Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF … · ‒La termodinamica studia la trasformazione dell’energia da un sistema all’altro. L’ energia termica o

Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF TECNICHE ERBORISTICHE

CHIMICA ORGANICA A.A. 2012-2013

3. Reazioni organiche

Giuseppe G. Carbonara

1.Terminologia, energie e velocità, classificazione

Università degli Studi di Bari – Dipartimento di Farmacia-SdF TECNICHE ERBORISTICHE


3.0 Reazioni organiche

I. Terminologia, energie e velocità, classificazione II. Reazioni Nucleofiliche:

I. al carbonio saturo (sostituzioni) II. al carbonile (addizioni, sostituzioni) III. aromatiche (sostituzioni)

III. Reazioni di Eliminazione IV. Reazioni Elettrofiliche

I. a legami multipli (addizioni) II. a composti aromatici

V. Trasposizioni molecolari (cenni) VI. Reazioni radicaliche (cenni) VII. Sintesi organiche

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 2



3.1 Reazioni organiche Terminologia −Reazione chimica: una trasformazione che causa una variazione di composizione,

costituzione e/o configurazione di un composto (indicato come reagente o substrato).

−Reagente o Substrato(i): composto organico che subisce una variazione nella reazione chimica. In una reazione chimica possono essere coinvolti altri composti e specie reattive comuni (Reattvi). Spesso il substrato (ma non sempre) è la molecola più complessa o di dimensioni maggiori del sistema di reazione.

−Reattivo: in molte reazioni chimiche è la controparte reattiva del substrato. Può essere organico o inorganico, di piccole o grandi dimensioni, gas, liquido o solido. Il reattivo può essere incorporato completamente, in parte o per niente nel prodotto finale.

−Prodotto(i): è la forma finale che assume il substrato principale della reazione.

−Condizioni di reazione: sono le condizioni, quali temperatura, pressione, catalizzatori e solvente, dell’ambiente in cui la reazione progredisce in modo ottimale.

I catalizzatori sono sostanze che accelerano la velocità di una reazione chimica senza essere consumati essi stessi o diventare parte del prodotto di reazione; inoltre, non cambiano le posizioni dell’equilibrio.

−Le reazioni sono comunemente scritte sotto forma di equazione:

condizionidi reazione

+

substrato(i) + reattivo(i) prodotto(i)

A B F G

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 3



3.1 Reazioni organiche Terminologia − Reazione a più stadi: la trasformazione del substrato(i) nel prodotto(i) può

avvenire in più stadi, attraverso la formazione di intermedi labili che si distruggono per dare il prodotto(i).

−Reazioni competitive: gli intermedi labili possono trasformarsi in modi diversi mediante reazioni che competono con quella principale e che portano a prodotti secondari o sottoprodotti.


+

int

substrato(i) + reattivo(i) prodotto(iermedio )

A B D F G


+

substrato(i) + reattivo(i) prodotto(i)intermedio

A B F G

D

+ sottoprodotto (i)

H I

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 4



−Meccanismo: è la sequenza dettagliata dei singoli stadi delle reazioni elementari attraverso cui avviene la trasformazione chimica globale; tali stadi riguardano sia il flusso di elettroni tra il substrato e il reattivo sia il momento in cui si ha la rottura e la formazione dei legami.

− Poichè le reazioni chimiche comportano la rottura e la formazione di legami, per comprenderne

il meccanismo è essenziale evidenziare il movimento degli elettroni di valenza di legame e di non-legame.

− Tale movimento è evidenziato utilizzando frecce ricurve a punta per lo spostamento di un doppietto elettronico e, invece, frecce ad amo per lo spostamento di elettroni singoli.

− La scissione e la formazione dei legami può avvenire in stadi distinti e separati mediante la formazione di intermedi di reazione (ioni, radicali), oppure la formazione progressiva di un nuovo legame avviene mentre si indebolisce il vecchio (meccanismo concertato, es. SN2).

