Le addizioni elettrofile ad alcheni ed alchini passano spesso per un carbocatione e vengono governate dalla regola di Markovnikov, possiamo aggirare questa regola e in questo articolo parleremo dell’idratazione anti-Markovnikov degli alcheni.
L’IDRATAZIONE
Con il termine idratazione in Chimica Organica intendiamo l’aggiunta di acqua (H2O) a una molecola di partenza. L’acqua è una molecola molto versatile e riesce a reagire con molti gruppi funzionali, in questo articolo andremo a vedere una particolare reazione tra alcheni e le molecole di acqua. Particolare perchè il prodotto che andremo a ottenere non è quello che ci aspetteremmo.
In un altro articolo ho trattato in dettaglio l’idratazione “classica” di alcheni ed alchini, consiglio di darci una lettura anche veloce per cogliere le differenze con quello che andremo a trattare in questo articolo.
Giusto per rinfrescarci la memoria sappiamo che l’idratazione “classica” di alcheni\alchini procede tramite una reazione acido catalizzata con formazione di alcol (alchene) o chetone (alchino), queste 2 reazioni di addizione sono regioselettive e seguono la regola di Markovnikov, cioè l’attacco di H2O avviene sul Carbonio più sostituito.
Riassumendo abbiamo che:
Il Carbonio con l’asterisco è quello più sostituito ed in entrambi i casi l’atomo di O è legato a quel Carbonio.
Grazie all’idratazione classica riusciamo ad ottenere degli alcoli in maniera regioselettiva, cioè sappiamo già in anticipo su quale atomo di C avverrà l’attacco di H2O, otteniamo quindi solo uno dei prodotti possibili. Ma se mai avessimo bisogno di attaccare un gruppo -OH sul C meno sostituito come possiamo fare?
È questa la domanda che si sono posti gli scienziati che sono arrivati alla progettazione della reazione che vedremo tra poco. Grazie a conoscenze di Chimica Inorganica combinate a conoscenze di Chimica Organica fu possibile progettare una reazione altamente specifica e fatta letteralmente su misura che permette di ottenere il prodotto di idratazione con -OH sul Carbonio meno sostituito, parliamo in questo caso di addizione anti-Markovnikov perchè avviene in maniera opposta a quello che dice la regola.
IDROBORAZIONE – OSSIDAZIONE
L’idea alla base dell’addizione anti-Markovnikov di H2O è riassumibile in 2 concetti fondamentali.
- L’elettrofilo attacca sempre, o quasi, il Carbonio del doppio legame meno sostituito.
- Questo elettrofilo inserito sul C meno sostituito a sua volta deve reagire con un atomo di O scambiandosi di posto.
Seguendo questi 2 punti è possibile progettare su misura una reazione che ci dia il prodotto richiesto.
Gli scienziati sono arrivati alla conclusione che il reattivo più adatto per riuscire a seguire questi 2 punti fosse un composto a base di Boro (B), in particolare il borano (BH3). Questo composto è particolarmente adatto allo scopo della nostra sintesi perchè essendo un buon acido di Lewis è di conseguenza un buon elettrofilo.
In questo composto l’atomo di B ha intorno a sè solo 6 elettroni e quindi non ha raggiunto l’ottetto, dispone di un orbitale 2p vuoto che può accettare elettroni da una specie donatrice. Essendo un accettore di elettroni questo composto è un elettrofilo e si comporta nei confronti degli alcheni\alchini allo stesso modo di H+. Il borano sotto forma di BH3 è gassoso ed è altamente instabile, ha una forte tendenza a esplodere quando viene in contatto con l’Ossigeno atmosferico, per evitare questo il borano viene commercializzato in tetraidrofurano (THF). Il borano spontaneamente si aggrega a formare un dimero, cioè 2 molecole di borano si legano insieme per formare una molecola unica più stabile. In soluzione di THF il diborano viene complessato a formare una specie stabile e maneggiabile.
Nell’idratazione classica era H+ la specie elettrofila che andava ad attaccare il C del doppio legame, in questo caso cambiamo elettrofilo e vedremo che cambia anche il prodotto che otteniamo.
