I gruppi uscenti

Il gruppo uscente è quell'atomo o molecola solitamente carichi che si distaccano dal carbonio sp3 cui erano legati a seguito di una reazione di sostituzione nucleofila. Il gruppo uscente (spesso indicato con la sigla Lg → "leaving group") prende i due elettroni del legame che si rompe con il carbonio e viene rimpiazzato da un altro atomo o molecola, il nucleofilo.

schema generale della sostituzione nucleofila

Il gruppo uscente in realtà, contribuisce esso stesso a rendere una molecola reattiva rispetto ad una reazione nucleofila. Infatti, l'atomo che è direttamente legato col carbonio è generalmente più elettronegativo del carbonio stesso. Prendiamo ad esempio una molecola di alogenuro alchilico, il composto chimico più comune da trattare parlando di sostituzione nucleofila.

cloro metano

Dato che gli elettroni di legami sono attratti più fortemente dal cloro, il carbonio presenta una parziale carica positiva δ+. Proprio questo rende il carbonio un centro reattivo elettrofilo, suscettibile di attacchi nucleofili.

In generale, in chimica organica si parla di buoni gruppi uscenti di quei frammenti che lasciano il carbonio saturo e si staccano come ioni o molecole relativamente stabili. In sostanza, se il gruppo uscente è stabile come molecola o ione a se stante, è molto facile che venga rimpiazzato da un nucleofilo in una reazione di sostituzione nucleofila.

In generale, i buoni gruppi uscenti hanno carattere debolmente basico o sono ioni stabili. Secondo una regola empirica, data una generica sostituzione nucleofila, il gruppo X (es: OH- , Cl- , Br- , HS- ecc.) viene sostituito più facilmente tanto più è acido il suo acido coniugato HX.

Questo perchè, dato che in una S.N. passiamo da uno stato di transizione con una parziale carica negativa, più viene stabilizzato il gruppo uscente più bassa sarà l'energia dello stato di transizione. Di conseguenza, la corrispondente sostituzione avviene più velocemente.

meccanismo di una SN2

Prendiamo ad esempio una base forte, come  lo ione ossidrile OH. Il suo acido coniugato è H2O, che non è certo una specie acida. OH- è quindi un pessimo gruppo uscente.

Tornando al nostro alogenuro alchilico, questi presenta un ottimo gruppo uscente, Cl-, che infatti è l'acido coniugato di HCl, un acido fortissimo.

Ecco una scala di reattività dei gruppi uscenti più comuni:

 

Non a caso, il miglior gruppo uscente è I- , dato che l'acido iodidrico è il più forte degli acidi coniugati dei gruppi uscenti rappresentati.

Trasformare un cattivo gruppo uscente in un buon gruppo uscente

La regola che abbiamo visto è effettivamente valida per classificare la bontà di vari gruppi uscenti. In alcuni casi però, è possibile operare in modo che un normalmente cattivo gruppo uscente diventi un buon gruppo uscente. Il caso più semplice è sicuramente quello degli alcoli. Prendiamo come esempio la molecola del 2-propanolo. Abbiamo detto che OH- è un pessimo gruppo uscente, e di conseguenza non ci aspettiamo che in una soluzione contenente Cl- subisca una sostituzione nucleofila da parte proprio di Cl-. Questo generalmente è vero, ma se alla nostra soluzione aggiungiamo una quantità catalitica di acido riusciamo ad ottenere, almeno parzialmente, il risultato desiderato, ovvero il 2-cloro propano. Ma come è successo?

Abbiamo detto che:

migliorare un gruppo uscente

Perchè l'acido coniugato di OH- è H2O. In presenza di una piccola quantità di acido però:

rendere un buon gruppo uscente

OH- viene protonato; il gruppo uscente è adesso H2O, che è l'acido coniugato di H3O+, l'acido più forte in assoluto in soluzione acquosa (vedi → effetto livellante del solvente). In sintesi OH- è diventato un buon gruppo uscente. E' possibile quindi che avvenga la reazione:

sostituzione alcol cloruro

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