Gli intermedi di reazione sono specie altamente reattive con un tempo di vita breve, raramente isolati. La comprensione del ruolo e della struttura degli intermedi di reazione è essenziale per comprendere i meccanismi di reazione, costituiti da una sequenza di eventi che si verificano quando le molecole reagenti vengono convertite in prodotti. Gli intermedi di reazione più comuni includono carbocationi, carbanioni, radicali e carbeni.
Secondo la I.U.P.A.C., gli intermedi di reazione hanno una durata di vita maggiore di una vibrazione molecolare, si formano dai reagenti e reagiscono ulteriormente per dare i prodotti di reazione. Gli intermedi di reazione non devono essere confusi con lo stato di transizione, in quanto gli intermedi hanno una durata di vita discreta che può variare da pochi nanosecondi a molti giorni, mentre uno stato di transizione dura solo un ciclo di vibrazione del legame.
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Gli intermedi di reazione si formano tipicamente nelle reazioni organiche, ma possono presentarsi anche in vari contesti biologici. Alcuni farmaci e molte sostanze fitochimiche che contengono, ad esempio, un anello tiofenico, vengono ossidati dal citocromo P450 in intermedi reattivi, come i solfossidi, che possono legarsi covalentemente ai nucleofili tiolici nelle macromolecole, come le proteine.
Coordinata di reazione e intermedi di reazione
In un diagramma energetico, gli intermedi di reazione hanno un’energia minore rispetto allo stato di transizione, che presenta un massimo di energia potenziale. Inoltre, gli intermedi di reazione hanno una vita che dipende dalla profondità del minimo di energia. Questa definizione si applica solo a una reazione elementare, mentre in una reazione multistadio sono presenti più stati di transizione.
meccanismo sn2
Ci sono reazioni che presentano uno stato di transizione ma non intermedi di reazione, come le reazioni che avvengono con un meccanismo concertato bimolecolare, indicate con il simbolo SN2. Il simbolo Hughes–Ingold di questo meccanismo esprime due proprietà: SN sta per sostituzione nucleofila, e il numero 2 indica che lo stadio determinante per la velocità è bimolecolare.
In tali reazioni, il carbonio legato al gruppo uscente ha una parziale carica positiva e viene attaccato dal nucleofilo, formando nello stato di transizione un intermedio. In questo stato, inizia a rompersi il legame tra il carbonio e il gruppo uscente e inizia a formarsi il legame tra nucleofilo e carbonio. La reazione avviene in un unico stadio, con un solo stato di transizione e senza formazione di intermedi di reazione.
meccanismo sn1
Le reazioni con meccanismo SN1 avvengono in due stadi. In esse si verifica un attacco di un nucleofilo a un atomo di carbonio legato a un buon gruppo uscente, formando un nuovo legame. Nel primo stadio, che è lo stadio lento, si forma il carbocatione; nel secondo stadio, che è lo stadio veloce, il nucleofilo attacca rapidamente il carbocatione, formando un legame σ.
Il profilo della reazione mostra due stati di transizione e un intermedio di reazione. Il primo stato di transizione, con energia più alta, corrisponde alla parziale rottura del legame tra il carbonio e il gruppo uscente, mentre il secondo stato di transizione corrisponde alla formazione del nuovo legame tra il carbonio e il nucleofilo.
Carbocationi
I carbocationi sono intermedi di reazione con geometria planare in cui il carbonio ha una carica positiva ed è ibridato sp2. Il carbocatione ha solo sei elettroni nel suo guscio di valenza esterno, invece degli otto elettroni di valenza che garantiscono la massima stabilità come stabilito dalla regola dell’ottetto.
Pertanto, i carbocationi sono spesso reattivi e cercano di riempire l’ottetto di elettroni di valenza e riacquistare una carica neutra. Sono elettrofili altamente attivi che possono reagire con una varietà di nucleofili. L’intermedio carbocationico si forma nelle reazioni di sostituzione nucleofila unimolecolare, nelle reazioni di eliminazione unimolecolari, nelle reazioni di addizione elettrofila degli alcheni e nei riarrangiamenti che coinvolgono lo spostamento dell’idruro o degli alchili.
I carbocationi sono intermedi di reazione in cui il carbonio carico positivamente è legato a gruppi alchilici, arilici o idrogeno. A seconda del numero di gruppi legati al carbonio carico positivamente, ci sono carbocationi terziari (con tre gruppi stabilizzati per effetto induttivo), secondari (due gruppi e un idrogeno), primari (un gruppo e due idrogeni), e il carbocatione metilico CH3+ (tre atomi di idrogeno). I carbocationi alchilici più stabili sono quelli più sostituiti; l’ordine di stabilità è: terziari > secondari > primari >> metilico.
riarrangiamento
I carbocationi secondari frequentemente danno luogo a fenomeni di riarrangiamento. Il riarrangiamento è molto comune ed è uno dei fattori responsabili della formazione di due o più prodotti da una reazione. Lo shift di un idrogeno o di un gruppo alchilico, generalmente un gruppo metilico, consente a un carbocatione secondario di trasformarsi in un carbocatione terziario che ha una maggiore stabilità.
Nelle reazioni di sostituzione nucleofila, i carbocationi si formano a seguito di una scissione eterolitica tra il carbonio e un buon gruppo uscente, seguita dalla rimozione dello stesso. Un esempio di tali reazioni è la reazione del bromuro di t-butile con acqua, da cui si ottiene l’alcol t-butilico.
I carbocationi possono formarsi anche nelle reazioni di addizione elettrofila degli alcheni, come l’addizione di acidi alogenidrici e l’idratazione. Il meccanismo comune a tutte le reazioni di addizione elettrofila prevede l’attacco iniziale di un generico elettrofilo E+. Questo, che può essere sia positivo che neutro, reagisce con l’alchene con formazione di un carbocatione.
Carbanioni
I carbanioni sono specie reattive con struttura tetraedrica, in cui la carica negativa è localizzata sull’atomo di carbonio ibridato sp3. Tipicamente, i carbanioni si comportano come nucleofili e sono di natura basica. La nucleofilicità e la basicità del carbanione sono solitamente determinate dai gruppi sostituenti attaccati al carbonio caricato negativamente. Come per la maggior parte delle specie di carbonio cariche, i gruppi sostituenti possono aumentare o diminuire la stabilità della specie.
stabilità di carbocationi e carbanioni
La stabilità dei carbanioni è influenzata sia da fattori sterici che elettronici. Come visto per i carbocationi, tutti i fattori che disperdono la carica stabilizzano queste particelle reattive. La stabilità e la reattività dei carbanioni sono determinate da alcuni fattori, tra cui l’effetto induttivo, dove atomi con elevata elettronegatività legati al carbanione stabilizzano la carica, mentre i gruppi donatori di elettroni la destabilizzano.
Un altro fattore è l’effetto di stabilizzazione per risonanza: la delocalizzazione degli elettroni distribuisce la carica negativa su tutto il carbanione, aggiungendo stabilità. I sistemi aromatici aumentano la stabilità dei carbanioni quando sono presenti come gruppo sostituente, grazie all’effetto di risonanza e alla maggiore delocalizzazione degli elettroni sul sistema aromatico.