Sostituzione Nucleofila (SN) all'atomo di Carbonio saturo e reazione di beta - Eliminazione (E) a confronto

La SN è un tipo di reazione che riguarda solo ed esclusivamente l'atomo di Carbonio saturo, cioè ibridizzato sp3 e che forma 4 legami covalenti singoli con altrettanti atomi o gruppi di atomi, uguali o diversi tra loro. Quindi sono esclusi i C aromatici e vinilici (cioè gli atomi di C ibridizzati sp2, che formano legami più corti e più forti rispetto al Csp3, in quanto l'oribtale ibridizzato sp2 ha una % di carattere "s" maggiore rispetto all'orbitale ibridizzato sp3).

Tale atomo di Carbonio deve essere impoverito di elettroni, cioè deve essere un sito elettrofilo, e quindi deve essere legato ad un atomo molto elettronegativo; ma ciò non basta! Tale atomo molto elettronegativo deve a sua volta essere o fare parte di un gruppo di atomi che possa "uscire", distaccarsi dal resto della molecola formando una specie chimica stabile (essere cioè un "buon gruppo uscente").

Buoni gruppi uscenti sono gli alogeni (I, Br e Cl) che escono come ioni alogenuro (I-, Br- e Cl-, basi debolissime), ma non il fluoro che uscirebbe come ione fluoruro (F^-) che è una base debole ma cmq più forte degli altri ioni alogenuro; l'ossidrile protonato (quindi in ambiente acido) che esce come molecola di acqua, ma non l'ossidrile che uscirebbe come ione idrossile (OH-, base forte...per lo stesso motivo non può essere sostituito un atomo di idrogeno che uscirebbe come ione idruro H^-); lo ione diazonio che esce come molecola di azoto N₂; i tosili e i mesili, che escono come tosilati e mesilati stabili per risonanza; ...

La SN può avvenire con due diversi meccanismi a seconda della natura del substrato e delle condizioni di reazione:

SN₂ = meccanismo concertato - bimolecolare  => 2° ordine cinetico =>  velocità dipendente dalla concentrazione del substrato e del nucleofilo (entrambi presenti nello stato di transizione dello stadio lento della reazione); il decorso stereochimico prevede inversione di configurazione se il C coinvolto è chirale. Le caratteristiche da tener prensenti sono:

a) lo stato di transizione è meno polare rispetto ai reagenti quindi è favorito da solventi polari aprotici

b) lo stato di transizione vede il C pentacoordinato, quindi è favorito a partire da un substrato stericamente poco ingombrato (un C metilico o primario o, al massimo, secondario)

c) il nucleofilo attacca il C elettrofilo prima che si rompa il legame col gruppo uscente, quindi ha una certa urgenza di reagire, ossia è un nucleofilo forte (in genere, carico negativamente)

SN₁ = meccanismo a due stadi - monomolecolare  => 1° ordine cinetico => velocità dipendente solo dalla concentrazione del substrato (nello stato di transizione dello stadio lento della reazione è presente solo il tione-substrato); il decorso stereochimico prevede racemizzazione se il C coinvolto è chirale. Le caratteristiche da tener prensenti sono:

a) l'intermedio di rezione è un carbocatione (+ il gruppo uscente, negativo) per cui è più polare rispetto ai reagenti quindi è favorito da solventi polari protici

b) l'intermedio di rezione è un carbocatione, quindi è favorito a partire da un substrato stericamente ingombrato di modo che il C positivo venga stabilizzato dall'effetto induttivo e iperconiugativo delle catene alchiliche a cui è legato (un C terziario o, al massimo, secondario)

c) il nucleofilo attacca il C elettrofilo dopo che si è spezzato il legame col gruppo uscente, quindi non ha fretta  di reagire, ossia è un nucleofilo debole (in genere, neutro)

Inoltre la SN è competitiva con la reazione di beta - eliminazione (E) in quanto molto spesso i reagenti nucleofili sono anche delle basi forti!

