Appunti Di Chimica Organica

a.a.2006-2007 CHIMICA ORGANICA 1 Prof. Giuliana Pitacco [email protected] lab 337; tel. 040 558 3923 1 Testi consigliati • • • • W. H. Brown & C. S. Foote, Chimica Organica, EdiSES J. McMurry, Chimica Organica, PICCIN S. N. Ege, Chimica Organica, Ed. Sorbona K. Peter, P. Vollhardt, N. E. Schore, Chimica Organica, Zanichelli. • P. Y. Bruice, Chimica Organica, EdiSES. • T. W. Graham Solomons, Organic Chemistry, J. Wiley&Sons. 3 CHIMICA ORGANICA 4 Definizioni • Vecchia: “derivata da organismi viventi” • Nuova: “la chimica dei composti del carbonio” • Da inorganico a organico, Wöhler, 1828 + NH4 OCN ammonio cianato - calore O H2N C NH2 urea Friedrich Wöhler 1800 – 1882 5 La chimica organica oggi H C Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K la chimica dei composti del carbonio Br I …..combinato con pochi altri elementi 6 Unicità del carbonio • Il carbonio ha una chimica unica • Si lega ad ogni altro elemento • Si lega a sé stesso in lunghe catene – la chimica organica comporta una enorme varietà di composti, di strutture, di reazioni 7 Chimica organica La chimica organica è presente in ogni aspetto della nostra vita. • biomolecole: Biochimica – proteine – DNA • • • • cibo vestiti medicine …. Chimica Industriale Chimica Farmaceutica 8 Chimica organica • La disciplina “chimica organica” organizza i composti organici sulla base della loro struttura. • Ne studia poi la reattività. • E correla struttura con reattività. STRUTTURA REATTIVITÀ 9 Obiettivi del corso 1. Assegnare struttura e nome ai composti organici. 2. Predire di una molecola: • • La struttura tridimensionale L’effetto della struttura sulla reattività (velocità della reazione e posizione dell’equilibrio) 3. Comunicare tali conoscenze con opportuno linguaggio. 4. Disegnare percorsi sintetici semplici. 10 Obiettivi del corso • Sarà sufficiente: – Conoscere un numero limitato di reazioni permesse e regole semplici di analogia per poter estendere i concetti a un numero illimitato di trasformazioni chimiche. – Acquisire automatismi nel riconoscimento di strutture e nella loro trascrizione. – Risolvere esercizi per una autovalutazione. 11 Struttura Atomica • Nucleo carico positivamente molto denso e piccolo: protoni, neutroni (10-15 m) nucleo • Elettroni carichi negativamente in una nuvola intorno al nucleo (10-10 m) numero di massa A = 6 p + 6 n = 12 amu 12 6 C 14 6C diametro: 2 × 10-10 m (200 pm) isotopo numero atomico Z Tutti gli atomi di un dato elemento hanno lo stesso numero atomico. Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che hanno numero di neutroni diverso e quindi differiscono nel numero di massa. Orbitali • Quantomeccanica: descrive le energie degli elettroni e la loro posizione mediante una equazione d’onda – La funzione d’onda è la soluzione dell’equazione d’onda – Ogni funzione d’onda è un orbitale, ψ • ψ 2 descrive la regione di spazio nel quale un elettrone ha maggiore probabilità di trovarsi • La nube elettronica non ha confini, ha solo aree più probabili. 13 Forme degli orbitali • Gli elettroni sono confinati in regioni di spazio = livelli energetici principali o gusci – ogni guscio può contenere 2n2 elettroni (n = 1, 2, 3, 4..) • I gusci sono divisi in sottogusci chiamati orbitali, indicati con le lettere s, p, d,... – s (uno per guscio) – p (set di tre per il guscio 2 e superiori) – d (set of cinque per il guscio 3 e superiori) ..... 14 Gusci e orbitali • Ogni orbitale può contenere 2 elettroni Energia 3° guscio capacità: 18 elettroni 2p 2° guscio capacità: 8 elettroni 1° guscio capacità: 2 elettroni 1s 2s15 Riempimento Orbitali Atomici 1. Principio dello Aufbau: gli orbitali si riempiono dal basso in alto (energia crescente: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d ). 2. Principio di esclusione di Pauli: solo due elettroni per orbitale: spin su ↑ e spin giù ↓. 3. Regola di Hund: per un set di orbitali degeneri, aggiungere un elettrone in ciascuno, appaiati, prima di aggiungerne un secondo. 16 Configurazioni elettroniche degli elementi del primo e secondo periodo Elemento Configurazione Elettroni di valenza H 1s1 1 He 1s2 2 Li 1s22s1 = [He]2s1 1 Be 1s22s2 = [He]2s2 2 B 1s22s22px1 = [He]2s22px1 3 C 1s22s22px12py1 = [He]2s22px12py1 4 N 1s22s22px12py12pz1 = [He]2s22px12py12pz1 5 O 1s22s22px22py12pz1 = [He]2s22px22py12pz1 6 F 1s22s22px22py22pz1 = [He]2s22px22py22pz1 7 Ne 1s22s22px22py22pz2 8 17 Elettroni di Valenza Gli elettroni si dividono in elettroni di core e elettroni di valenza. • Na 1s2 2s2 2p6 3s1 core = [Ne] valenza = 3s1 • Br [Ar] 3d10 4s2 4p5 core = [Ar] 3d10 valenza = 4s2 4p5 18 Teoria del Legame • Gli atomi si legano perché il composto che ne deriva è più stabile degli atomi separati. 19 . • Il legame è il risultato di un bilanciamento tra forze attrattive (elettroni e nuclei) e repulsive (elettronielettroni e nuclei-nuclei). perdere.La regola dell’Ottetto • Gli atomi tendono a guadagnare. 20 . condividere elettroni in modo da essere circondati da otto elettroni di valenza (tranne l’idrogeno che ne ha due). 5 Ÿ legame covalente – Quando ∆X = 0.5 – 1.9 Ÿ legame ionico elettronegatività crescente elettronegatività crescente Scala di Pauling 21 .Polarità del legame • Differenza elettronegatività (∆X) degli atomi • Generalmente: – Quando ∆X < 0.9 Ÿ legame covalente polare – Quando ∆X > 1. • Legame covalente: la coppia di elettroni è condivisa da due atomi.Tipi di legami chimici • Legame ionico: trasferimento di elettroni da un atomo a un altro. legame covalente non polare legame covalente polare legame ionico 22 . Mappe di potenziale elettrostatico LiH HH HF rosso < arancio < giallo < verde < blu potenziale elettrostatico più negativo potenziale elettrostatico più positivo 23 . Lewis (1875 – 1946) densità elettronica alta H δ+ δ– H–Cl •• Cl •• •• coppia di legame o condivisa lone pair (LP) coppia di non legame o non condivisa 24 .Strutture di Lewis • Elettroni di legame: i composti organici formano legami che derivano dalla compartecipazione di elettroni. densità elettronica bassa Gilbert N. • Elettroni di valenza non usati in legami sono chiamati elettroni di non legame o elettroni di lone-pair. 2 lone pair F 7 elettroni di valenza: 1 legame.Strutture di Lewis Configurazione Elettronica C [He]2s22p2 N [He]2s22p3 O [He]2s22p4 F [He]2s22p5 Cl [Ne]2s22p5 Simbolo di Lewis Valenza C 4 elettroni di valenza: 4 legami N 5 elettroni di valenza: 3 legami. 3 lone pair Cl 7 elettroni di valenza: 1 legame. 3 lone pair 25 . 1 lone pair O 6 elettroni di valenza: 2 legami. Disegnare le strutture di Lewis Cl Cl O C Cl Cl H C H H C C H CCl4 CH2O C2H2 H H C O H H CH3OH H H H H C C C H H C N H CH3CHCH2 HCN 26 . 2. Dividere gli elettroni di ogni legame per due assegnando ciascun elettrone a un atomo. elettroni in eccesso Ÿ carica formale negativa elettroni in difetto Ÿ carica formale positiva 27 . Contare il numero di elettroni posseduto da ciascun atomo paragonandolo con la sua valenza.Assegnare cariche formali 1. determinare la carica formale su ogni atomo delle seguenti molecole o ioni. H3O+ CH3O– CH3+ CO N3– 28 .Esercizio • Disegnare le strutture di Lewis. Risposta H H H O H O: 6 – 5 = +1 H C O O C: 4 – 5 = – 1 O : 6 – 5 = +1 H C H H C: 4 –4 = 0 O: 6 –7 = –1 1 C H 2 3 N N N N1: 5 –5 = 0 N2: 5 –4 = +1 N3: 5 – 7 = –2 C: 4 –3 = +1 1 2 3 N N N N1: 5 –6 = –1 N2: 5 –4 = + 1 N3: 5 –6 = –1 29 . 2 Strutture di Lewis • Quando per una molecola o ione è possibile scrivere due o più strutture di Lewis non equivalenti. una carica + su un atomo più elettropositivo minor separazione di carica possibile In ordine decrescente di importanza 30 . la migliore (= la più stabile) è quella che ha: ƒ ƒ ƒ ƒ il maggior numero di ottetti il minor numero di cariche formali una carica – su un atomo più elettronegativo. più forte è il legame.Teoria del legame di Valenza • I legami si formano per sovrapposizione di orbitali atomici occupati ciascuno da un elettrone. x x 1sB 1sA x x 31 . • Gli elettroni sono localizzati e condivisi e attratti da entrambi i nuclei. • Maggiore è la sovrapposizione tra gli orbitali. Energia del legame • La reazione 2 H· → H2 rilascia 436 kJ/mol. • Il prodotto ha un’energia minore dei due atomi di 436 kJ/mol: H–H ha una forza di legame di 436 kJ/mol.184 kJ) Energia 2H 436 kJ/mol E rilasciata quando si forma il legame E assorbita quando i legami si rompono H2 32 . 1 kcal = 4. (1 kJ = 0.2390 kcal. • Se troppo vicini. si respingono perché entrambi carichi positivamente • Se troppo lontani. il legame è debole.Lunghezza del legame (troppo vicini) Energia • È la distanza tra i nuclei che porta al massimo della stabilità. (troppo lontani) distanza di legame distanza internucleare 33 . 34 . • Gli elettroni di valenza sono in orbitali (chiamati orbitali molecolari) distribuiti sull’intera molecola.Teoria Orbitale Molecolare • Robert Mulliken (18961986) • Gli elettroni di valenza sono delocalizzati. grandezza e energia specifici • Sono formati combinando orbitali atomici – quelli che hanno energia minore degli orbitali atomici di partenza sono “di legame” – quelli che hanno energia maggiore sono di “antilegame”. 