Sostituzione nucleofila

Come si passa da un alogenuro alchilico ad una molecola come un alcol, un nitrile o un'ammina? Questi sono esempi di reazioni di sostituzione nucleofila.

• Questo articolo tratta delle reazioni di sostituzione nucleofila in chimica organica.
• Definiamo la sostituzione nucleofila prima di esaminare le differenze tra le reazioni di sostituzione nucleofila ed elettrofila.
• Dopodiché, rivolgeremo la nostra attenzione alle reazioni di sostituzione nucleofila degli alogenuri alchilici, concentrandoci sul loro meccanismo e sulla loro reattività.
• Considereremo poi gli aspetti stereochimici delle reazioni di sostituzione nucleofila.
• Seguiranno esempi di reazioni di sostituzione nucleofila. Queste includono reazioni con lo ione idrossido, lo ione cianuro, l'ammoniaca e la soluzione di nitrato d'argento.
• Concludiamo discutendo l'importanza delle reazioni di sostituzione nucleofila.

Definizione di reazione di sostituzione nucleofila

Vediamo di scomporre un po' il termine sostituzione nucleofila. Innanzitutto, la sostituzione.

Poi, esaminiamo il termine "nucleofilo". Si riferisce ai nucleofili.

I nucleofili sono specie chimiche che reagiscono donando una coppia di elettroni solitari a una specie con carenza di elettroni per formare un legame covalente. I nucleofili sono tutti carichi negativamente o parzialmente negativamente (che rappresentiamo con il simbolo delta, δ) e presentano una coppia solitaria di elettroni.

Osservando più da vicino il termine nucleofilo, possiamo farci un'idea di cosa siano effettivamente queste specie. Scomponendo il termine nucleofilo, osserviamo -filo derivante dalla parola greca -philos, che significa amare, e -nucleo si riferisce ai nuclei, che sono le aree cariche positivamente degli atomi. Pertanto, i nucleofili devono "amare" le regioni positive - sono attratti da esse.

Esempi di nucleofili sono:

• Ione cianuro CN^-.
• Ione idrossido OH^-.
• Ammoniaca NH₃.

Differenza tra reazioni di sostituzione nucleofila ed elettrofila

Si potrebbe confondere la sostituzione nucleofila con un termine simile: la sostituzione elettrofila. Sebbene i due tipi di reazione abbiano alcune caratteristiche in comune, coinvolgono specie molto diverse. È importante conoscere la differenza:

• Le reazioni di sostituzione nucleofila comportano l'attacco di un nucleofilo, un donatore di coppie di elettroni.
• Le reazioni di sostituzione elettrofila, invece, comportano l'attacco di un elettrofilo, un accettore di coppie di elettroni.

Esempi di elettrofili:

• Alogenuri di idrogeno HX.
• Ione nitronio NO₂⁺.

Tuttavia, sia la sostituzione nucleofila che quella elettrofila sono ancora esempi di reazioni di sostituzione. Ciò significa che scambiano un gruppo funzionale di una molecola organica con un gruppo funzionale diverso.

Reazioni di sostituzione nucleofila degli alogenuri alchilici

Sappiamo che gli alogenuri alchilici sono molecole polari (esplorare alogenuri alchilici per rinfrescare la memoria). Poiché l'atomo di alogeno nel legame C-X è molto più elettronegativo dell'atomo di carbonio, attira verso di sé la coppia di elettroni condivisa. Gli elettroni sono carichi negativamente. Ciò rende l'atomo di alogeno parzialmente carico negativamente e lascia il carbonio parzialmente carico positivamente.

Figura 1. Polarità legame C-X.

I nucleofili, che come sappiamo "amano" le regioni positive, possono attaccare questo atomo di carbonio parzialmente carico, con una reazione di sostituzione nucleofila.

Meccanismo di sostituzione nucleofila degli alogenuri alchilici

Le reazioni di sostituzione nucleofila degli alogenuri alchilici seguono uno dei due meccanismi simili. Il meccanismo utilizzato, dipende dalla classificazione dell'alogenuro alchilico.

• Gli alogenuri alchilici primari reagiscono con un meccanismo SN₂. La S sta per sostituzione, la N sta per nucleofilo e il pedice 2 indica che la fase iniziale della reazione coinvolge due specie: l'alogenuro alchilico e il nucleofilo.
• Gli alogenuri alchilici terziari reagiscono con un meccanismo SN₁. S e N indicano la sostituzione e nucleofilia, ma il pedice 1 ci dice che la fase iniziale della reazione coinvolge una sola specie: l'alogenuro alchilico stesso.
• I derivati degli alogenuri alchilici secondari utilizzano un mix di meccanismi SN₁ e SN₂.