Anche la E può avvenire con due diversi meccanismi a seconda della natura del substrato e delle condizioni di reazione:

E₂ = meccanismo concertato - bimolecolare  => 2° ordine cinetico =>  velocità dipendente dalla concentrazione del substrato e della base (entrambi presenti nello stato di transizione dello stadio lento della reazione); il decorso stereochimico prevede che la base strappi un atomo di H in posizione beta e in ANTI-pleriplanare (dalla parte opposta e sullo stesso piano) rispetto al gruppo uscente.

E₁ = meccanismo a due stadi - monomolecolare  => 1° ordine cinetico => velocità dipendente solo dalla concentrazione del substrato (nello stato di transizione dello stadio lento della reazione è presente solo il carbocatione-substrato, lo stesso della SN₁!!!)

Ripercorriamo le condizioni dei 4 meccanismi SN₁, SN₂, E₁, E₂:

SN₁:

‒        substrato: 3° (anche allilicoe benzilico), 2° (anche allilico e benzilico), 1° solo se allilico o benzilico!

‒        solvente: polare protico (es. alcool, acido)

‒        nucleofilo: debole (neutro)

E₁:

‒        substrato: 3° (anche allilicoe benzilico), 2° (anche allilico e benzilico), 1° solo se allilico o benzilico!

‒        solvente: polare protico (es. alcool, acido)

‒        base: debole (neutra)

NB: sono le stesse condizioni!

SN₂:

‒        substrato: 2° (anche allilico e benzilico), 1° (anche allilico e benzilico), metilico

‒        solvente: polare aprotico (es. acetone, DMS dimetilsolfossido, DMF dimetilformammide)

‒        nucleofilo: forte (carico)

E₂:

‒        substrato: 3° (anche allilico e benzilico), 2° (anche allilico e benzilico) e 1°

‒        solvente: polare protico (alcool o acqua)

‒        base: forte (carico)

Quindi:

‒        i substrati 3° possono dare SN₁/E₁ oppure E₂ a seconda delle condizioni;

‒        i substrai 2° possono dare SN₁/E₁ oppure SN₂ oppure E₂ a seconda delle condizioni;

‒        i substrari 1° possono dare SN₂ oppure E₂ a seconda delle condizioni;

‒        i substrati metilici, solo SN₂.

NB:

*sono nucleofili forti, ma NON basi forti tutti gli alogenuri e i solfuri ( => solo SN₂ se il substrato lo permette)

*sono nucleofili e basi forti, gli alcossidi e lo ione ossidrile (il carattere bascio è esaltato dal solvente protico => E₂; se il solvente è aprotico => SN₂, se il substrato lo permette)

*ma se lo ione alcossido è stericamente ingombrato, come ad es. il terz-butossido di potassio ^tBuOK, esso NON agisce come nucleofilo, ma solo come base!

        *Zaitsev: si forma l'alchene più sostituito;

          Anti- Zaitsev: si forma l'alchene meno sostituito.

La SN₁ e la E₁ sono SEMPRE competitive, infatti le condizioni che favoriscono l'una, favoriscono anche l'altra:

1) un substrato 3° o cmq in grado di formare un carbocatione stabile

2) un solvente polare e protico che stabilizza il carbocatione intermedio

3) un nucleofilo/base debole, quindi non carico, spesso è lo stesso solvente

Questo è uno dei motivi per cui nelle sintesi si cerca di evitare la SN₁ e, se possibile, si preferisce un meccanismo SN₂ (altro motivo è il fatto che la SN₁ determina racemizzazione e inoltre il carbocatione intermedeio ha come ulteriore via per stabilizzarsi, la trasposizione, che modifica radicalmente la catena carboniosa!!!).

Si può cmq favorire una SN₁ rispetto ad una E₁ agendo sui seguenti paramentri:

a) utilizzare una specie che sia nucleofila ma non basica!

b) il nucleofilo/base non deve essere troppo ingombrato stericamente

Si può  favorire una E₁ rispetto ad una SN₁ agendo sui seguenti paramentri:

a) lavorare a caldo! le alte temeperature facilitano la formazione di molecole "più piccole,  come gli alcheni che, rispetto ai prodotti di sostituzione, sono meno ingombrati.

b) il nucleofilo/base deve essere stericamente ingombrato, in modo che la sua entrata sul carbocatione come nucleofilo, sia sfavorita.