35 .Orbitali Molecolari • Descrivono regioni di spazio in una molecola – di forma. Energia Orbitali Molecolari OM antilegante H-H orbitale 1s H orbitale 1s H OM legante H-H 36 . Orbitali Molecolari • Terminologia – – – – – – stato fondamentale = a più bassa energia stato eccitato = non a più bassa energia σ = OM sigma legante σ* = OM sigma antilegante π = OM pi legante π* = OM pi antilegante 37 . Legami σ 2p 1s simmetrico rispetto alla rotazione attorno all’asse internucleare σ 1s-2p 2p sovrapposizione coda-coda 2p σ 2p-2p 38 . Orbitali Molecolari σ1s Energia orbitale sigma antilegante (1 nodo) orbitale sigma legante 1s 1s 39 . Orbitali Molecolari σ2p 40 . Legame π 2p 2p sovrapposizione fianco a fianco π 2p-2p non simmetrico rispetto alla rotazione attorno all’asse internucleare 41 . Orbitali molecolari π 42 . Forma delle molecole • Possiamo predire la forma delle molecole semplicemente combinando gli orbitali atomici disponibili su ciascun atomo? • No 43 . 5o Non c’è accordo con il modello atomico! 44 .5o O H 2 orbitali semivuoti a 90° l’effettivo angolo H-O-H (misurato con la diffrazione elettronica) è di 104.Risultati Sperimentali H2O O H = [He]2s22px22py12pz1 = 1s1 H 104. • In ogni caso le regioni di densità elettronica attorno al nucleo devono stare il più distanti possibili per minimizzare le repulsioni. tripli o restare non condivisi. • La necessità di minimizzare le repulsioni determina la geometria della molecola. 45 .Teoria VSEPR • Gli elettroni di valenza possono formare legami singoli. doppi. Geometria delle Molecole Geometria • 4 regioni di densità elettronica attorno all’atomo TETRAEDRICA • 3 regioni di densità elettronica attorno all’atomo TRIGONALE PLANARE • 2 regioni di densità elettronica attorno all’atomo LINEARE 46 . Geometria tetraedrica • 4 linee che si irradiano da un atomo centrale formando angoli uguali descrivono un tetraedro. • Gli angoli sono di 109°28' atomo centrale 109°28' 47 . 48 .5° C tetraedrico N 107° O 105° • La repulsione tra coppia di legame e lone pair è maggiore della repulsione tra coppie di legame e quindi l’angolo aumenta. • La repulsione tra lone pairs è ancora maggiore.L’atomo centrale può essere C. etc. O. N. C 109. Sebbene le molecole abbiano forme differenti.Variazioni sul “tetraedrico” H Tetraedrico H C H H . Piramidale H N H H H Angolare O . gli orbitali usano un arrangiamento tetraedrico (coppie incluse) 49 . In chimica generale si fanno delle distinzioni.. H ... si respingono allargando l’angolo CH3 112o H C CH3 106o H 50 .Repulsioni steriche CH3 H C CH3 H I gruppi CH3 sono più voluminosi degli H. .. P ..Elementi del 3° periodo non hanno tendenza a diventare tetraedrici repulsioni maggiori . . N . H 2° PERIODO 3° PERIODO H N H H 107o P H H 93o La coppia non condivisa sul P occupa molto più spazio di quella dell’azoto 51 .. repulsioni minori: gli elettroni sono più diffusi e più lontani dal nucleo. Geometria trigonale planare • 3 linee che si irradiano da un atomo centrale descrivono un triangolo equilatero. 120° 52 . con angoli di 120°. + C + + N O ... 53 .Atomi trigonali planari C N . C 54 . 180° C N .Geometria lineare • 2 linee che si irradiano da un atomo formando angoli uguali. con angoli di 180°.. stanno su una retta. In qual modo la molecola acquisisce la geometria osservata? IBRIDAZIONE 55 . consentono di prevedere correttamente la forma della molecola.Orbitali ibridi • Gli orbitali ibridi. • Tre sono i tipi di orbitali ibridi: ƒ ƒ ƒ sp3 (1 orbitale s + 3 orbitali p) sp2 (1 orbitale s + 2 orbitali p) sp (1 orbitale s + 1 orbitale p) 56 . che sono un’astrazione. px. e pz – e costruire 4 nuovi orbitali equivalenti che puntino nella corretta direzione. 57 .Metano CH4 • Sperimentalmente: 4 legami σ C-H a 109° • Per formare 4 legami σ C-H a 109° bisogna usare 4 orbitali atomici del carbonio – s. • I 4 orbitali ibridizzano a dare 4 orbitali atomici ibridi equivalenti sp3. py. H orbitali 1s sovrapposizione orbitali sp3 e 1s σ(sp3C + 1sH) i legami C–H sono legami σ 58 .Ibridazione sp3 C 2p 2s promozione elettrone ibridazione 2p 2s 4 orbitali atomici 4 orbitali atomici ibridi sp3 H C orbitali sp3 4H C H H C sp3 tetraedrico L’energia degli orbitali ibridi è intermedia fra le energie degli orbitali s e p di cui sono formati. 2px.Ibridazione sp3 2pz 4 sp3 2px 2py 4 orbitali atomici 2s.2py.2pz 4 orbitali ibridi sp3 tetraedro 59 . 3 Atomi diversi dal C e– val 6C 2s 2p promozione elettrone 2s 2p ibridazione 4 orbitali atomici 7N 2s 8O 2s 2p 2p 4 orbitali atomici ibridi sp3 promozione elettrone 2s promozione elettrone 2s 2p ibridazione 4 orbitali atomici ibridi sp3 2p ibridazione 4 orbitali atomici ibridi sp3 60 . Confronto C N H H H C H C H H H σ(sp3C+sp3C) H C O lone pairs 3 in OA s p H N H H H σ(sp3C+sp3N) H C O H H σ(sp3C+sp3O) 61 . Struttura dell’etano CH3–CH3 C sp3 C sp3 legame σ sp3C+ sp3C CH3–CH3 62 . Disegnare un atomo tetraedrico linee continue nel piano linea a cuneo tratteggiata dietro il piano del foglio H C H H H linea a cuneo davanti il piano del foglio (verso l’osservatore) 63 . e pz – e costruire 3 nuovi orbitali equivalenti • L’orbitale 2p non ibridizzato è perpendicolare al piano degli orbitali sp2 64 . px. py.Etilene CH2= CH2 • Sperimentalmente: – tutti e 6 gli atomi in un piano – angoli di 120° H H C H C H • Per formare 3 legami σ C-H a 120° bisogna usare 3 dei 4 OA del carbonio – s. Ibridazione sp2 del carbonio C promozione elettrone 2p 2s ibridazione 2p 2s 2p 3 orbitali atomici ibridi sp2 π 2p H H C C H H sovrapposizione orbitali 2p σ(sp2C + 1sH) σ(sp2C + sp2C) H H C C H H H tutti gli atomi coplanari sovrapposizione orbitali p H C = H C H doppio legame = 1σ + 1π 133 pm 65 . 2px.2py.2pz 3 orbitali ibridi sp2 1 orbitale atomico 2p trigonale planare 66 .Ibridazione sp2 del carbonio 90° 2pz 3 sp2 + 120° 1 2px 2py 4 orbitali atomici 2s. Etilene legame π orbitali 2p legame σ orbitali sp2 legame p C sp2 C sp2 doppio legame C=C 67 . Legame π visto dall’alto 68 . Ossigeno sp2 CH2O formaldeide O π H H C O tutti gli atomi coplanari sovrapposizione orbitali p H H C lone pairs in OA sp2 O σ(sp2C + sp2O) + π 69 . • Gli orbitali 2p non ibridizzati sono perpendicolari tra loro.Acetilene C2H2 • Sperimentalmente: – La molecola è lineare – Gli angoli sono di 180° H C C H • Per formare 2 legami σ C-H a 180° bisogna usare 2 dei 4 orbitali atomici del carbonio – s. py. e pz – e costruire 2 nuovi orbitali equivalenti. px. 70 . C sp C 2s promozione elettrone 2p 2p 2s 2p 2 orbitali atomici ibridi sp 2p H ibridazione 2 legami π C C H σ (spC + 1sH) σ (spC + spC) H C C H = H C C H triplo legame = 1 legame σ + 2 legami π 120 pm 71 . 2px.2pz 2 orbitali ibridi sp2 2 orbitali atomici 2p lineare 72 .2py.Ibridazione sp 2pz orbitali non ibridizzati 2py 2pz z 2 y sp + x 2pz 2py orbitali ibridi sp 2px 2py 4 orbitali atomici 2s. Acetilene π py–py π pz–pz legame σsp-s legame σsp-sp 73 . Azoto sp H-C≡ ≡N N 2p H 2 legami π C N H C C = H C N lone pair in OA sp σ(spC + spN) + 2π 74 . sp2. 2px.Gli orbitali ibridi: un ipotetico stadio intermedio nel processo di formazione dei legami orbitali atomici 2s.2pz orbitali atomici ibridi sp3. sp orbitali molecolari σ. π. n processo di formazione dei legami le sovrapposizioni tra gli orbitali ibridi degli atomi porta ai legami finali nella molecola che sono rappresentati dagli orbitali molecolari 75 .2py. Gli ibridi hanno migliore direzionalità per formare legami 4.Perché si formano gli ibridi ? 1. Si formano legami più forti minore energia 3. gli ibridi dispongono di un maggior numero di legami minore energia 76 . Vengono minimizzate le repulsioni tra le coppie minore energia 2. Poiché di solito si verifica una promozione di almeno un elettrone. UNITÀ DI LEGAME Gli atomi partecipano alla formazione delle molecole secondo pattern ben definiti 77 . .Unità di legame di Lewis per i più comuni elementi I H III B Al IV V VI VII C N: . . :. O .. . :Cl . :F . S . N C C monovalente trivalente tetravalente N: P: trivalente . O . S ... .. .... C ...I bivalente monovalente78 .. . ..... :Br ... N .... 79 . O ... N . N+ + N B C: - ANIONI .. Il tipo di carica dipenderà dal confronto tra elettroni posseduti e elettroni di valenza dell’atomo.Comuni unità di legame di Lewis con carica • Quando gli atomi hanno un numero di legami diverso dalla loro valenza avranno una carica C+ CATIONI + O: + N + O . . : .. . . • Il Boro ha 3 elettroni di valenza e quindi può formare solo 3 legami.Strutture con l’ottetto incompleto • Gli elementi del terzo gruppo possono formare strutture stabili con l’ottetto incompleto..B BF3 F = B F F 120o trigonale planare 80 . 4A promuovono un elettrone al livello superiore in modo da poter formare un maggior numero di legami GUSCI DI VALENZA 2A • • Be • Be • 3A 4A • • B• • •C• • • • • B• • C• • simboli di Lewis Be 4 B 5 C 6 1s22s2 1s22s22p1 1s22s22p2 [1s2]2s2 [1s2]2s22px1 [1s2]2s22px12py1 [He]2s12px1 [He]2s12px12py1 [He]2s12px12py12pz1 81 . tutti gli elementi dei gruppi 2A.Promozione Quando formano legami covalenti. 3A. Strutture con l’ottetto incompleto H + H 120o C H carbocatione Non è una molecola stabile.reagisce velocemente 82 . è uno ione “intermedio” . Strutture con l’ottetto espanso Sempre con lo scopo di formare il maggior numero possibile di legami elementi dei gruppi 5A e 6A possono espandere l’ottetto • Il Fosforo può formare fino a 5 legami Cl P PCl5 = Cl P Cl Cl GRUPPO 5A Cl • Lo Zolfo può formare fino a 6 legami S S 15 SF6 [Ne]3s23px13py1 = F F F S F F F [Ne]3s13px13py13pz13d13d1 GRUPPO 6A Sono disponibili gli orbitali 3d 83 . Domanda. Quale è l’ibridazione degli atomi indicati? CH3 OH C HO CH 17-etinilestradiolo (“La Pillola”) 84 . Risposta sp3 sp3 CH3 OH C CH sp HO sp3 sp2 17-etinilestradiolo (“La Pillola”) 85 . Appendice 86 . Paragone degli orbitali ibridi spx maggiore coda sp3 carattere “p” sp2 carattere “s” Per evitare confusione il lobo posteriore è di solito omesso nelle rappresentazioni e il lobo anteriore viene elongato per mostrare la sua direzione omesso sp maggiore densità elettronica nel lobo legante 87 . Comuni Legami σ σ1s–1s σ2p–1s σ2p–2p σsp 3–1s σsp 3–sp3 88 . Comuni Legami π π 2p – 2p sovrapposizione fianco-a-fianco π 2p – 3d 89 . 