Previsione dei prodotti: sostituzione vs eliminazione

Quando un nucleofilo e un alogenuro alchilico reagiscono, si verifica una competizione tra la sostituzione nucleofila e l'eliminazione β, che determina l'esito della reazione.

Un alogenuro alchilico ha due siti reattivi. Un attacco al carbonio elettrofilo α provoca una reazione di sostituzione tramite un meccanismo S_N1 o S_N2.

In alternativa, il nucleofilo agisce come base e deprotona l'β-idrogeno, portando a una reazione di eliminazione tramite un meccanismo E1 o E2.

L'esito della reazione è influenzato da parametri come l'ostacolo sterico relativo del substrato, le dimensioni e la basicità del nucleofilo, la temperatura e il tipo di solvente.

A seconda della velocità relativa delle reazioni unimolecolari o bimolecolari, si ottiene generalmente una miscela di prodotti. Per prevedere i prodotti principali e secondari, considerare quanto segue.

In generale, le β-eliminazioni sono favorite rispetto alle reazioni di sostituzione con aumento della temperatura, nucleofili più basici e ostacolati e maggiore sostituzione del substrato.

Gli alogenuri primari, essendo i meno stericamente ostacolati, subiscono esclusivamente reazioni bimolecolari. Concentrazioni più elevate di nucleofili o basi forti accelerano ulteriormente la reazione S_N2 o E2, indipendentemente dal solvente.

Un nucleofilo forte e non ostacolato attacca più velocemente il carbonio α, favorendo un prodotto S_N2. Al contrario, una base fortemente ostacolata ha meno accesso al α-carbonio, favorendo quindi un prodotto E2.

Gli alogenuri primari, tuttavia, sfavoriscono le reazioni unimolecolari, poiché i carbocationi primari sono relativamente instabili.

Negli alogenuri secondari, poiché l'aumento della ramificazione ostacola le reazioni S_N2, i prodotti E2 sono favoriti, specialmente con basi forti. Al contrario, l'uso di basi deboli aumenta la probabilità di prodotti S_N2.

Le reazioni unimolecolari sono raramente osservate con alogenuri secondari. Tuttavia, possono procedere a un ritmo moderato in presenza di un nucleofilo debole o di una base in solventi protici polari.

Negli alogenuri terziari, l'aumento dell'impedimento sterico sfavorisce il meccanismo S_N2. Con basi forti, la reazione E2 è favorita, mentre entrambe le reazioni unimolecolari sono predominanti in presenza di basi deboli o nucleofili.

Tuttavia, con l'aumento della temperatura e la possibilità di generare alcheni altamente sostituiti, il meccanismo E1 domina su S_N1.