Composti metallorganici

I metalli alcalini (Li, Na, K ecc.) ed alcalini-terrosi (Mg e Ca, insieme con Zn) sono buoni agenti riducenti, con i primi più forti degli ultimi. Il sodio, ad esempio, riduce il cloro elementare ad anione cloruro (il sodio di ossida al suo catione), così come fanno gli altri metalli sotto varie condizioni. In una maniera simile, questi stessi metalli riducono i legami carbonio-alogeno degli alogenuri alchilici. L'alogeno si trasforma in anione alogenuro, ed i legami del carbonio in metallo (il carbonio ha un carattere carbanionico). La reattività dell'alogenuro aumenta secondo il seguente ordine: Cl < Br < I. Le seguenti equazioni illustrano queste reazioni per i metalli litio e magnesio, utilizzati frequentemente (R può rappresentare l'idrogeno o i gruppi alchilici in qualunque combinazione). Gli alogenuri alchilici del magnesio, descritti nella seconda reazione, sono chiamati reagenti di Grignard, da quando furono scoperti dal chimico francese Victor Grignard. Gli altri metalli, prima menzionati, reagiscono in modo simile, ma i due che sono qui mostrati, sono i più largamente usati. Sebbene le formule riportate del litio alchilico e dei reagenti di Grignard riflettano la stechiometria di reazione, e siano largamente usati nella letteratura scientifica, non descrivono accuratamente la natura strutturale di queste importanti sostanze. Le miscele di specie polimeriche e di altre specie associate e complessate sono in equilibrio sotto le condizioni normalmente utilizzate per la loro preparazione.

I metalli presi qui in considerazione sono insolubili in molti solventi organici, perciò queste reazioni sono chiaramente eterogenee, avvenendo, ad es., sulla superficie del metallo. Le condizioni necessarie per realizzare con successo una reazione sono critiche.
Primo, il metallo deve essere pulito e finemente suddiviso in modo da fornire per la reazione l'area di superficie più ampia possibile.
Secondo, si deve utilizzare un solvente adatto. Per l formazione del litio alchilico, si possono utilizzare il pentano, l'esano o l'etere etilico; per la formazione del reagente di Grignard, sono essenziali l'etere etilico o il THF.
Terzo, dal momento che questi composti metallorganici sono molto reattivi, occorre evitare contaminanti come l'acqua, alcoli ed ossigeno.

Queste reazioni sono ovviamente di sostituzione, ma non possono essere classificate come reazioni di sostituzione nucleofila, come è stato per le precedenti reazioni degli alogenuri alchilici. Poiché l'atomo di carbonio funzionale è stato ridotto, la polarità del gruppo funzionale risultante si è invertita (un atomo di carbonio che in origine è elettrofilo, diventa nucleofilo). Questo cambiamento, mostrato sotto, fa, del litio alchilico e dei reagenti di Grignard, reattivi utili ed unici per le sintesi.

Le reazioni del litio organico e dei reagenti di Grignard rispecchiano il carattere nucleofilo (e basico) del carbonio funzionale di questi composti. S'incontreranno molti esempi di tali reazioni nelle discussioni future; sotto sono mostrati cinque, semplici, di tali esempi. La prima e la terza equazione dimostrano la natura fortemente basica di questi composti, che si legano ai protoni debolmente acidi dell'acqua e dell'alcool metilico (colorati in blu). Anche il carbonio nucleofilo di questi reagenti si lega facilmente con elettrofili come lo iodio (seconda equazione) e con il biossido dei carbonio (quinta equazione). La polarità dei doppi legami carbonio-ossigeno di CO₂ rende elettrofilo l'atomo di carbonio, come mostrato nella finestra colorata in grigio, in modo che il carbonio nucleofilo del reagente di Grignard si lega a questa posizione. Con sottolineato sopra, soluzioni di questi reagenti possono anche essere protette dall'ossigeno, in quanto si formano perossidi (equazione 4).