12 80 335 H–C– sp3-1s 1.Forza dei legami C-H legame C-H tipo Lunghezza Å [CH2] 2p-1s 1.08 106 444 CH2=CH2 H–C≡ sp-1s 1.06 121 506 HC≡CH carattere s più corto Energia Kcal KJ Molecola misurata più “s” = più corto 90 = più forte .10 101 422 CH3CH3 H–C= sp2-1s 1. 51 109 456 CH3CH=CH2 –C–C≡ sp3.46 – - CH3C≡CH carattere s più corto Legami σ tipici hanno energie di circa 8091 120 kcal/mole .sp 1.54 83 347 CH3CH3 –C–C= sp3-sp2 1.Forza dei legami singoli C–C legame C-C tipo Lunghezza Å Energia Kcal KJ Molecola misurata –C–C– sp3-sp3 1. 54 83 347 CH3CH3 C=C sp2-sp2 1.20 200 837 HC≡CH carattere s più corto Legami π tipici hanno energie di circa 50-60 kcal/mole 92 .sp 1.34 146 611 CH2=CH2 C≡C sp .Forza dei legami multipli C–C Energia Kcal KJ Molecola misurata legame tipo Lunghezza Å C–C sp3-sp3 1. Energie medie di legame per legami singoli (Kcal/mole) H C N O F Si S Cl Br I 104 99 93 111 135 76 83 103 87 71 H 83 73 86 116 72 65 81 68 52 C 39 53 65 - - 46 - - N 47 45 108 - 52 48 56 O 37 135 - - - - F 53 - 91 74 56 Si 60 61 52 - S 58 - - Cl 46 - Br 36 I 93 . RISONANZA . . comportamento chimico. • Questo processo mentale di mediazione tra più strutture si chiama RISONANZA.) • Si è allora costretti a sostituire a una singola formula un insieme di formule di Lewis.RISONANZA • Vi sono molecole le cui proprietà non sono ben spiegate da una singola struttura di Lewis che tenga conto cioé delle proprietà osservate (contenuto energetico. lunghezza dei legami. etc. . • I nuclei e gli angoli di legame restano gli stessi.RISONANZA • Le forme di risonanza o forme contributive si differenziano solo per la posizione degli elettroni. • Solo gli elettroni (lone pairs o π) possono muoversi. • La risonanza genera una delocalizzazione di carica elettrica. • Ogni ossigeno ha 1/3 di carica negativa. • I legami hanno la stessa lunghezza.Dalla Chimica Generale • Ione nitrato. NO3– _ O O O O O _ O N N O _ N O O • La reale struttura è un ibrido di risonanza. . Dalla Chimica Generale • Possiamo immaginare che gli elettroni si muovano in coppia per convertire una forma di risonanza in un’altra. _ O O _ N+ _ O O _ N+ O O _ O N+ _ O O – Il movimento di due elettroni viene indicato con frecce ricurve a doppia punta. . Molecole organiche Ione formiato HCO2 – Simultaneamente due elettroni del legame π C=O si spostano sull’ossigeno in alto diventando un lone pair H C H C O½ - O O O O = H C O½- ordine di legame 1/2 • nessuna struttura descrive accuratamente lo ione formiato • la specie reale è una media delle due La freccia ricurva rossa indica che un lone pair si muove dall’ossigeno in basso per diventare parte del doppio legame C=O freccia unica a doppia punta gli elettroni sono delocalizzati . CH3NO2 Questa struttura di risonanza ha lone pair qui… La nuova struttura di risonanza ha un doppio legame qui… ordine di legame 1/2 …e un doppio legame qui …e un lone pair qui freccia unica a doppia punta gli elettroni sono delocalizzati .Molecole organiche Nitrometano. • Tutte le strutture contributive devono avere il medesimo numero di elettroni condivisi e non condivisi. solo diversamente distribuiti. . • Le forme di risonanza individuali sono immaginarie. • Gli atomi occupano lo stesso posto in entrambe le forme.Strutture contributive • Tutte le strutture contributive devono essere corrette strutture di Lewis. • L’ibrido di risonanza è più stabile di ogni singola forma di risonanza individuale.Ibrido di risonanza • Una struttura con forme di risonanza non alterna tra le forme. e la struttura reale è chiamata ibrido di risonanza. • Maggiore è il numero di forme di risonanza. • È un ibrido delle forme di risonanza. più stabile è il composto. . a metà tra singoli e doppi. tutti i legami C-C sono equivalenti. il benzene (C6H6) ha due forme di risonanza – Nell’ibrido di risonanza. .Benzene • Ad esempio. la carica negativa sull’atomo più elettronegativo. il maggior numero possibile di legami.Forme di risonanza più importanti • Quando per una molecola si possono scrivere più forme di risonanza disuguali. la minore separazione di carica possibile. . la forma che contribuisce maggiormente alla descrizione della molecola avrà: il maggior numero possibile di ottetti. ..Esempi H CH2NH2 C H + H N H maggiore NCO– . la carica negativa sta sull’atomo più elettronegativo H + C H N H H minore.. minore . il carbonio non ha l’ottetto – :N=C=O: . – :N≡ ≡C–O: ... maggiore. – La parte di molecola interessata dalla risonanza è planare: i legami diventano di ordine intermedio. il primo interessa l’energia l’altro la geometria della molecola o ione: – L’energia della specie viene abbassata.Effetti della risonanza • Due sono gli effetti principali della delocalizzazione di elettroni. . . E N E R G I A .– :N≡ ≡C–O: .. ER REALE MOLECOLA Energie stimate Le due strutture contributive hanno energia diversa La carica negativa su O meglio che su N la reale molecola ha energia più bassa di ciascuna delle forme contributive . ...– :N=C=O: .Energia di risonanza ER • È la differenza tra l’energia della molecola reale (misurata) e quella della sua forma di risonanza più stabile (calcolata). Riconoscere la possibilità di esistenza di forme di risonanza . Perché? • È importante riconoscere la risonanza all’interno delle molecole e ioni perché: – Le strutture di risonanza ci informano sulla distribuzione degli elettroni o cariche all’interno della molecola. . – Conoscere la distribuzione elettronica in una molecola consente di identificare i siti reattivi della molecola o dello ione. Risonanza • La risonanza è possibile solo in sistemi nei quali c’è coniugazione: – tra legami π: O – tra legami π e lone pairs: O.... – tra legami π e un orbitale vuoto: N . . + C . H2C=CH-CH=CH-NH2 H . H . ... H H sp2 H . in modo che gli orbitali p siano paralleli e possano sovrapporsi. .Atomi che partecipano alla risonanza • Sono ibridizzati sp2. stanno sul medesimo piano. H N H sp3 H H H H . H . H . . N H . . Radicale adiacente a un legame π b. adiacenti a un legame π: a. Atomi ricchi di elettroni.Esempi 1. Lone pair adiacente a un legame π b. Catione adiacente a un legame π 3. Legame π adiacente a un legame π . Anione adiacente a un legame π 2. Atomi poveri di elettroni. adiacenti a un legame π: a. 2 elettroni legame multiplo (doppio. triplo legame) 0.1.2 elettroni legame multiplo .• Ogni gruppo di tre atomi con un legame multiplo ha due forme di risonanza: 0.1. 2 elettroni R N R • Molecola neutra H3C (si crea una separazione di carica) • Anione C + R R N R C H3C C H C R H O H3C C O R C H3C H C C H – Carbanione (allilico) – R .2 elettroni adiacenti a un legame π Atomo adiacente ricco di e.. –NR2. –OCOR. O Non tutte le 5 forme contributive sono uguali. .Esempio Fenolo: OH OH OH OH . –NHCOR. . . H OH è elettron donatore: ogni Y elettron donatore aumenta la densità elettronica sull’anello: –OCH3. –R OH Y . . . –NHR. – NH2. 2 elettroni adiacenti a un legame π legame π adiacente a un legame π H H H W Y X + H Z H H H H molecola neutra forme di risonanza con separazione di carica H H H + butadiene H . 1 elettrone • Radicale .1 elettrone adiacente a un legame π Atomo adiacente povero di e- . frecce ricurve a 1 punta indicano il movimento di un singolo e- Radicale (allilico) . . Esempio Radicale benzile: CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 . Orbitale vuoto adiacente a un legame π Atomo adiacente povero di eorbitale vuoto • Catione + Carbocatione (allilico) + . Esempio Catione benzile: CH2 CH2 CH2 CH2 Stabilizzato per risonanza ~ stessa stabilità del catione allile . . . . . vuoto stabilizzato per sovrapposizione con il sistema π dell’anello CH2 . . . : + C .Risonanza in legami polari • Per evidenziare la polarità di taluni legami polari. ... δ+ C δ- O . anche se lascia uno dei due atomi senza ottetto. : – La carica negativa deve stare sull’atomo più elettronegativo.