Reazioni organiche di Sostituzione ed Eliminazione

by Roberto Poeti

.L’insegnamento di Chimica Organica

Questo articolo mi è stato suggerito da una comunicazione del Journal of Chemical Education  della American Chemical Society . Nella comunicazione di Kate J.Graham ( Department of Chemistry, College of Saint Benedict and Saint John’s University, Saint Joseph, Minnesota , USA ) è contenuto un diagramma ad albero sulle reazioni di sostituzione  ed eliminazione  ( SN1,SN2E1,E2 ) . E’ uno  strumento  didattico che può essere di grande utilità per l’insegnante .

La didattica delle reazioni  organiche di Sostituzione ed Eliminazione

 

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Mi è capitato durante il mio insegnamento di chimica organica , nell’affrontare il grosso e importante capitolo delle reazioni organiche di sostituzione ed  eliminazione , di  trovare qualche difficoltà nel presentare agli studenti le diverse condizioni  che favoriscono queste reazioni . Il diagramma di flusso, contenuto  nella comunicazione , contribuisce a semplificare questo capitolo fondamentale della chimica organica . Nel diagramma a flusso  i punti interrogativi    sono  contenuti nei rettangoli . Le alternative  agli interrogativi partono dai quadrati  .  Le risposte  sono contenute nelle ellissi .

Le pre-conoscenze necessarie

Prima di affrontare lo sviluppo del diagramma con gli  studenti l’insegnante     avrà già affrontato  le quattro tipologie di reazioni, di ognuna delle quali avrà sottolineato   le condizioni che le favoriscono  . In questo contesto è precisato il significato di base debole e forte  , nucleofilo debole e forte , di affollamento e impedimento sterico , di gruppo uscente , stabilità dei carbocationi   ecc.. .

Il diagramma di flusso

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Come leggere il diagramma di flusso
Domanda  1°

Nella domanda 1 del diagramma è posta la condizione perché possano avvenire le quattro reazioni : ibridazione del carbonio sp3 , a cui deve essere legato un buon gruppo uscente .

Domanda 2°

Nella domanda 2 è contenuta una condizione ulteriore che esclude o meno  le reazioni di eliminazione. La condizione perché queste ultime avvengano è la presenza di almeno un idrogeno in posizione β .

Domanda 3°

Nella domanda 3 è posta un interrogativo che spesso non compare nei testi scolastici . Per le reazioni di eliminazione E2 occorre che tra il legame dell’idrogeno β e il legame del gruppo uscente vi sia complanarità , cioè l’esistenza nella molecola di un piano che li contenga entrambi .  E’ una condizione necessaria perché si formi il doppio legame , che segue alle reazioni di eliminazione E2. In altre parole l’orbitale di legame dell’idrogeno e quello del gruppo uscente si dovranno sovrapporre per la formazione del doppio legame . Nell’ 1-Bromo – 2,2,6 -trimetil- cicloesano la non complanarità del legame dell’idrogeno β con quello del gruppo uscente – Br rende poco probabile una reazione E2 . La figura seguente mette in evidenza questa  non complanarità.

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Domanda 4°

Nella domanda 4 si chiede se è presente una base molto forte come  R: , H: , NH :  , oppure una base forte come OH :   Le reazioni E2 sono favorite dalla presenza di una base molto forte . Con una base forte c’è competizione tra E2 e SN2  . Una base debole esclude le reazioni E2 , mentre rende possibili le altre SN1 , SN2, E1.

Domanda 5° e  6°

Le domande 5 e 5a si riferiscono alla struttura del substrato . Un gruppo uscente su un carbonio terziario favorisce la formazione di una carbocatione e quindi quelle reazioni come SN1 e E1 che hanno come fase intermedia la formazione di un carbocatione . La reazione SN2 è invece favorita nei carboni primari dove è sfavorita la formazione del carbocatione .

La domanda 6 distingue tra solventi aprotici e protici . L’ambiente di reazione , cioè il solvente in cui si svolge la reazione, può essere in grado di stabilizzare un carbocatione , attraverso interazioni dipolari con le molecole del solvente protico come acqua , alcol metilico ecc.…Favorendo la formazione del carbocatione favoriscono le reazioni come SN1 , E1 che avvengono proprio attraverso la formazione di un carbocatione .

Domanda 7°

La domanda 7 selezione ulteriormente sulla base della temperatura del sistema di reazione .

Domanda 8°

La domanda 8 infine si chiede se attorno alla base entrante o al substrato sono presenti gruppi ingombranti o impedimento sterico . Qualora fosse presente in una possibile reazione E2 e SN2 , entrambe bimolecolari, sarebbe favorita la E2 poiché quest’ultima va ad interessare l’idrogeno in posizione β , che occupa quindi una posizione periferica , dove l’ingombro sterico è meno avvertito.

Consigli

Dopo aver discusso con lo studente il diagramma di flusso , un esercizio di verifica potrebbe essere quello di eliminare  le risposte contenute nelle ellissi e via via che si procede alla letture delle domande del diagramma , reinserire , motivandole ,  le risposte opportune  .

L’articolo in inglese del Journal Chemical Education

 

 

 

 

 

 

 

 

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