La reazione generale per entrambi i meccanismi è la stessa:

RCH₂X + Nu^- → RCH₂Nu + X^-

Stereochimica delle reazioni di sostituzione nucleofila

Sopra abbiamo visto come la sostituzione nucleofila possa avere un meccanismo SN₁ o SN₂. Questi due diversi meccanismi producono prodotti con aspetti stereochimici diversi:

• I meccanismi SN₂ producono un solo prodotto. I legami in questo prodotto sono invertiti rispetto a quelli della molecola iniziale che reagisce.
• I meccanismi SN₁ producono due enantiomeri. Gli enantiomeri sono stereoisomeri con la stessa formula strutturale ma con una diversa disposizione degli atomi intorno al carbonio centrale. Questi due enantiomeri sono prodotti in una miscela 50:50 nota come miscela racemica o racemato.

Abbiamo mostrato questi aspetti stereochimici utilizzando una reazione di sostituzione nucleofila di un alogenuro alchilico:

Figura 3. Streochimica dei prodotti delle reazioni di sostituzione nucleofila.

Si noti come nel meccanismo SN₂ qui sopra, i legami nel prodotto sono invertiti rispetto alla molecola iniziale che reagisce. Confrontalo con il meccanismo SN₁, che produce due enantiomeri diversi. Uno dei prodotti è invertito, mentre l'altro mantiene la disposizione originale dei legami.

Esempi di reazioni di sostituzione nucleofila

Passiamo ora agli esempi di sostituzione nucleofila. Ci concentreremo sulle reazioni di sostituzione nucleofila che coinvolgono gli alogenuri alchilici.

Gli alogenuri alchilici possono reagire con lo ione idrossido, lo ione cianuro e la molecola di ammoniaca in reazioni di sostituzione nucleofila. Queste reazioni utilizzano tutte il meccanismo SN₂ o SN₁ che abbiamo visto in precedenza, a seconda della classificazione dell'alogenuro alchilico che reagisce. Ricorda:

• Gli alogenuri alchilici primari utilizzano un meccanismo SN₂.
• Gli alogenuri alchilici terziari utilizzano un meccanismo SN₁.
• Gli alogenuri alchilici secondari utilizzano sia un meccanismo SN₂ che SN₁.

Reazione di sostituzione nucleofila con lo ione idrossido

Gli alogenuri alchilici reagiscono con idrossido di sodio o potassio acquoso (NaOH o KOH) per formare un alcol (ROH) e uno ione alogenuro (X^-). Gli alcoli hanno il gruppo funzionale idrossile (-OH) e sono rappresentati dalla formula generale C_xH_2x+1OH. Lo ione potassio/sodio agisce come ione spettatore e non è mostrato nel meccanismo.

Vediamo le condizioni per la sostituzione nucleofila con ioni idrossido. Gli alogenuri alchilici non sono facilmente solubili in acqua, quindi si usa l'etanolo come solvente per la reazione di sostituzione. La miscela viene riscaldata a riflusso per aumentare la velocità di reazione:

• Il riscaldamento della miscela aumenta l'energia cinetica delle molecole. Ciò significa che non solo si muovono più velocemente e quindi hanno più collisioni, ma in media hanno anche più energia quando si scontrano. Ciò significa che è più probabile che abbiano l'energia di attivazione necessaria per una reazione. Ci sarà una percentuale maggiore di collisioni riuscite e quindi una reazione più veloce.
• Il riflusso è una tecnica di reazione che prevede il riscaldamento della miscela in un recipiente sigillato. Quando i componenti volatili della miscela evaporano, vengono intrappolati in un condensatore e non possono uscire dal sistema, ma si condensano nuovamente nel contenitore. Possiamo raggiungere temperature più elevate e portare avanti la reazione per un periodo più lungo. Questo aumenta le possibilità di successo della reazione.

Ad esempio, il bromoetano (CH₃CH₂Br) reagisce con l'idrossido di potassio per formare etanolo (CH₃CH₂OH) e uno ione bromuro. Lo ione bromuro reagisce poi con lo ione potassio per formare bromuro di potassio. Ciò può essere dimostrato dalla seguente equazione complessiva:

CH₃CH₂Br + KOH → CH₃CH₂OH + KBr

Un altro esempio è l'attacco nucleofilo del 2-cloro-2-metilpropano (CH₃CCl(CH₃)CH₃) da parte dell'idrossido di sodio, che forma 2-metilpropan-2-olo (CH₃COH(CH₃)CH₃) e cloruro di sodio. Ecco l'equazione:

CH₃CCl(CH₃)CH₃ + NaOH → CH₃CCl(CH₃)CH₃ + NaCl

Reazione di sostituzione nucleofila con lo ione cianuro

Il cianuro di potassio o di sodio (KCN o NaCN) reagisce con gli alogenuri alchilici in soluzione etanolica per formare un nitrile (RCN) e uno ione alogenuro. I nitrili hanno il gruppo funzionale -CN, che contiene un triplo legame C≡N. Ancora una volta, la miscela di reazione viene riscaldata a riflusso. Questa reazione di sostituzione nucleofila è importante a livello industriale perché aumenta la lunghezza della catena carboniosa.