– O . la carica positiva sull’atomo meno elettronegativo. è consentita la separazione delle cariche. –CN. –COOR. –COOH. –CHO. –SO3H.Esempio Benzaldeide H C O H C O H C O H C O H C O δ– H C O H C O δ+ Z Y Il gruppo C=O è elettron attrattore. Ogni gruppo Y=Z elettron attrattore diminuisce la densità elettronica sull’anello: –NO2. –COR. – N+R3 . ...N CH3 O . .. .. . . ... .. – + :O . O CH 3 .. O N . .. .Inibizione sterica alla risonanza . O CH3 . . – + :O . O CH3 CH 3 . CH3 .. . . N O H 3C CH 3 :O . N O . O . :O . : . : . Esempi . . CH 3 +O .. CH 3 +O –. CH :O 3 orto meta forme di Kekulé meta para la densità elettronica viene aumentata nelle posizioni o-. CH 3 :O .ANISOLO OCH3 sostituente elettron-donatore orto ... p- .. – .. – .. CH 3 +O ... :O .... : N + + + cariche doppie .NITROBENZENE . NO2 sostituente elettron-attrattore . . pviene diminuita . ... : N .... + O: cariche singole N la densità elettronica nelle posizioni o-...... :O .. + O .. + O .. + O . . : .... . :O ... :O .. : N N . :O + O . Scrivere le molecole . Scrittura Formula strutturale Formula molecolare O = H–O–S–O–H = H2SO4 O Acido solforico – – – – H H H–C–C–H H H Etano C2H6 . Tipi di scrittura • Scrivere tutte le molecole secondo Lewis è spesso lungo e noioso. • I chimici hanno sviluppato alcuni tipi di scritture rapide: – Condensata – Lineare – Poligonale . Scrittura condensata • Sono possibili vari gradi di condensazione – Esempi: Alcani lineari e alcani ramificati CH3 H3C–C–CH3 – CH3CH2CH2CH2CH2CH3 HH C H H H – H H H H H H C C C H H C C C H H H H H H H HH C H H H C C C H CH3 Alcuni legami vengono mantenuti CH3(CH2)4CH3 C(CH3)4 o (CH3)4C . CH3CH=CHCH3 ... (CH3)2CHOH I lone pair di elettroni non si scrivono.Scrittura condensata • Sono possibili vari gradi di condensazione – Esempi: Alcheni H H H C H C C H C H H H H CH3–C=C–CH3 CH3–CH=CH–CH3 H – Alcoli – CH3 . H3C–CH–OH . usando le parentesi per racchiudere un gruppo.Scrittura condensata • Anche strutture complesse possono essere scritte su una sola riga. CH3 CH3-CH-CH-CH2-CH3 CH2-CH3 Alcano ramificato CH3CH(CH3)CH(CH2CH3)CH2CH3 . si assume che siano all’intersezione di due o più linee e al termine di ogni linea • Gli idrogeni non sono mostrati • Tutti gli atomi diversi da C e H sono mostrati .Scrittura a scheletro • Minima informazione ma non ambigua • I carboni non sono mostrati. Scrittura a scheletro CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3 C CH3 CH3 H CH3 C C CH3 CH3CH2CH CH2 H H C C CH3 CH3 C C CH2CH3 . Notazione per i poligoni CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 Esempi: H N O O . Nomi Generici . aspirina. Farmacologia: antibiotici.Nomi • Nome Generico – Identifica un intera classe con caratteristiche simili: • • • • Mondo animale: felini. ammine… • Nome Specifico – Identifica un singolo composto all’interno di una classe: • Lupo. agrumi. arancia. etanolo. acidi.…. ……. Mondo vegetale: solanacee.… Chimica organica: alcoli. canidi. antibatterici.…… . -OH Esempio ALCOLI Nome generico: NOME SPECIFICO FORMULA SPECIFICA H H C OH H metanolo H H H C C OH H H etanolo colesterolo HO R-OH C 8H17 Formula generica . INTERA STRUTTURA determina: le proprietà fisiologiche STRUTTURA DELLO SCHELETRO determina: • parte delle proprietà fisiche R OH LEGAME GRUPPO FUNZIONALE determina: • le principali proprietà chimiche • parte delle proprietà fisiche • il nome generico tra il residuo e il gruppo funzionale determina: • dettagli di proprietà chimiche • parte delle proprietà fisiche . tranne che per un legame detto valenza libera o legame aperto: • Gruppi contenenti solo C e H si dicono alchili e vengono indicati con R.o Y.YZ- .Concetto di Gruppo • GRUPPO è una struttura parziale completa.o Z-: H H O H C H H O O H C H N H X.(R = residuo): H H H H C H C C H H H H H H H C C C H H H H C H C C H H R- H • Gruppi contenenti anche altri elementi diversi dal carbonio hanno simbolo X. Mettere insieme fatti sperimentali e teoria per creare delle regole che servono a predire il comportamento di composti analoghi (con il medesimo gruppo funzionale). Capire e imparare la spiegazione teorica di tale correlazione (quando possibile). . 2. 3. Imparare una serie di fatti sperimentali (REAZIONI CHIMICHE) e correlarli con la STRUTTURA della molecola.Chimica dei Gruppi Funzionali 1. Gruppi Funzionali . ossia la sua reattività 3. È il sito di reazione – Determina la chimica della molecola. Fornisce una base per la nomenclatura – Ad esempio. tutti i chetoni hanno nei loro nomi il suffisso –one: » acetone » ciclopropanone » cortisone . Definisce una classe di composti – Composti appartenenti ad una stessa classe hanno proprietà simili e simile reattività.Gruppo Funzionale (GF) 1. 2. • Sono al 100% scheletro e quasi privi di reattività. .Composti senza gruppo funzionale • Esiste una classe di composti che contengono soltanto atomi di C e H legati in vario modo. Sono gli Idrocarburi Alcani • Tuttavia sono importanti perché su di essi si basa la nomenclatura dei composti organici. Gruppi Funzionali • Gli alcani sono formati da soli C e H: CH3CH2CH2CH2CH2CH3 • Se uno o più idrogeni vengono sostituiti da un atomo diverso dall’idrogeno o da un nuovo legame. C H C Cl C H C O H C C H H C C . si crea un Gruppo Funzionale. : X . H :O: :O: Aldeidi Chetoni GF Classe .. Acidi S OH . .. : .. solfonici :O: C C Alcheni C C Alchini Aromatici . Br...... Classe Alogenuri (X = F. .. : :O: Ammidi C N: Esteri carbossilici Anidridi Acil alogenuri (X = Cl... O . :O: . OH . Cl. I) Alcoli Tioli Eteri Ammine N . . . O . OH .. Br) Nitrili GF :O: N .. SH . . N N Classe Nitro composti Nitroso composti Azo composti :O: . X ..... O . O ....Comuni Gruppi Funzionali GF ..... :O: . :O: :O: Acidi carbossilici N .. . :O: ... N O . . R R . R2 :O: • Ciò comporta la presenza di più residui (R.. . R2... O . H :O: . R OH .. .) e quindi di più scheletri. :O: N .. 1 R O . R1. OH . O . etc. R1 N R .. .... R1 O ..Notare ! • Alcuni gruppi funzionali sono strutture parziali con una valenza libera che può essere saturata con un residuo R: .. C N: R H :O: R C N: • Altri hanno più valenze libere: ... Notare ! • Il doppio legame C=C. il triplo legame C≡C e l’anello aromatico sono considerati gruppi funzionali pur avendo solo carboni e idrogeni perché sono siti di reattività. . • Una molecola può possedere un solo gruppo funzionale (molecola monofunzionale) o più di uno (molecola polifunzionale). Molecole polifunzionali ammina N CH3 N HO ammina alcool nicotina O ammide O colesterolo ammina ammide CH3 alchene N etere CH3 N N N CH3 CH3O NH2 ammina CH3O ammina alchene caffeina aromatico etere OCH3 etere mescalina . Scheletro (solo C e H) saturo CH3-CH-CH3 C–C LINEARE (ACICLICO) insaturo CH2=CH-CH2 C=C CŁC saturo C–C CICLICO insaturo A L I F A T I C I C=C CŁC aromatico AROMATICI . Carbonio saturo sp • C primario (1°): Un carbonio legato a un solo altro carbonio – H 1°: un idrogeno legato a un C 1° • C secondario (2°): Un carbonio legato a due altri carboni – H 2°: un idrogeno legato a un C 2° • C terziario (3°): Un carbonio legato a tre altri carboni – H 3°: un idrogeno legato a un C 3° • C quaternario (4°): Un carbonio legato a quattro altri carboni .Classificazione di C & H 3 1. anche tali gruppi si definiscono 1°. 3° • PERCHÉ QUESTA DISTINZIONE? Perché velocità di reazione e posizione d’equilibrio variano. . Carbonio saturo sp H C C Y H C C C Y H C C C Y C C C C C C carbonio primario C 1° carbonio secondario C 2° carbonio terziario C 3° carbonio quaternario C 4° Quando Y = H.Classificazione di C & H 3 1. alogeno. per lo stesso GF Y. in funzione della natura del carbonio cui Y è legato. COOR. 2°. OH. NO2. Classificazione di C & H • • • • primari (1o) secondari (2o) terziari (3o) quaternari (4o) CH3 CH3 CH3 C CH2 CH CH3 CH3 . se il doppio legame è parte di un anello aromatico H vinilici C vinilici H H C C allilico H allilico H C C H C C C H H aromatico C aromatici H benzilico C benzilico .Classificazione di C & H 2. Carbonio sp3 adiacente ad un carbonio sp2 • Un carbonio saturo (sp3) adiacente a un carbonio insaturo (sp2) si definisce – allilico. se il doppio legame è di un alchene – benzilico. rispetto ad un’altra insaturazione presente nello scheletro. C=O.) possono avere. C=C. NO2. COOH. Gruppi funzionali insaturi • Gruppi funzionali insaturi (C=C. tre posizioni relative. etc.Classificazione di C 3. Possono essere: – Isolati C C C C O – Coniugati C C C O – Cumulati C C O Almeno 2 legami singoli fra i legami doppi Alternanza di legami singoli e doppi Nessun legame singolo tra i legami doppi . Doppi e tripli legami • I doppi legami C=C si classificano in base al grado di sostituzione dei carboni: H R CH2 C R monosostituito R H H H R C C C C R1 H disostituito geminale R R R3 R1 C C H R1 disostituito vicinale trans H H disostituito vicinale cis C C C C R C C H terminale R1 R2 trisostituito R2 R1 tetrasostituito R C C R1 interno .Classificazione di C 4. Nomenclatura IUPAC . Nomenclatura IUPAC • È un sistema nel quale ogni composto ha un suo nome. • Seguendo le regole. ognuno è in grado di disegnare il composto. chiunque assegna a un dato composto il medesimo nome. STRUTTURA IUPAC NOME . dato il nome di un composto. • Viceversa. Regole di nomenclatura 1. Scegliere la nomenclatura degli alifatici o degli aromatici sulla base della posizione del gruppo principale. Tra questi scegliere il gruppo principale sulla base della tabella di priorità dei gruppi. 3. • il composto è aromatico se il gruppo principale è legato direttamente all’anello . 2. Identificare i GF. Priorità 1 Gruppo (C) Nome del gruppo come sostituente (quando non è principale) Classe OH R acido alcanoico O 2 3 O R1 acido alcansolfonico alchil alcanoato R–SO3H R O 4 (C) X R alcanoil alogenuro alcossicarbonil (C) NH2 R alcanammide O aloformil C NH2 carbamoil O H (C) C X O O 6 C OR1 solfo O O 5 carbossi O –SO3H (C) C OH R alcanale C H formil O il C tra parentesi deve portare nella numerazione della catena il numero 1 . Priorità 7 Gruppo (C) N Nome del gruppo come sostituente (quando non è principale) Classe alcanonitrile R C N R 8 C C alcanone ciano R1 osso O O 9 –OH alcanolo R–OH idrossi 10 –NH2 alchilammina R–NH2 ammino alchil alchil etere R 11 O 12 (C) (C) alchino O R1 R C C R1 C C alchene –X 15 –NO2 alogenoalcano nitroalcano ene C C R1 14 ino R2 R 13 alcossi R3 R–X R–NO2 alo nitro . Nomenclatura dei composti alifatici . Assegnare il nome alla catena principale in base al numero di carboni da cui è formata. il massimo numero possibile di atomi di C d. seguendo le seguenti regole di priorità: – la catena principale deve contenere: a. . il gruppo principale b. il massimo numero possibile di sostituenti 3. il massimo numero possibile di legami C=C e C≡C c. Identificare la classe di appartenenza (gruppo principale) 2. Identificare la catena principale di atomi di carbonio contigui.Nomenclatura degli alifatici 1. Nel nome indicare il numero che spetta al gruppo principale (tranne che per COOH. ino). . 