La regola di Markovnikov

La regola di Markovnikov afferma che "Nelle reazione di addizione di un acido alogenidrico ad un alchene asimmetrico, l’idrogeno si lega al carbonio meno sostituito (che lega più atomi di H) e l’alogeno si lega al carbonio più sostituito (ossia quello che ha meno sostituenti H)." 

Si tratta di una regola empirica, nel senso che fu formulata sulla base delle evidenze sperimentali, ma oggi, grazie alle nostre conoscenze sulle struttura atomica e molecolare e sul legame chimico, possiamo spiegare cosa c'è alla base di tale comportamento! 

L’addizione elettrofila di acidi alogenidrici agli alcheni procede attraverso la formazione di un intermedio carbocationico; poichè i carbocationi sono specie molto reattive, molto instabili, è questo il passaggio "lento", che determina la velocità di reazione globale. 

Quindi la base meccanicistica per la regola di Markovnikov sta nel fatto che la protonazione di un doppio legame avviene in modo da fornire il più stabile tra i due possibili carbocationi. 

In pratica, sebbene siano plausibili entrambi i carbocationi, ha modo di reagire con il nucleofilo (nello step successivo) e, quindi, formare il prodotto finale, solo l'intermedio più stabile (o sarebbe meglio dire "meno instabile"...) che, cioè, si forma più velocemente! 

Anche l'addizione di acqua (reazione di idratazione) acido catalizzata segue la regola di Markovnikov .... 

Ecco alcuni video esplicativi:

Idratazione (addizione di H2O)

Step - 1

Step - 2


Step - 3

Addizione di acido alogenidrico

Step - 1


Step - 2

Nella reazione di addizione di un elettrofilo simmetrico come una molecola di alogeno (Cl2 o Br2), il problema non si pone:

Sostituzione Nucleofila (SN) all'atomo di Carbonio saturo e reazione di beta - Eliminazione (E) a confronto

La SN è un tipo di reazione che riguarda solo ed esclusivamente l'atomo di Carbonio saturo, cioè ibridizzato sp3 e che forma 4 legami covalenti singoli con altrettanti atomi o gruppi di atomi, uguali o diversi tra loro. Quindi sono esclusi i C aromatici e vinilici (cioè gli atomi di C ibridizzati sp2, che formano legami più corti e più forti rispetto al Csp3, in quanto l'oribtale ibridizzato sp2 ha una % di carattere "s" maggiore rispetto all'orbitale ibridizzato sp3).

Tale atomo di Carbonio deve essere impoverito di elettroni, cioè deve essere un sito elettrofilo, e quindi deve essere legato ad un atomo molto elettronegativo; ma ciò non basta! Tale atomo molto elettronegativo deve a sua volta essere o fare parte di un gruppo di atomi che possa "uscire", distaccarsi dal resto della molecola formando una specie chimica stabile (essere cioè un "buon gruppo uscente").

Buoni gruppi uscenti sono gli alogeni (I, Br e Cl) che escono come ioni alogenuro (I-, Br- e Cl-, basi debolissime), ma non il fluoro che uscirebbe come ione fluoruro (F^-) che è una base debole ma cmq più forte degli altri ioni alogenuro; l'ossidrile protonato (quindi in ambiente acido) che esce come molecola di acqua, ma non l'ossidrile che uscirebbe come ione idrossile (OH-, base forte...per lo stesso motivo non può essere sostituito un atomo di idrogeno che uscirebbe come ione idruro H^-); lo ione diazonio che esce come molecola di azoto N₂; i tosili e i mesili, che escono come tosilati e mesilati stabili per risonanza; ...

La SN può avvenire con due diversi meccanismi a seconda della natura del substrato e delle condizioni di reazione:

SN₂ = meccanismo concertato - bimolecolare  => 2° ordine cinetico =>  velocità dipendente dalla concentrazione del substrato e del nucleofilo (entrambi presenti nello stato di transizione dello stadio lento della reazione); il decorso stereochimico prevede inversione di configurazione se il C coinvolto è chirale. Le caratteristiche da tener prensenti sono:

a) lo stato di transizione è meno polare rispetto ai reagenti quindi è favorito da solventi polari aprotici

b) lo stato di transizione vede il C pentacoordinato, quindi è favorito a partire da un substrato stericamente poco ingombrato (un C metilico o primario o, al massimo, secondario)

c) il nucleofilo attacca il C elettrofilo prima che si rompa il legame col gruppo uscente, quindi ha una certa urgenza di reagire, ossia è un nucleofilo forte (in genere, carico negativamente)

