La reazione di Michael consiste nell'addizione di un nucleofilo (il classico esempio sono gli enolati) al doppio legame di un sistema α,β insaturo. E' un importante metodo per costruire legami C-C e composti 1-5 dicarbonilici (e non solo).
Sistemi α,β insaturi
Abbiamo visto che di per sé, un doppio legame si comporta come una specie nucleofila (si veda ad esempio a l'alogenazione degli alcheni. C'è una particolare condizione però, in cui può comportarsi come un elettrofilo. E' il caso dei sistemi carbonilici α,β insaturi.
Il sistema α,β insaturo, come quello dell'esempio, viene chiamato "accettore di Michael". Le sue formule di risonanza possono spiegarne la reattività efficacemente.
Abbiamo in effetti due centri elettrofili. Uno corrisponde al carbonio carbonilico (C=O), mentre l'altro corrisponde al carbonio β. Il termine hard indica che il carbonio carbonilico ha una maggiore parziale carica positiva (δ+) e tende quindi a reagire con nucleofili hard, ovvero specie piccole ed elettronegative, come ad esempio O. Questo tipo di interazione si dice a "controllo elettrostatico". Il termine soft invece indica che il carbonio β ha una minore parziale carica positiva e un maggior carattere LUMO, quindi le sue interazioni sono a "controllo orbitalico". Questo nella pratica significa che reagirà più facilmente con nucleofili soft, atomi più grandi, meno elettronegativi, con cui c'è maggiore sovrapposizione orbitalica HOMO-LUMO.
Fattori che controllano la selettività verso l'addizione di Michael
Abbiamo visto in sintesi di cianidrine che addizionando NaCN ad un aldeide o chetone:
Il risultato è l'addizione del nucleofilo al carbonile. Ma se cambiamo leggermente le condizioni di reazione quello che succede è:
l'addizione è al doppio legame secondo Michael.
Ma da cosa dipende questa diversa reattività? Può essere largamente spiegata dalle formule di risonanza mostrate in precedenza (reazioni a controllo "elettrostatico" e di "sovrapposizione orbitalica"), ma spesso occorre giustificarla in termini di cinetica e termodinamica. In generale la reazione al carbonio β è favorita dal punto di vista termodinamico, mentre quella al carbonile è favorita dal punto di vista cinetico.
In ogni caso c'è una casistica ben nota per prevedere la selettività verso la reazione di Michael dei nucleofili più comuni, riassumibile in pochi punti.
- condizioni in cui un nucleofilo si addiziona ad un sistema α,β insaturo secondo Michael.
- Nucleofili all'ossigeno → ambiente basico.
- Nucleofili all'azoto → ambiente basico/neutro.
- Nucleofili al carbonio → dipende dal carattere hard/soft della specie:
- Grignard e composti di organo-litio (hard) → addizione a C=O.
- Enolati ed analoghi (soft) → addizione a C=C.
Ecco alcuni esempi:
- Nucleofili all'ossigeno
- Nucleofili all'azoto
- Nucleofili al carbonio → Grignard e organo-litio
Come mai nella prima reazione si ha un addizione secondo Michael? Perché Cu(I), proveniente per esempio da CuCN, è funzionale alla transmetallazione del composto di Grignard. Il magnesio viene sostituito dal rame, meno elettropositivo. Il legame rame-carbonio è quindi meno polarizzato rispetto a quello magnesio-carbonio, e ne consegue un carattere maggiormente "soft" del carbonio. In sintesi, il carattere soft del metallo si riflette sul comportamento del carbanione, che quindi reagisce al carbonio "soft" dell'accettore di Michael.
Nucleofili al carbonio → enolati e analoghi
Meccanismo di reazione
Finora non abbiamo mai mostrato come effettivamente si muovono gli elettroni durante l'addizione coniugata. Supponiamo di generare un enolato con idrossido di sodio, NaOH. Come abbiamo appena visto gli enolati si addizionano ad un sistema α,β insaturo secondo Michael (a livello di C=C). Da questa prima reazione otterremo però un prodotto ancora in forma enolica, come sale di sodio.
Per terminare effettivamente la reazione occorre fornire un protone al sistema (H2O). Otteniamo un enolo che rapidamente tautomerizza a dare il prodotto 1,5 dicarbonilico (nell'esempio).