6.4. CHO. Numerare la catena in modo tale che: – – al gruppo principale spetti il numero più basso possibile ai gruppi secondari spetti il numero più basso possibile (C=C precede C≡C) 5. Aggiungere il nome dei sostituenti davanti al nome in ordine alfabetico con la posizione relativa. che hanno il n° 1). etc. CN. 7. Includere nel nome il gruppo C=C (ene) (o C≡C. Identificare la più lunga catena di atomi di carbonio 3. alchene… 2.C13H28 C13 tridecano CH3CH3 C2 etano CH3(CH2)6CH3 C8 ottano n-C14H30 C14 tetradecano CH3CH2CH3 C3 propano CH3(CH2)7CH3 C9 nonano n-C20H42 C20 icosano CH3(CH2)2CH3 C4 butano CH3(CH2)8CH3 C10 decano n-C30H62 C30 triacontano CH3(CH2)3CH3 C5 pentano CH3(CH2)9CH3 C11 undecano n-C40H82 C40 tetracontano CH3(CH2)4CH3 C6 esano CH3(CH2)10CH3 C12 dodecano etc. Identificare la classe: alcanale. . acido alcanoico. Assegnare il nome della catena in base al numero di atomi di C: CH4 C1 metano CH3(CH2)5CH3 C7 eptano n.Procedura 1. H3C CH CH3 C H3C CH2 CH 2 CH3 CH CH2 CH2 sostituenti alchilici (∈ solo C e H) CH3 CH3 4. 1 CH3 3 4 H3C CH CH CH2 2 CH2CH3 5 CH2 CH3 CH CH3 6 7 . Se vi sono due sostituenti equidistanti cercare il sostituente successivo. scegliere quella con il maggior numero di sostituenti.– Se le catene possibili sono due. Numerare i carboni – – Partire dal lato più vicino al primo sostituente. 6. il doppio legame ha la precedenza sui sostituenti . Includere nel nome il gruppo C=C e/o C≡C • Cambiare il suffisso da alcano in alchene o alchino • Assegnare al legame C=C e C≡C un numero di posizione (il più basso possibile) 1 2 3 4 5 CH3–CH=CH–CH–CH3 CH3 4-metil-2-pentene 1 2 3 4 5 6 CH3–C≡C–CH2CH2CH3 2-esino Nella numerazione. –C–CH3 . CH3 . Nome dei sostituenti a. Sostituenti alchilici (alcano ĺ alchile) – C1: CH3–. tert-butile – CH3 – etc. isopropile CH3 – C4: CH3CH2CH2CH2-. –CH–CH3 . metile – C2: CH3CH2–. –CH2–CH–CH3 . isobutile CH3 CH3 –CH–CH2–CH3 . sec-butile.7. etile – C3: CH3CH2CH2–. n-propile. n-butile. Sostituenti Alchenilici Œ CH2=CH–. fenile. benzile . Œ CH2=CH-CH2–. . ƒ . ciclobutile. etenile o vinile. Nome dei sostituenti b. CH2– . 2-propenile o allile Œ . cicloesile c. Sostituenti cicloalchilici ƒ .7. . ciclopropile. ciclopentile. bromo. idrossi. solfo. fluoro. –CN. Sostituenti diversi da alchili: vedi Tabella dei Gruppi Funzionali.7. carbossi etc. . –I. –NH2. ammino. –Cl. ciano. iodo –NO2. –COOH. oxo –OH. nitro. Œ Œ Œ Œ Œ –F. –SO3H. –OR. cloro. alcossi. –CO–. –Br. Nome dei sostituenti d. • Il corsivo viene ignorato: sec-. . Tali prefissi vengono ignorati nella alfabetizzazione.Alfabetizzazione • I sostituenti vanno fatti precedere al nome in ordine alfabetico. tetra-. usare di-. etc.. tri-. tert• Se uno stesso sostituente è presente più volte. CH3 2 1 CH3-CH- (1-metiletil) I gruppi complessi sono posti in parentesi. Numerare la catena di atomi di carbonio verso l’esterno prendendo la catena più lunga. 2. . Assegnare il numero 1 al carbonio del sostituente legato alla catena principale.Sostituenti complessi 1. (Se c’è un doppio legame alchile diventa alchenile) 4. Dare il nome alla catena alchilica con suffisso –ile 3. Aggiungere i sostituenti con i loro numeri. 3-dimetilbutil) 2 1 3 CH3-CH2-CH-CH2-CH3 (1-etilpropil) CH3 2 3 4 CH3-C-CH-CH2-CH3 1 CH2-CH3 (2-etil-1.1-dimetilbutil) 1 2 3 4 5 –CH2-CH=CH-C-CH3 O (4-oxo-2-pentenil) .2 1 Esempi 4 CH3-CH-CH2-CH2-CH3 (1-metilbutil) CH3 CH3 CH3-CH-CH2-CH– 4 3 3 2 1 (1. Composti ciclici sostituiti • Ci si può basare o sull’anello o sulla catena più lunga CH3 C CH3 CH3 CH CH3 CH3 isopropilcicloesano tert-butilciclopentano 2-cicloesilpropano 2-ciclopentil-2-metilpropano . Br NH2CH2CH2CHCH2CH3 3-bromo-1-pentanammina N(CH3)2 CH3CH2CHCH2CH2CH3 N. • I sostituenti sull’azoto hanno N.Nomenclatura delle ammine R-NH2. ammina primaria R1-NH-R2 R3 R1-N-R2 ammina secondaria ammina terziaria • Trovare la catena più lunga di atomi di C. • -o dell’alcano è sostituito con -ammina.N-dimetil-3-esanammina Alternativa: considerare -NR1R2 come sostituente .come prefisso. N-dimetil-2-(metilpropil)ammina 1 3-(N.N-dimetilammino)-4-metilesano N .Esempi CH3 CH3 CH3–CH–CH2–N–CH3 3 2 N. Nomenclatura degli Eteri R1-O-R2 • IUPAC: Alcossi alcano CH3 CH3 –O– C– CH3 O CH3 CH3 2-metil-2-metossipropano Metossicicloesano • Comune: R1 ≠ R2: alchil1 alchil2 etere R1 = R2: dialchil etere CH3 CH3CH2–O–CH2CH3 CH3 –O– C– CH3 CH3 dietil etere t-butil metil etere . Esempi . CHO O B. G. Aggiungere i sostituenti col loro numero: 3-idrossi. Priorità: CHO 4 3 2 1 H (Gruppo principale) Classe: alcanale C. 3-idrossibutanale .OH A. Includere nel nome il gruppo sussidiario: non c’è. Assegnare il numero al gruppo principale (quando serve): non serve F. Catena principale: C4 Nome parziale: butanale D. Gruppi funzionali: OH. Numerazione catena principale: E. Catena principale: C5 Nome parziale: acido pentanoico D.5.A.5-trifluoro. Assegnare il numero al gruppo principale (quando serve): non serve F. Numerazione catena principale E. acido 5. Includere nel nome il gruppo sussidiario con il relativo numero: acido 2-pentenoico G. F F 3C 5 4 3 2 COOH 1 B.5.5-trifluoro-2-pentenoico . C=C. Priorità: COOH (gruppo principale) Classe: acido alcanoico C. Aggiungere i sostituenti col loro numero: 5. Gruppi funzionali: COOH. C-O-C. Numerazione catena principale E. Catena principale: C2 Nome parziale: etanolo D. Priorità: OH (gruppo principale) Classe: alcanolo C.A. Assegnare il numero al gruppo principale (quando serve): 1-etanolo F. Aggiungere i sostituenti col loro numero: 2-(2-cloroetossi) 2-(2-cloroetossi)-1-etanolo . Gruppi funzionali: OH. Includere nel nome il gruppo sussidiario con il relativo numero: non c’è G. Cl 1 HO O 2 1 2 Cl B. Assegnare il numero al gruppo principale (quando serve): acido 3-esansolfonico F. Gruppi funzionali: SO3H. Aggiungere i sostituenti col loro numero: 6-ciano acido 6-ciano-1-esen-3-solfonico . Numerazione catena principale E. Priorità: SO3H (gruppo principale) Classe: acido alcansolfonico C. Catena principale: C6 Nome parziale: acido esansolfonico D. CN CN B.2 3 4 6 5 1 SO 3H A. Includere nel nome il gruppo sussidiario con il relativo numero: acido 1-esen-3-solfonico G. C=C. Aggiungere i sostituenti col loro numero: 2. Includere nel nome il gruppo sussidiario con il relativo numero: 5-undecen-3-ino G. C≡ ≡C 2 10 11 9 8 4 7 6 3 5 B.A.10-trimetil 2. Numerazione catena principale E.6. Gruppi funzionali: C=C.10-trimetil. Catena principale: C11 Nome parziale: undecino D.5-undecen-3-ino . Assegnare il numero al gruppo principale (quando serve): 3-undecino F.6. Priorità: C≡C (gruppo principale) 1 Classe: alchino C. COO 1 O B. Includere nel nome il gruppo sussidiario con il relativo numero: etil 3-butenoato G. Catena secondaria: C2 Nome parziale: etil butanoato D. Catena principale: C4.2-dimetil etil 4-cloro-2.O 3 Cl 1 2 4 A.2.2-dimetil-3-butenoato . Priorità: COO 2 (gruppo principale) Classe: alchil alcanoato C. Cl. Aggiungere i sostituenti col loro numero in ordine alfabetico: 4-cloro. Assegnare il numero al gruppo principale (quando serve): non serve F. Numerazione catena principale (e secondaria): E. Gruppi funzionali: C=C. Nell’alfabetizzazione i multipli sono ignorati: dietil= e 5. L’ultimo sostituente e la radice non sono separati … metilesano . I gruppi si scrivono in ordine alfabetico: a. 4. Numerare dalla fine più vicina al primo sostituente 3..b. Il nome base usa sempre la catena più lunga 2. I numeri sono separati dai numeri da virgole: 2. I numeri sono separati dalle parole da trattini: 3-etil 8. Carboni disostituiti (due gruppi) sono più importanti dei monosostituiti (un gruppo) 6.Da ricordare… 1.3 7.c…. Il carbonio cui il sostituente è legato porta il numero 1 b. Numerare gli altri carboni nella direzione che permetta il più basso set di numeri c. tabella) 2. Identificare il composto base (v. A parità di numeri. Numerare l'anello a.Nomenclatura degli aromatici 1. vince il sostituente con iniziale più bassa nell'ordine alfabetico . p- . Br 9 Composto base CH3 10 5 NHCOCH3 acetanilide 13 6 CONH2 benzammide 14 7 CHO benzaldeide 15 8 CN benzonitrile Nome base OH cresolo* OH fenolo NH2 toluidina* NH2 anilina CH3 xilene* CH3 toluene CH3 CH3 benzene *o-.Priorità Composto base Nome base Priorità 1 COOH acido benzoico 2 COOR alchil benzoato 3 S O3 H acido benzen solfonico 11 4 COX benzoil alogenuro 12 X = Cl. m-. Esempio Cl 2 1 4 3 2 Cl 5 6 1 3 1. Assemblaggio: 2-cloro-4-(2-cloro-1-etilpropil)fenolo . Numerazione anello: 3. Sostituente complesso: OH gruppo principale (2-cloro-1-etilpropil) 4. Gruppo principale: OH Fenolo 2. Identificare il gruppo principale . Identificare la posizione del gruppo principale 4. Inserire gli idrogeni .suffisso 2.Dal nome al composto da destra a sinistra 1. Identificare i sostituenti e la loro posizione sulla catena 5. Identificare la catena di atomi di carbonio 3. Dal nome al composto 2-metilesano 5-etil-2-fenil-4-otten-3-one O . Isomeri costituzionali . .. . Esempio C2H6O formula moleculare .Isomeria costituzionale o strutturale • Isomeri costituzionali sono molecole che hanno lo stesso tipo e numero di atomi (stessa formula) ma legati tra loro in modo diverso. isomeri costituzionali .differente struttura ... CH3-O-CH H-O-CH 2-CH3 3 .stessa formula molecolare . . Isomeria costituzionale Formula Isomeri Molecolare Costituzionali CH 4 C 5H12 C 10H22 C 15H32 C 30H62 1 3 75 4 347 4 111 846 763 . S D atomi trivalenti: N. cicli.Numero di Insaturazione formula molecolare AxByCzDw A atomi tetravalenti. = x – y/2 + 0z + w/2 + 1 INSATURAZIONI: doppi legami.I. alogeni C atomi bivalenti: O. C. tripli legami . Si B atomi monovalenti: H. P N. Come trovare gli isomeri costituzionali . Rimuovere 2 carboni dalla catena originaria. Etichettare i carboni. sia individualmente sia insieme sullo stesso carbonio iv. Aggiungere gli elementi monovalenti . e sistemarli sulla catena. Disegnare la catena lineare ii. Rimuovere 1 carbonio e legarlo in differentiposizioni della catena così accorciata iii.Isomeri di composti saturi che contengono solo carbonio e atomi monovalenti 1. 