Una volta fatto reagire il borano con l’alchene, ottengo un composto detto organoborano che può essere facilmente trasformato ad alcol con dei reattivi molto semplici, i dettagli saranno spiegati nei prossimi paragrafi.
Dall’idratazione di un alchene ci aspettiamo la formazione di un alcol. In questo caso otterremo un alcol sul C del doppio legame meno sostituito, andiamo a vedere quindi quali sono i passaggi che portano alla sua formazione.
IDROBORAZIONE
Abbiamo quindi detto che il borano può fungere da elettrofilo e quindi facciamolo reagire con un nucleofilo, in questo caso un alchene.
La reazione che avviene è una reazione concertata, cioè avviene in un solo passaggio. Gli elettroni del doppio legame C=C vanno a legarsi con l’orbitale 2p vuoto del borano come nell’immagine.
Il borano prima viene attaccato dal C meno sostituito e successivamente si ha la rottura di un legame B-H. Questo H andrà a legarsi con l’altro C che prima formava il doppio legame, siamo arrivati sempre a una situazione dove ogni C forma 4 legami. Per quale motivo il borano viene attaccato dal C meno sostituito?
Le ragioni sono principalmente 2:
- Sul C meno sostituito c’è meno ingombro sterico e di conseguenza l’attacco è più favorito, c’è più spazio per potersi inserire. Questo però non basta a giustificare un attacco così selettivo.
- L’altro contributo, più significativo, è un po’ più difficili da capire. Durante la rottura del doppio legame C=C e la formazione del legame C-B, il nuovo legame C-H non è ancora stato formato e quindi si viene a creare per poco tempo una parziale carica positiva sul quel C. Siccome si assiste alla creazione di un “carbocatione“, anche se per poco tempo, la molecola preferirà avere la carica positiva sul C più sostituito. Ecco quindi perchè l’attacco di BH3 avviene sul C meno sostituito.
Se guardiamo bene il punto 2 ci accorgiamo che l’addizione di BH3 segue la regola di Markovnikov perchè l’elettrofilo si attacca al C meno sostituito così che la carica positiva vada a trovarsi sul C più sostituito.
Un’altra cosa che possiamo osservare dal disegno è che l’addizione di BH3 è un’addizione sin specifica, cioè B e H si attaccano dalla stessa parte del legame.
La parola idroborazione ci indica quindi il passaggio dove alla stessa molecola aggiungiamo un idro, cioè un H, mentre borazione sta ad indicare l’aggiunta di B.
OSSIDAZIONE
La seconda parola del titolo è ossidazione, andiamo quindi a vedere a cosa si riferisce.
Dall’idroborazione abbiamo ottenuto un organoborano, non di certo un gruppo alcolico (-OH), per di più non abbiamo neanche aggiunto acqua. La vera reazione di idratazione è questa che vedremo ora.
Gli organoborani trattati in soluzione acquosa basica con acqua ossigenata (H2O2) danno origine agli alcoli.
Tramite questa reazione otteniamo un alcol a partire da un organoborano. L’acqua ossigenata funziona da ossidante nei confronti del Carbonio legato al Boro perchè passando da un legame C-B a C-O c’è un aumento del numero di ossidazione, ecco quindi a cosa si riferisce la parola ossidazione nel titolo.
Nell’immagine sopra è stato evidenziato in verde l’O dell’acqua e notiamo che è lo stesso presente nel gruppo alcolico, in realtà non è quell’Ossigeno che si attacca ma il colore serve solo a visualizzare meglio il fatto che effettivamente si è formato un alcol.
Il meccanismo di reazione non è uno dei più facili, cerchiamo di capirne i punti importanti:
Nel primo step vediamo l’anione perossido (HOO–), ottenuto dalla reazione dell’acqua ossigenata con lo ione OH–, che attacca l’organoborano ottenuto in precedenza. Il tutto continua poi con un riarrangiamento e successivamente si ha la fuoriuscita di una specie che contiene legami B-OH. La formazione appunto dei legami B-O è molto favorita ed è la forza trainante che spinge la reazione fino alla formazione di un alcol.
