Con il termine di sostituzione nucleofila
alifatica si intende quel processo in cui un gruppo nucleofilo, che può essere
carico o neutro, attacca un substrato che contiene un gruppo uscente, di fatto
sostituendolo.
Le reazioni di sostituzione ad un C saturo
possono essere introdotte a partire da quelle di eliminazione, come già visto
nel post “Reazioni di eliminazione e addizione”; infatti, mentre le prime
vedono un attacco del nucleofilo al C, le seconde vedono un attacco del
nucleofilo al H. Questo dualismo è possibile per il fatto che spesso, ma non
sempre, nucleofilia e basicità vanno di pari passo: esistono però basi non
nucleofile (LDA) e nucleofili non basici (I-).
Le reazioni di sostituzione nucleofila
alifatica possono essere spiegate sulla base dei seguenti punti:
- Meccanismo di reazione;
- Natura del nucleofilo;
- Natura del substrato;
- Natura del gruppo uscente
- Natura del solvente.
Meccanismo
Le reazioni SN possono essere classificate sulla base del loro meccanismo in SN1 e SN2. Il primo è un meccanismo del primo ordine, la cui cinetica v=k[substrato] dipende solo dal reagente e non dal tipo o concentrazione del nucleofilo. In questo meccanismi vi sono due processi tandem: il primo, lento, che vede il distacco del gruppo uscente (LG) e il secondo rapido che vede l’attacco del nucleofilo. La specie intermedia tra questi due processi è il carbocatione: pertanto il meccanismo è tanto più probabile quanto più stabile è il carbocatione che si forma. Derivati allilici, benzilici, terbutilici tendono a sostituire secondo questo meccanismo.
Il meccanismo SN2,
invece, non ha intermedi, ma un solo stato di transizione: tutti i legami si
formano allo stesso momento, pertanto si tratta di un meccanismo concertato, la
cui cinetica v=k[Nu][substrato] dipende sia dalla forza del Nucleofilo sia dalla
sua concentrazione al pari di quelle del substrato.
Winstein
cercò di introdurre l’idea che SN1 e SN2 fossero i due
estremi dei meccanismi si sostituzione nucleofila ad un C saturo, suggerendo
che la rottura del legame C-LG avvenisse in diversi step:
i) Stato iniziale: reagente
ii) Coppia ionica intima, tenuta insieme dal
solvente
iii) Coppia ionica separata: ogni ione
solvatato dal solvente, ma gli ioni sono ancora legati da forze elettrostatiche
iv) Ioni liberi: rottura totale del legame.
Jencks propose
quindi tutta una serie di meccanismi intermedi tra SN1 e
SN2, con tempi di vita sempre più corti del carbocatione intermedio
e con uno stato di transizione che è via via più concertato fino al cosiddetto
“exploded TS” tipico della SN2.
Nucleofilo
Come
già visto nell’introduzione, la natura del nucleofilo è essenziale per decidere
la via tra eliminazione e sostituzione: vi è una sorta di competizione tra
basicità e nucleofilia del nucleofilo. Come già accennato, un’ammide ingombrata
come LDA o un alcossido ingombrato tipo t-BuO- sono basi forti e per
niente nucleofili; tuttavia basi come I-, Br-, RS-
sono molto più nucleofili e basi più deboli. Inoltre vi è la questione
dell’atomo nucleofilo: più è soft, meno elettronegativo, più è predisposto a
comportarsi da nucleofilo anziché da base (differenza tra alcossidi e tiolati).
Substrato
La
natura del substrato viene misurata in termini di contributi elettronici e
sterici.
Il primo riguarda
la stabilità del carbocatione e, per il postulato di Hammond, in una reazione
endoergonica la velocità di formazione di un intermedio dipende dalla sua
stabilità relativa: ecco perché se il carbocatione è stabilizzato il meccanismo
più probabile sarà la SN1, come visto sopra.
Gli effetti sterici
contano tantissimo al punto da impedire uno o l’altro meccanismo: si veda
l’esempio del t-BuOH in presenza di nucleofili come Br-, dà
ESCLUSIVAMENTE SN1, mai SN2 a causa di ingombro sterico.
Valutando le
costanti cinetiche relative, si può dimostrare che per un derivato primario la
SN2 è il meccanismo preferito, per i terziari lo è la SN1.
Il caso dei C secondari è intermedio ed è facilmente influenzato da sostituenti
o gruppi insaturi coniugati.
Gruppo uscente
La
natura del gruppo uscente è molto importante. Gruppi uscenti molto buoni sono i
solfonati, alogenuri soft quali ioduro e bromuro; ma è possibile facilitare
l’uscita di LG altrimenti pessimi come OH, oppure OR, tramite aggiunta di un
acido di Lewis o Brönsted: infatti H2O è un buon gruppo uscente,
così come ROH.
Solvente
Infine, siamo arrivati al ruolo del solvente: i solventi possono essere grossomodo classificati in
i) Solventi polari protici: sono in grado di
stabilizzare sia i cationi che gli anioni, pertanto sono utili per guidare il
meccanismo verso un SN1. Tipici esempi sono gli alcoli e l’acqua:
questi stabilizzano molto il TS di una SN1, ma non quello di una SN2;
al contrario in una SN2 sono stabilizzati i reagenti e i prodotti,
stabilizzando solo lievemente il TS neutro. La somma di questi effetti fa
capire come solventi polari protici spingano verso una SN1. Negli
alogenuri il più nucleofilo è I-.
ii) Solventi dipolari aprotici: questi possono
stabilizzare solamente i cationi e sono principalmente DMSO, DMF e HMPA. Il
risultato è che si hanno dei nucleofili non solvatati, “nudi”, che sono
estremamente più nucleofili e la reazione preferita è la SN2. In
questi solventi la scala di reattività degli alogeni è invertita: F-
diventa più nucleofilo, così come in fase gassosa.
iii) Solventi apolari aprotici: non
stabilizzano gli ioni che quindi sono nudi, tuttavia sciolgono anche meno
reagenti carichi. Al contempo costano meno e sono facili da rimuovere. Quindi,
volendo comunque usare dei solventi di questo tipo, si può effettuare una PTC
con sali di tetrabutilammonio o con eteri corona.
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