Gli alogenuri alchilici sono composti organici di formula generale R-X, dove R è un gruppo alchilico e X è un alogeno: F, Cl, Br o I. L’alogeno è legato a un carbonio saturo, cioè ibridato sp^3. Questi composti sono substrati fondamentali per sostituzioni nucleofile ed eliminazioni.
La classificazione dipende dal carbonio legato all’alogeno: primario, secondario o terziario. Questo controlla ingombro sterico e stabilità del carbocatione.
Il grado di sostituzione è uno dei fattori più importanti per prevedere il meccanismo di reazione.
Legame carbonio-alogeno
Il legame C-X è polarizzato perché gli alogeni sono più elettronegativi del carbonio. Il carbonio legato all’alogeno ha carattere elettrofilo e può essere attaccato da nucleofili. L’alogeno, uscendo come alogenuro, agisce da gruppo uscente.
I gruppi uscenti seguono in genere:
Questa tendenza dipende dalla debolezza del legame C-X e dalla stabilità dell’anione uscente. I fluoruri alchilici sono di solito poco reattivi come substrati di sostituzione perché il legame C-F è forte e F^- è un cattivo gruppo uscente in molti contesti.
Sostituzione nucleofila
Nella sostituzione nucleofila, un nucleofilo sostituisce l’alogeno:
Nel meccanismo S_\mathrm{N}2, l’attacco del nucleofilo e l’uscita dell’alogeno avvengono in un solo stadio concertato. È favorito da substrati metilici e primari, nucleofili forti, solventi polari aprotici e basso ingombro sterico. Produce inversione di configurazione se il carbonio è stereogenico.
Nel meccanismo S_\mathrm{N}1, il gruppo uscente lascia prima formando un carbocatione, poi il nucleofilo attacca. È favorito da substrati terziari o capaci di stabilizzare il carbocatione, solventi polari protici e buoni gruppi uscenti. Può portare a racemizzazione parziale o completa, perché il carbocatione è planare.
Eliminazione
Gli alogenuri alchilici possono anche subire eliminazione, formando alcheni. Nel meccanismo E2, una base rimuove un protone beta mentre l’alogeno esce:
La E2 è favorita da basi forti, substrati secondari o terziari, temperatura più alta e geometria antiperiplanare tra idrogeno beta e gruppo uscente. I substrati terziari favoriscono spesso E2 rispetto a S_\mathrm{N}2 perché l’ingombro impedisce l’attacco posteriore del nucleofilo.
Il meccanismo E1 passa invece per un carbocatione, come S_\mathrm{N}1, ed è favorito da condizioni che stabilizzano il carbocatione. Sostituzione ed eliminazione sono spesso in competizione.
Fattori che controllano la reattività
I fattori principali sono:
- struttura del substrato: metilico, primario, secondario, terziario, allilico o benzilico;
- forza e ingombro del nucleofilo o della base;
- qualità del gruppo uscente;
- solvente;
- temperatura;
- stabilità di carbocationi o stati di transizione.
I substrati primari favoriscono S_\mathrm{N}2, quelli terziari favoriscono S_\mathrm{N}1 oppure E2 a seconda di nucleofilo, base, solvente e temperatura. I substrati secondari sono più ambigui e richiedono una lettura combinata dei fattori.
Preparazione e uso sintetico
Gli alogenuri alchilici possono essere preparati da alcoli tramite sostituzione del gruppo O-H, per addizione di acidi alogenidrici ad alcheni o per alogenazione radicalica di alcani, a seconda del substrato e della selettività richiesta.
Sono intermedi sintetici versatili: permettono di introdurre gruppi funzionali tramite sostituzione, formare alcheni tramite eliminazione, preparare reattivi organometallici come Grignard e costruire legami C-C in alcune strategie. Proprio per la loro reattività, molti sono anche tossici, lacrimogeni, alchilanti o ambientalmente problematici.
Stereochimica
La stereochimica è diagnostica del meccanismo. Una S_\mathrm{N}2 su un centro stereogenico produce inversione di configurazione, perché il nucleofilo attacca dal lato opposto al gruppo uscente. Una S_\mathrm{N}1 può dare miscela di configurazioni per attacco su entrambe le facce del carbocatione, anche se effetti di coppia ionica possono impedire una racemizzazione perfetta.
Nelle eliminazioni E2, la geometria antiperiplanare controlla quale idrogeno beta può essere rimosso. In cicli, questa condizione può rendere selettiva o impedita una certa eliminazione.
Errori comuni
Il primo errore è scegliere il meccanismo guardando solo il grado del substrato. Servono anche nucleofilo/base, solvente e temperatura. Il secondo è considerare sempre l’alogeno come unico fattore di reattività: un ioduro terziario e un ioduro primario possono reagire in modi molto diversi. Il terzo è ignorare la competizione tra sostituzione ed eliminazione.
Gli alogenuri alchilici sono quindi composti chiave perché concentrano in un solo gruppo funzionale polarità, gruppo uscente e possibilità di meccanismi alternativi. La loro chimica è una palestra centrale per prevedere reattività organica.
Vedi anche: Sostituzione Nucleofila, Eliminazione Organica.