2. se occorre 3. Continuare così a rimuovere i carboni e legarli alla catena sia individualmente che in gruppi fino a che non è possibile creare nuovi isomeri. Formare tutti gli scheletri possibili: i. Esempi C4H10 C4 + C0 C3 + C1 2 isomeri C5H12 C5 + C0 C4+C1 C3+2(C1) 3 isomeri C6H14 C6 + C0 C5+C1 C4+2(C1) 5 isomeri . Dividere i C in 2 gruppi (se c’è O o S) in 3 gruppi (se c’è N o P) in tutti i modi possibili 2. eventualmente etichettando nuovamente lo scheletro . Formare tutti gli scheletri possibili 3.o trivalenti 1.e bi. Legare O (o S) a 2 catene di C Legare N (o P) a 3 catene di C 5. atomi mono. Etichettare i carboni 4. Aggiungere gli elementi monovalenti in tutti i modi possibili.Isomeri di composti saturi che contengono carbonio. Tutti i possibili scheletri divisi in 2 gruppi C3 + C0 a C2 + C1 a b 2.Esempi C3H8O 1 elemento bivalente 1. Etichettare i carboni 3. Aggiungere gli idrogeni dove serve OH O O OH 3 isomeri . Aggiungere l’ossigeno O 4. Aggiungere il fluoro F F OH F F HO F 8 isomeri O OH 6. Tutti i possibili scheletri divisi in 2 gruppi 2.C3H7OF 1 elemento bivalente 1. Rietichettare i carboni OH F O OH 5. Etichettare i carboni C2 + C1 C3 + C0 a b a c a a O b a b b a 3. Aggiungere gli idrogeni OH F O F . Aggiugere l’ossigeno O c O OH 4. 2. Procedere nel modo visto precedentemente. 3. Inserire l’insaturazione o come legame multiplo o come anello in tutti i modi possibili.Isomeri di composti insaturi 1. Formare tutti gli scheletri possibili nel modo già visto. . Aggiungere l’insaturazione: doppio legame o anello 5. Aggiungere l’ossigeno 4. a C2 + C1 a b 2. Tutti i possibili scheletri divisi in 2 gruppi. Etichettare.Esempio NI = 3 – 3 + 1 = 1 C3H6O 1 elemento bivalente C3 + C0 1. O 3. Eliminare i doppioni OH OH OH O O 9 O O O 9 O 9 O O O 9 isomeri O O 9 9 . Aggiungere gli idrogeni O 6. etc. solubilità. punti di ebollizione.Isomeri costituzionali • Sono molecole diverse. Hanno la stessa formula ma i loro atomi sono legati in modo diverso. • Non possono interconvertirsi se non rompendo e riformando legami • Tutte le proprietà fisiche degli isomeri costituzionali sono differenti: – punti di fusione. . densità. Isomeri costituzionali negli aromatici . Benzene R 2. Benzene trisostituito in modo uguale R R1 meta mR para pR R R R R R R R . Benzene disostituito R1 orto o- 4. Benzene monosostituito R R R1 3.1. Benzene polisostituito in modo diverso 1) Inserire il 1° sostituente 2) Etichettare 3) Inserire il 2° sostituente 4) Etichettare a R b a c b b a R b c R1 d a R c R b a d a R1 b R1 R2 3) Inserire il 3° sostituente R R2 R R R 4) Etichettare R1 2 R1 R R1 R1 R2 …e così via .5. Teorie Acido-Base valutazione degli acidi . – La definizione di Brønsted significa che in acqua CH3NH2 è una base– e l’acqua stessa è un acido. .Teoria di Brønsted-Lowry • Acidi donano ioni H+ • Basi accettano ioni H+ CH3CO2H + H2O CH3CO2– + H3O+ acido acetico CH3NH2 + H2O CH3NH3+ + OH– metilammina – La definizione di Brønsted significa che in acqua CH3CO2H è un acido – e l’acqua stessa è una base. H+.Teoria di Brønsted-Lowry • CH3CO2H/CH3CO2– è una coppia acidobase coniugata • CH3NH2/CH3NH3+ è una coppia acido-base coniugata • Le coppie acido-base coniugati differiscono per un protone. . • Ogni acido ha la sua base coniugata e viceversa. Teoria di Lewis • Base dona una coppia di elettroni (contiene un atomo che possiede un lone pair o un legame multiplo) • Acido accetta una coppia di elettroni (ha carenza elettronica) orbitale pieno orbitale vuoto + Base di Lewis Acido di Lewis . Basi organiche metilammina metanolo acetone . 3 x 10–5 CN– pKb = 4.9 . CH3CO2H (A–) A– + H3O+ HA + OH– pKa = –log Ka Kw [HA][OH–] = = Ka(HA) [A–] Ka = 1.Forza degli acidi pKa HA + H2O A– + H2O [H3O+][A–] Ka = [HA] Kb es.6 x 10–10 CH3CO2– pKb = 9.7 HCN Ka = 7.8 x 10–5 pKa = 4.3 Kb = 1.9 x 10–10 pKa = 9.1 Kb = 5. 2 HSO4– Ione idrossonio H3O+ – 1.7 OH– Etanolo CH3CH2OH 15.24 NH3 Fenolo C6H5OH 9.33 CO32– Ione metilammonio CH3NH3+ 10.74 H2O Acido fosforico H3PO4 2.36 HCO3– Ione ammonio NH4+ 9.9 CH3CH2O– Ammoniaca NH3 38 NH2– Etano CH3CH3 51 CH3CH2– Base più debole Base più forte .1 H2PO4– Acido benzoico C6H5COOH 4.Acido più forte Acido più debole Acido Formula pKa Base coniugata Acido iodidrico HI –9 I– Acido bromidrico HBr –8 Br– Acido cloridrico HCl –7 Cl– Acido solforico H2SO4 – 5.64 CH3NH2 Acqua H2O 15.76 CH3COO– Acido carbonico H2CO3 6.95 C6H5O– Ione bicarbonato HCO3– 10.19 C6H5COO– Acido acetico CH3COOH 4. Valutazione qualitativa della forza degli acidi • In acqua. più stabile) . HA + H2O E A– + H3O+ • La differenza tra un acido forte e un acido debole sta nelle diverse stabilità delle loro basi coniugate. meno stabile) ACIDO FORTE ha la base coniugata debole (= minore energia. l’importante fattore di differenza è la base coniugata. tutti gli acidi formano lo ione idrossonio. ACIDO DEBOLE ha la base A AHA HA ionizzazione più facile coniugata forte (= maggiore energia. Solvatazione .Fattori stabilizzanti la base • I fattori che stabilizzano la base coniugata aumentano l’acidità dell’acido. Elettronegatività 3. Effetti induttivi 6. Risonanza 2. Ibridazione 5. 1. Grandezza degli atomi 4. – Es: Confronto tra acidità di alcoli alifatici (pKa ~15). fenoli (pKa ~10). acidi carbossilici (pKa ~5) ROH + H2O RO– + H3O+ C6H5OH + H2O C6H5O– + H3O+ RCOOH + H2O RCOO– + H3O+ Basi coniugate: RO–.1. più forte è l’acido. RCOO– . C6H5–. Risonanza • Più numerose o più stabili sono le strutture di risonanza della base coniugata. Risonanza nelle 3 basi coniugate 1. C6H5O– ha diverse forme di risonanza 3. R–COO– ha due forme di risonanza uguali ione fenato O O O O O O O– Strutture non equivalenti Carica sul carbonio e sull’ossigeno Più strutture. R–C R–C O O– ione carbossilato Due strutture uguali. . R–O– non ha forme di risonanza 2. ma non migliori del carbossilato. 5 –CH EN 3 –NH 2.0 2 HO– F– 3. Elettronegatività • Localizzare nella base coniugata la carica negativa sull’elemento più elettronegativo rende l’acido più forte.0 .5 4.2. pKa CH 4 NH 3 H 2O HF >45 34 16 3.5 3. Grandezza • Nella base coniugata. localizzare la carica negativa su un atomo più grande porta ad un acido più forte.3. . pKa H2O 16 H2S 7 R-COOH R-COSH 5 4 • S è più grande di O. .4. 50 35 25 H H H H pKa – H C: – H C C: – H C C: H sp3 sp2 sp Gli elettroni nell’orbitale sp hanno energia più bassa perché sono più vicini al nucleo. Ibridazione Alcani Alcheni Alchini H H H H C H H C C H H C C H ca. 0 4. L’effetto diminuisce con la distanza.5. Effetti induttivi • Gli effetti induttivi operano attraverso i legami σ.9 4. • Es: Alogenoacidi – L’alogeno stabilizza la base coniugata attirando densità di carica.5 . δ– δ+ O Cl ‹ C – O CH3CH2CHClCOOH CH3CHClCH2COOH ClCH2CH2CH2COOH pKa 2. Effetti induttivi • Alogenoacidi – La stabilizzazione è proporzionale alla elettronegatività dell’alogeno.81 1. pKa I-CH2COOH Br-CH2COOH 3. pKa CH3COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH 4.29 0.65 .81 F-CH2COOH 2.66 – La stabilizzazione è proporzionale al numero di atomi di alogeno.5.87 Cl-CH2COOH 2.13 2.75 2. . Solvatazione • La solvatazione abbassa l’energia dello ione • L’acqua.81 4.02 – Il t-butile impedisce una buona solvatazione della base coniugata a causa dell’ingombro sterico.87 5. solvente polare. per cui la stabilizzazione è minore delle basi coniugate degli acidi lineari.6.75 4. CH3 CH3COOH CH3CH2COOH CH3CH2CH2COOH CH3–C–COOH CH3 4. solvata cationi e anioni. Acido 1 + Base 2 Acido 2 + Base 1 Forte Debole • Le reazioni vanno sempre dalla coppia A/B forte alla coppia A/B debole .Reazioni acido-base • Predire la direzione di una reazione acidobase. . • L’equilibrio sta dalla parte opposta dell’acido più forte (col minore pKa) ossia dalla parte della base più deole. Identificare le due coppie coniugate acidobase • Identificare l’acido a sinistra e l’acido a destra dell’equazione.Predire le reazioni acido-base Per capire da quale parte sta l’equilibrio: 1. 8 • Un acido con pKa minore reagirà con la base coniugata di un acido con pKa maggiore.Predire le reazioni acido-base • Affinché la reazione avvenga i prodotti devono essere più stabili dei reagenti.76 CH3COO.+ H2O pKa 15. CH3COOH + OHpKa 4. • I prodotti acido e base devono essere più deboli e meno reattivi dell’acido e della base di partenza. . 