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Meccanismi SN1 e SN2 a confronto

I meccanismi SN₁ e SN₂ attengono le reazioni di sostituzione su un atomo di carbonio  in cui ha luogo la rottura di un legame fra l’ atomo e un gruppo ad esso legato. Si ha poi  la formazione di un nuovo legame fra l’atomo di carbonio stesso e un sostituente. Le rotture dei legami possono essere classificate in due categorie:

– rottura di un legame covalente con formazione di due frammenti che contengono entrambi un numero dispari di elettroni: una scissione di questo tipo viene indicata come scissione omolitica

– rottura di un legame covalente con formazione di due frammenti elettricamente carichi: una rottura di questo tipo viene chiamata eterolitica

In soluzione per effetto della costante dielettrica del mezzo avvengono prevalentemente scissioni eterolitiche. Esse sono inoltre favorite dal sostituente entrante che può presentare un’affinità per il doppietto elettronico libero.

Un reagente che può accettare elettroni è stato definito da Ingold elettrofilo; se viceversa ha tendenza a cedere elettroni è detto nucleofilo.

Le reazioni di sostituzione che procedono con un attacco nucleofilo o elettrofilo vengono indicate rispettivamente con i simboli S_N e S_E.

Il meccanismo di sostituzione elettrofila avviene prevalentemente su atomi di carbonio aromatici. Quello di sostituzione nucleofila avviene prevalentemente su atomi di carbonio saturi. Quest’ultimo meccanismo fu studiato da Ingold e Hughes. Gli studi di Ingold presero l’avvio con l’analisi della velocità della reazione di idrolisi del bromuro di metile e dei bromuri da esso derivati per sostituzione di gruppi metilici in posizione α.

Tabella delle velocità di idrolisi di bromuri alchilici

Bromuro	Costante di velocità per la reazione del I ordine k1 ∙ 105 s -1	Costante di velocità per la reazione del II ordine k1 ∙ 105( s -1)(g mol-1)
CH3Br	0.349	2140
CH3CH2Br	0.139	171
(CH3)2CHBr	0.237	4.75
(CH3)3CBr	1010

Dai valori delle costanti di velocità  si ha che l’idrolisi del bromuro di metile risulta  una reazione del secondo ordine. Essa è funzione della concentrazione dell’alogeno-paraffina e dello ione ossidrile. Parallelamente si svolge una reazione del primo ordine, trascurabile a tutti gli effetti.

La velocità globale di idrolisi diminuisce all’aumentare della sostituzione in α con uno o due gruppi metilici, raggiungendo un minimo con l’isopropilbromuro  (CH₃)₂CHBr ove sono presenti, in modo significativo entrambe le reazioni del primo e del secondo ordine, indi aumenta consistentemente con l’introduzione del terzo gruppo metilico in (CH₃)₃CBr e la velocità di reazione, che avviene secondo il primo ordine, è indipendente dalla concentrazione del gruppo ossidrile.

Nel sistema hanno luogo parallelamente due reazioni, una con un meccanismo monomolecolare SN₁ e una con meccanismo bimolecolare SN₂.

Si può pensare che la reazione bimolecolare avvenga in un unico stadio: all’avvicinarsi dell’ossidrile ha luogo un allungamento del legame C-Br con formazione di uno stato di transizione intermedio in cui cinque gruppi o atomi sono legati a un atomo di carbonio. Il complesso formatosi si scinde successivamente con allontanamento dello ione Br^–:

Le reazioni con meccanismo monomolecolare devono avvenire necessariamente con un meccanismo a stadi in cui quello più lento è descritto da una reazione del primo ordine. E’ ragionevole supporre che lo stadio lento sia la rottura eterolitica del legame C-Br. Lo ione carbonio formatosi è instabile e reagisce con uno ione ossidrile o con una molecola di acqua con formazione di un legame C-OH.

SN₁ 

R₃C-Br → R₃C⁺ + Br^–  lenta

R₃C⁺ + OH^– → R₃C-OH  veloce

La possibilità di formazione di un carbocatione è collegata al tipo di sostituente presente sul carbonio e alla natura dell’atomo sostituito. Data l’elevata energia richiesta per la formazione di un carbocatione si deve, inoltre, supporre che gli ioni formatisi siano solvatati. Inoltre  l’energia di solvatazione compensa in parte l’energia di rottura del legame. Quindi  l’energia richiesta per  il processo è bassa.

Se i sostituenti presenti manifestano la tendenza a cedere elettroni all’atomo di carbonio ne consegue che tanto maggiore risulterà la carica negativa sull’atomo di carbonio quanto più il gruppo sostituito verrà respinto da tale carica e tenderà quindi a distaccarsi dalla molecola (effetto induttivo).