− Velocità di reazione: alcune reazioni procedono molto rapidamente, mentre altre sono così lente che normalmente non si osservano. Le variabili che influenzano la velocità di reazione sono la temperatura (di solito le reazioni sono più veloci ad una temperatura superiore), il solvente e la concentrazione del(i) substrato(i)/reattivo(i).

− Lo studio del modo in cui le concentrazioni di substrato e rattivo influenzano il meccanismo di reazione è chiamato cinetica chimica e permette di determinare la costante di equilibrio K di una reazione A + BDC + D.

3.1 Reazioni organiche Terminologia

HH

H

BrOH

H

H

H

BrOH-

-

++

H

H

H

OH Br-+

Esempio: schema del meccanimo della reazione di Sostituzione Nucleofila Bimolecolare SN2

stato di transizione A + B C + D

reagenti prodotti

DK

B

C

A

per K > 1 favoriti i prodotti per K < 1 favoriti i reagenti

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 5

C:/Users/gcarbon/Desktop/Organic Reaction Animations 2/ORA_2_1.EXE



3.1 Reazioni organiche Fattori che influenzano le reazioni ‒ Variazioni di energia: l'energia potenziale E di un sistema reagente, in cui si scindono vecchi

legami e se ne formano nuovi, varia mentre la reazione procede. La variazione di energia (DE) complessiva può essere esotermica (se viene rilasciata energia) o endotermica (se deve essere fornita energia);

‒ Per avviare la reazione di solito bisogna fornire anche una certa quantità di energia di attivazione (DE‡), che corrisponde all’energia necessaria per permettere ai reagenti di raggiungere lo stato di transizione.

‒ Lo stato di transizione di una reazione chimica è una configurazione (disposizione) spaziale particolare che i reagenti assumono lungo le coordinate di reazione. In tale stato i reagenti sono orientati in modo ottimale tra di loro e allo stesso corrisponde l’energia più alta. Per una reazione irreversibile le molecole dei reagenti procedono sempre verso la formazione dei prodotti.

reazione esotermica a singlo stadio

en

erg

ia

DE‡

coordinate di reazione

stato di transizione

prodotti

DE

reagenti

reazione endotermica a singlo stadio

en

erg

ia


stato di transizione

prodotti

DE‡

+DE

reagenti

reazione esotermica a doppio stadio

en

erg

ia


reagenti

intermedi

prodotti

DE1‡

DE2‡

DE‡

totale

DE

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 6



3.1 Reazioni organiche Fattori che influenzano le reazioni ‒ La variazione di energia di una reazione chimica può essere determinata in base ai valori

standard delle energie di legame e, come regola generale, si può osservare che i composti più stabili hanno legami covalenti più forti, rispetto ai composti che includono legami deboli.

‒ La termodinamica studia la trasformazione dell’energia da un sistema all’altro. L’energia termica o il contenuto di calore che varia nel sistema è detto entalpia (simbolo H).

‒ La variazione di entalpia in una trasformazione chimica è indicata come ΔH ed è definita come la differenza tra Hprodotti – Hreagenti (Hlegami formati – Hlegami scissi).

‒ Pertanto le reazioni esotermiche hanno un ΔH negativo e le reazioni endotermiche hanno un ΔH positivo.

DH = - [S(Hlegami prodotti) - S(Hlegami reagenti)] =

- [(384 + 444) - (396 + 238)] =

-194 kcal/mol

H-C 99 C-C 83 C=C 146 C≡C 200

H-N 93 C-N 73 C=N 147 C≡N 213

H-O 111 C-O 86 C=O 179 C=O 192

in CO2

H-S 83 C-S 65 C=S 128

N-N 39 N=N 100

N-O 53 N=O 145

O-O 35 O=O 119

S-S 54

F–F 36,6 C-F 116

Cl–Cl 58 C-Cl 81

Br–Br 46 C-Br 68

I-I 36 C-I 51

Entalpie (energie) standard di legame (kcal/mol)