SN₁ = meccanismo a due stadi - monomolecolare  => 1° ordine cinetico => velocità dipendente solo dalla concentrazione del substrato (nello stato di transizione dello stadio lento della reazione è presente solo il tione-substrato); il decorso stereochimico prevede racemizzazione se il C coinvolto è chirale. Le caratteristiche da tener prensenti sono:

a) l'intermedio di rezione è un carbocatione (+ il gruppo uscente, negativo) per cui è più polare rispetto ai reagenti quindi è favorito da solventi polari protici

b) l'intermedio di rezione è un carbocatione, quindi è favorito a partire da un substrato stericamente ingombrato di modo che il C positivo venga stabilizzato dall'effetto induttivo e iperconiugativo delle catene alchiliche a cui è legato (un C terziario o, al massimo, secondario)

c) il nucleofilo attacca il C elettrofilo dopo che si è spezzato il legame col gruppo uscente, quindi non ha fretta  di reagire, ossia è un nucleofilo debole (in genere, neutro)

Inoltre la SN è competitiva con la reazione di beta - eliminazione (E) in quanto molto spesso i reagenti nucleofili sono anche delle basi forti!

Anche la E può avvenire con due diversi meccanismi a seconda della natura del substrato e delle condizioni di reazione:

E₂ = meccanismo concertato - bimolecolare  => 2° ordine cinetico =>  velocità dipendente dalla concentrazione del substrato e della base (entrambi presenti nello stato di transizione dello stadio lento della reazione); il decorso stereochimico prevede che la base strappi un atomo di H in posizione beta e in ANTI-pleriplanare (dalla parte opposta e sullo stesso piano) rispetto al gruppo uscente.

E₁ = meccanismo a due stadi - monomolecolare  => 1° ordine cinetico => velocità dipendente solo dalla concentrazione del substrato (nello stato di transizione dello stadio lento della reazione è presente solo il carbocatione-substrato, lo stesso della SN₁!!!)

Ripercorriamo le condizioni dei 4 meccanismi SN₁, SN₂, E₁, E₂:

SN₁:

‒        substrato: 3° (anche allilicoe benzilico), 2° (anche allilico e benzilico), 1° solo se allilico o benzilico!

‒        solvente: polare protico (es. alcool, acido)

‒        nucleofilo: debole (neutro)

E₁:

‒        substrato: 3° (anche allilicoe benzilico), 2° (anche allilico e benzilico), 1° solo se allilico o benzilico!

‒        solvente: polare protico (es. alcool, acido)

‒        base: debole (neutra)

NB: sono le stesse condizioni!

SN₂:

‒        substrato: 2° (anche allilico e benzilico), 1° (anche allilico e benzilico), metilico

‒        solvente: polare aprotico (es. acetone, DMS dimetilsolfossido, DMF dimetilformammide)

‒        nucleofilo: forte (carico)

E₂:

‒        substrato: 3° (anche allilico e benzilico), 2° (anche allilico e benzilico) e 1°

‒        solvente: polare protico (alcool o acqua)

‒        base: forte (carico)

Quindi:

‒        i substrati 3° possono dare SN₁/E₁ oppure E₂ a seconda delle condizioni;

‒        i substrai 2° possono dare SN₁/E₁ oppure SN₂ oppure E₂ a seconda delle condizioni;

‒        i substrari 1° possono dare SN₂ oppure E₂ a seconda delle condizioni;

‒        i substrati metilici, solo SN₂.

NB:

*sono nucleofili forti, ma NON basi forti tutti gli alogenuri e i solfuri ( => solo SN₂ se il substrato lo permette)

*sono nucleofili e basi forti, gli alcossidi e lo ione ossidrile (il carattere bascio è esaltato dal solvente protico => E₂; se il solvente è aprotico => SN₂, se il substrato lo permette)

*ma se lo ione alcossido è stericamente ingombrato, come ad es. il terz-butossido di potassio ^tBuOK, esso NON agisce come nucleofilo, ma solo come base!

        *Zaitsev: si forma l'alchene più sostituito;

          Anti- Zaitsev: si forma l'alchene meno sostituito.

La SN₁ e la E₁ sono SEMPRE competitive, infatti le condizioni che favoriscono l'una, favoriscono anche l'altra:

1) un substrato 3° o cmq in grado di formare un carbocatione stabile

2) un solvente polare e protico che stabilizza il carbocatione intermedio

3) un nucleofilo/base debole, quindi non carico, spesso è lo stesso solvente

Questo è uno dei motivi per cui nelle sintesi si cerca di evitare la SN₁ e, se possibile, si preferisce un meccanismo SN₂ (altro motivo è il fatto che la SN₁ determina racemizzazione e inoltre il carbocatione intermedeio ha come ulteriore via per stabilizzarsi, la trasposizione, che modifica radicalmente la catena carboniosa!!!).

