La sostituzione nucleofilo alifatica è una reazione fra un atomo avente una coppia di elettroni di non legame (il nucleofilo) è un atomo di carbonio ibridato sp3 (l’elettrofila), cui è legato un gruppo uscente.
Sono possibili due meccanismi di sostituzione nucleofilo: SN2 e SN1.
SN2
Il termine SN2 indica che sono due le molecole che interagiscono nello stadio lento della reazione, la cui velocità dipende, quindi dalla concentrazione del substrato e del nucleofilo.
Nella SN2 l’attacco da parte del nucleofilo e l’uscita del gruppo uscente sono processi concertati. Essendo questo stato di transizione affollato, si può dedurre che i più propensi a eseguire questo tipo di meccanismo saranno i substrati primari.
Se il carbonio che subisce la reazione e chi reale, esso invertirà la sua configurazione, poiché nucleofilo attacca il carbonio elettrofila dalla parte opposta rispetto al gruppo uscente.
SN1
In una reazione SN1, il meccanismo prevede la scissione del legame carbonio-gruppo uscente con formazione di un Carbocatione, che, in seguito, subisce l’attacco da parte del nucleofilo. Un Carbocatione è una specie molto reattiva in cui è presente un atomo di carbonio abilitato sp2; ogni orbitale p dato ospita una coppia di elettroni per cui Il Carbocatione, essendo circondato solo da sé gli elettroni, è molto elettrofila. Il grado di sostituzione del Carbocatione è indice della sua stabilità: più è sostituito, più è stabile e più si forma velocemente.
L’atomo di carbonio del Carbocatione possiede una capitale p non ibridato che, essendo orientato perpendicolarmente al primo, può subire l’attacco da parte del nucleofilo da entrambi i lati. Se i tre sostituenti intorno al Carbocatione e il nucleofilo sono tutti diversi tra loro si formerà un racemo in altre parole una miscela 50% di due enantiomeri.
Un gruppo uscente e tanto migliore quanto più è in grado di delocalizzare la carica negativa che si sviluppa. Sono buoni gruppi uscenti gli alogenuri, mentre gli ioni idrossido (OH–) e alcossido (RO–) non sono buoni gruppi uscenti; comunque, essi possono essere attivati utilizzando acidi di Lewis o di Brownsted:
La nucleofilicità aumenta all’aumentare della basicità, quindi, le ammine, gli idrossidi e gli alcossidi sono ottimi nucleofili.
SN1 o SN2 ?
Siccome i due processi di sostituzione nucleofilo sono in competizione, bisogna valutare quali sono i fattori che determinano il se è una reazione procederà attraverso un meccanismo SN1 o SN2. Se si considerano le reazioni di sostituzione nucleofilo a carico di alogenuri alchilici si può dire che:
- I primari danno reazioni SN2 perché i Carbo cationi primari sono instabili. Si effettuano in solventi polari aprotici che lasciano il nucleofilo libero di agire con il carbonio elettrofilo.
- I terziari daranno reazioni SN1 per motivi isterici e perché formano Carbocationi intermedi stabili. Si effettuano in solventi polari pratici, che sono in grado di stabilizzare i Carbo catione intermedi mediante legame a idrogeno.
- I secondari sono “borderline”, cioè possono subire l’uno o l’altro meccanismo a seconda delle condizioni di reazione impiegate. I secondari sono “borderline”, cioè possono subire l’uno o l’altro meccanismo a seconda delle condizioni di reazione impiegate. Ad esempio, buoni nucleofili in solventi polari aprotici favoriranno le SN2, mentre i solventi polari protici favoriranno le SN1.