Sostituzione nucleofila alifatica

Le reazioni di sostituzione nucleofila alifatica sono di fatto reazioni acido-base nell'interpretazione di Lewis. Possiamo immaginare la seguente reazione:

${\ce {B:+\ R-X->B-R\ +\ X:}}$

dove B: è il nucleofilo, X il gruppo uscente e R un residuo alifatico.

Le reazioni di sostituzione nucleofila alifatica possono avvenire secondo due meccanismi:

Meccanismo S_N1

Sostituzione nucleofila monomolecolare, che prevede un meccanismo a due stadi e una cinetica del primo ordine.

Il primo stadio di questo meccanismo prevede sempre la formazione di un intermedio instabile (solitamente un carbocatione) per scissione eterolitica del legame R-X in cui X, il gruppo uscente, è una specie elettron-attrattrice. Il secondo stadio consiste nella formazione del legame tra il nucleofilo B e il carbocatione:

${\ce {R-X->R^{+}\ +\ X^{-}\,\,\,\,\,}}$(Stadio lento)

${\ce {R^{+}\ +\ B^{-}->R-B\,\,\,\,\,}}$ (Stadio veloce)

Si tratta di equilibri chimici.

Le reazioni di sostituzione nucleofila seguono questo meccanismo quando:

• R è un residuo alifatico o aromatico-alifatico tale da garantire una certa stabilità del carbocatione R⁺. I residui maggiormente proni a dare reazioni di questa natura sono residui stabilizzati per risonanza o per effetto induttivo:
  • benzilici;
  • allilici;
  • alchilici terziari (es. t-butile);
• X è un buon gruppo uscente (es. TsO^-; I^-; Br^-...);
• B: in questo caso può non essere un ottimo nucleofilo.
• I solventi polari generalmente tendono a stabilizzare i carbocationi maggiormente di quelli apolari, quindi facilitano le reazioni S_N1.

Meccanismo S_N2

Sostituzione nucleofila bimolecolare, che prevede un meccanismo concertato (un solo passaggio) e può essere descritta da una cinetica del secondo ordine.

Le reazioni di sostituzione nucleofila seguono questo meccanismo quando:

• R è un residuo primario, secondario, allilico o benzilico;
• X è un buon gruppo uscente (TsO^-; I^-, Br^- ecc..)
• B: è un buon nucleofilo.

La reazione S_N2, per via del suo meccanismo concertato, risente notevolmente dell'ingombro sterico sul substrato, per questa ragione gli atomi di carbonio terziari sono ragionevolmente impediti a dare questo genere di reazione.

Impiegando reagenti marcati (che contengono isotopi radioattivi) è possibile dimostrare che molte reazioni di sostituzione nucleofila alifatica avvengono con entrambi i meccanismi di reazione. Ciò accade maggiormente con substrati alchilici secondari.

Meccanismo S_N2

Con riferimento alla stereochimica del prodotto finale, si può dire che:

• partendo da un composto otticamente attivo, Il meccanismo S_N1 comporta la formazione di un racemo. Ciò è dovuto alla formazione di un intermedio carbocationico (planare) che può essere oggetto di attacco da parte del nucleofilo da ognuna delle due facce enantiotopiche dipendentemente dalla casualità degli urti;
• il meccanismo S_N2 comporta invece la formazione di un prodotto che presenta inversione di configurazione sterica rispetto al substrato di partenza; ciò è dovuto al fatto che l'attacco del nucleofilo avviene nella stessa direzione del legame sigma R-X, ma dalla parte opposta rispetto al gruppo uscente X. Il risultato è un'inversione "ad ombrello" della molecola (chiamata anche "inversione di Walden").

Voci correlate

• Sostituzione nucleofila
• Sostituzione nucleofila aromatica