Si può cmq favorire una SN₁ rispetto ad una E₁ agendo sui seguenti paramentri:

a) utilizzare una specie che sia nucleofila ma non basica!

b) il nucleofilo/base non deve essere troppo ingombrato stericamente

Si può  favorire una E₁ rispetto ad una SN₁ agendo sui seguenti paramentri:

a) lavorare a caldo! le alte temeperature facilitano la formazione di molecole "più piccole,  come gli alcheni che, rispetto ai prodotti di sostituzione, sono meno ingombrati.

b) il nucleofilo/base deve essere stericamente ingombrato, in modo che la sua entrata sul carbocatione come nucleofilo, sia sfavorita.

La forma delle molecole

Le formule di Lewis sono una rappresentazione conveniente degli elettroni di valenza che  consente di seguire gli elettroni di valenza durante la formazione dei legami. Consiste nel simbolo chimico dell’elemento, più un punto per ogni elettrone di valenza. Ad esempio la configurazione elettronica dello zolfo è [Ne]3s2 3p4 , quindi ha sei elettroni di valenza. Il suo simbolo di Lewis sarà:

I punti (che rappresentano elettroni) si collocano ai quattro lati del simbolo atomico. Ogni lato può accomodare fino a 2 elettroni.

La geometria molecolare è la disposizione relativa nello spazio degli atomi costituenti una molecola o di un composto covalente a struttura infinita. Essa si esprime in termini di angoli di legame.

Il modello delle repulsioni fra coppie elettroniche del guscio di valenza, cioè la VSEPR, Valence Shell Electron Pair Repulsion, permette di prevedere la disposizione spaziale degli atomi legati a un atomo centrale in base al numero di coppie elettroniche esistenti nel guscio di valenza.A tale scopo, si considera che le coppie elettroniche (di legame e solitarie) occupino degli spazi sferici intorno al nucleo (sfere elettroniche).

Ciascuna coppia può essere localizzata fra due atomi (coppia di legame) o su un solo atomo (coppia solitaria).

Le coppie di elettroni in un guscio di valenza si dispongono in modo da rendere massima la distanza di mutua separazione, ovvero, le coppie elettroniche si comportano come se esercitassero un reciproco effetto repulsivo:

Numero di coppie	Poliedro previsto
2	Lineare
3	Triangolo equilatero
4	Tetraedro
5	Bipiramide Trigonale
6	Ottaedro
7	Ottaedro Monopiramidato
8	Antiprisma quadrato
9	Prisma Trigonale tripiramidato

VIDEO: la VSEPR in musica:

Secondo la teoria del Legame di Valenza, cioè la teoria VB o Valence Bond, la direzione in cui si forma il legame è quella che porta alla massima sovrapposizione fra gli orbitali atomici.

La massima stabilizzazione energetica dovuta al legame si ha, quindi, quando l’asse del legame (asse internucleare) coincide con l’asse principale degli orbitali atomici che si devono sovrapporre. Per tanto la teoria VB utilizza il concetto di ibridizzazione degli orbitali atomici per spiegare (e all’occorrenza) prevedere la geometria delle molecole.

Procedura generale per ricavare le formule di Lewis:

1.           Somma gli elettroni di valenza di tutti gli atomi (gli elettroni di valenza coincidono col gruppo di appartenenza per ogni elemento)

2.           Aggiungi un elettrone per ogni carica negativa indicata, sottrai un elettrone per ogni carica positiva indicata

3.           Individua l’atomo centrale (usualmente quello meno elettronegativo o, meglio, quello che ha bisogno di formare più legami covalenti per raggiungere l’ottetto e/o possiede più orbitali vuoti).

4.           Scrivi i simboli per gli altri atomi attorno a quello centrale nel modo più simmetrico possibile; in genere se gli atomi esterni (periferici) sono atomi di ossigeno, gli atomi H sono legati a questi e non direttamente all’atomo centrale (tranne eccezioni).

5.           Distribuisci gli elettroni di valenza totali nel seguente modo:

ü  prima i legami singoli tra l’atomo centrale e quelli periferici legame singolo.