Esempio: combustione del metano

CH4 + 2O2 g CO2 + 2H2O

en

talp

ia H


reagenti

prodotti

A + B

DH

C, H, N, O, ecc. stato atomico

C + D

C + D

prodotti

+ O2

+DH

+ O2

CO2 + 2H2O

legami covalenti scissi

4 C-H + 2 O=O

legami covalenti formati

2 C=O + 4 O-H

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 7



3.1 Reazioni organiche Fattori che influenzano le reazioni

‒ Effetti elettronici: la distribuzione degli elettroni ai siti di reazione (gruppi funzionali) è un fattore particolarmente importante.

‒ Specie o gruppi carenti di elettroni, che possono o meno essere carichi positivamente, sono attaccate da specie o gruppi ricchi di elettroni, che possono o meno essere caricati negativamente. Queste specie sono indicate, rispettivamente, come elettrofili e nucleofili. In generale, gli opposti si attraggono e i simili si respingono.

La distribuzione di carica in una molecola di solito è la risultante di due effetti che interagiscono:

- effetto induttivo (-I elettron-attrattore, +I elettron-donatore): dovuto alla polarizzazione della nuvola elettronica dei legami s, causata dalle differenze di elettronegatività che esistono tra gli atomi (o gruppi) che formano i legami in una molecola; si indebolisce rapidamente con la distanza;

- effetto mesomerico o di risonanza (-M elettron-attrattore, +M elettron-donatore): dovuto alla polarizzazione degli elettroni p nella molecola attraverso i legami p coniugati; è trasmesso anche a distanza.

F

F

F O H

OH

H

H O H

O

<<<<<

+++

<

++

+

<+

++

pKa = 0 pKa = 4,75

effetto induttivo

effetto mesomerico

CH2

H

OH

O

++

CH2 +

H

OH

O-

++

+

<<<

CH3

X<<<<<

+++

<

+

++

-I (gdecrescente) +I (gdecrescente)

-F > -OR > -NR2 -N- > R-O-

-O+R2 > -N+R3

-C(CH3)3 > -CH(CH3)2 > -CH2CH3 > -CH3

(piccole differenze)

-F > -Cl > -Br > -I

≡N > =NR > -NR2

-C≡C- > fenil- > C=C

-M (gdecrescente) +M (gdecrescente)

C=N+R2 > C=NR -O+R2 > -OR > -O-

C=O > C=NR > C=CR2 -NR2 > -OR > -F

-C≡C- > -C≡N -F > -Cl > -Br > -I

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 8




‒ Effetti sterici: la nuvola elettronica degli atomi o di gruppi che si trovano vicini all’interno di una molecola causa un ingombro sterico sfavorevole, dovuto alle repulsioni elettrostatiche di van der Waals. Tale ingombro sterico può influenzare sia gli equilibri conformazionali sia destabilizzare gli stati di transizione delle reazioni.

‒ Effetti stereoelettronici: in molte reazioni gli orbitali atomici o molecolari interagiscono in modo da presentare un allineamento configurazionale o geometrico ottimale. La mancanza di tale allineamento inibisce la reazione.

Igombro sterico

H

H

H

Br+

H

H

H

SN Br-+S

-N

CH3

CH3

CH3

Br+

CH3

CH3

CH3

SN Br-+S

-N

Effetti stereoelettronici

CH3

H

ClH

H

H

CH3CH3

HH

Cl

H

HCl

CH3KOH

alcol(lenta)

(1R,2R)-1-cloro-2-metilcicloesano

isomero trans

CH3

Cl

HH

H

H

CH3CH3

HCl

H

H

HCl

CH3KOH

alcol(veloce)

(1R,2S)-1-cloro-2-metilcicloesano

isomero cis

CH3

+

trans diassiale

trans diassiale

prodottoprincipale

Ione tiocianato

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 9




‒ Effetti del solvente: la maggior parte delle reazioni è condotta in soluzione e pertanto il solvente selezionato per una data reazione può esercitare una forte influenza sul suo decorso.

