I riarrangiamenti molecolari

Non sempre una reazione dà il prodotto che si aspetta applicando semplicemente le regole standard. A volte il carbocatione intermedio è così instabile che un gruppo si sposta in un microsecondo, cambiando completamente lo scheletro carbonioso prima che arrivi il nucleofilo. Sono i riarrangiamenti molecolari: trasformazioni in cui la connettività degli atomi cambia durante il corso della reazione, spesso senza che il chimico se ne accorga se non analizza attentamente il prodotto.

Studiamo la migrazione 1,2 (idride e alchile), il riarrangiamento di Wagner-Meerwein, il pinacolico, quello di Beckmann e l’attitudine migratoria dei diversi gruppi.

Migrazione 1,2 nei carbocationi

Il meccanismo più comune di riarrangiamento è la migrazione 1,2: un atomo (o un gruppo) migra dal carbonio adiacente al carbocatione, portando con sé il proprio doppietto. Il carbocatione si trasferisce di un posto, spesso diventando più stabile. La driving force è termodinamica: un carbocatione terziario è più stabile di un secondario di circa 50–63 kJ/mol, e questo differenziale di energia è sufficiente a rendere la migrazione estremamente veloce (k_riarr >> k_nucleofilo).

1,2-shift: R migra da C_α a C⁺ → carbocatione più stabile + 50–63 kJ/mol

Riarrangiamento di Wagner-Meerwein

Il termine «Wagner-Meerwein» indica in senso lato una migrazione 1,2 di idrogeno o alchile nei carbocationi, frequente nelle reazioni di solvolisi e di addizione elettrofila. Ne è esempio classico la reazione di un alogenuro secondario con acqua (SN1): se il carbocatione iniziale può dare un terziario tramite una migrazione, il prodotto principale riflette lo scheletro riarrangiato. Storicamente questo tipo di riarrangiamento ha colpito i chimici dei terpeni: molte reazioni di terpeni ciclici danno prodotti di struttura «impossibile» finché non si capisce la migrazione Wagner-Meerwein che sposta il ciclo.

Riarrangiamento pinacolico

Il riarrangiamento pinacolico avviene in dioli vicinali (1,2-dioli, detti «pinacoli») trattati con acido. Il gruppo –OH viene protonato e se ne va come acqua, generando un carbocatione α. Il gruppo adiacente (–OH o un alchile) migra 1,2, formando un ossocarbocatione che si deprotona a dare un chetone riarrangiato. Il prodotto è sempre un carbonile, ma lo scheletro ha cambiato: per esempio il pinacolo (2,3-dimetilbutandiolo) dà il pinacolone (3,3-dimetilbutan-2-one), con migrazione di un gruppo metile. La reazione è selettiva: migra il gruppo che meglio stabilizza il carbocatione intermedio.

Riarrangiamento di Beckmann

Le ossime (R₂C=N–OH) sottoposte a condizioni acide (H₂SO₄, PCl₅) subiscono il riarrangiamento di Beckmann: il gruppo antiperiplanare rispetto all’–OH migra al carbonio azotato, con perdita di acqua. Si forma un nitrilio protonato (ione nitrilionico) che reagisce con l’acqua a dare un’ammide. La stereochimica è rigorosa: migra solo il gruppo che è syn rispetto all’azoto (ovvero anti rispetto all’–OH). La reazione industriale più importante è la produzione di caprolattame dalla cicloesiossima, per poi polimirizzarlo a nylon-6: ogni anno vengono prodotti globalmente oltre 5 milioni di tonnellate di caprolattame con questo processo.

Attitudine migratoria

Non tutti i gruppi migrano con la stessa facilità. L’attitudine migratoria dipende dalla capacità del gruppo di stabilizzare la carica positiva parziale nel TS della migrazione: gruppi elettron-donatori migrano meglio. La scala indicativa per il riarrangiamento pinacolico è la seguente (da più a meno propensa a migrare):

I gruppi arile migrano molto più facilmente degli alchili perché la delocalizzazione della carica nell’intermedio «fenilionico a tre centri» (o arilonum ion) abbassa notevolmente l’energia del TS. Il confronto H vs CH₃ dipende invece dalla geometria: l’idrogeno essendo più piccolo incontra meno ingombro sterico nel TS, ma elettronicamente metile è leggermente migliore. In pratica H tende a migrare preferenzialmente rispetto a metile per ragioni cinetiche geometriche.

Domande frequenti

Quando avviene un riarrangiamento in una reazione?

Avviene quando il carbocatione inizialmente formato è meno stabile di quello che si otterrebbe dopo la migrazione. Poiché la velocità di riarrangiamento è di solito molto superiore a quella di cattura del nucleofilo (k_riarr >> k_Nu), il riarrangiamento precede la formazione del prodotto finale.

Qual è la differenza tra 1,2-idride shift e 1,2-alchile shift?

Entrambi sono migrazioni 1,2 in cui l’atomo (o gruppo) porta con sé il proprio doppietto verso il carbocatione adiacente. Nel primo migra un idrogeno, nel secondo un gruppo alchile o arile. L’idrogeno migra più facilmente per ragioni geometriche (ingombro minore), ma i gruppi arile migrano con attitudine molto maggiore per la stabilizzazione electronica nel TS.

Come funziona il riarrangiamento pinacolico?

Il diolo vicinale viene protonato sull’–OH, che abbandona il carbonio come acqua generando un carbocatione α. Il gruppo adiacente (–OH o alchile) migra 1,2 verso il carbocatione formando un ossocarbocatione, deprotonato dall’acqua a dare un chetone. Lo scheletro carbonioso è cambiato rispetto al substrato di partenza.

Che cosa produce il riarrangiamento di Beckmann?

Un’ossima (R₂C=N–OH) trattata con acido dà un’ammide, in cui l’azoto si è inserito tra i due carboni originali del chetone. Il gruppo che migra è quello antiperiplanare all’–OH; la regioselettività è quindi determinata dalla configurazione E o Z dell’ossima.

Perché i radicali non si riarrangiano come i carbocationi?

Nei carbocationi la migrazione è guidata dalla forte driving force termodinamica (stabilizzazione di 50–63 kJ/mol nel passaggio 2°→3°). Nei radicali la differenza di stabilità tra primario, secondario e terziario è molto minore (~5–10 kJ/mol) e la migrazione non avviene perché non è abbastanza favorevole. È uno degli indicatori diagnostici più utili per distinguere meccanismi ionici da radicalici.