ü  poi completa gli ottetti degli atomi legati all’atomo centrale (H ne ha solo due già colocati nel legame singolo con l’ossigeno o l’atomo centrale)

ü  infine colloca qualsiasi elettrone rimanente sull’atomo centrale

6.           Se non ci sono elettroni sufficienti per dare all’atomo centrale un ottetto, prova legami multipli (usa uno o più doppietti non condivisi di elettroni degli atomi legati all’atomo centrale per formare legami doppi o tripli)

7.           Somma le coppie solitarie sull’atomo centrale con i legami σ da esso formati = numero sterico. Da questo ricava ibridazione e geometria

8.           Calcola le cariche formali (CF) su ciascun atomo nel seguente modo:

CF = il numero di elettroni di valenza dell’atomo isolato – (il numero di elettroni esterni di non legame che circondano l’atomo nella struttura + il numero di legami da esso formati)

Se c’è separazione di cariche formali la molecola è un ibrido di risonanza. Allora si scrivono le possibili strutture limite spostando le coppie di elettroni mobili (cioè gli elettroni dei legami sigma e le coppie di non legame degli atomi periferici) da dove ce ne sono di più (ovvero dove si trovano CF negative) verso dove ce ne sono di meno (ovvero verso CF positive) tenendo presente tuttavia che solo gli atomi dal terzo periodo in poi possono espandere l’ottetto quindi se l’atomo centrale appartiene al secondo periodo della tavola periodica non sono ammesse strutture in cui esso è circondato da più di quattro coppie di elettroni. Le formule limite più probabili, in generale, sono quelle con minor numero di cariche totali.

numero sterico	ibridizzazione dell’atomo centrale (angolo)	Modello VSEPR	Geometria molecolare
2	sp (180°)	AX2 AXE	Lineare Lineare
3	sp2 (120°)	AX3 AX2E AXE2	Trigonale planare Planare angolata Lineare
4	sp3 (109,5°)	AX4 AX3E AX2E2	Tetraedrica Piramidale a base triangolare Planare angolata
5	dsp3  (90°, 120°)	AX5 AX4E AX3E2 AX2E3	Bipiramidale a base triangolare A cavalletto A “T” Lineare
6	d2sp3 (90°)	AX6 AX5E AX4E2	Ottaedrica Piramidale a base quadrata Quadrata planare

dove A = atomo centrale, X = atomo periferico ed E = coppia di non legame sull’atomo centrale.

9.           Calcola i numeri di ossidazione (N.O.) di ciascun atomo nel seguente modo:

N.O. = il numero di elettroni di valenza dell’atomo isolato – il numero di elettroni esterni di legame e di non legame che circondano l’atomo nella struttura  (assegnando tutti gli elettroni di legame all’atomo più elettronegativo).

Prendiamo due esempi, SO₃ anidride solforica, e SO₃^2– ione solfito:

Per SO₃ si ha: 6 elettroni dallo zolfo e 6 x 3 elettroni dall’ossigeno = 24 elettroni = 12 coppie.

Per SO₃^2– si aggiungono 2 elettroni per un totale di 13 coppie.

Nel caso di SO₃ ogni O avrà tre doppietti, oltre a quello di legame, mentre S avrà solo i tre doppietti di legame (perciò con soli 6 elettroni attorno); la struttura è trigonale planare.

Nel caso di SO₃^2– avremo, in più, un doppietto libero su S: ciò comporterà una repulsione rispetto ai doppietti di legame S–O, con la trasformazione della struttura da trigonale a tetraedrica distorta; ma in questo caso anche S avrà il suo ottetto completo. Le formule limite più probabili per SO₃ e SO₃^2–:

In quasi tutte S ha espansione dell'ottetto.

Ogni formula contribuisce tre volte, variando ogni volta gli O.

Per quanto riguarda il numero di ossidazione, nel caso di SO₃ ogni O avrà 8 elettroni (NO = 6 – 8 = –2), oltre a quello di legame, mentre S non ne ha alcuno (NO = 6 – 0 = +6).

Nel caso di SO₃^2– avremo: NO(O) = 6 – 8 = –2; NO(S) = 6 – 2 = +4.

Fanno eccezione l'Acido ipofosforoso  H₃PO₂, l'Acido ortofosforoso  H₃PO₃, lo ione tiosolfato  S₂O₃^-2 e l'anidride clorosa Cl₂O₃ .

Ordine di basicità tra molecole organiche (parte II)

Dopo aver suddiviso le diverse molecole in base alla classe di appartenenza (ammine, con Nsp³ > piridine, con Nsp², e aniline) si ordinano i diversi composti all'interno di una stessa classe.

