8.5 : Idratazione acido-catalizzata degli alcheni

Gli alcheni reagiscono con l'acqua in presenza di un acido per formare un alcol. In assenza di acido, l'idratazione degli alcheni non avviene ad una velocità significativa e l'acido non viene consumato nella reazione. Pertanto, l'idratazione dell'alchene è una reazione catalizzata da acido.

Gli acidi forti, come l'acido solforico, si dissociano completamente in una soluzione acquosa e l'acido che partecipa alla reazione è lo ione idronio.

Il primo passo è la lenta protonazione di un alchene all'estremità meno sostituita per formare il carbocatione più sostituito.

Il secondo passo è l'attacco nucleofilo dell'acqua al carbocatione per dare uno ione ossonio.

Nell'ultimo passaggio, l'acqua, con un pK_a di 15,7, agisce come base e deprotona lo ione acido ossonio (alcol protonato), che ha un pK_a di circa –2, per produrre il prodotto finale.

I due processi, l'idratazione degli alcheni per formare alcoli e la disidratazione degli alcoli per formare alcheni, sono in equilibrio tra loro. Il controllo su questo equilibrio può essere spiegato dal principio di Le Chatelier, il quale afferma che un sistema in equilibrio si adatterà per ridurre al minimo qualsiasi stress esercitato su di esso.

Nell'idratazione del 2-metilpropene, l'acqua si trova sul lato sinistro della reazione. Quando la quantità di acqua aumenta, l’equilibrio si sposta verso destra, producendo più alcol. Al contrario, l’eliminazione dell’acqua dal sistema sposta l’equilibrio per produrre più alchene. Pertanto la presenza di acidi diluiti favorisce la formazione di alcoli da alcheni, mentre avviene il contrario in presenza di acidi concentrati che contengono pochissima acqua.

Le reazioni di addizione dipendono dalla temperatura. Il termine entalpico per queste reazioni è negativo poiché durante il processo si formano nuovi legami. Al contrario, il termine di entropia è positivo poiché le due molecole reagenti danno una molecola di prodotto.

A basse temperature, il termine entropia è piccolo e domina il termine entalpia. Pertanto, l'energia libera di Gibbs è negativa e la costante di equilibrio, essendo maggiore di 1, promuove la formazione di prodotti sui reagenti.

Tuttavia, ad alte temperature, il valore elevato di entropia domina il termine di entalpia e l’energia libera di Gibbs è positiva. La costante di equilibrio, essendo inferiore a 1, inverte la reazione, implicando così che i reagenti saranno favoriti rispetto ai prodotti.