5 16 pKeq = 16 – 6.5 Keq = 10– 9. l’equilibrio è spostato a destra Keq << 1.5 = 9.5 << 1 . tutte le specie sono presenti Esempio CH3CH2OH + NaHCO3 pKa CH3CH2O-Na+ + H2CO3 ≈6. l’equilibrio è spostato a sinistra Keq ≈1.Quanto spostato sarà l’equilibrio? • Acido 1 + Base 2 Keq = [Base 1] [Acido 2] [Acido 1] [Base 2] Acido 2 + Base 1 K a1 [H3O+] = + [H3O ] K a2 = Ka reagente Ka prodotto pKeq = pKa (reagente) – pKa (prodotto) Keq >> 1. pKa di nitrofenoli OH OH OH OH NO2 NO2 NO2 pKa 10 7.3 OH O 2N 7.3 OH O 2N NO2 NO2 NO2 4.4 .2 9.0 0. Risonanza nel p-nitrofenato O – O Il nitro gruppo partecipa alla risonanza quando è in posizione orto o para. O – – NO 2 NO 2 O – – N O + O O O – NO 2 NO 2 – N – O + O . Stereochimica Molecole nello spazio . Stereoisomeri: definizioni • Stereoisomeri: isomeri che hanno la medesima connettività tra gli atomi ma differente orientazione 3D degli atomi nello spazio. • Stereoisomeri configurazionali: non possono interconvertirsi senza rompere legami: – Enantiomeri: stereoisomeri che sono immagini speculari non sovrapponibili. – Diastereomeri: stereoisomeri che non sono immagini speculari. • Stereoisomeri conformazionali: si interconvertono per rotazione attorno a un legame. . A vs B Stessa formula molecolare? Sì I modelli di A e B sono sovrapponibili? Sì No Non c’è relazione tra A e B No A e B sono isomeri A e B sono identici CHE TIPO DI ISOMERI? A e B differiscono per la rotazione attorno a un legame? Sì A e B sono isomeri conformazionali No A e B hanno la stessa formula condensata? Sì A e B sono stereoisomeri No A e B sono isomeri strutturali A e B sono immagini speculari? Sì A e B sono enantiomeri No A e B sono diastereoisomeri . • Prevale il conformero a energia più bassa.Isomeri conformazionali Sono strutture che risultano dalla libera rotazione attorno a un legame singolo. • Possono differire in energia. . Le molecole ruotano costantemente attraverso tutte le conformazioni possibili. Conformazioni limite dell’etano CH3-CH3 staggered sfalsata eclissata HH H H H H H H Proiezioni di Newman H H H H . Etano torsional strain Torsional strain: la forza che si oppone alla rotazione di una parte della molecola per portarla in eclissamento. L’eccesso di energia presente nella conformazione eclissata. . 3 kcal/mole per il maggior ingombro del metile (rispetto all’idrogeno nell’etano) .Propano CH3-CH2-CH3 Strain torsionale: 3. Butano CH3CH3-CH2-CH3 . Energie relative E 5 5 sin Kcal/mol sin 4 3.6 eclissato 3 2 1 0 gauche 0.9 gauche anti anti . Stereoisomeria Configurazionale . • Oggetti che sono sovrapponibili alla loro immagine speculare sono detti achirali.Chiralità • Oggetti che non sono sovrapponibili alla loro immagine speculare sono detti chirali. • Un oggetto achirale ha almeno un elemento di simmetria. . che è la sua immagine speculare .Chiralità La molecola non è sovrapponibile alla sua immagine speculare: è chirale La mano destra non è sovrapponibile alla mano sinistra. Piano di simmetria Piano di simmetria Acido propanoico (achirale) Nessun piano di simmetria Acido lattico (chirale) . Enantiomeri HO • Acido lattico C O C HO H CH 3 O H H 3C C OH C OH . Enantiomeri Cl • 3-clorocicloesene Cl Cl . Enantiomeri • 2-butanolo . . • Esiste in due forme.Carbonio stereogenico o stereocentro • Un carbonio stereogenico è tetraedrico (sp3) ed ha quattro sostituenti diversi: Cl Cl H F Br F Br H • Una molecola chirale ha uno stereocentro. immagini speculari non sovrapponibili. è dissimmetrica. che formano una coppia di enantiomeri (isomero destro e sinistro). Attività ottica • Le proprietà fisiche degli enantiomeri sono identiche (punto di ebollizione. densità.) tranne che per la direzione in cui ruotano il piano della luce piano polarizzata. . indice di rifrazione. punto di fusione. • Gli enantiomeri sono isomeri ottici. etc. pianopolarizzata . • Luce piano polarizzata consiste di onde che vibrano in un solo piano.Tipi di luce • Luce ordinaria consiste di onde che vibrano in tutti i piani perpendicolari alla direzione di propagazione. Polarimetro • È lo strumento che misura il grado di rotazione del piano della luce piano polarizzata. destrorotatorio (+) otticamente attivo levorotatorio (–) otticamente attivo otticamente inattivo . miscela 50/50 dei due enantiomeri • Composto otticamente puro: 100% di un enantiomero • Purezza ottica (eccesso enantiomerico. (±). miscela racema. o purezza ottica . e. molecola achirale b.) = percento di un enantiomero – percento dell’altro es.Attività ottica • Composto otticamente inattivo: a.e. 80% di un enantiomero e 20% dell’altro = 60% e.e. 5º D (–)-2-butanolo – 13. .• Attività ottica T Rotazione specifica [α ]D temperatura rotazione osservata (º) [α]TD = α cl riga D del sodio es.5º La rotazione specifica calcolata in questo modo è una proprietà fisica caratteristica di ogni composto otticamente attivo. cammino ottico (dm) concentrazione (g/mL soluzione) (+)-2-butanolo [α] 27 = + 13. Rotazioni specifiche di composti bioattivi T COMPOSTO [α α]D colesterolo cocaina morfina codeina eroina epinefrina progesterone testosterone saccarosio β-D-glucosio α-D-glucosio – 31.0 + 172 + 109 + 66.7 + 112 .5 + 18.5 – 16 – 132 – 136 – 107 – 5. H 2-butanolo C R OH CH3CH2 CH3 (–) • • H S C HO CH2CH3 H3C (+) Tale assegnazione non dice quale enantiomero è destrogiro e quale levogiro. . Non c’è relazione tra la configurazione assoluta di una molecola e il segno della sua rotazione ottica.Configurazioni R e S • R e S sono due descrittori che definiscono la configurazione di uno stereocentro attraverso un set di regole. 1 H 6 CH3 7 NH2 8 OH 16 SH Priorità crescente 17 Cl 35 Br 53 I . Ingold. più alta la priorità.S • Regole di Priorità (Cahn. Prelog) – Ad ogni atomo legato direttamente allo stereocentro viene assegnata una priorità.Convenzione R. Più alto è il numero atomico. sulla base del numero atomico. CH2 1 H 6 CH2 CH3 7 CH2 NH2 Priorità crescente 8 CH2 OH . • La priorità viene assegnata alla prima differenza. si va al set di atomi successivi.Convenzione R.S • Se non si può assegnare una priorità sulla base del numero atomico dell’atomo legato allo stereocentro. S • Gli atomi che possiedono doppi o tripli legami sono considerati legati ad un numero equivalente di atomi simili con legami singoli. H H C O = C O O C .Convenzione R. Convenzione R. • Determinare la direzione di precessione degli altri tre gruppi cominciando da quello con la massima priorità: • senso orario = R (rectus) • senso antiorario = S (sinister) .S • Assegnare la priorità ai quattro sostituenti secondo le Regole di Priorità. • Orientare la molecola in modo che il gruppo a priorità più bassa sia lontano dall’osservatore. Convenzione R.S senso orario 1 2 C 4 il sostituente a minor priorità viene posto dietro 2 1 C 4 3 3 R S (rectus) (sinister) senso antiorario . Convenzione R.S 4 H 1 C OH CH3 CH2 CH3 2 3 4 CH3 Et H 3 C CH 3 CH3 CH2 OH 2 1 OH (R)-2-butanolo OH Et CH3 (S)-2-butanolo . S HO H4 1 C 4H COOH 2 3 CH3 acido (R)-(–)-lattico HOOC 2 C OH 1 3 CH3 acido (S)-(+)-lattico .Convenzione R. Proiezioni di Fischer A D A B C = D A B C = C C D B . Proiezioni di Fischer • Determinare R e S nelle proiezioni di Fischer H CH3 OH CH2 CH3 CH3 H OH CH2 CH3 (R)-2-butanolo • quando il gruppo a priorità minore è sulla verticale (legame dietro): leggere normalmente (S)-2-butanolo • quando il gruppo a priorità minore è orizzontale (legame davanti): leggere all’indietro (o leggere normalmente e invertire R con S) . Proiezioni di Fischer Cl CH3 Br catena principale in rosso CH3 Cl H CH3 H H ruotare di 90o orientare la catena principale verticalmente H CH3 H CH3 Cl H Br CH3 Br convertire nella proiezione di Fischer H Cl H Br CH3 Proiezione di Fischer CH3 OH orientazione della catena principale e dei sostituenti nella proiezione di Fischer H CH3 H OH H OH H OH CH3 OH CH3 H H OH Regole di Fischer • La catena carboniosa sta sulla linea verticale. • Il carbonio più ossidato sta in alto. –CH3 < –CH2OH < –CH–OH C=O < –CHO < –COOH • Una rotazione di 180° nel piano non cambia la molecola. • Non ruotare di 90°! • Non ruotare fuori dal piano! Composti con due o più stereocentri • Diastereomeri o diastereoisomeri: stereoisomeri che non sono immagini speculari. • I diastereomeri hanno differenti proprietà fisiche. n carboni chirali Ÿ 2n possibili stereoisomeri Composti con due stereocentri es. CH3 CH CH CH3 22 = 4 possibili stereoisomeri OH Br CH3 CH3 H Br H OH CH3 CH3 Br H H Br Br H HO H HO H H OH CH3 CH3 CH3 CH3 enantiomeri enantiomeri diastereomeri Composti con due stereocentri Diastereomeri: coppie di enantiomeri eritro e treo A A A A C B B C C B B C C' B' B' C' B' C' C' B' A' A' diastereomero eritro A' A' diastereomero treo Composti con più stereocentri 3 carboni chirali Ÿ 23 = 8 possibili stereoisomeri R, R, R : S, S, S R, R, S : S, S, R R, S, R : S, R, S S, R, R : R, S, S enantiomeri diastereomeri Composti con due o più stereocentri uguali: composti meso Contengono carboni chirali ma sono achirali CH3 CH CH CH3 Br 22 = 4 possibili stereoisomeri Br CH3 CH3 CH3 CH3 H Br Br H H Br Br H piano di Br H H Br H Br Br H simmetria CH3 CH3 CH3 CH3 treo eritro enantiomeri stesso composto meso diastereomeri 3 stereoisomeri Acido tartarico 22 = 4 possibili stereoisomeri HOOC CH CH COOH OH R OH HO R H COOH COOH COOH H R R, S S, R S, S R OH COOH HO S H H R OH HO S H piano di H S OH H S OH HO R H simmetria COOH COOH treo enantiomeri otticamente attivi COOH COOH eritro meso otticamente inattivo diastereomeri 3 stereoisomeri Acido tartarico acido (–)-tartarico acido (+)-tartarico acido meso-tartarico [α]D = –12.0 [α]D = +12.0 [α]D = 0 pf 168 – 170 oC solubilità di 1 g 0.75 mL H2O 1.7 mL metanolo 250 mL etere insolubile in CHCl3 d = 1.758 g/mL pf 168 – 170 oC solubilità di 1 g 0.75 mL H2O 1.7 mL metanolo 250 mL etere insolubile in CHCl3 d = 1.758 g/mL pf 140 oC solubilità di 1 g 0.94 mL H2O insolubile in CHCl3 d = 1.666 g/mL Stereoisomeria geometrica negli alcheni • Notazione cis and trans negli alcheni CH3 CH3 C H CH3 H C C H cis-2-butene H C CH3 trans-2-butene la rotazione non è possibile isomeri geometrici diastereomeri Esempi cis OH trans cis OH cis trans Stereoisomeri geometrici • Notazione E-Z per gli alcheni 1. Determinare la priorità più alta fra i due gruppi di sostituenti sui carboni olefinici, secondo le regole C.I.P. 2. Se i gruppi a maggior priorità sono: su lati opposti: E (entgegen = opposto) sullo stesso lato: Z (zusammen = insieme) CH3 > H Cl > CH2CH3 Cl H C C H3 C CH2 CH3 H C C CH2 CH3 (E)-3-cloro-2-pentene H3 C Cl (Z)-3-cloro-2-pentene Notazione E-Z per gli alcheni Regole di Priorità: 1. guardare al primo atomo legato al carbonio del doppio legame 2. maggior numero atomico = maggior priorità 3. se gli atomi sono identici, esaminare l’atomo successivo fino alla prima differenza. 