Reazioni organiche — SN1, SN2, E1, E2 e addizione

Le reazioni organiche si classificano più facilmente chiedendosi che cosa è cambiato. Se un gruppo su un carbonio $sp^3$ è stato sostituito, pensa a una sostituzione. Se si è formato un nuovo legame pi greco, pensa a un’eliminazione. Se sono stati aggiunti atomi attraverso un legame $C=C$ o $C\equiv C$ già esistente, pensa a un’addizione.

Per la maggior parte delle domande iniziali di chimica organica, questa prima distinzione restringe già la risposta a SN1, SN2, E1, E2 oppure addizione. Poi controlla le condizioni: se c’è un gruppo uscente, se il carbonio reattivo è primario, secondario o terziario, se è presente una base forte o un nucleofilo forte e se la formazione di un carbocatione è realistica.

Come distinguere rapidamente SN1, SN2, E1, E2 e addizione

Tipo	Che cosa cambia	Spesso favorita quando	Idea chiave
SN1	il gruppo uscente viene sostituito	il substrato può formare un carbocatione relativamente stabile	sostituzione in due stadi
SN2	il gruppo uscente viene sostituito	il substrato non è troppo ingombrato e un buon nucleofilo può attaccare direttamente	sostituzione in un solo stadio
E1	si forma un legame pi greco	può formarsi un carbocatione e l’eliminazione compete dopo la comparsa di questo intermedio	eliminazione in due stadi
E2	si forma un legame pi greco	una base forte rimuove un idrogeno in beta mentre il gruppo uscente se ne va	eliminazione in un solo stadio
Addizione	si aggiungono atomi attraverso un legame pi greco	la molecola di partenza ha già un legame $C=C$ o $C\equiv C$	il legame pi greco diventa nuovi legami sigma

Questa tabella è una guida, non una legge. I risultati reali dipendono dal substrato, dal reagente, dal solvente e talvolta dalla temperatura.

Una regola decisionale rapida che di solito funziona

• Se la molecola di partenza ha un gruppo uscente su un carbonio $sp^3$, la competizione principale è di solito tra sostituzione ed eliminazione.
• Se la molecola di partenza ha già un legame pi greco e il gruppo uscente non è centrale nel problema, l’addizione è la prima ipotesi migliore.
• Se il carbonio reattivo è primario, SN2 è spesso più plausibile di SN1.
• Se il carbonio reattivo è terziario, la normale SN2 è impedita, quindi la competizione più comune è tra SN1, E1 o E2 a seconda delle condizioni.
• Se è presente una base forte ed è disponibile un idrogeno in beta, E2 diventa molto più probabile.

Che cosa significa davvero ciascun tipo di reazione

SN1

SN1 significa sostituzione nucleofila unimolecolare. Lo stadio lento coinvolge solo il substrato, perché il gruppo uscente se ne va per primo e forma un carbocatione.

Questo rende SN1 più plausibile quando il carbocatione sarebbe relativamente stabile, soprattutto per molti substrati terziari. Se una trasposizione rendesse il carbocatione più stabile, il prodotto può cambiare.

SN2

SN2 significa sostituzione nucleofila bimolecolare. Il nucleofilo attacca mentre il gruppo uscente se ne va, quindi la reazione avviene in un solo stadio.

Poiché l’attacco deve raggiungere direttamente il carbonio reattivo, l’ingombro sterico conta molto. I substrati primari favoriscono spesso SN2 molto più di quelli terziari, e i substrati terziari non subiscono una normale SN2 su quel carbonio così ingombrato.

E1

E1 significa eliminazione unimolecolare. Come SN1, inizia con la perdita del gruppo uscente per formare un carbocatione. Poi una base rimuove un idrogeno in beta e si forma un legame pi greco.

Poiché sia SN1 sia E1 passano attraverso un carbocatione, spesso competono in condizioni simili. Il calore spesso rende l’eliminazione più importante, ma è una tendenza, non una garanzia.

E2

E2 significa eliminazione bimolecolare. In un unico stadio concertato, una base rimuove un idrogeno in beta mentre il gruppo uscente se ne va e si forma il legame pi greco.

E2 è comune quando è presente una base forte e c’è un idrogeno in beta disponibile. Su substrati secondari e terziari, una base forte spesso spinge la reazione verso E2 invece che verso la sostituzione.

Addizione

Le reazioni di addizione partono di solito da un alchene o da un alchino. Invece di perdere un gruppo, la molecola acquista nuovi atomi attraverso il legame pi greco.

