Confronto tra i meccanismi SN1 e SN2
I meccanismi SN1 e SN2 riguardano le reazioni di sostituzione su un atomo di carbonio in cui si verifica la rottura di un legame tra l’atomo e un gruppo ad esso legato, seguita dalla formazione di un nuovo legame con un sostituente. Le rotture dei legami possono essere classificate in due categorie:
– La rottura di un legame covalente con formazione di due frammenti che contengono entrambi un numero dispari di elettroni, detta scissione omolitica
– La rottura di un legame covalente con formazione di due frammenti elettricamente carichi, chiamata scissione eterolitica.
In soluzione, le scissioni eterolitiche sono favorire dalla costante dielettrica del mezzo. Queste scissioni sono inoltre favorire dal sostituente entrante, che può presentare un’affinità per il doppietto elettronico libero.
Un reagente che può accettare elettroni è stato definito da Ingold elettrofilo; se viceversa ha tendenza a cedere elettroni è detto nucleofilo.
Le reazioni di sostituzione che procedono con un attacco nucleofilo o elettrofilo vengono indicate rispettivamente con i simboli SN e SE.
Il meccanismo di sostituzione elettrofila avviene prevalentemente su atomi di carbonio aromatici. Quello di sostituzione nucleofila avviene prevalentemente su atomi di carbonio saturi, studiato da Ingold e Hughes.
Dai valori delle costanti di velocità si ha che l’idrolisi del bromuro di metile risulta una reazione del secondo ordine. Questa è funzione della concentrazione dell’alogeno-paraffina e dello ione ossidrile. Parallelamente si svolge una reazione del primo ordine, trascurabile a tutti gli effetti.
La velocità globale di idrolisi diminuisce all’aumentare della sostituzione in α con uno o due gruppi metilici, raggiungendo un minimo con l’isopropilbromuro (CH3)2CHBr, ove sono presenti, in modo significativo entrambe le reazioni del primo e del secondo ordine, per poi aumentare con l’introduzione del terzo gruppo metilico in (CH3)3CBr. La velocità di reazione, che avviene secondo il primo ordine, è indipendente dalla concentrazione del gruppo ossidrile.
Nel sistema hanno luogo parallelamente due reazioni, una con un meccanismo monomolecolare SN1 e una con meccanismo bimolecolare SN2.
Le reazioni con meccanismo monomolecolare devono avvenire necessariamente con uno stadio lento descritto da una reazione del primo ordine. La possibilità di formazione di un carbocatione è collegata al tipo di sostituente presente sul carbonio e alla natura dell’atomo sostituito. Inoltre, l’energia di solvatazione compensa in parte l’energia di rottura del legame. Quindi l’energia richiesta per il processo è bassa.
Se i sostituenti presenti manifestano la tendenza a cedere elettroni all’atomo di carbonio, ne consegue che tanto maggiore risulterà la carica negativa sull’atomo di carbonio, quanto più il gruppo sostituito verrà respinto da tale carica e tenderà quindi a distaccarsi dalla molecola.
Conseguentemente, passando dal bromuro di metile al bromuro di isobutile, aumenta la velocità di sostituzione SN1 e diminuisce quella SN2, a causa della maggiore densità di carica negativa sull’atomo di carbonio.Meccanismi di reazione e ruolo del solvente nella chimica organica
La stabilità dei carbocationi formatisi nel corso della reazione è un fattore cruciale nello stadio lento del processo. La stabilità relativa dei carbocationi segue l’ordine: terziario > secondario > primario. Di conseguenza, il carbocatione terziario (R3C+) è più stabile rispetto al carbocatione secondario (R2CH+) e quest’ultimo è a sua volta più stabile del carbocatione primario (RCH2+).
Il meccanismo SN2 è ostacolato sterica quando attorno all’atomo di carbonio si verifica una congestione di gruppi che costituiscono uno schermo protettivo contro i gruppi entranti (ingombro sterico). Al contrario, i gruppi elettronaccettori, come ad esempio i gruppi acetilici CH3-CO-, inibiscono i meccanismi di tipo SN1 favorendo indirettamente un meccanismo di tipo SN2.
Il gruppo uscente fortemente elettronegativo favorisce un meccanismo di tipo ionico, ad esempio, la reazione di sostituzione del gruppo solfonio con lo ione bromo. Le reazioni SN1 e SN2 possono portare a diversi prodotti di reazione nel caso di un meccanismo SN2, dove può verificarsi un’inversione di configurazione se il carbonio legato al gruppo uscente è asimmetrico.
Il solvente svolge un ruolo significativo nei meccanismi SN1 e SN2. Un solvente polare ha una forte tendenza a favorire la formazione di cariche e a contrastare la loro scomparsa, favorendo le reazioni SN1. D’altra parte, i solventi polari contrastano la dispersione di cariche, inibendo le reazioni SN2. Il potere ionizzante del solvente influenza indirettamente i meccanismi SN1 e SN2, con i solventi altamente ionizzanti che favoriscono il meccanismo SN1.
L’inversione di configurazione è importante nella preparazione di sostanze farmaceutiche, specialmente quando una configurazione specifica dell’atomo di carbonio è biologicamente attiva. La reazione di sostituzione con meccanismo SN2 può portare a un’inversione di configurazione, mentre la reazione con meccanismo SN1 può produrre un racemo in presenza di impedimenti sterici.
In conclusione, la comprensione dei meccanismi di reazione e del ruolo del solvente in chimica organica è fondamentale per prevedere e controllare le reazioni chimiche in laboratorio e nell’industria farmaceutica.