‒ Poiché i solventi sono sostanze chimiche, in condizioni adeguate possono anch’essi reagire chimicamente.

‒ Proprietà dei solventi.

‒ Macroscopiche: costante dielettrica e (capacità di separare due cariche di segno opposto per solvatazione) g dipende dalla presenza di un dipolo molecolare permanente o dalla polarizzabilità della nuvola elettronica molecolare.

‒ Microscopiche: hanno effetto sull’energia dei reagenti e degli stati di transizione.

a) se solvatano fortemente lo stato di transizione g aumentano la reattività

b) se solvatano fortemente lo stato fondamentale g diminuiscono la reattività

c) solventi polari aprotici g aumentano la nucleofilicità degli anioni (favoriscono la dissoluzione)

d) solventi apolari aprotici g diminuiscono la nucleofilicità degli anioni (favoriscono l’aggregazione delle coppie ioniche)

e) solventi polari protici g diminuiscono la nucleofilicità degli anioni (favoriscono la dissoluzione per formazione di legami idrogeno)

Tipo di reazione Effetto del solvente

A- + B+ g A---B + g A-B Favorita da solventi non polari

A-B g A---B + g A- + B+ Favorita da solventi polari

A + B g A-B g A-B Abbastanza insensibile alla polarità del solvente

A-B+ g A--+--B g A + B+ Leggermente favorita da solventi polari

A + B+ g A--+--B g A-B+ Leggermente favorita da solventi non polari

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 10



Variazioni strutturali e caratteristiche stereochimiche

−Regioselettività Una reazione è regioselettiva quando un prodotto si ottiene preferenzialmente rispetto a uno o piu’ prodotti. Es. addizione di HBr al but-1-ene.

−Stereoselettività Una reazione si dice stereoselettiva quando uno stereoisomero si forma preferenzialmente rispetto ad altri stereoisomeri possibili. Es. addizione di bromo al cicloesene.


prodotto principale

o

cis trans Br

Br

BrBr

CH3CH2CH=CH2 + HBr CH3CH2CHBrCH3 non

CH3CH2CH2CH2Br

addizione regioselettiva

H

H

addizione stereoselettiva

Br

Br

H

HBr2

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 11



3.1 Reazioni organiche Variazioni strutturali e caratteristiche stereochimiche −Stereospecificità

Una reazione si dice stereospecifica quando substrati stereoisomerici reagiscono in modo

diverso.

Es. reazione degli enantiomeri del 2-bromobutano con sodio metiolato NaSCH3.

Es. prodotti che si formano con velocità diverse (1)

Es. reazioni che portano a prodotti diversi per vie diverse (2)

H5C2

H

CH3

BrS-

CH3 +

C2H5

H

CH3

SCH3 Br-+

(2R)-2-bromobutano

alcol

(2S)-2-(metilsolfanil)butanoo (2S)-2-(metiltio)butano

CH3

H

H5C2

BrS-

CH3 +

CH3

H

C2H5

SCH3 Br-+

(2S)-2-bromobutano

alcol

(2R)-2-(metilsolfanil)butanoo (2R)-2-(metiltio)butano

sostituzioni stereospecifiche

1

2

Br

CH3

CH3

CH3 HH

cis-1-bromo-4-tert-butilcicloesano

KOH, alcol

veloce CH3

CH3

CH3

(4R,S)-4-tert-butilcicloesene

CH3

CH3

CH3

Br

HH

trans-1-bromo-4-tert-butilcicloesano

KOH, alcol

lenta

Br

CH3

HH

Br

CH3

H

H

(1R,2S)-1-bromo-2-metilcicloesano

KOH

alcolCH3

1-metilcicloesene

cis

eliminazioni stereospecifiche

H

CH3

BrH

HH

CH3

H

Br

H

(1S,2S)-1-bromo-2-metilcicloesano

KOH

alcolCH3

trans(3R)-3-metilcicloesene

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 12



Variazioni strutturali e caratteristiche stereochimiche ‒ Dal punto di vista delle conseguenze stereochimiche derivanti dalla loro trasformazione, i

composti organici possono essere classificati in non prochirali e prochirali.

