MECCANISMI DI REAZIONE IN CHIMICA ORGANICA (B.J.KAKOS)

SOSTITUZIONE RADICALICA ALIFATICAMECCANISMO DI REAZIONE

A. Alcano e alogeno non reagiscono a buio e a temperatura ambienteB. La reazione avviene rapidamente a buio ma a temperature elevate (oltre i 200°C)C. La rezione avviene anche per azione di luce UV a temperatura ambiente.D. Quando la reazione avviene per azione di luce UV molte migliaia di molecole di R-X

si formano per ogni fotone assorbito dal sistemaE. La presenza di piccole quantità di ossigeno fa rallentare la reazione (inibitore di

radicali)Il meccanismo più probabile è il seguente:(riferito all’esempio di metano e cloro)

Cl Cl Cl

Cl + CH4 ClH + CH3

CH3 + Cl Cl CH3 Cl + Cl

Cl + Cl Cl Cl

CH3 + CH3 CH3 CH3

CH3 + Cl CH3 Cl

calore o hvinizio della catena

catena di reazioni (2 stadi)

rottura della catena (3 stadi)

1.

2

3

4

5

6

poi 2., 3., 2., 3. etc. finche' in ultimo

1° stadio: scissione omolitica di una molecola di X2 in due atomi, il quale significa che ogni atomi conserva uno dei due elettroni del legame. Un atomo o gruppo di atomi con un elettrone spaiato si chiama radicale. Il Br2 si scinde più facilmente in radicali perchè ha più

bassa energia di dissociazione in confronto al Cl2. Nonostante questo il Cl⋅ è più reattivo e attacca indiscriminatamente, mentre il Br⋅ è più selettivo (L bromurazione è regioselettive).2° stadio: Il radicale cloro è estremamente reattivo perchè cerca di acquistare un elettrone e complettare così l’ottetto, dall’altra parte questa particella è ricca di energia e tende di perderla per formare uno nuovo legame. In questo modo entra in collisione con delle molecole di alogeno o di alcano che si trovano in alta concentrazione. La collisione con un atomo di alogeno è assai improbabile perchè il radicale è in numero molto piccolo in soluzione, è molto reattivo ed ha vita media breve. Un urto del genere si considera non produttivo anche perchè collisioni di questo tipo non provocano nessun cambiamento importante per la reazione ma solo scambio di atomi di cloro, uno con l’altro. In tutta la reazione di propagazione si sviluppa energia il che significa che la reazione è esotericaLa collisione invece di un atomo di alogeno con una molecola di alcano è sia produttiva che probabile. Ora è il gruppo alchilico a rimanere con sette elettroni (radicale). Si osserva

aquesto punto che un radicale è scomparso (Cl⋅ ) mentre un altro si è formato (R⋅ )3° stadio: La cosa più probabile che il radicale alchilico possa fare è di perdere energia formando un nuovo legame. Perciò strappa un atomo di alogeno, dalla molecola di alogeno, formando l’alogenuro alchilico, R-X ed un sottoprodotto costituito dall’atomo di idrogeno precedentemente legato al gruppo alchilico e dall’atomo di alogeno precedentemente legato alla molecola di alogeno, cioè una molecola di HX gassosa.

Reazione a catena

L’alogenazione di un alcano è un esempio di reazione a catena che implica una serie di passaggi ognuno dei quali genere una particella reattiva che provoca il passaggio successivo.Il 1° è il passaggio che inizia la catena, durante il quale viene assorbita energia e si forma una particella reattiva, nell’esempio sopra considerato è la scissione della molecola di cloro in atomi.

MECCANISMΙ DI REAZIONE 1

Esistono uno o più passaggi di propagazione della catena in ognuno dei quali si consuma una particella e si forma una più reattiva. Nel caso considerato si ha la reazione di atomi di cloro con il metano e dei radicali metilici con il cloro.Infine ci sono i passaggi di interruzione della catena in cui le particelle reattive si consumano e si producono altre. Nella clorurazione del metano questi consistono nell’unione di due particelle reattive o nella cattura di una di esse da parte delle pareti del recipiente di reazione.(Αυτό το τελεταίο είναι optional αλλά εάν θέλεις λάβετο υπ’όψην σου).

Scala di reattività degli alogeni

Un atomo di Br, in media, urta moltissime molecole di R-H prima di provocare l’estrazione di un atomo di H, un atomo di Cl urta relativamente poche molecole. In genere gli atomi di Br si formano più rapidamente degli atomi di Cl in una data temperatura a causa della più bassa energia di attivazione del 1° stadio, tuttavia la bromurazione è più lenta della clorurazione.Per quanto riguarsa l’I2, i suoi radicali hanno una vita assai breve e non resistono così a lungo per ricombinarsi in molecole di iodio. L’iodurazione quindi è una reazione assai lenta.

Struttura e stabilità del radicale

Lo stato di transizione è caratteristico e fondamentale per qualsiasi tipo di reazione chimica ed è quello che determina l’andamento della reazione. Per quanto riguarda la S.R. Alifatica possiamo dire con sicurezza che nello stato di transizioneil legame C-H è allungato ma non complettamente scisso e che il legame X-H ha cominciato a formarsi ma non è ancora completo. Questa situazione potrà essere rappresentata così:

C

H

HH

H

+ X. CH

H

H

H X C

H

HH

+ HX

reagenti stato di transizione prodotti

L’alcano di partenza ha una ibridizzazione sp3, mentre il radicale nello stato di transizione acquista una struttura planare vicina all’ibridizzazione sp2, iniziandosi la formazione del nuovo legame l’energia scende e il prodotto acquista una geometria tetraedrica tipica dell’ibridizzazione sp3

H + X. H X + HX

sp3 stato di transizione radicale sp2

Orientamento dell’alogenazione

L’orientamento viene determinato dala velocità di distacco dell’atomo di idrogeno dal substrato alchilico, esso segue l’ordine 3°>2°>1°>metilico..