Un'altra importante reazione mostrata da questi reagenti metallorganici è rappresentata dallo scambio del metallo. Nel primo esempio sotto, il litio metilico reagisce con lo ioduro rameoso per dare un litio dimetilrame, denominato reagente di Gilman. Altri litio alchilici forniscono reagenti simili a quello di Gilman. Una utile applicazione di questi reagenti è dovuta alla loro capacità di accoppiarsi con ioduri alchilici, vinilici ed arilici, come mostro nella seconda equazione. Più avanti ritroveremo i reagenti di Gilman che mostreranno anche utili reazioni del legame carbonio-carbonio con enoni coniugati e cloruri acilici.

La formazione di reagenti metallorganici da alogenuri alchilici è più tollerante alle variazioni strutturali di quanto non lo erano le sostituzioni nucleofile descritte precedentemente. Le variazioni dell'ibridizzazione del carbonio ha scarso effetti sulla reazione con gli alogenuri primari, secondari e terziari che reagiscono tutti allo stesso modo. Una restrizione, naturalmente, è costituita dalla necessaria assenza di gruppi funzionali incompatibili, altrove nella molecola. Per esempio, il 5-bromo-1-petanolo non forma un reagente di Grignard (o un reagente del litio) poiché il gruppo ossidrile protona la funzione di questo reattivo nel momento in cui esso si forma.

Reazioni dei dialogenuri

Se sono presenti due atomi di alogeno in un dato composto, le reazioni con metalli riducenti possono seguire percorsi diversi, a seconda di quanto i legami carbonio-alogeno siano vicini tra di essi. Se essi sono separati da quattro o più atomi di carbonio, come nel primo degli esempi che seguono, si può formare un composto bi-metallorganico. Tuttavia, se gli alogeni sono legati ad atomi di carbonio adiacenti (vicinali), ha luogo una eliminazione con la formazione di un doppio legame. Dal momento che i dialogenuri vicinali vengono realizzati per aggiunta di un alogeno ad un doppio legame, questa reazione risulta utile principalmente per mettere strutture a confronto. L'ultimo esempio, in cui due alogeni sono legati allo stesso atomo di carbonio, denominati con il termine di geminali (intrecciati), fornisce un reagente non usuale che può reagire sia come un carbonio nucleofilo, sia, per eliminazione, come un carbene. Tali reagenti sono spesso chiamati carbenoidi.

La struttura della soluzione del reagente di Simmons-Smith è conosciuta meno bene del reagente di Grignard, ma la formula mostrata qui è la più utile tra quelle proposte. Sono stati preparati altri regenti metallorganici alfa-alogenati, come ClCH₂Li, BrCH₂Li, Cl₂CHLi e Cl₃CLi, ma sono sostanzialmente meno stabili e devono essere conservati a temperature molto basse (circa -100 ºC) per evitare la perdita di LiX. La stabilità e l'utilità può essere attribuita in parte al più elevato grado di covalenza del legame carbonio-zinco insieme alla solvatazione e alla coordinazione interna dello zinco. L'idrolisi (reazione con l'acqua) fornisce ioduro di metile, confermando la basicità del carbonio; la reazione con alcheni fornisce derivati del ciclopropano, dimostrando la natura simile al carbene del reagente. L'ultima di queste trasformazioni è illustrata dall'equazione a destra.

Le reazioni degli stereoisomeri dell'1,2-dibromo-1,2-difeniletano forniscono un buon sommario dei principi sopra discussi. La seguente illustrazione mostra per primo il meso-diastereoisomero e sotto di esso un enantiomero del diastereoisomero racemico. Per ognuno dei casi, sono disegnati tra parentesi due conformeri e l'anti-relazione dei gruppi vicinali presi in considerazione, sono colorati in verde. La reazione procedente verso sinistra è una deidrogenazione indotta da trattamento con KOH. Poiché questa è un'eliminazione stereospecifica, ogni diastereoisomero dà come prodotto uno stereoisomero diverso. La reazione alla destra è una dealogenazione (l'inversa della reazione di alogenazione di un achene), causata da trattamento con ione ioduro. La polvere di zinco effettua la stessa reazione, ma con un grado di stereospecificità minore. Un tale meccanismo spiega la reazione, paragonabile, di eliminazione dell'isomero racemico. In entrambe le reazioni si osserva uno stato di transizione anti. 