‒ Si definiscono non prochirali i composti che possiedono un piano di simmetria s ed un asse C2 che per reazione con un reattivo achirale danno composti achirali.


OHOH

H H

Substrati non-prochirali con piano di simmetria s + asse C2

Prodotti achirali

HX

C2

XOH

H H

CH3 CH3

O

H2

C2

CH3 CH3

OH H

s s

HH

H H

R-C(O)OOH

C2

O

s

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 13



Variazioni strutturali e caratteristiche stereochimiche Si definiscono composti pro-chirali quelli che possiedono solo un piano di simmetria s e che per

reazione:

− con un reattivo achirale danno composti chirali racemici;

− con un reattivo chirale danno un eccesso di uno dei due antipodi (sintesi asimmetrica).

OHOH

OH H

Substrati prochirali con un piano di simmetria s

Prodotti chirali

HX

CH3

O

CH3

H2

OH H

OH X

s s

HCH3

H H

R-C(O)OOH

O

CH3

s

OH H

X OH

O

CH3CH3

CH3

OH H

CH3

CH3

OHH


GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 14



Variazioni strutturali e caratteristiche stereochimiche Se il substrato della reazione è chirale, anche se reagisce con un reattivo achirale per formare

un nuovo centro di asimmetria, nel prodotto della reazione vi sarà un eccesso delle due configurazioni (reazione stereoselettiva) causato dal centro di asimmetria già esistente (regola di Cram).

Se il substrato è prochirale e il reattivo chirale è un sistema biologico (es. un enzima) si ha una stereoselettività molto alta che porta ad un solo antipodo.


ATP = adenosintrifosfato

H

O

CH3

H5C6

H

(2S)-2-fenilpropanale

CH3-Mg+Br-

ATP-Mg + ADP-Mg

OHH

OH OH

glicerolo

OHH

OHP

O

OHOH

O

S

Reattivo di Grignard

Diversi passaggi

CH3

OH

CH3

H5C6

H

H

(2R,3S)-3-fenilbutan-2-olo

+ -

+

-

prodotto

principale

glicerolo chinasi

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 15

../8-CHIM_ORG_TE_MOLECOLE DIAPOSITIVE/3H3N.pdb



GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 16

specie cariche specie neutre

Intermedi di reazione

− In una reazione organica la trasformazione del substrato(i) nel prodotto(i) può avvenire in più

stadi, attraverso la formazione di intermedi labili o instabili che si distruggono per dare il prodotto(i).

− Gli intermedi, eccetto casi particolari, non possono essere facilmente isolati in quanto sono

rappresentati da specie reattive transitorie, presenti in molte reazioni, indicate come intermedi reattivi.



+

substrato(i) + reattivo(i) prodotto(intermedi i)o

A B D F G

Elettrofilo: un atomo, ione o molecola poveri di

elettroni che hanno affinità per una coppia di elettroni

e che si legano a una base o a un nucleofilo.