(Εδώ καλό είναι να αναφέρεις 6 παραδείγματα, με μεθάνιο, εθάνιο, προπάνιο, ισοπροπάνιο 2-μεθύλ-προπάνιο και βουτάνιο δείχνοντας την ενδιάμεση ρίζα που σχηματίζεται ταξινομώντας τα προϊόντα σύμφωνα με την σταθερότητα των ριζικών).(Μη ξεχάσεις να κάνεις και ένα παράδειγμα με cicloalcano –p.es ciclopentano o cicloesano- διότι τους δίνει ιδιαίτερη σημασία)Για το βουτάνιο έχεις δύο προϊόντα CH3CH2CH2CH2Cl 28%, CH3CH2CHClCH3 72%.


ADDIZIONE ELETTROFILA – MECCANISMO

E’ la tipica reazione degli alcheni. A causa del doppio legame π formato da due orbitale p, ciascuno proveniente da un carbonio planare (sp2) il sistema si comporta da nucleofilo (base) verso eventuali elettrofili (acidi).Si pensa che la somma del reattivo acido di tipo HZ (HZ= HCl, HBr, HI, H2SO4, H3O+ e.t.c.) avvenga in due passaggi:

CH3

CH3

CH3

CH3

+ H:Z + + :Z

CH3

CH3

CH3

HH

+ + :Z

CH3

CH3

CH3

HH

CH3

CH3

CH3

Z

H Z

lento

veloce

nucleofilo (base)

acido

elettrofilo (acido)

nucleofilo

sp2sp2carbocatione

prodotto di addizione sp3

1.

2.

Il 1° passaggio rappresenta il trasferimento di un idrogenione all’alchene con la formazione di un carbocatione ed è quindi una tipica reazione acido – base. Il 2° passaggio invece è l’unione del carbocatione con la base coniugata :Z ed è anch’essa una reazione acido – base.Lo schema generale dell’addizione elettrofila può essere rappresentato nel modo seguente:

CH3

CH3

CH3

CH3Z H

CH3

CH3

CH3

HH

+ :Z

Nel 1° passaggio l’idrogeno si trasferisce come protone, cioè senza i suoi elettroni, lasciati alla base :Z. Per formare il legame con l’idrogeno il carbonio utilizza gli elettroni π già condivisi con l’altro carbonio. Questo fatto lascia l’altro carbonio con un sestetto di elettroni e perciò esso diventa il carbocatione, carente di elettroni. Il 1° passaggio è quello difficile perciò è lento e determina la velocità totale della reazione.(Όπως βλέπεις στο 1. και 2. αλλά και σε όλους τους ενεργιακούς μετασχηματισμούς, τίποτα δε χάνεται...απλά μετασχηματίζεται, δηλ. το οξύ γίνεται βάση και η βάση οξύ, μέρος της αιώνιας διαλεχτικής της φύσης και του Ηαρακλείτιου «πάντα ρεί». Αυτό μη το γράψεις, αλλά να το ξέρεις)Come in qualsiasi tipo di reazione si forma sempre l’intermedio più stabile, ed in questo sono incluse anche le trasposizioni di –H e/o –R..


I seguenti esempi di alogenazione illustrano il fenomeno

Osserviamo che la somma del protone avviene al carbonio partecipante al doppio legame che è più sostituito di idrogeni. Questo si chiama regola di Marcovnikov.(Κάνε παράδειγμα με Ossimercuriazione-Demercuriazione)Reazioni Anti-Markovnikov. Addizione Radicalica in presenza di perossidi

R

O

O

R

R Ocalore

R O + BrH CH3 OH + Br

CH3

H H

H

+ Br CH3 CH

Br

CH3 CH

Br

+ BrHCH3

Br

+ Br

1.

2.

3.

4.

Il 1° passaggio consiste nella formazione del radicale alcossido ad opera del peracido.Il 2° passaggio è un’altra scissione omolitica questa volta dell’HBr con la formazione dei rispettivi radicali.


CH2

CH

CH3

ClH

C+ CH3CH3

H

Cl-

ClH

HC

CH3

CH2+

H

2o

1o

non si forma

C

CH3

CH3

CH2ClH

CH3 C+

CH3

CH3

Cl-

CH3 C

CH3

CH3

Cl3o

CH2

CH3

H

CH3ClH

CH+

CH3

H

CH3

CH3

2o

CH2 C+

CH3

CH3CH3

3o

trasposizione

Cl-

CH2 C

CH3

CH3CH3

Cl

I 3° passaggio è l’addizione da parte dell’alchene del Br⋅ con la conseguente formazione di un radicale carbonio esclusivamente.Infine il 4° passaggio è l’addizione din un radicale H (cioè un atomo di H) proveniente da un altra scissione di una molecola di HBr con la formazione del prodotto, cioè un alogenuro alchilico formato da una addizione anti-Markovnikov. Il Br⋅ rimasta continua la reazione a catena. Εδώ κάνε παράδειγμα με Idroborazione-Ossidazione

Κάντε παραδείγματα με H2SO4, H2O, H2O/Br2, & οπωσδήποτε με X2/CCl4

Addizione Elettrofila nei sistemi α,β insaturi

Le addizioni di questo tipo seguono esattamente lo stesso andamento dell’addizione degli alcheni ma siccome avvengono in sistemi α,β insaturi (p.es. 1,3-butadiene) entra in gioco anche l’effetto di risonanza.

CH2

CH2

+ H+

CH3

CH+

2CH2

CH3

CH2+

4

ibrido di risonazaCH32

3 CH34

CH3

CH+

2CH2

CH3

CH2+

4

:Z

prodotti di addizione 1-2 e 1-4

Δείξε τις διαφορετικές θερμοκρασίες για τα δύο προϊόνταLa reazione segue l’addizione via Markovnikov.


SOSTITUZIONI NUCLEOFILE MECCANISMO DI REAZIONE E FATTORI.

SN1

Avviene in due stadi e la velocità di reazione dipende solo dal substrato e non dal nucleofilo e ciò perchè dipende dalla formazione dell’intermedio della reazione che è il carbocatione il quale si forma nel passaggio lento della reazione. La reazione segue una cinetica del 1° ordine.

