Reazioni di sostituzione nucleofila

Molte reazioni di chimica organica procedono in condizioni catalizzate da acidi o basi, comprese le reazioni di sostituzione nucleofila.

Si consideri una semplice reazione acido-base dell'acido cloridrico con l'idrossido di sodio. Qui, lo ione idrossido è una specie ricca di elettroni e funge da base di Lewis. Deprotona l'idrogeno acido, formando acqua e ioni cloruro come base coniugata dell'HCl.

Ora, consideriamo una reazione di sostituzione nucleofila tra clorometano e idrossido di sodio. L'idrossido di sodio rimane il componente ricco di elettroni indicato come nucleofilo. Lo ione idrossido è la base coniugata dell'acqua, che è un acido debole con un pK_a di 15,7. Pertanto, è una forte base coniugata e un forte nucleofilo.

Il clorometano, d'altra parte, è un alogenuro alchilico primario. Qui il componente carente di elettroni è analogo a un acido di Lewis ed è chiamato elettrofilo.

Simile a una reazione acido-base, lo ione idrossido reagisce con l'elettrofilo donando la sua unica coppia di elettroni e formando un nuovo legame con il carbonio.

Contemporaneamente, il legame tra il cloruro, chiamato gruppo uscente, e il carbonio si rompe, e lo ione cloruro se ne va, portando con sé entrambi gli elettroni.

Tuttavia, una sostituzione nucleofila può procedere anche in modo diverso. Si consideri la reazione tra il 2-bromo-2-metilpropano, un substrato terziario, e l'acqua, dove funziona sia come solvente che come nucleofilo. Una reazione in cui un solvente si comporta come un nucleofilo è nota come solvolisi.

Dopo la ionizzazione nel solvente polare, il legame tra il substrato terziario e il gruppo uscente si rompe per primo. Il gruppo uscente prende entrambi gli elettroni dal legame, formando un carbocatione stabilizzato.

L'acqua, avendo due coppie solitarie, agisce come nucleofilo e dona una coppia di elettroni al carbocatione elettrofilo formando una specie di ossonio. Dopo la deprotonazione, si forma il 2-metilpropan-2-olo.

Ma cosa detta il meccanismo di reazione? Come mostrato nelle lezioni successive, il meccanismo di una sostituzione nucleofila è influenzato dalla natura del substrato, lasciando la polarità del gruppo, del nucleofilo, dell'elettrofilo e del solvente.