L’atomo di O che effettivamente si attacca è quello segnato in rosso e come possiamo ben vedere deriva dall’anione perossido e non da H2O. L’acqua in questa reazione quasi non interviene ma è comunque giusto chiamarla una reazione di idratazione perchè alla fine otteniamo un alcol. Alla fine in sostanza questo meccanismo ci dice che un gruppo -OH prendere il posto del Boro.
STEREOCHIMICA
Abbiamo quindi capito il perchè si ottiene l’alcol sul C meno sostituito, usando questi reagenti otteniamo sempre in quantità maggiori l’alcol meno sostituito. Parliamo quindi di una reazione regioselettiva perchè -OH si viene a trovare quasi esclusivamente su uno dei 2 possibili atomi di C del doppio legame. Ovviamente da questa reazione ottengo una % molto elevata del prodotto con l’-OH sul C meno sostituito ma non significa che lo ottengo al 100%. L’altro prodotto, cioè quello con l’-OH sul C più sostituito lo si ottiene lo stesso ma con % molto basse, generalmente meno del 5%. Nell’ultimo paragrafo vedremo come aumentare la selettività.
In definitiva questa reazione è detta di idratazione anti-Markovnikov appunto perché -OH non è nel punto atteso dalla regola. Per ottenere l’idratazione anti-Markovnikov siamo comunque passati per una reazione che segue le regola di Markovnikov, cioè l’addizione di BH3 all’alchene.
Siccome l’addizione di BH3 è sin specifica nei confronti del doppio legame e la parte di ossidazione non interagisce con la stereochimica della reazione quello che si ottiene alla fine sono 2 enantiomeri.
Tratteremo in un altro articolo in maniera più dettagliata la stereochimica di questa reazione.
PER FINIRE
Per concludere l’articolo spendiamo altre due parole circa il borano e il suo comportamento.
Abbiamo visto che il borano reagisce con un alchene addizionandosi e formando così un organoborano che contiene una catena carboniosa e altri 2 atomi di H. Siccome il Boro quando è sotto forma di organoborano non ha l’ottetto pieno e presenta ancora degli H nessuno vieta che possa dare ancora altre reazioni con altre molecole di alchene. Il BH3 in totale può perdere i suoi 3 atomi di H e sostituirli con 3 catene carboniose, secondo questa reazione. L’ultima reazione non è mostrata.
In questa maniera ottengo un organoborano trisostituito. Ovviamente poi la reazione di ossidazione avverrà in maniera indipendente su ogni catena carboniosa portando alla formazione di un massimo di 3 molecole di alcol per ogni molecola di BH3 impiegata.
Man mano che aumentano le catene carboniose sull’atomo di Boro aumenta anche il volume di questa molecola e conseguentemente aumenta l’ingombro sterico che la molecola può generare. BH3 sarà la molecola meno ingombrante mentre BHR2 sarà la molecola più ingombrante che potrà reagire con un alchene, BR3 al massimo può ossidarsi ma non ha più H da dare a un alchene. Più una molecola è grossa e più tenderà a reagire sui siti meno ingombranti, nel caso di un alchene andrà a reagire sul Carbonio meno sostituito.
Utilizzando un borano ingombrato, cioè BHR2, si avrà una maggiore selettività rispetto a BH3 perchè la probabilità che questa grossa molecola possa attaccarsi sul C più sostituito è molto più bassa rispetto alla probabilità che lo faccia BH3 che è una molecola meno grossa. Già di per sè la possibilità che BH3 si attacchi al C più sostituito è molto bassa.
Utilizzando quindi borani disostituiti si ha la massima selettività abbassando le % del prodotto secondo Markovnikov.
Per questo motivo in commercio sono presenti molecole, come quella nell’immagine sottostante, chiamata 9-BBn, che avendo già due H sostituiti risulta essere adatta allo scopo.
Per di più questa molecola essendo un biciclo è altamente rigida e l’ingombro sterico che genera è ancora più elevato, aumentando ancora di più la selettività della reazione.
