Addizione Nucleofila: Meccanismo e Esempi Pratici
Le reazioni di addizione nucleofila avvengono su substrati che presentano legami π, e sono caratteristiche dei sistemi con legami multipli. Durante queste reazioni, il reattivo, ricco di elettroni, induce la localizzazione degli elettroni π del legame multiplo su uno dei due atomi, formando un anione, il quale successivamente si lega a un’entità positiva (generalmente H+ o M+).
I substrati che partecipano a reazioni di addizione nucleofila presentano atomi di carbonio ibridati sp2 e sp, con una polarizzazione degli elettroni π dovuta agli effetti induttivi e mesomerici. Essi possono essere classificati in composti carbonilici ed eterocarbonilici, e composti con legami multipli attivati.
La reattività di queste reazioni è influenzata dagli effetti induttivi dei sostituenti in posizione α al legame multiplo. L’uso di solventi polari aprotici, che aumentano la forza dei nucleofili anionici, favorisce le reazioni di addizione nucleofila. In generale, durante queste reazioni, si passa da un carbonio ibridato sp2 planare a uno sp3 tetraedrico.
Il nucleofilo si avvicina al carbonio nel piano degli elettroni π (perpendicolare al piano della molecola) e, a causa della polarità del substrato, l’attacco può avvenire sia sopra che sotto il piano molecolare. Quando non è presente un centro di asimmetria nella molecola, l’addizione è ugualmente probabile da entrambi i lati, producendo una miscela racemica.
Quando invece è presente un centro di asimmetria, la formazione di un secondo centro di asimmetria per l’addizione nucleofila è influenzata dalla conformazione del centro preesistente, producendo un solo diastereoisomero e rendendo la reazione stereoselettiva. Questa stereo selettività è spiegata con la regola di Cram-Felkin.
Nelle reazioni di sostituzione nucleofila intervengono tre fattori fondamentali: formazione di un nuovo legame σ tra il nucleofilo Nu e il carbonio carbonilico, rottura del legame π con formazione di un intermedio alcossido, e protonazione dell’intermedio alcossido con ottenimento di un derivato alcolico.
In base alla reattività del nucleofilo, vi sono due possibilità: i forti nucleofili anionici si addizionano direttamente al carbonio carbonilico per dare un intermedio alcossido, mentre i nucleofili più deboli neutri necessitano che il gruppo C=O sia preventivamente attivato prima del loro attacco. Ciò può essere realizzato usando un acido in qualità di catalizzatore.
Un esempio pratico di sostituzione nucleofila è la reazione tra un alogenuro acilico e un nucleofilo. Durante questa reazione, il nucleofilo attacca il carbonio carbonilico, per poi riformarsi il doppio legame carbonio-ossigeno e distaccarsi dalla molecola lo ione cloruro, con la formazione del prodotto finale accompagnata da HCl.
Queste reazioni costituiscono un importante campo di studio in chimica organica, e la comprensione del meccanismo e degli esempi pratici permette di applicarle in svariate situazioni.