R X R+

+ X-

R++ Nu: R Nu:

lenta

veloce

1.

2.

[ ]RXkv =

Reattività del substrato: 3°>2°>1°>(CH3-). X:- è il gruppo uscente, il quale dev’essere stabile e non deve aver tendenza ad assumere il protone, quindi dev’essere una base debole (che usualmente è anche un nucleofilo debole), perciò in genere come substrati si usano gli alogenuri alchilici (provengono da HX, cioè acidi forti, αυτό δεν το γράφεις απλά το ξέρεις).Reattività degli alogeni: F<Cl<Br<ISolventi: Si usano solventi polari perchè devono allentare il legame R-X e protici perchè si forma X:-. Se l’anione è ben solvatatpo l’equilibrio è spostato verso destra. Questo tipo di solventi forma legami idrogeno. L’acqua è il solvente polare protico per eccelenza. Altri solventi frequentemente usati sono l’ammoniaca e gli alcooli.I cattivi gruppi uscenti si possono trasformare in buoni gruppi uscenti attraverso catalisi acida, p.es.:R-OH + H+ → R-OH2

+ → R+ + OH2

R-NH2 + H+ → R-NH3+ → R+ + NH3

Stereochimica della reazione: Un substrato otticamente attivo porta alla formazione di una miscela racemica. La spiegazione di tutto questo si trova al cabocatione intermedio che si forma dopo l’espulsione del gruppo uscente. A causa del fatto che un cabocatione è ibridizzato sp2, cioè planare con la carica positiva situata in un orbitale atomico p, il nucleofilo ha uguali probabilità di attaccare sia sopra che sotto il piano dell’intermedio formando così una coppia di enantiomeri di uguale quantità (50%-50%) che costituiscono una miscela racemica otticamente inattiva.Esempio:

Cl

C2H5

H

CH3

C+

H5C2 H

CH3

+

+OH

-

C2H5

HOH

CH3

C2H5

CH3

H OH

ritenzione di configurazione

inversione di configurazione

miscela racemica

Stabilità dei carbocationi: 3°> 2°>1°>CH3+ I gruppi elettrondonatori (a rilascio elettronico)

stabilizzano la carica positiva, mentre gli elettronattrattori la destabilizzano.


SN2

Avviene attraverso un unico stadio senza la formazione di un intermedio carbocationico. La velocità di reazione dipende sia dalla concentrazione del nucleofilo che del substrato. Si dice bimolecolare perchè nello stato di transizione sono presenti entrambi i reagenti.

OH- +

CH3

BrH

C2H5

CH3 H

C2H5

HO Br

CH3

CH3

OH H

inversione di configurazione

CH3

H H

Cl

+ OH- CH3

H

H

OH + Cl-

Nela SN2 l’attacco del nucleofilo avviene dalla parte opposta del gruppo uscente a causa di effetti sterici che si risentono anche nello stato di transizione. Questo rende la SN2 una reazione stereospecifica e stereoselettiva il che significa che da un preciso reagente enantiomero si ottiene un preciso prodotto enantiomero al contrario della SN1 che si ottiene una miscela racemica, questo significa che la SN1 non è stereoselettiva e stereospecifica.Lo stato di transizione richiede molto energia per essere formato e ciò perchè è uno stato pentavalente molto instabile.Velocità di reazione: CH3->1°>2°>3° Poichè la reazione dipende anche dal nucleofilo, esoo più forte è tanto più facilmente avviene la reazione (OH-,SH-)

Confronto SN1-SN2

EFFETTO sulla VELOCITA’ dell’ AUMENTO del CONTENUTO di ACQUA nel SOLVENTESN2: rallenta la reazioneSN1: accelera la reazione che procede meglio in una miscela di H2O/EtOH:80%/20%

EFFETTO sulla VELOCITA’ del CONTENUTO dell’ ALCOOL sul SOLVENTESN2: favorisce la reazioneSN1: sfavorisce la reazione perchè i legami ione-dipolo sono meno forti di quelli con acqua.

POSSIBILITA’ di TRASPOSIZIONESN2: nessuna (perchè avviene tramite stato di trans. e non carbocatione)SN1: formazione del carbocatione più stabile


Eliminazione – Meccanismo di reazione

Gli stessi substrati che subiscono sostituzione nucleofila possono subire anche l’eliminazione.E1: Avviene in due stadi e la velocità di reazione dipende solo dal substrato e non dal nucleofilo e ciò perchè dipende dalla formazione dell’intermedio della reazione che è il carbocatione il quale si forma nel passaggio lento della reazione. La reattività dipende dalla velocità di formazione del carbocatione: 3o>2o>1o>CH3

+

CH3

X

CH3

CH3 C+

CH3

CH3

CH3

+ Cl-lento

+ B:C+

CH3

CH3 H

H

H CH2

CH3

CH3

+ B:H

1.

2.

I 2° passaggio di reazione è una tipica reazione acido-base, dove l’acido è il carbocatione e base il nucleofilo che lo attacca. La E1 nota l’orientamento secondo Saytzeff, cioè si forma sempre l’alchene più sostituito, cioè quello più stabile. Generalmente E1 si ha con substrati 2° e 3° in soluzione dove la base è debole e di bassa concentrazione cioè è il solvente.Da notare che il carbonio al reagente cambia ibridizzazione da sp3 a sp2 nel prodotto.Durante una eliminazione E1 sono possibili delle trasposizioni:

CH3CH3

CH3

Cl

H

CH3 CH+

CH3

HCH3

CH3

C+

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH2

CH3

carbocatione 2o carbocatione 3o

(Βρες εσύ ποιό απο τα δύο αλκένια θα πάρεις σε μεγαλύτερο ποσοστό)

