | Ioni alogenuro |
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Agenti nucleofili ( molecole neutre) |
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| R2C=C-N-R2 | enammine |
| H3P , R3P , (RO)3P | Derivati fosforati |
| R3P=CR2 | fosforani |
| H2O, ROH, R2O | Derivati ossigenati |
| H2S, RSH, R2S | Derivati solforati |
| NH3, RNH2, R2NH, R3N, NH2OH | Derivati azotati |
Si riportano in tabella i gruppi uscenti :
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Gruppi uscenti |
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| F–, Cl–, Br–, I– | Ioni alogenuro |
| H– | Ione idruro |
| NO2– | Ione nitrito |
| NR3, NHR2, NH2R | Ammine |
| HO–, AcO–, BsO– | Ioni ossigenati |
| HS–, RS–, | Ioni solforati |
| CN–, -CC–, R2C=C-O– | Carbanioni ed enolati |
Una volta osservato che la reazione di sostituzione nucleofila può seguire diversi meccanismi è opportuno rendersi conto di quali possano essere le condizioni che le favoriscono.
Condizioni
In primo luogo è importante la forza dell’agente nucleofilo e,a questo proposito, nucleofili in forma anionica sono più reattivi delle molecole neutre. Pur essendo difficile stabilire a priori il potere nucleofilo degli anioni interessati alla sostituzione si possono, tuttavia, individuare alcuni parametri importanti quali l’elettronegatività, la polarizzabilità, la basicità dell’atomo interessato.
E’ inoltre importante che il doppietto elettronico del nucleofilo non risulti stericamente ingombrato e quindi sia libero di portare l’attacco.
Un altro elemento che condiziona la sostituzione è la tendenza del gruppo uscente ad allontanarsi dal substrato : questo perché molti gruppi uscenti possono agire anche da agenti nucleofili in quanto possono ospitare il doppietto del legame carbonio- gruppo uscente.
Ne risulta che quanto più è bassa la capacità del gruppo uscente di fissarsi di nuovo con un attacco nucleofilo, tanto maggiore è la capacità che ha di allontanarsi dal substrato. Ecco perché in alcuni casi (in particolare gli alcoli) si ricorre ad un attacco elettrofilo preliminare sull’eteroatomo tramite catalisi acida : avviene così la proto nazione del gruppo –OH alcolico con l’ossigeno che si carica positivamente e, successivamente la fuoriuscita di H2O e la formazione del carbocatione.
Un altro fattore che influenza le reazioni di sostituzione è la natura del solvente.
Infatti i solventi polari solvatano gli ioni meglio dei solventi a bassa polarità e tali differenze modificano le velocità di reazione SN2. Ad esempio, un incremento di polarità del solvente abbassa la velocità di reazione dello ione OH– con il bromuro di metile: nello stato di transizione, infatti, la carica risulta maggiormente dispersa rispetto a quella dei reagenti.
Nelle sostituzioni nucleofile che avvengono via SN1,invece, un aumento della polarità del solvente provoca un’accelerazione della velocità di reazione in quanto, presentando lo stato di transizione una separazione di carica, un solvente polare stabilizza lo svilupparsi delle cariche.