La disidratazione degli alcoli e la regola di Zaitsev

Scaldando un alcol in presenza di un acido forte, si puo strappare via una molecola d’acqua e formare un doppio legame: e la disidratazione, una reazione di eliminazione che trasforma un alcol in alchene. Quando le possibilita sono piu d’una, il prodotto principale e quasi sempre l’alchene piu sostituito: lo dice la regola di Zaitsev. Capire meccanismo e regioselettivita di questa reazione e fondamentale in sintesi.

Vediamo cos’e la disidratazione, come funziona il meccanismo acido, cosa dice la regola di Zaitsev e quali alcoli si disidratano piu facilmente.

Da alcol ad alchene

La disidratazione e una reazione di eliminazione: dall’alcol si rimuove l’ossidrile (–OH) da un carbonio e un idrogeno dal carbonio adiacente, e i due si combinano formando acqua. Tra i due carboni che hanno perso i loro gruppi si forma un doppio legame C=C: nasce un alchene. La reazione e l’inverso dell’idratazione di un alchene, e i due processi sono in equilibrio; la disidratazione si favorisce lavorando ad alta temperatura e rimuovendo l’acqua che si forma.

R–CH₂–CH₂OH  →  R–CH=CH₂ + H₂O  (disidratazione)

Il meccanismo in ambiente acido

La disidratazione si fa in ambiente acido (tipicamente acido solforico o fosforico concentrato, a caldo) e procede in tre passaggi. Primo: l’ossigeno dell’ossidrile viene protonato, trasformando il pessimo gruppo uscente –OH in un ottimo gruppo uscente, l’acqua. Secondo: l’acqua se ne va lasciando un carbocatione. Terzo: una base (l’acqua stessa o l’anione) strappa un idrogeno dal carbonio adiacente al carbocatione, e si forma il doppio legame. E un meccanismo di tipo E1, che passa per un intermedio carbocationico.

Poiche il meccanismo passa per un carbocatione, l’ordine di reattivita degli alcoli segue la stabilita del catione intermedio: gli alcoli terziari si disidratano piu facilmente (carbocatione terziario stabile), i secondari intermedi, i primari con difficolta (carbocatione primario molto instabile, tanto che il meccanismo tende a cambiare). Questo e l’opposto di quanto accade nell’ossidazione, dove sono i terziari a non reagire.

La regola di Zaitsev

Quando dal carbocatione si possono strappare idrogeni da carboni diversi, si ottengono alcheni diversi. La regola di Zaitsev stabilisce che il prodotto principale e l’alchene piu sostituito, cioe quello con piu gruppi alchilici legati ai carboni del doppio legame. Il motivo e che l’alchene piu sostituito e piu stabile (gli alchili stabilizzano il doppio legame per effetto induttivo e iperconiugazione), e nell’eliminazione E1 lo stato di transizione che porta all’alchene piu stabile e quello a energia piu bassa.

Carbocationi e riarrangiamenti

Poiche la disidratazione passa per un carbocatione, puo verificarsi un riarrangiamento: se uno spostamento di idrogeno o di un gruppo alchilico (shift 1,2) genera un carbocatione piu stabile, la molecola coglie l’occasione. Il risultato e che il doppio legame puo comparire in una posizione diversa da quella attesa, e si possono ottenere alcheni con scheletro riorganizzato. E un effetto da tenere presente quando si pianifica una disidratazione su substrati che possono dare carbocationi piu stabili per migrazione.

Il caso da manuale e la disidratazione di un alcol primario o secondario il cui carbocatione, inizialmente secondario, puo trasformarsi in un piu stabile carbocatione terziario tramite un semplice spostamento di idrogeno verso il carbonio adiacente piu sostituito. Dopo la migrazione, l’eliminazione produce un alchene diverso da quello «ingenuo». Per questo, di fronte a un alcol ramificato, conviene chiedersi sempre se il carbocatione intermedio possa riarrangiare prima di perdere il protone: trascurare questo passaggio porta a previsioni sbagliate sul prodotto principale.

Disidratazione contro sostituzione

Le stesse condizioni acide che disidratano un alcol possono, in linea di principio, dare anche una sostituzione: il carbocatione, anziche perdere un protone (eliminazione), potrebbe essere catturato da un nucleofilo. Nella disidratazione classica si lavora ad alta temperatura proprio per favorire l’eliminazione sulla sostituzione: il calore privilegia il percorso che aumenta il disordine (si forma una molecola d’acqua libera e l’alchene). Abbassando la temperatura e in presenza di un buon nucleofilo, prevarrebbe invece la sostituzione. La temperatura e quindi un parametro operativo decisivo per indirizzare l’alcol verso l’alchene desiderato.

Perche conta nella pratica

La disidratazione e una via classica per introdurre un doppio legame e costruire alcheni a partire da alcoli, disponibili e poco costosi. Saper prevedere quale alchene si formera (Zaitsev), quale alcol reagira piu facilmente e quando attendersi un riarrangiamento permette di pianificare correttamente una sintesi ed evitare miscele indesiderate di prodotti. La reazione e anche importante a livello industriale, per esempio nella produzione di etilene e di alcheni da alcoli, ed e l’inverso dell’idratazione che si usa per il processo opposto.

Domande frequenti

Cos’e la disidratazione di un alcol?

E una reazione di eliminazione in cui da un alcol si rimuove una molecola d’acqua, formando un doppio legame carbonio-carbonio e quindi un alchene. Si rimuovono l’ossidrile da un carbonio e un idrogeno dal carbonio adiacente. Avviene scaldando l’alcol in presenza di un acido forte come l’acido solforico o fosforico concentrato, ed e l’inverso dell’idratazione di un alchene.

Cosa dice la regola di Zaitsev?

Stabilisce che, quando dalla disidratazione si possono formare piu alcheni, il prodotto principale e quello piu sostituito, cioe con piu gruppi alchilici sui carboni del doppio legame. Questo perche l’alchene piu sostituito e piu stabile e lo stato di transizione che vi conduce ha energia minore. La regola predice il prodotto termodinamico ed e valida per la disidratazione acida.

Quale alcol si disidrata piu facilmente?

L’alcol terziario, seguito dal secondario e infine dal primario. La reazione passa per un carbocatione intermedio, e l’ordine di reattivita segue la stabilita di questo catione: terziario piu stabile, primario molto instabile. Per questo gli alcoli primari richiedono condizioni piu drastiche e tendono a seguire un meccanismo leggermente diverso.

Perche serve l’ambiente acido?

Perche l’ossidrile (–OH) e un pessimo gruppo uscente. Protonandolo con l’acido si trasforma in acqua, che e invece un ottimo gruppo uscente e puo abbandonare il carbonio lasciando il carbocatione. Senza protonazione l’–OH non se ne andrebbe e la reazione non partirebbe. L’acido agisce da catalizzatore: viene consumato nel primo passaggio e rigenerato alla fine.

Cosa sono i riarrangiamenti nella disidratazione?

Sono spostamenti di un idrogeno o di un gruppo alchilico (shift 1,2) nel carbocatione intermedio, che avvengono quando portano a un carbocatione piu stabile. Il risultato e che il doppio legame puo comparire in una posizione diversa da quella prevista o lo scheletro puo risultare riorganizzato. Sono tipici dei meccanismi che passano per carbocationi, come la disidratazione E1, e vanno previsti in fase di pianificazione.