Ε2: Le sue caratteristiche sono quelle di non dare trasposizioni, mostrano un forte effetto isotopico, non dà scambio di idrogeni e mostra un notevole effetto elemento.(Τα τρία τελευταία τα’βαλα τσόντα γιατί τελευταία έχει αρχίσει να τα ρωτάει...)Effetto Isotopico: Un legame con H si rompe più facilmente da un legame con il Deuterio (isotopo di H che contiene un neutrone nel suo nucleo). Sostituendo quindi un H con un D legato in un C si può studiare meglio l’orientamento della E2.Reattività di alogenuri verso la E2: RI>RBr>RCl>RF. L’RI è più reattivo dell’RCl e ciò perchè la velocità di reazione che dipende dall’alogenuro vuole che l’I- si espelle più facilmente come gruppo uscente dal Cl- perchè è più voluminoso.Meccanismo anti: Il gruppo uscente è probabile che esca dalla parte opposta del nucleofilo e ciò perchè le due cariche negative (dipolo) si respingerrebero altrimenti,il che indica che la reazione è stereospecifica.Come solvente è meglio utilizzare un ROH invece che dell’acqua e ciò perchè la base forte sarà RO- che è più forte di OH-. Se la reazione avviene in un R-X 2°, l’eliminazione compette con la SN. La reazione non avviene a temperatura ambiente ma a 40-50° e si produce in maniera esclussiva l’isomero geometrico E (oppure trans).Se invece l’eliminazione fosse stata sin si produrrebbe l’isomero geometrico Z (oppure cis)


C C

X

H

Nu

Κάνε ένα παράδειγμα με disidratazione degli alcooli, χρησιμοποίησε έναsubstrato 2°, ένα παράδειγμα με RX 3° ,ένα με αιθέρα, όπως:

CH3

CH3

O CH3

CH3

CH3

O+

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

H

H+

CH3

CH3

OH

C+

CH3

CH3

CH3

+

H+

-

CH2

CH3

CH3

Άν προλάβεις κάνε και παραδείγματα με τα ακόλουθα:1. alcool 1o o 2o + H2SO4 → alchene (prodotto princ.Eliminazione + etere (prodotto

sec.Sostituzione)2. Effetto del gruppo vicinale

Aloidrina eritro + HBr → dialogenuro MESOAloidrina treo + HBr → dialogenuro RACEMO

* nel primo caso abbiamo inversione – ritenzione di configurazionecasi ; nel secondo caso abbiamo inversione su tutti e due gli atomi di C

SOSTITUZIONE ELETTROFILA AROMATICA


Le sostituzioni elettrofile aromatiche sono sostituzioni che avvengono nell’anello aromatico.Sembra che le reazioni procedano con un unico meccanismo qualunque sia il reattivo impiegatoI passagi essenziali sono due, nel primo avviene l’attacco dell’elettrofilo all’anello aromatico che perde momentaneamente la sua aromaticità trasformandosi in un addotto. Esso è un passaggio lento che determina la velocità della reazione.Il secondo passaggio invece è veloce a causa della tendenza del sistema di riacquistare la sua aromaticità. In esso avviene il distacco da parte di una base, di uno ione idrogeno (protone).Tutto è rappresentato nello schema seguente:

+ Y:Z CH+

H E

CH+

H E

+ :Z

E

H:Z+

1.

2.

lento

veloce

addotto

Questo meccanismo si regge principalmente sulla natura della particella attaccante, cioè sulla prova che la sostituzione è elettrofila. Una ulteriore prova del meccanismo è il fatto che non esiste un effetto isotopico, cioè la velocità di sostituzione del deuterio e del trizio è la stessa del pròzio.

Un esempio classico di S.E.Ar. è la nitrazione del benzeneLa dissociazione della miscela HNO3-H2SO4 porta alla formazione dello ione nitronio (nucleofilo)

HONO2 + 2H2SO4 H3O+ + 2HSO4- + NO2

+ ione nitronio

+ CH+

H NO2

CH+

H NO2NO2

1.

2.

lento

veloce

addotto

NO2+

Da sottolineare che il catione arenio formato dallo stato di transizione viene stabilito per risonanza


CH+

H NO2

CH+

H NO2

CH+

H NO2

H NO2

+

Effetti dei sostituenti:I gruppi elettrondonatori (a rilascio elettronico) favoriscono la S.E.Ar. essi sono:–R, -Ar, -X, OR,-OH, -O-,-NH2. Inoltre sono attivanti orto e para orientanti.I gruppi elettronattrattori sfavosriscono la S.E.Ar. essi sono:-NO2, -COOH e derivati degli acidi carbossilici, -COR, -COH, -N2

+, -N=O, -SO3H. Inoltre sono disattivanti meta orientanti.I gruppi –R si considerano –o e-p orientanti deboli per effetto iperconiugativo, al contrario i gruppi –OH ed –NH2 sono forti elettrondonatori per effetto mesomero (+M) e induttivo.(Κάνε παράδειγμα με το –ΟΗ και το –ΝΗ2 με Strutture di risonanza για να δείξεις τα effetti).I gruppi elettronattrattori che orientano in –m hanno effetti mesomero –M e induttivo –I(Κάνε παράδειγμα με το NO2 e COOH με Strutture di risonanza για να δείξεις τα effetti).Και στα δύο παραδείγματα μην ξεχάσεις να δείξεις γιατί οι θέσεις –o e-p είναι ενεργές (elettrondonatori) ή γιατί είναι η meta (elettronattrattori)I gruppi –X (-F,-Cl,-Br,-I) sono elettrondonatori per effetto mesomero (+M) ma elettronattrattori per effetto induttivo (-I).

Solfonazione, alchilazione Friedel-Craft, acilazione Friedel-Craft (μην ξεχάσεις τους καταλύτες!), alogenazione εί δυνατόν με catalizzatore και μην ξεχάσεις να δείξεις ευκρινώς το ηλεκτρόφιλο.