Nucleofilo: un atomo, ione o molecola che ha una

coppia di elettroni che può essere donata a un

elettrofilo (o acido di Lewis).

carbocatione, planare es. catione metile CH3

+ carbanione, piramidale es. anione metile CH3:-

radicale libero, forma intermedia planare/piramidale

es. radicale metile CH3●

carbene stato di singoletto/tripletto

forma planare es. metilene CH2:

elettrofilo nucleofilo

specie elettron-deficiente, non subisce attacco

nucleofilo

specie elettron-deficiente, prevalente carattere

elettrofilo



Tipi di processi

−Un legame covalente può essere scisso:

− omoliticamente, quando gli elettroni del legame vengono acquisiti dai due frammenti molecolari derivanti dalla scissione

− eteroliticamente, quando il legame si scinde in modo che il doppietto elettronico è acquisito da uno solo dei due frammenti molecolari che formano il legame

3.1 I Reazioni organiche

X—Y X. + .Y Radicali (reazioni radicaliche)

X—Y X+ + -:Y Ioni (reazioni ioniche)

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 17



Tipi di processi Reazioni radicaliche

− Es. Clorurazione del metano

− La clorurazione del metano in fase gassosa, per esposizione alla luce solare, è una reazione esplosiva che produce una miscela di prodotti clorurati e acido cloridrico: procede attraverso la formazione di specie neutre radicaliche.

− La reazione avviene mediante un processo a catena costituito da diverse fasi:

1) Inizio catena: la reazione è iniziata fornendo energia sotto forma di calore o di luce. Il debole legame Cl-Cl si scinde omoliticamente per dare due atomi di cloro.

2) Propagazione della catena: in queste due reazioni gli intermedi radicalici estraggono un atomo delle molecole dei reagenti. Se un atomo di cloro estrae un atomo di idrogeno dal metano nella prima fase, il risultante radicale metile causa la scissione di una molecola di Cl2 rigenerando un atomo di cloro.

3) Terminazione: una reazione a catena può continuare fino a quando uno o entrambi i reagenti vengono consumati. In pratica tali reazioni si fermano prima del completamento e devono essere riavviate. Questo accade ogni volta che due intermedi radicalici si incontrano e si combinano per dare una molecola stabile, così da chiudere la catena di reazioni non essendo più presenti specie radicaliche reattive.


X—Y X. + .Y

CH4 + Cl2 CH3Cl + CH2Cl2 + CCl4 + HCl hn o Dt o perossidi

Cl ClDT o hn

Cl+CH3 H

Cl+

ClHCH3 H +

CH3 H Cl Cl+ CH3 Cl + Cl

Cl

Cl+Cl Cl Cl

CH3 H CH3 ClCl+

CH3 H CH3 CH3+ CH3H

inizio catena

p

r

o

p

a

g

a

-

z

i

o

n

e

t

e

r

m

i

n

a

z

i

o

n

e

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 18



Tipi di processi Reazioni ioniche

− Sostituzione. La reazione di sostituzione può essere distinta in tre fasi.

1) equilibrio acido-base, in cui HCl protona l'atomo di ossigeno dell’alcol;

2) l'acido coniugato derivante perde acqua per dare un carbocatione intermedio;

3) il carbocatione elettrofilo si combina col nucleofilo (anione cloruro) per dare il prodotto finale di sostituzione del gruppo –OH con -Cl.

− Addizione. La reazione di addizione può essere distinta in due fasi.

1) equilibrio acido-base, gli elettroni p del doppio legame C=C funzionano come una base;

2) l'acido coniugato risultante è un carbocatione elettrofilo che si combina con l'anione nucleofilo bromuro.

3.1 I Reazioni organiche

X—Y X+ + -:Y Ioni (reazioni ioniche)

acido

coniugato

base

coniugata elettrofilo nucleofilo

elettrofilo nucleofilo

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 19



Tipi di processi Reazioni ioniche

− Eliminazione. La reazione avviene in un solo stadio. L’attacco iniziale può essere visto come una reazione acido-base, in cui lo ione idrossido funziona da base e l’idrogeno in posizione beta del cloruro alchilico si comporta da acido.

− Riarrangiamento o Trasposizione. Gli esempi riportati rappresentano una classe importante di riarrangiamento chiamata tautomeria, e in modo specifico la tautomeria cheto-enolica.

La tautomeria puè essere considerata come una reazione acido-base intramolecolare.