Un esempio introduttivo comune è l’addizione di $HBr$ a un alchene. Il doppio legame si rompe e gli atomi del reagente finiscono sui due carboni che prima erano legati dal doppio legame.

L’intuizione che fa davvero capire queste reazioni

Il modo più rapido per capire queste reazioni è chiedersi che cosa la molecola può fare dal punto di vista strutturale.

Se c’è un gruppo uscente su un carbonio saturo, la molecola può o sostituire quel gruppo oppure rimuovere un idrogeno vicino e formare un legame pi greco. Se c’è già un legame pi greco, la molecola può invece reagire per addizione attraverso di esso. Questa sola domanda strutturale separa la maggior parte dei problemi per principianti prima ancora di pensare alle frecce curve.

Dopo, chiediti se il reagente si comporta più come nucleofilo o più come base. I nucleofili forti spesso favoriscono la sostituzione. Le basi forti spesso favoriscono l’eliminazione. Alcuni reagenti possono fare entrambe le cose, quindi sono il substrato e le condizioni a decidere quale percorso prevale.

Esempio svolto: perché il 2-bromopropano dà spesso E2

Considera il $2$-bromopropano che reagisce con etossido di sodio, $\mathrm{NaOEt}$, in etanolo.

Parti dal substrato. Il carbonio che porta il bromo è secondario, quindi in linea di principio sono possibili sia sostituzione sia eliminazione.

Ora controlla il reagente. L’etossido è una base forte ed è anche un buon nucleofilo. Su un substrato secondario, questo rende già E2 una candidata forte.

Poi chiediti di che cosa ha bisogno E2. Ha bisogno di un gruppo uscente e di un idrogeno in beta. Questa molecola ha entrambi, quindi l’eliminazione può avvenire in un solo stadio.

Nelle comuni condizioni da esercizio, E2 è spesso prevista come via principale, soprattutto se è presente calore. Il prodotto organico è il propene, perché la base rimuove un idrogeno in beta mentre il bromuro se ne va nello stesso stadio.

Perché questo esempio è importante:

• un substrato secondario significa che una vera competizione è possibile
• una base forte rende l’eliminazione più probabile
• la formazione di un alchene identifica la reazione come eliminazione, non come sostituzione

Se cambi il substrato o il reagente, la previsione può cambiare. Un substrato primario meno ingombrato renderebbe SN2 molto più competitiva.

Errori comuni nella classificazione delle reazioni organiche

Trattare base forte e nucleofilo forte come se fossero la stessa cosa

Alcuni reagenti possono comportarsi come entrambi. Il substrato conta altrettanto. Un nucleofilo forte con un substrato primario spesso porta verso SN2, mentre una base forte con un substrato più ingombrato porta spesso verso E2.

Supporre che terziario significhi automaticamente SN1

I substrati terziari non possono fare una normale SN2, ma non vanno automaticamente in SN1. In presenza di una base forte, E2 è spesso la previsione migliore.

Dimenticare che SN1 ed E1 condividono un carbocatione

Se si forma un carbocatione, possono diventare possibili trasposizioni e sostituzione ed eliminazione possono competere. Per questo questi due meccanismi vengono spesso discussi insieme.

Chiamare addizione ogni reazione di un alchene

L’addizione richiede che si aggiungano atomi attraverso il legame pi greco. Se invece una reazione crea il doppio legame, allora è un’eliminazione.

Dove si usano questi tipi di reazioni organiche

Questi tipi di reazione sono la base della sintesi organica introduttiva e dei problemi sui meccanismi. Ti aiutano a prevedere:

• se una molecola diventa più sostituita o più insatura
• se è più probabile che un reagente sostituisca un gruppo uscente o rimuova un idrogeno
• come le condizioni di reazione cambiano il prodotto principale
• perché lo stesso substrato può comportarsi in modo diverso con reagenti diversi

Sono importanti anche oltre gli esami. Le stesse idee aiutano i chimici a progettare percorsi da uno scheletro carbonioso a un altro.

Prova un problema di classificazione simile

Prendi un substrato con un gruppo uscente, come il $1$-bromobutano, e chiediti come cambia la previsione se lo abbini a cianuro di sodio, etossido di sodio oppure acqua. Cambiare una sola condizione alla volta è uno dei modi più rapidi per far sembrare SN1, SN2, E1 ed E2 logiche invece che da memorizzare. Se vuoi un seguito molto vicino, confronta questa pagina con sostituzione nucleofila.