A questo punto entrano in gioco gli effetti induttivi (+/- I) e quelli mesomerici o coniugativi (o di risonanza, +/- M): i sostituenti che esercitano un effetto elettron - donatore tendono ad aumentare la densità elettronica sull'atomo di azoto il quale quindi risulterà più "disponibile" ad acquistare uno ione H⁺ rendendo la base più forte, mentre i sostituenti elettron - attrattori tendono ad abbassarla rendendo la base più debole. Nelle ammine alifatiche possono agire solo gli effetti induttivi mentre nelle ammine aromatiche sono importanti anche e soprattutto gli effetti mesomerici in quanto essi agiscono attraverso i sistemi di legami p-greco coniugati. Molto importante è la posizione relativa. Ad es. il nitrogruppo, che esercita un potente effetto mesomerico elettron - attrattore, agisce più efficacemente (in senso negativo) se posto in posizione orto o para rispetto al gruppo -NH₂; allo stesso modo il gruppo metossi, che esercita un importante effetto mesomerico elettron - donatore, agisce più efficacemente (in senso positivo) se posto in posizione orto o para rispetto al gruppo -NH₂. Per cui:

para-metossi-anilina > meta-metossi-anilina > anilina > meta-nitro-anilina > para-nitro-anilina.

La forza relativa tra molecole basiche si stabilisce anche in base alla maggiore o minore stabilità della base coniugata. Ricordiamo infatti che vale ciò afferma la Teoria di Bronsted, ossia che una base è tanto più forte quanto più debole (e quindi più stabile) il suo acido coniugato.

Ad es. l'imidazolo e la guanidina sono due basi molto forti (e molto più forti della piridina) in quanto i loro acidi coniugati sono ibridi di risonanza:

mentre

Per cui:

guanidina > imidazolo >>> piridina

Anche il solvente gioca un ruolo chiave! Questo perché i valori della Kb (che indica la forza di una base) vengono misurati in mezzo acquoso, quindi, maggiore è il numero di Legami Idrogeno (Vedi VIDEO in basso) che l'acido coniugato potrà formare con le molecole di H₂O, più esso risulterà stabile e quindi più forte sarà la base. Significativo è il caso delle ammine alifatiche. In base agli effetti + I dei gruppi alchilici, le ammine terziarie dovrebbero risultare più forti di quelle secondarie e queste, a loro volta, più forti delle primarie; tuttavia, in base al numero di legami a ponte tra acido coniugato e solvente, le ammine primarie dovrebbero risultare più forti delle secondarie e queste delle terziarie:

Risultato, tra i due litiganti il terzo gode, e le ammine alifatiche secondarie sono le più forti!

VIDEO: Legame Idrogeno in azione (nascita di un fiocco di neve)

Ordine di forza basica tra molecole organiche (parte I)

Le basi organiche per antonomasia sono i composti azotati, quali ammine, piridine, etc.

Per esse, un fattore determinante della forza basica è l'ibridizzazione dell'atomo di azoto. Infatti dal tipo di ibridizzazione dipende l'elettronegatività dell'atomo e tanto più N sarà elettronegativo, tanto meno esso sarà propenso a condividere la propria coppia di elettroni con H⁺.

Passando dalla ibridizzazione sp a sp² a sp³ (Vedi VIDEO in basso), la percentuale di carattere "s" passa, rispettivamente, dal 50 al 33 al 25% e, di conseguenza, l'orbitala ibridizzato che accoglie la coppia elettronica da condividere assume una forma sempre meno sferica, più allungata e, quindi, l'atomo di azoto diventa sempre meno elettronegativo!

Anche i fenomeni di risonanza possono influire in tal senso. Ad es. nell'anilina (apparentemente un'ammina primaria con N sp³) il doppietto dell'azoto è in parte delocalizzato sull'anello aromatico rendendolo di conseguenza meno disponibile! Di fatto, questa risonanza fa assumere al legame C─N parziale carattere di doppio legame con N ibridizzato sp².

Gli effetti mesomerici possono risultare particolarmente importanti se sono di tipo + M o - M. Ad. es nelle ammidi, a causa dell'effetto mesomerico elettro - attrattore esercitato dal C=O, la disponibilità del doppietto sull'azoto è talmente scarsa che le ammidi sono più simili agli acidi che alle basi!

Ricapitolando, per mettere in ordine crescente o decrescente di basicità alcuni composti indicati, è consigliabile in primis suddividere le strutture indicate in base alla classe di appartenenza:

ammine (con Nsp³) > piridine (con Nsp²) e aniline >> nitrili (con Nsp) e ammidi

per poi ordinare i diversi composti all'interno di una stessa categoria, sempre in base alla maggiore o minore stabilità della base coniugata ...

VIDEO: ibridizzazione sp3

VIDEO: ibridizzazione sp & sp2