I tautomeri sono isomeri costituzionali che si interconvertono rapidamente, distinguibili per la diversa posizione dell’atomo labile di idrogeno (colorato in rosso) e del doppio legame.

L’equilibrio tra i tautomeri spesso favorisce in modo prevalente uno degli isomeri (per l’acetone, il tautomero cheto è il 99.999%).

Gli equilibri tautomerici sono catalizzati da tracce di acidi o di basi.

‒ Trasposizioni dello scheletro.


X—Y X+ + -:Y Ioni

(CH3)3CCH=CH2 + HCl (CH3)2C=C(CH3)2 + HCl

acido base

tautomero

cheto

tautomero

enolo

tautomero

immina

tautomero

enammina

tautomero

nitroso

tautomero

ossima

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 20



Aumenta il numero di gruppi legati al carbonio, aumentano i legami s a scapito di quelli p. La saturazione aumenta.

Si ha una diminuzione del numero di gruppi legati al carbonio, aumentano i legami p e si riducono quelli s. L’insaturazione aumenta.

Lo scheletro subisce una modificazione interna producendo un isomero. Il numero di legami non cambia.

3.1 Reazioni organiche Classificazione: variazioni strutturali

Classi di reazione

Un atomo o un gruppo legato a un atomo di carbonio è allontanato ed è sostituito da un altro atomo o gruppo. Il numero di legami non cambia.

SOSTITUZIONE ADDIZIONE

ELIMINAZIONE TRASPOSIZIONE

CH3CH2OH + HBr CH3CH2Br + HOH CH2=CH2 + Br2 BrCH2CH2Br

HCH2CH2Br + NaOH CH2=CH2 + HOH + NaBr (CH3)3CCH=CH2 + HCl (CH3)2C=C(CH3)2 + HCl

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 21



3.1 Reazioni organiche Classificazione: variazioni strutturali − I tipi di reazione visti si verificano sia in sistemi alchilici o alchenici, sia i sistemi

insaturi contenenti ossigeno (C=O), azoto (C≡N), sistemi aromatici, ecc..

− Alcune reazioni possono derivare dalla combinazione di più reazioni.

Sostituzione al C=O Es. La reazione di un estere R-C(=O)OR’ con ammoniaca NH3 produce un’ammide

R-C(=O)NH2. Il prodotto finale è un prodotto di sostituzione al carbonile, che in realtà si ottiene a seguito di due reazioni sequenziali di addizione/eliminazione, mediante la formazione di intermedi labili tetravalenti.

Addizione al C≡N Es. La reazione di addizione di H2O a un nitrile R-C≡N per dare un’ammide R-C(=O)NH2 è una

reazione a due stadi costituita da una reazione lenta di addizione di acqua al triplo legame,

seguita da un rapido riarrangiamento o trasposizione di H (tautomeria) dall’atomo di ossigeno

all’azoto.

O

R OCH3 addizione

+ NH3

O

R O CH3

H

NH2

eliminazione

- CH3OH

O

R NH2

estere ammide

NRaddizione

+ H2OO

R

H

N Htautomeria

veloce

O

R NH2

nitrile ammide

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 22



Per tipo di reazione: Ossidazione e Riduzione

3.1 Classificazione delle reazioni organiche

Gli atomi di cabonio possono avere uno stato di

ossidazione compreso tra – 4 (es. CH4) e + 4 (es. CO2) in

base al tipo di sostituenti .

In una molecola non è necessario determinare lo stato

di ossidazione di tutti gli atomi di carbonio presenti, ma

solo dei carboni coinvolti nella trasformazione.

In una reazione, per stabilire se un atomo di carbonio

subisce la variazione del suo stato di ossidazione

basta verificare la variazione del numero di legami con

gli idrogeni C-H e con gli atomi più elettronegativi

quali O, N, F, Cl, Br, I, e S. I legami con altri atomi di

carbonio sono tralasciati.

