Sostituzione nucleofila: meccanismi

La sostituzione nucleofila ha luogo con la rottura del legame preesistente tra carbonio e gruppo uscente e la formazione di un legame tra carbonio e gruppo entrante.

Meccanismi

Un possibile meccanismo denominato SN₁  è il seguente :

R-X → R⁺ + X^– (stadio lento)

Nu : + R⁺→ NuR (stadio veloce)

Il primo stadio, che determina la velocità della reazione, consiste nella rottura del legame con il gruppo uscente, con formazione di un carbocatione.

In un secondo stadio il carbocatione, ad alta energia, è attaccato da un nucleofilo per formare un nuovo legame.

In molte reazioni di questo tipo il nucleofilo è in realtà una molecola di solvente ad esempio H₂O, ROH, RCOOH, nel qual caso la reazione di sostituzione viene detta solvolisi.

La velocità di queste reazioni di ionizzazione dipende dalla stabilità degli ioni che si formano come pure dal potere ionizzante del solvente, che deve stabilizzare per solvatazione gli ioni formatisi.

Una conseguenza di questa ionizzazione preliminare è che solo la concentrazione del substrato che ionizza influenzerà la velocità della reazione. Quindi la velocità sarà indipendente dalla concentrazione del nucleofilo.

La legge cinetica del primo ordine trovata sperimentalmente : v = k [RX] è consistente con un meccanismo via carbocationica perché lo stadio che determina la velocità è il primo che non comporta il nucleofilo.

Il nome che è stato dato a questo meccanismo a due stadi è S_n1 che significa sostituzione nucleofilica monomolecolare.

Stereochimica delle reazioni SN1

Supponiamo di trovarci in presenza di un composto otticamente attivo ovvero che presenta un atomo di carbonio asimmetrico cui è legato il gruppo uscente. La fuoriuscita del gruppo uscente , porta alla formazione di un carbocatione ibridato sp².

Se lo ione formatosi è abbastanza stabile esso avrà il tempo sufficiente per diventare simmetricamente solvatato, prima che si formi il nuovo legame con il nucleofilo. Ciò produce una racemizzazione ovvero la formazione di due prodotti di reazione, uno (S) e uno ( R) in quanto il nucleofilo avrà la stessa probabilità di attacco da ambo le parti.

In molti casi, tuttavia, il solvente forma un legame dal lato opposto al gruppo uscente prima che abbia luogo la solvatazione simmetrica e in tal caso il nucleofilo attacca preferenzialmente dalla parte opposta rispetto a quella in cui se ne sta andando il gruppo uscente con conseguente inversione di configurazione : se il reagente era di tipo (S) il prodotto sarà di tipo ( R) e viceversa.

Ciò implica che se il carbocatione che si forma non è molto stabile si ha un’alta percentuale di inversione.

Nel caso di alogenuri alchilici che subiscono una reazione di sostituzione sulla base delle energie di legame, che sono di seguito riportate. L’ordine di reattività è

RI › RBr › RCl › RF

Dall’analisi delle energie di legame si rileva che il legame carbonio – alogeno che richiede una minore energia per essere spezzato è quella tra il carbonio e lo iodio che pertanto sarà il più reattivo.

Inoltre gli alogenuri allilici e benzilici reagiscono più velocemente di quanto non facciano gli alogenuri terziari in quanto il carbocatione che si forma è stabilizzato per risonanza.

Le reazioni che procedono via SN1 danno frequentemente trasposizione. Infatti se un carbocatione può essere trasformato, per migrazione di un gruppo alchilico o arilico da un atomo di carbonio adiacente, in un carbocatione più stabile, la trasposizione avrà luogo inevitabilmente.

Molte reazioni di sostituzione nucleofila dette SN₂ hanno mostrato di essere globalmente del secondo ordine : del primo ordine rispetto al reagente e del primo ordine rispetto al nucleofilo:

v = k [RX][Z^–]

le reazioni che mostrano questo secondo ordine globale vengono indicate con il simbolo S_n2 in cui S sta per sostituzione, n sta per nucleofila e 2 sta per bimolecolare.

Alcuni esempi sono i seguenti:

1)       CH₃Cl + I^– → CH₃I + Cl^– in cui la velocità v vale :

v = k [CH₃Cl][I^–]

2)     CH₃CH₂Br + OH^– → CH₃CH₂OH + Br^– in cui la velocità v vale :

v = k [CH₃CH₂Br][OH^–]

La reazione di sostituzione nucleofilica bimolecolare è sempre accompagnata da inversione di configurazione all’atomo di carbonio originariamente legato al gruppo uscente, fenomeno che può essere evidenziato se l’atomo di carbonio è asimmetrico e se la reazione è condotta su uno degli enantiomeri possibili.

Ad esempio il 2 (S) clorobutano , reagendo con OH^– dà, come prodotto di reazione il 2 ( R) butanolo.

I risultati stereochimici sono visualizzati, a livello molecolare come un avvicinamento del nucleofilo, con in testa il suo orbitale contenente la coppia elettronica, in linea con l’asse dell’orbitale che porta il gruppo uscente e dal di dietro.

Man mano che il nucleofilo si avvicina, il gruppo uscente comincia a essere spinto via e l’atomo di carbonio centrale incontra il nucleofilo entrante.

Nello stato di transizione il nucleofilo e il gruppo uscente hanno un parziale legame con il carbonio centrale.

Tali reazioni sono influenzate dall’impedimento sterico attorno al centro di reazione in quanto il nucleofilo deve farsi strada tra i tre sostituenti per poter effettuare con successo lo spostamento.

Pertanto, per substrati saturi, vale nella reazione SN2 il seguente ordine di reattività :

CH₃› primario› secondario› neopentile, terziario

In sintesi

In sintesi le caratteristiche dei due meccanismi possono essere così sintetizzate :