Sostituzione nucleofila

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In chimica si intende per sostituzione nucleofila una reazione di sostituzione in cui un nucleofilo sostituisce in una molecola un secondo gruppo nucleofilo (che prende il nome di gruppo uscente).

La reazione può essere schematizzata come segue:[1]

Nuc1:-  +  R-Nuc2  →  R-Nuc1  +  Nuc2:-

in cui:

Si ha in pratica la sostituzione, nella molecola R-Nuc2, del gruppo -Nuc2 col gruppo -Nuc1. Nel caso in cui Nuc1 sia il solvente in cui la reazione viene svolta si parla di solvolisi.[2]

Tipologie di sostituzioni nucleofile[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Sostituzione nucleofila alifatica e Sostituzione nucleofila aromatica.

A seconda dell'ordine cinetico della reazione, le reazioni di sostituzione nucleofila si distinguono in:

  • SN1 (Molecolarità della reazione pari a 1)
  • SN2 (Molecolarità della reazione pari a 2).

Le velocità di reazione v_{S_N1} e v_{S_N2}, corrispondenti rispettivamente alla SN1 e alla SN2, sono (riferendoci alla reazione generica anzidetta):

v_{S_N1} = k [R-Nuc2][3]
v_{S_N2} = k [Nuc1:][R-Nuc2][4]

dove [Nuc1:] indica la concentrazione di nucleofilo reagente e [R-Nuc2] indica la concentrazione del substrato.

SN1[modifica | modifica sorgente]

Meccanismo SN1

Il meccanismo di questa reazione prevede una fase iniziale lenta nella quale il gruppo uscente acquisti due elettroni dal legame con l'atomo di carbonio e lasci la molecola sotto forma di ione negativo o di specie neutra. Risulta così formato un carbocatione, che per la riuscita della reazione deve essere stabilizzato dai gruppi circostanti. Per il nucleofilo è a questo punto facile l'attacco sull'atomo di carbonio; per questo motivo la sua concentrazione in soluzione non rientra nella formula per la velocità di reazione.

Da notare che potendo la sostanza nucleofila attaccare il carbocatione da ambedue le direzioni, il prodotto sarà un racemo dei due enantiomeri possibili, come illustrato nella figura.

SN2[modifica | modifica sorgente]

Meccanismo SN2

La reazione SN2, al contrario, prevede l'attacco del nucleofilo simultaneamente alla rottura del legame fra l'atomo di carbonio e il gruppo uscente. Questa reazione passa perciò in una transizione di fase nella quale si forma un carbocatione; di vitale importanza per la riuscita di questo meccanismo è la stabilità di quest'ultimo. L'attacco contemporaneo all'uscita del gruppo spiega il motivo dell'ordine cinetico della reazione.

Da notare come, al contrario del meccanismo SN1, l'SN2 preveda l'inversione della molecola, formando così uno solo dei due enantiomeri.

Meccanismi Borderline[modifica | modifica sorgente]

Sebbene sia usanza differenziare le sostituzioni nucleofile nei due modi descritti in precedenza, lo spettro di reazioni con cui la sostituzione avviene è molto più ampio, ed SN1 e SN2 sono solo i suoi estremi: quando il sostrato (R-X) è a contatto con il solvente ed inizia la separazione tra R+ ed X- si forma una coppia ionica intima. Con il passare del tempo, tra i due ioni si insinua il solvente fino a separare del tutto i due ioni. Quando il nucleofilo attacca velocemente la coppia ionica intima, si assiste ad un meccanismo la cui velocità di reazione è a tutti gli effetti quella della SN1, ma il prodotto ottenuto è tipico di una SN2 quindi non racemo. Avviene infatti una racemizzazione parziale: il prodotto a configurazione invertita si forma in misura maggiore, dal momento che il gruppo uscente si trova in posizione tale da bloccare l'avvicinamento del nucleofilo dalla parte frontale del carbocatione. La velocità di formazione della coppia ionica e conseguentemente quella della reazione, sono parametri dipendenti dall'ambiente stesso di reazione e dai due reagenti.

Sostituzione nucleofila alifatica e aromatica[modifica | modifica sorgente]

A seconda del tipo di substrato coinvolto, le reazioni di sostituzione nucleofila si possono dividere in:

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Solomons, op. cit., p. 164
  2. ^ Solomons, op. cit., p. 176
  3. ^ Solomons, op. cit., p. 172
  4. ^ Solomons, op. cit., p. 168

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • (EN) Francis A. Carey, Advanced organic chemistry, 4ª ed., Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2000, pp. 266 e seguenti. ISBN 0-306-46242-7.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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