G

G

G

G

E

E+

prodotto principale

grande resa

G

G

E

prodotto 2°

piccolissima resa

impedimento sterico

G

G

G

G

E

G

GE

G

G

E G

G

E

E+

1 sostituente attivante ed 1 disattivante in -o tra di loro

2 sostituenti attivanti in -o tra di loro

G

G

E+

G

G

E

G

GE

G

GE

E

2 sostituenti attivanti in -m tra di loro

G

G

G

G

E

G

G

EE

+

G

G

E

E

E

E

2 sostituenti attivanti in -p tra di loro


ADDIZIONE NUCLEOFILA – MECCANISMO

Il gruppo carbonilico controlla il chimismo delle aldeidi e dei chetoni perchè rappresenta un punto favorevole per l’addizione nucleofila.Il fenomeno si nota meglio considerando le strutture di risonanza:

C

O

C

O-

δ - Il gruppo carbonilico contiene un doppio legame carbonio-ossigeno e dato che gli elettroni sono fortemente attratti dall’ossigeno, l’atomo di carbonio ha una carenza di elettroni, mentre l’ossigeno è ricco di elettroni. Inoltre poichè questa parte della molecola è piana (sp2) risulta relativamente facile un attacco sopra e sotto il piano della molecola, cioè in direzione perpedicolare al piano del carbonile.In queste condizioni è favorito l’attacco dei nucleofili al carbonio carbonilico.La reazione tipica delle aldeidi e chetoni (addizione nucleofila) può essere rappresentata nel modo seguente:

O

R

R1

:ZR

R1 O-

ZR

R1O

-

Z H2OR

R1O

Z

Hreagente trigonale stato di transizione

parzialmente tetraedrico-carica parziale negativa sull'ossigeno

prodotto tetraedrico

carica negativa sull'ossigeno

-Le aldeidi danno generalmente le reazioni di addizione nucleofila più velocemente dei chetoni e ciò deriva sopratutto da fattori elettronici e sterici. Infatti un chetone al posto di un –H ha un gruppo –R più voluminoso ma anche elettrondonatore quindi abbassa la carica parziale positiva (δ +) del carbonio carbonilico rendendolo così meno reattivo verso i nucleofili.. Nel caso in cui al posto di –R si trova un gruppo arilico (-Ph) la stabilizzazione è ancora maggiore a causa della risonanza esistente nell’anello aromatico.L’addizione nucleofila catalizzata dagli acidi (H+) avviene più velocemente perchè l’ossigeno così acquista il protone strappando gli elettroni π senza prima passare da una carica negativa (così l’energia di attivazione va diminuita).

O

R

R1

:ZR

R1 OH

ZR

R1O

Z

H

H+

O+

R

R1 H

Un esempio di addizione nucleofila al doppio legame carbonilico è l’addizione di ammoniaca e dei suoi derivati (idrossilamina, idrazina, fenilidrazina e semicarbazide) come anche l’addizione di ammine 1° e/o 2°.


R

O

H

CH3

O+

H

H

+ NHR

R

:

primo intermedio di reazione

R

OH

H

NH+

R

R

CH3

OH

H

NCH3

CH3

:-H++H+

+H+

CH3

OH2+ N

CH3

CH3

H

:

-H2OR

N+

R

Rcatione imminico

R CH2

CH+

N

R

R

:eliminazione

R

R

CH3

CH N

enammina

La protonazione del composto può avvenire sia sull’azoto (preferibile) sia sull’ossigeno. Ma a causa del fatto che sull’azoto non sarebbe produttivo avviene suul’ossigeno e ciò perchè alla fine la differenza energetica è molto piccola (αυτό δεν είναι και τόσο σωστό, αλλά το θεωρούμε έτσι μόνο κάνωντας μία αρχάρια...εισαγωγή στην Οργανική Χημεία, στην ουσία λαμβάνει χώρα ένα πολύ περίπλοκο προτσές που ονομάζεται proton transfer). La reazione può fermarsi al primo stadio e può formarsi un sale con il controione ma a causa di idrogeni in α della forma mesomera avviene un eliminazione con la conseguente formazione di un doppio legame.

Καλό θα ήταν πριν τελειώσεις να του αναφέρεις και τα στάδια της reazione του Canizzaro σαν περαιτέρω παράδειγμα.


Sostituzione Nucleofila Acilica

La sostituzione nucleofila acilica si effettua in due passaggi, il primo dei quali è la formazione dell’ intermedio avente un carbonio tetraedrico e controlla la velocità della reazione globale.La formazione dell’intermedio viene favorita da gruppi che attirano gli elettroni stabilizzando la carica negativa ed è impedita da gruppi voluminosi che si ostacolano nello stato di transizione.Il secondo passaggio dipende invece dalla basicità del gruppo uscente.(:W).

O

R

W

:ZR

W O

Z R

O-W

ZR

O

Z

reagente trigonale stato di transizione quasi tetraedrico, parziale carica negativa sull' ossigeno

intermedio tetraedrico carica negativa sull'ossigeno

prodotto trigonale

+ W:

W= -OH, -OR, -NH2, -NHR, -NR2, -Cl

Se è presente un acido il protone si lega all’atomo di ossigeno facilitando l’attacco nucleofilo sul grruppo carbonilico, l’ossigeno così acquista gli elettroni π senza dover assumere carica negativa.Da ciò deriva anche il fatto che i derivati degli acidi vengono idrolizzati con maggior facilità in ambiente acido e/o basico che in neutro.

O

R

W

:Z R

W O

ZR

OW

Z

H

R

O

Z

+ W:H

H+

O+

R

W H

L’attacco nucleofilo su un composto acilico implica uno stato di transizione che porta ad un intermedio tetraedrico, cioè un composto vero e proprio. Poichè il gruppo carbonilico è insaturo, l’attacco del nucleofilo richiede solo la rottura del debole legame π e provoca la formazione di una carica negativa su un atomo, quello dell’ossigeno, ben disposto ad acquistare.In genere fattori elettronici e sterici rendono il gruppo carbonilico disposto all’attacco nucleofilo sull’atomo di carbonio.Esiste una notevole differenza fra gruppo carbonilico di aldeidi e chetoni e un composto acilico. Mentre infatti l’intermedio tetraedrico proveniente da un’aldeide o chetone acquista un protone, portando nel complesso ad un’addizione, l’intermedio tetraedrico proveniente da un composto acilico espelle il gruppo :W, portando alla fine ad una sostituzione(Σημαντικό!)