In tali reazioni la presenza di gruppi metilici al posto di atomi di idrogeno porta a un addensamento della carica negativa sull’atomo di carbonio essendo l’elettronegatività del carbonio maggiore di quella dell’idrogeno. All’aumentare dei gruppi metilici presenti aumenta la densità di carica negativa sull’atomo di carbonio e quindi è agevolata la dissociazione dello ione alogeno.

Conseguentemente passando dal bromuro di metile al bromuro di isobutile  aumenta la velocità di sostituzione SN₁ e diminuisce quella SN₂ stante la maggiore stabilità dei carbocationi che si formano nello stadio lento della reazione.

Si ricordi che la stabilità relativa dei carbocationi è la seguente: terziario > secondario > primario e quindi, nella fattispecie:

R₃C⁺  > R₂CH⁺  > RCH₂⁺

SN₂

Il meccanismo SN₂ è sfavorito da un punto di vista sterico quando attorno all’atomo di carbonio esiste un addensamento di gruppi tali da costituire uno schermo protettivo nei confronti di gruppi entranti ( ingombro sterico).

Al contrario gruppi elettronaccettori come, ad esempio, i gruppi acetilici CH₃-CO- inibiscono i meccanismi di tipo SN₁ favorendo indirettamente un meccanismo di tipo SN₂.

Se il  gruppo uscente è fortemente elettronegativo è favorito un meccanismo di tipo ionico. Ad esempio la reazione di sostituzione del gruppo solfonio, elettronattrattore, con lo ione bromo, è del primo ordine. Invece la reazione di sostituzione del cloro risulta di secondo ordine:

SN₁:  C₂H₅S⁺(C₂H₅)₂ + Br^– → C₂H₅Br + S(C₂H₅)₂

SN₂ :  C₂H₅Cl + Br^– → C₂H₅Br + Cl^–

Il gruppo entrante non ha alcuna influenza sulla velocità di reazione del meccanismo di tipo SN₁ perché non condiziona in alcun modo la formazione del carbocatione.

Viceversa la nucleofilicità del gruppo entrante può influenzare la velocità della reazione bimolecolare: quanto minore è l’affinità elettronica del sostituente entrante tanto maggiore è il suo potere nucleofilo e la tendenza a formare un complesso attivato.

Ruolo del solvente

Il solvente riveste un ruolo importante nei meccanismi

SN₁ e SN₂ : un solvente polare ha forte tendenza a favorire la formazione di cariche e a contrastare la loro sparizione. Una reazione che avviene con un meccanismo SN₁ deve passare attraverso uno stato di transizione in cui si ha formazione di due ioni e pertanto la reazione sarà favorita da quei solventi che hanno elevato potere ionizzante.

Le reazioni che avvengono con meccanismo SN₂ sono inibite da solventi polari che per loro natura tendono ad opporsi alla dispersione di carica che avviene all’atto di formazione del complesso attivato.

Quanto maggiore è il potere ionizzante (polarità) del solvente tanto più si opporrà a una ridistribuzione di carica favorendo indirettamente un meccanismo di tipo SN₁ .

I due meccanismi, oltre ad avere due diversi valori della velocità di reazione, possono portare a prodotti di reazione diversi nel senso che con un meccanismo SN₂ può aver luogo un’inversione di configurazione quando il carbonio legato al gruppo uscente è asimmetrico.

Inversione di configurazione

L’inversione di configurazione ha importanza pratica specie per la preparazione di sostanze farmaceutiche quando solo una delle configurazioni dell’atomo di carbonio risulta biologicamente attiva. Si consideri lo stato di transizione quando si verifica una reazione di sostituzione con meccanismo SN₂.

Esso può essere rappresentato da una struttura in cui i tre sostituenti del carbonio giacciono sullo stesso piano. Poiché il gruppo entrante entra in posizione opposta a quella del gruppo uscente il prodotto di reazione presenterà una configurazione dell’atomo di carbonio inversa rispetto a quella di partenza.

Nel caso di reazioni con meccanismo di tipo SN₁ lo stato di transizione è costituito dal carbocatione che ha una struttura planare e il sostituente può entrare in una delle posizioni possibili sopra o sotto il piano: se non esistono impedimenti sterici la probabilità delle due posizioni è la stessa e si ha come prodotto finale un racemo ( ovvero una miscela 1:1 dei due opposti enantiomeri di un composto chirale caratterizzato dal fatto che, pur essendo costituito da enantiomeri non devia il piano della piano della luce polarizzata in quanto i contributi dei due opposti enantiomeri si annullano reciprocamente.