I due stereoisomeri dell'1-bromo-1,2-difeniletene (mostrati sulla sinistra del diagramma) subiscono una seconda reazione di deidrobromurazione trattando con una base più vigorosamente, come illustrato dall'equazione che segue. Questa eliminazione genera lo stesso alchino (triplo legame carbonio-carbonio) da ciascun bromo-alchene. Curiosamente, lo (Z)-isomero (struttura più in basso) elimina più rapidamente dell'(E)-isomero (struttura più in alto), mostrando ancora una volta la preferenza per l'orientazione anti dei gruppi di eliminazione.

Preparazione di alchini per deidroalogenazione

L'ultima reazione mostrata sopra suggerisce che gli alchini potrebbero essere preparati dagli alcheni con un procedimento a due stadi, consistente in una prima reazione di addizione del cloro o del bromo al doppio legame ed in una seconda di deidroalogenazione indotta da una base. Per esempio, la reazione dell'1-butene con bromo dovrebbe dare 1,2-dibromobutano, e con trattamento con base, questo dibromuro vicinale si prevede che dovrebbe produrre 1-bromo-1-butene seguita da una seconda eliminazione ad 1-butino.

Nella pratica, questa strategia funziona, ma richiede attenzione nella selezione della base e del solvente. Se viene utilizzato KOH in alcool, la prima eliminazione è molto più veloce della seconda, per cui  si può isolare il bromoalchene, se lo si desidera. Sotto condizioni estreme, ha logo la seconda eliminazione, ma avviene anche l'isomerizzazione del triplo legame, con la formazione dell'isomero più stabile (2-butino) insieme con l'1-butino, diventando perfino il prodotto principale. Per facilitre la seconda eliminazione ed evitare l'isomerizzazione, si può usare una base molto forte come l'ammide sodica NaNH₂. Poiché l'ammoniaca è un acido molto più debole dell'acqua (di un fattore pari a 10¹⁸), la sua base coniugata è proporzionalmente più forte dell'anione idrossido (la base coniugata dell'acqua), per cui l'eliminazione di HBr dal bromoalchene può essere condotta a temperature relativamente basse. Inoltre, l'acidità del legame C-H con ibridizzazione sp dell'alchino terminale intrappola l'1-butino formato inizialmente, nella forma del suo sale di sodio.

Un'altra complicazione di questa procedura è dovuta al fatto che l'1-bromo-1-butene, prodotto della prima eliminazione (vedere la precedente equazione), è accompagnato dal suo isomero 2-bromo-1-butene, CH₃CH₂CBr=CH₂, da cui l'eliminazione di HBr non fornisce soltanto 1-butino (attacco della base a C-1), ma anche 1,2-butadiene, CH₃CH=C=CH₂, dall'attacco della base a C-3. Dieni di questo genere, in cui il carbonio centrale è ibridizzato sp, sono chiamati alleni e si dice che hanno doppi legami cumulati. Essi sono usualmente meno stabili dei loro isomeri alchini. 

Problemi pratici

I seguenti problemi rivisitano molti aspetti della chimica degli alogenuri organici. La prima domanda si focalizza sulla nomenclatura. La seconda domanda riguardala reattività relativa dei composti selezionati. La terza domanda richiede che si preveda il tipo di reazione, la possibilità che avvenga, quale composto scelto da un gruppo si formi dalla reazione. La quarta domanda è simile alla terza, ma chiede di distinguere la reattività di dieci composti diversi con quattro reagenti. La quinta chiede di disegnare il prodotto di una reazione, scegliendo tra 48 possibili combinazioni di alogenuri organici e reagenti. Infine, si può esaminare un quiz a domande casuali sulle reazioni degli alogenuri.