O

R

R1

+ :ZZ

R1

O-

R

H+

Z

R1

OH

R

aldeidi e chetoni: addizione

R

O

W

+ :Z

Z

R1

O-

R

O

R

Z

composti acilici: sostituzione


La facilità con cui si distacca il gruppo W dipende dalla sua basicità, cioè tanto minore è la basicità, tanto maggiore è la tendenza a fungere da gruppo uscente. Nel caso dei derivati l’ordine di basicità è la seguente:

Cl-<RCOO-<RO-<NH2-

Per quanto riguarda l’idrolisi basica dei composti acilici, il meccanismo è il seguente:

R

O

W OH- OH

R

W

O-

O

R

OH

+ W- O-

R

O

+ OH2OH

-

Inoltre un altro confronto è possibile, tra sostituzione nucleofila alifatica e sostituzione nucleofila acilica riguardo la loro stereochimica:

W

O

R

WZ

O-

O

R Z

Z:

C trigonale

attacco relativamente poco impedito

C tetraedrico stabile

WZ Z W Z

C tetraedrico, attacco impedito C pentavalente, instabile

Questo confronto indica che i composti acilici rispetto quelli alchilici sono più reattivi e questo è dovuto alla presenza del gruppo carbonilico. L’attacco nuscleofilo di tipo SN2 sun un atomo alchilico tetraedrico implica uno stato di transizione stericamente molto affollato con un atomo di carbonio pentavalente, dove l’attacco del nucleofilo richiede la parziale rottura del legame con il gruppo uscente. L’attacco nucleofilo su un carbonio acilico invece implica uno stato di transizione che porta ad un intermedio tetraedrico molto più stabile.

Come esempio di sostituzione nucleofila acilica possiamo considerare l’idrolisi alcalina degli esteri:

OR'

R

O

+ OH- OH

O-

ROR'

O

R

O

+ R'OH

estere ossidrile sale alcool

Si dimostra sperimentalmente attraverso la stereochimica della reazione che è l’ossidrilione che attacca l’atomo di carbonio carbonilico e sposta lo ione alcoolato, cioè che il legame che si rompe è quello tra l’ossigeno ed il gruppo acilico, RCO-OR’. Questa conferma viene data da studi sulle molecole marcate, p.es per l’idrolisi basica del propionato di etile marcato con 18O. Nel gruppo uscente, cioè l’alcoolo l’ossigeno si ottiene come 18O.


CH2

O

OC2H518

CH3

+ OH- CH3 CH2

O

OH

+ HOC2H518

L’idrolisi degli esteri avviene anche attraverso catalisi acida ed è una reazione reversibile

O

R

OR'

+ H+

OR'

R

OH

+OH2

OR'OH

ROH2

+

+OHR

OH

ROH

R

OH

OH

+HOR'

O

OH

R+H

+

L’acido minerale aumenta la velocità dell’idrolisi protonando l’ossigeno carbonilico e facilitando l’attacco nucleofilo sul carbonio. Nell’idrolisi il nucleofilo è l’acqua e il gruppo uscente è l’alcool.Nell’ esterificazione i ruoli sono esattamente invertiti.

Sostituzione Nucleofila Aromatica

Meccanismo bimolecolare

Il meccanismo della sostituzione nucleofila aromatica prendendo come esempio il clorobenzene [ il seguente:


Cl

+ :Z

Cl

Z-

Cl

Z-

Z

lenta

veloce

Ci sono due passaggi essenziali: l’attacco del reagente nucleofilo all’anello con formazione del carbanione e l’espulsione dell’alogenione con formazione del prodotto.Il carbaione intermedio si stabilisce per risonanza nel modo seguente:

C-

Cl

Z

H

C-

Cl

Z

H

C-

Cl

Z

HConfronto tra S.N.Alifatica e S.N. AromaticaNella S. N.2 l’intermedio in cui all’atomo di carbonio sono legati tanto il gruppo attaccante quanto il gruppo uscente, è considerato uno stato di transizione.

Z W

Cl

Z-

carbonio pentavalente carbonio tetraedrico

L’ibrido di risonanza nella S.N. Aromatica indica che il carbonio è tetraedrico e l’anello ha una carica negativa distribuita su tutto l’anello ed è così relativamente stabile al contrario dello stato di transizione pentavalente della S.N. Alifatica.

Meccanismo di eliminazione-addizione

Questo meccanismo avviene attraverso uno stato intermedio in cui si forma il benzino altamente reattivo.L’esempio seguente indica il meccanismo di questa reazione:


Cl

NH2- / NH3

NH2

Il benzino ha una struttura tale che un nuovo legame si forma per sovrapposizione laterale di due legami sp2 tra due atomi di carbonio di cui uno era inizialmente legato all’alogeno e l’altro ad un idrogeno. Questo nuovo orbitale di legame si trova lateralmente rispetto all’anello ed ha scarsa interazione con le nuvole elettroniche π sopra e sotto l’anello. Essendo la sovrapposizione laterale molto scarsa, il legame è debole e il benzino è quindi un intermedio estremamente reattivo.L’eliminazione avviene in due passaggi. Il primo è l’estrazione di un protone da parte dello ione amiduro per cui si forma ammoniaca ed un carbanione che quest’ultimo dà il benzino.

Cl

NH2- + C

-

Cl

+ NH3

C-

Cl

+ Cl-

eliminazione

L’addizione implica anch’essa due passaggi. L’attacco dello ione amiduro per formare il carbanione che reagisce successivamente con un acido (in questo caso l’ammoniaca) per sottrargli il protone.

+ NH2- C

-

NH2

C-

NH2

+ NH3

NH2

+ NH2-

addizione

Sperimentalmente il meccanismo si spiega attraverso un clorobenzene marcato, in cui il 14C è legato al cloro. Metà dell’anilina ottenuta contiene l’amminogruppo al 14C e metà lo contiene legato all’atomo di carbonio adiacente.