Se aumenta il numero di legami C-H e/o se

diminuisce il numero dei legami C-atomi

elettronegativi, il carbonio considerato si è ridotto (è in

uno stato di ossidazione più basso).

Se diminuisce il numero di legami C-H e/o se

aumenta il numero dei legami C-atomi

elettronegativi, il carbonio considerato si è ossidato (è

in uno stato di ossidazione più alto).

Se non si verifica alcuna variazione lo stato di

ossidazione non cambia (es. idrolisi dei nitrili).

Nei composti organo-litio (R-Li) e organo-magnesio

(R-MgX, reattivi di Grignard), in cui il legame è

polarizzato verso il carbonio più elettronegativo, il

carbonio più negativo è ridotto mentre il metallo più

positivo è ossidato.

NRaddizione

+ H2O

O

R NH2

nitrile ammide

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 23



GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 24

Per Gruppo Funzionale ‒ I gruppi funzionali sono atomi o gruppi di atomi che mostrano una reattività caratteristica

quando vengono trattati con alcuni reattivi.

‒ Un particolare gruppo funzionale quando è presente in un composto mostrerà quasi sempre il suo comportamento chimico caratteristico. Pertanto, le reazioni organiche sono spesso organizzate in base ai gruppi funzionali.


Classe Funzionale Formula Reazioni Caratteristiche

Alcani C–C, C–H Sostituzione (di H, in genere con Cl o Br, reazione radicalica) Combustione-ossidazione (conversione a CO2 e H2O)

Alcheni C=C–H Addizione Sostituzione (di H)

Alchini C≡C–H Addizione Sostituzione (di H)

Alogenuri Alchilici H–C–C–X Sostituzione (di X) Eliminazione (of HX)

Alcoli H–C–C–O–H Sostituzione (di H); Sostituzione (di OH) Eliminazione (di H2O); Ossidazione (eliminazione di 2H)

Eteri (alfa)C–O–R Sostituzione (di OR); Sostituzione (di H in alfa)

Ammine C–NRH Sostituzione (di H); Addizione (all’N); Ossidazione (di N)

Anello benzenico C6H6 Sostituzione (di H)

Aldeidi (alfa)C–CH=O Addizione (riduzione con H2) Sostituzione (di H o di H in alfa)

Chetoni (alfa)C–CR=O Addizione (riduzione con H2) Sostituzione (di H in alfa)

Acidi carbossilici (alfa)C–CO2H Sostituzione (di H); Sostituzione (di OH) Sostituzione (di H in alfa); Addizione (al C=O)

Derivati carbossilici (alfa)C–CZ=O (Z = OR, Cl, NHR, ecc.)

Sostituzione (di Z); Sostituzione (di H in alfa) Addizione (al C=O)



Per meccanismo di reazione ‒ Le reazioni dei diversi gruppi funzionali possono quindi essere classificate in base alla variazione

del numero di legami, al tipo di scissione del legame, alla natura elettrofilica o nucleofilica del substrato, al numero di molecole che prendono parte allo stadio che determina la velocità di reazione [monomolecolari (1), bimolecolari (2), ecc.]


Reazioni organiche Meccanismo

Omolotico Eterolitico (ionico)

Tipo Radicalico Nucleofilico Elettrofilico

Sostituzione (S) AB + C g AC + B

Alogenazione al C saturo

SN1 SN2

SN acilica SN aromatica

SE aromatica

Addizione (A) A + B g C

Addizione racicalica al doppio legame C=C

AN carbonilica AN C=C AN C≡C

AE C=C AE C≡C

Eliminazione (E) A g B + C

E 1 E 2

Reazioni acido-base Trasposizioni Cicloaddizioni Ossido-riduzioni (idrogenazioni e deidrogenazioni)

GC_FA-TE-ORG 3.1_12-13 - 25

Documents

Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF … · ‒La termodinamica studia la trasformazione dell’energia da un sistema all’altro. L’ energia termica o