Ad esempio, il clorometano (CH₃Cl) riscaldato in cianuro di potassio etanolico produce etanenitrile (CH₃CN) e uno ione cloruro. Lo ione cloruro reagisce poi con il potassio per formare cloruro di potassio. L'equazione complessiva è la seguente:

CH₃Cl + KCN → CH₃CN + KCl

Sostituzione nucleofila con ammoniaca

La reazione tra alogenuri alchilici e un eccesso di ammoniaca (NH₃) produce un'ammina primaria (RNH₂), uno ione alogenuro e uno ione ammonio (NH₄⁺). Le ammine sono derivati dell'ammoniaca in cui uno o più atomi di idrogeno sono stati sostituiti da un gruppo alchilico.

Figura 4. Ammoniaca, ammina primaria e ione ammonio.

Abbiamo visto in precedenza che, sebbene l'ammoniaca non sia uno ione negativo, è comunque un nucleofilo. Contiene un atomo parzialmente carico negativamente, N^δ-, con una coppia solitaria di elettroni. Quando l'atomo di azoto dona la sua coppia di elettroni solitari all'atomo di carbonio, l'atomo di azoto diventa carico positivamente. Questo non è un bene per la molecola, che vuole essere neutra, perché è molto più stabile. Per risolvere il problema, la molecola perde un atomo di idrogeno, ma mantiene la coppia di elettroni legata. L'atomo di idrogeno è ora uno ione positivo e reagisce con una seconda molecola di ammoniaca per formare uno ione ammonio positivo. Questo ione ammonio positivo può quindi reagire con lo ione bromuro prodotto nella reazione di sostituzione, formando un sale di ammonio. Complessivamente, la reazione richiede due moli di ammoniaca per ogni mole di alogenuro alchilico.

La reazione avviene a caldo in soluzione etanolica, in un contenitore sigillato e sotto pressione.

Ad esempio, il bromoetano (CH₃CH₂Br) e l'ammoniaca reagiscono insieme per formare etilammina (CH₃CH₂NH₂), uno ione bromuro e uno ione ammonio. Lo ione ammonio reagisce con lo ione bromuro per formare un sale di ammonio, il bromuro di ammonio (NH₄Br):

CH₃CH₂Br + 2NH₃ → CH₃CH₂NH₂ + NH₄Br

Reazione di sostituzione nucleofila con soluzione di nitrato d'argento

Consideriamo ora la reazione degli alogenuri alchilici con la soluzione di nitrato d'argento (AgNO₃(aq)) mescolata con etanolo. Utilizziamo questo processo per identificare l'alogeno presente nell'alogenuro alchilico. L'etanolo agisce come solvente e permette di sciogliere tutto, mentre l'acqua nella soluzione di nitrato d'argento agisce come nucleofilo, producendo un alcol, uno ione idrogeno (H⁺) e uno ione alogenuro (X^-). Lo ione alogenuro reagisce quindi con il nitrato d'argento formando un precipitato colorato, il cui colore ci fornisce l'identità dell'alogeno.

Poiché questa reazione produce un precipitato visibile, è un ottimo modo per confrontare le velocità relative di reazione di diversi alogenuri alchilici:

• Gli iodoalcani producono un precipitato molto più rapidamente dei cloroalcani. Come abbiamo visto in precedenza, ciò è dovuto al fatto che l'entalpia di legame C-X diminuisce man mano che si scende nel gruppo degli alogeni della tavola periodica, rendendo l'alogenuro alchilico più reattivo e quindi incrementa la velocità di reazione.
• Gli alogenuri alchilici terziari producono un precipitato molto più rapidamente degli alogenuri alchilici primari. Questo perché gli alogenoderivati terziari utilizzano il meccanismo SN₁, mentre gli alogenoderivati primari utilizzano il meccanismo SN₂. Il meccanismo SN₁ è molto più veloce del meccanismo SN₂, il che porta a una maggiore velocità di reazione

Importanza delle reazioni di sostituzione nucleofila

Infine, discuteremo l'importanza delle reazioni di sostituzione nucleofila.

• Esse ci permettono di scambiare un gruppo funzionale con un altro in alcune molecole organiche. Ciò le rende importanti pietre miliari nei processi industriali.
• Particolari reazioni di sostituzione nucleofila come la reazione con lo ione cianuro (:CN-), aumentano la lunghezza della catena carboniosa. Si tratta di un'operazione piuttosto complicata in chimica organica.