C14

Cl

NH2-

NH3

C14

NH2

+CH

14NH2

47% 53%

C14

In questo caso il carbonio marcato 14C e quello adiacente diventano equivalenti e NH2- si

addiziona indifferentemente all’uno o all’altro

I sostituenti elettronattrattori come –NO2 favoriscono la sostituzione mentre gli elettrondonatori la sfavoriscono. I sostituenti elettronattrattori disperdono la carica negativa dell’anello stabilizzando il carbanione. Analogamente il gruppo elettronattrattore stabilizza lo stato di transizione con la carica negativa frazionariae quindi accelera la reazione. Al contrario il gruppo elettrondonatore intensifica la carica negativa e rende meno stabile il carbanione e anche lo stato di transizione rallentando così la reazione.La sostituzione nucleofila aromatica e la sostituzione elettrofila aromatica hanno un punto in comune (σημαντικό) il fatto che un gruppo esercita la sua massima influenza sia attivante che disattivante nelle posizioni orto e para. Questa sommiglianza è dovuta all’analogia degli ioni intermedi: in tutti e due i casi la carica dello ione intermedio sia negativa che positiva è più forte nelle posizioni –o e –p rispetto al punto di attacco, quindi un gruppo legato ad una di queste due posizioni può esercitare la massima influenza.


MECCANISMO DI OSSIMERCURIAZIONE – DEMERCURIAZIONE

Gli alcheni reagiscono con Hg(OAc)2 (acetato di mercurio) in ambiente acquoso formando dei prodotti ossimercuriali (ossimercuriazione) che poi subiscono riduzione con riducenti chimici (LiAlH4 o NaBH4) formando alcooli.Lo schema della reazione è il seguente:

.

. .

.

+ OH2 + Hg(OAc)2 C C. .

.

OH

.

Hg(OAc)

NaBH4

.

.

.

.

OH H

Il 1° passaggio consiste all’addizione al doppio legame C-C dell’acetato e dell’acqua. In pratica la reazione segue il meccanismo dell’addizione elettrofila in cui lo ione mercurico agisce da elettrofilo. In questa reazione non si presentano casi di trasposizione e si è dimostrato che l’attacco del nucleofilo che è l’acqua avviene dal retro (addizione anti). Questo fatto dà un carattere altamente stereospecifico a questo tipo di addizione.Il meccanismo più probabile è il seguente:

Hg

C C

.

. .

.++

OH2 :

catione mercurinio

L’attacco del nucleofilo avviene all’atomo di carbonio più sostituito come se fosse l’intermedio carbocatione più stabile. Nonostante il fatto che l’addizione è di solito anti, quantunque sono stati osservati anche alcuni casi di addizione sin. Ad ogni modo l’addizione dà ottime rese di alcool e segue la regola di Saytzef.Il 2° passagio ,la demercuriazione, è la riduzione con NaBH4 che avviene nello stesso contenitore del prodotto ossimercuriato, in situ. Come solvente per la ossimercuriazione viene usato il THF (solvente polare aprotico)Alcuni esempi di ossimercuriazione-demercuriazione sono i seguenti:

CH3 Hg(OAc)2

OH2

NaBH4

CH3

OHHg

CH3

OH2 :

carbonio

3o

C

CH3

CH3CH3

CH2 Hg(OAc)2

OH2C

CH3

CH3CH3

CH3

OH

NaBH4

++


CH3 CH CH2 BH3 CH CH2CH3

B

H

H H

CH3 CH CH2

BH2H

stato di transizione

MECCANISMO DI IDROBORAZIONE-OSSIDAZIONE

L’idroborazione è una tipica reazione condizionata dalla situazione sterica, cioè il boro di soliti attacca al C meno sostituito e meno stericamente impedito degli alcheni altamente sostituiti. La reazione comporta la iniziale coordinazione di BH3 o di un trialchilborano con gli elettroni π del doppio legame, seguita dalla formazione del legame C-H. Il meccanismo segue il percorso seguente:

.

.

.

.

+ (BH3)2 C C

.

.

.

.

H B. .

C C

.

. .

.

H OHaddizione anti-Marcovnikov

alchilborano

diborano

(BH3)2 H2O2/OH-

Nel 1° passagio, l’idroborazione, l’elettrofilo (acido di Lewis), cioè il B viene attaccato dal legame π dell’alchene attraverso il seguente stato di transizione:esempio: propilene δ +

La cosa interessante dell’idroborazione è che la reazione non percorre attraverso un carbocatione, ciò perchè il carbonio 2° che perde il doppio legame allo stato di transizione diventa sempre più acido a causa del fatto che alla sua vicinanza esiste uno degli idrogeni legati al boro. Il boro che attrae il doppietto π cede l’idrogeno più facilmente. Ciò indica inoltre che la reazione inizia con l’attacco del B al carbonio 1°.La reazione in genere è condizionata da fattori polari e sterici ed è una addizione sin.Il 2° passaggio consiste nell’ossidazione dell’alchilborano formatasi mediante acqua ossigenata in ambiente basico.

Un tipici esempi dell’idroborazione-ossidazione

CH3

CH3

OHH

H

addizione sin

1-metilciclopentene trans-2-metil-1-ciclopentanolo

CHCH3

CH3

CH3

CH2

CH2CH3

CH3

CH3

CH2 OH

(BH3)2 H2O2/OH-

trasposizione assente

(BH3)2 H2O2/OH-

DEGRADAZIONE DI HOFMANN DELLE AMMIDI


La degradazione di Hofmann consiste nella sintesi di ammine aventi un atomo di carbonio rispetto il composto di partenza. La reazione globale è la seguente:

R

O

NH2

R NH2 + CO32-

OBr-

Il meccanismo più probabile di questa reazione avviene in questo modo:

R

O

NH2

+ OBr- R

O

N Br

H

+ OH-

R

O

N Br

H

OH-+ R

O

N-

Br

+ H2O

R

O

N-

Br

+ R

O

N

+ Br-

R

O

NR

N C O

R

N C O + 2OH-H2O

R NH2 + CO32-

1.

2.

3.

4.

5.

..

.. : :

I passaggi 3. e 4. si possono considerare contemporanei ciò perchè la trasposizione del gruppo R può aiutare il distacco dell’anione bromo. In questo caso il gruppo migrante è il nucleofilo ed il bromoione è il gruppo uscente. Si può dire quindi che avviene una reazione di sostituzione nucleofila sull’atomo di azoto avente una lacuna elettronica come mostra il passaggio 3. L’isocianato formato nel passaggio 4. può reagire in presenza di base in soluzione acquosa per dare l’ammina e carbonati.

Ossidazione dei metil chetoni (Reazione aloformica)


O

R CH3X2+ 3

OH-RCOO- + HCX3

H+

RCOOH

Probabile meccanismo

O

R CH3X2+ 3 + 3OH-

O

R CX3

+ 3 3+Br- H2O1.

Il 1° stadio consiste in tre consecutive α -alogenazioni attraverso carbanioni, solo al gruppo metilico e non al gruppo R.

2.

O

R CX3

+ OH- R CX3

OH

O- O

R OH

+ -:CX3

veloce

lentoRCOO- + CHX3

Il processo è noto come addizione-eliminazione nucleofila. Ogni volta volta che viene addizionato un gruppo OH- in un gruppo carbonilico dopo un po’ si espelle di nuovo e così la reazione torna indietro, ma ogni tanto si espelle il gruppo CX3

- che non è stabile e poi viene immediatamente protonato.Il metodo costituisce un’ossidazione dei metil chetoni nei corrispondenti acidi carbossilici.

Meccanismo di reazione dell’α -alogenazione di Hell-Volhardt-Zelinsky


Si considera una reazione posizionalmente selettiva e non è un’alogenazione radicalica. Lo stadio chiave è la reazione dell’alogeno con la forma enolica del corrispondente alogenuro acilico. Il PX3 facilita la reazione con l’RCOOH per dare RCOX che enolizza molto facilmente con l’acido stesso. La reazione è assolutamente analoga all’alogenazione dei chetoni (βλέπε carbanioni), infatti si forma anche una piccola percentuale di chetone α -alogenato come sottoprodotto (∼ 20%).

R-CH2-COOH R-CH-COOH + HBrBr2/P

Br 80%

Meccanismo

1° stadio (formazione di bromuro di alcanoile)

RCH2

C

O

OH

+ P

Br

Br

Br

RCH2

C

O

Br

+ H3PO3

2° stadio (enolizzazione)

RCH2

C

O

Br

+ H3PO3 RCH2

C

O+H

Br

OH

RCH2

C+

Br

OH

R C C+

Br

H

H

+ H2PO3-

OH

R

C C

Br

H

+ H3PO3

enolo

3° stadio (bromurazione)

OH

R

C C

Br

H

+ Br BrR

CC

+

Br

H

OH

Br

RC

C

Br

H

OH+

Br

:

+ Br-

-H+ R

CC

Br

H

O

Br+ HBr

4° stadio (scambio)

RC

C

Br

H

O

Br

+R CH2

COOH

R HC

COOH

Br

+ RCH2

C

O

Br

α -alogeno acido alogenochetoneReazione di Reimer-Tiemann. Sintesi di aldeidi fenoliche


Meccanismo del diclorocarbene

OH

CHCl3,NaOHaq.

O-

CHCl2

O-

CHOHCl

OH

CHO

aldeide salicilica

70oC

E’ stato provato che il reagente elettrofilo che provoca la sostituzione elettrofila aromatica sull’anello del fenato, altamente reattivo, è il diclorocarbene, :CCl2.Il probabile meccanismo della reazione è il seguente:

1° stadio (formazione del diclorocarbene)

CHCl3 + OH- C

Cl

ClCl:-

- Cl-:CCl2

diclorocarbeneelettrofilo

Il diclorocarbene è altamente reattivo anche se neutro perché non ha ottetto completto

2° stadio (S.E.Ar.)

O-

+ :CCl2

OH

:CCl2:CCl2

O

H

proton transfer

O-

CHCl2

3° stadio (reazione di idrolisi)La reazione di idrolisi è senza dubbio facilitata dallo ione ossidrile.

O-

C

Cl

Cl

ClC

H

ClO

+ Cl- OH

-

O-

C

Cl

H

OH:

O-

CH

O+ H

-H+

O-

CH

O

+ ClH

OH

CH

O

Meccanismo della riduzione di Wolff-Kishner(Formazione di areni da composti carbonilici aromatici)


In questa reazione avviene la diretta trasformazione del gruppo carbonilico in gruppo metilenico(-CH2-)

O

R

:NH2-NH2

base:

CH2

R

Meccanismo

1° stadio (formazione dell’idrazone, addizione nucleofila)

O

R

+ :NH2-NH2

N

R

NH2

fenilidrazone2o stadio

N

R

NH2

base:+N

R

NH:- C-

N

R

NH:

+ base:H+

In presenza di una base forte, l’idrazone è in equilibrio con un isomero strutturale stabilizzato per risonanza.

3° stadio

N

R

NH:- C-

N

R

NH:

+ base:H+

CHN

R

NH:

base:+

CHN

R

N:-

+ base:H+

lenta CH-

R

+ N2

CH-

R

+ base:H+veloce

CH2

R

base:+ + N2

Al 3o stadio il carbanione strappa un protone dall’acido coniugato base:H+ della base, così si riforma la base: che dopo essa strappa il protone restante dall’azoto terminale idrazonico così si libera azoto molecolare (estremamente stabile) e si forma un carbanione estremamente instabile il quale alla fine strappa velocemente un protone dal solvente, che è la base: formando l’idrocarburo.


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MECCANISMI DI REAZIONE IN CHIMICA ORGANICA (B.J.KAKOS)