4. i legami multipli vanno trattati come 2 o 3 legami singoli CH3 CH3 < (H,H,H) H C = H CH3 < (C,H,H) H C CH2 CH CH3 < CH3 (C,C,H) C CH3 (C,C,C) C C CH3 O C C H > C C H H (C,C,H; C,H,H) CH3 H (C,C,H; H,H,H) CH3 < CH3 = CH2 Cl (Cl,H,H) O C C CH3 O Esempio 1 H 3C H 2 2 C 1 2 Cl H 5 C C CH 2 2 1 2Z Cl 1 CH CH 3 C H 2 5E Cl Cl (2Z,5E)-3,7-dicloro-2,5-ottadiene Stereoisomeria geometrica negli anelli Anelli disostituiti R R R entrambi i sostituenti dalla stessa parte del piano medio dell’anello: cis sostituenti da parti opposte del piano medio dell’anello: trans R Esempi CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 cis CH 3 H3C CH 3 H3C CH 3 CH 3 trans CH 3 CH 3 p. etc. cromatografia. possono essere separati per distillazione. solubilità. .. Diastereomeri: differenti proprietà fisiche.Risoluzione di Enantiomeri Enantiomeri: identiche proprietà fisiche... ricristallizzazione.f. non possono essere separati. etc.e. p. R) + A B (S.Risoluzione di Enantiomeri A miscela racema R+S + B (R) enantiomero puro (agente risolvente) A B (R.R) si rimuove B A A (R) (S) .R) diastereomeri separazione A B A B (S.R) (R. Risoluzione di Enantiomeri O + H2N OH Cl (S) racemo O O + OH O– H3N H Cl Cl (R.S) + O 1) separazione 2) HCl (R) O + OH O– H3N Cl H Cl (S.S) (S) . Risoluzione di Enantiomeri . Presenza di molti stereocentri Enantiomeri? Diastereomeri? Meso? • Assegnare (R) o (S) a ciascuno stereocentro. • Gli enantiomeri hanno configurazione opposta in tutti gli stereocentri corrispondenti. • I diastereomeri hanno qualche stereocentro della stessa configurazione, qualche altro di configurazione opposta. • I composti meso hanno un piano di simmetria interno che riduce il numero di stereoisomeri. • Il numero massimo di stereoisomeri è 2n, con n = numero di stereocentri. 1 H 2 OH HO H H 3 OH HO H H 4 OH HO H H 5 OH HO H CHO CHO 6 CH2 OH ro alt CHO HO 2 H ENANTIOMERI tutti gli stereocentri sono stati invertiti CH2 OH g io s o luc CHO H 3 lo gu CHO OH H OH H H OH H OH HO H OH H OH HO H OH H OH H CH2 OH E S O S I o all o nn 2CHO a m HO H HO 3 H CH2 OH ido 2 CHO H H OH HO H OH H CH2 OH H HO 4 4 H OH DIASTEREOMERI solo alcuni stereocentri sono stati invertiti CH2 OH to CHO t a gal H o tal 2CHO OH HO H OH H HO 3 H HO 3 H HO 4 H HO 4 H OH H CH2 OH OH CH2 OH H OH CH2 OH Convenzione di Fischer-Rosanoff • Prima del 1951, solo le configurazioni relative potevano essere conosciute. • Gli zuccheri e gli ammino acidi con la stessa configurazione relativa della (+)-gliceraldeide furono chiamati D e quelli con la stessa configurazione relativa della (–)-gliceraldeide furono chiamati L (con assegnazione arbitraria). • Grazie alla cristallografia a raggi X, ora si conoscono le configurazioni assolute della (+)- e della (–)gliceraldeide: D è (R) e L è (S). • Non c’è relazione con il segno della rotazione. Assegnazioni D e L CHO CHO H * OH OH a destra HO CH2 OH H OH a sinistra CH2 OH D-(+)-gliceraldeide (R)-(+)-gliceraldeide L-(–)-gliceraldeide (S)-(–)-gliceraldeide CHO H OH COOH H2N H CH 2 CH 2 COOH acido L-(+)-glutammico carbonio stereocentro più vicino al C meno ossidato HO H H C più ossidato in alto H OH OH CH 2 OH D-(+)-glucosio C meno ossidato in basso Relazione struttura-proprietà Momenti di dipolo dei legami • Sono dovuti a differenza di elettronegatività degli atomi. • Dipendono dalla quantità di carica e dalla distanza di separazione. • In debyes, µ = 4.8 x δ (carica dell’elettrone) x d (Å) H3C–CH3 H3C–NH2 H3C–OH H3C–Cl H3C–NH3+Cl– etano metilammina metanolo clorometano metilammonio cloruro non polare aumento di polarità ionico Momenti di dipolo molecolari • Dipendono sia dalla polarità dei legami che dagli angoli di legame. • Sono la somma vettoriale dei momenti di dipolo dei legami. • I lone pairs di elettroni contribuiscono al momento di dipolo. clorometano cloroformio carbonio tetracloruro acetonitrile Forze intermolecolari • La forza di attrazione tra le molecole influenzano il p.f., il p.e. e la solubilità. • La classificazione dipende dalla struttura. – Interazioni dipolo-dipolo – Dispersioni di London – Legame idrogeno Interazioni dipolo-dipolo • Ha luogo tra molecole polari. • La parte terminale positiva di una molecola si allinea con la parte terminale negativa di un’altra. • Il guadagno energetico è maggiore delle repulsioni per cui la forza netta è di attrazione. • Dipoli più grandi determinano punti di ebollizione più alti e maggiori calori di vaporizzazione. Dipolo-Dipolo Attrazione Repulsione (poco frequente) Dispersioni di London • • • • Hanno luogo tra molecole non polari Sono interazioni tra dipoli temporanei. Atomi grandi sono più polarizzabili. La ramificazione abbassa il p.e. perché provoca la diminuzione della superficie di contatto tra le molecole. CH3 CH3 CH3 CH2 CH2 CH2 n-pentano, b.p. = 36°C CH3 CH3 CH CH2 CH3 isopentano, b.p. = 28°C H3C C CH3 CH3 neopentano, b.p. = 10°C Dispersioni di London dipoli temporanei casuali quando separati dipoli temporanei correlati quando in contatto Legame idrogeno • Forte attrazione dipolo-dipolo • Le molecole organiche devono possedere legami N-H o O-H. • L’idrogeno di una molecola viene attratto fortemente da un lone pair di elettroni di un’altra molecola. • O-H è più polare di N-H, per cui dà legami idrogeno più forti. Legame idrogeno metanolo legami idrogeno metilammina legami idrogeno Punti di ebollizione e forze intermolecolari CH3–CH2–OH CH3–O–CH3 etanolo, p.e. = 78°C dimetil etere, p.e. = –25°C CH3 H H propilammina, p.e. 49°C H3C N CH3 CH3CH2 N CH3 CH3CH2CH2 N H metiletilammina, p.e. 37°C CH3–CH2–OH etanolo, p.e. = 78°C trimetilammina, p.e. 3.5°C CH3–CH2–NH2 etilammina, p.e. 17°C Solubilità • Simile scioglie simile. • Vi sono tre misure della polarità di un solvente: – Momento di dipolo – Costante dielettrica ε – Miscibilità con acqua • Soluti polari si sciolgono in solventi polari. • Soluti non polari si sciolgono in solventi non polari. • Molecole con forze intermolecolari simili si mescolano liberamente. Solventi • Molecole con momenti di dipolo grandi e alte costanti dielettriche sono considerate polari. • Molecole con momenti di dipolo bassi e piccole costanti dielettriche sono considerate non polari. • I solventi sono stati classificati in tre categorie, secondo la loro polarità. – polari protici: contengono OH (o NH) – (di)polari aprotici: non contengono OH ma hanno un legame con un forte dipolo – non-polari: bassa costante dielettrica e immiscibili con acqua 68 20.15 formammide 210 3.e.73 109 .1 1-butanolo CH3CH2CH2CH2-OH 118 1.85 80 metanolo CH3-OH 68 1.74 6.Solventi polari protici Nome Struttura p..3 1-propanolo CH3CH2CH2-OH 97 1.69 24.70 33 etanolo CH3CH2-OH 78 1.41 58 acido acetico 118 1.8 acido formico 100 1.66 17. oC momento dipolo costante dielettrica acqua H-OH 100 1. 3 metilene cloruro CH2Cl2 40 1. momento oC dipolo costante dielettrica 56 2..08 dimetil solfossido (DMSO) (CH3)2S=O 189 3.78 6.6 N.82 38.e.88 20.34 78 1.02 acetonitrile CH3CN 81 3.96 47.52 35 1.92 36.N-dimetilformammide (DMF) (CH3)2NCHO 153 3.63 7.Solventi (di)polari aprotici Nome Struttura acetone (CH3)2C=O tetraidrofurano (THF) dietil etere CH3CH2OCH2CH3 etil acetato p.2 .60 9.15 4.7 66 1. e..Solventi apolari aprotici Nome Struttura p.24 benzene carbonio tetracloruro CCl4 .02 80 0 2. oC momento dipolo costante dielettrica esano CH3(CH2)4 CH3 69 ---- 2.28 76 0 2. • Aumenta l’entropia.Soluto ionico con solventi polari cristallo ionico ioni idratati • Solventi polari protici solvatano sia cationi che anioni • L’idratazione avviene con rilascio di energia. . Soluto ionico con solventi non-polari solvente non polare cristallo ionico non si scioglie . Soluto non-polare con solventi non polari solvente non polare solido non polare (forze intermolecolari deboli) si scioglie . Soluto non-polare con solventi polari solido non polare (forze intermolecolari deboli) non si scioglie . IDROCARBURI CxHy . – Alchini: idrocarburi con legami tripli. • Aromatici . n-alcani • Ramificati – Alcheni o Olefine: idrocarburi con legami doppi. • Lineari o alcani normali.Idrocarburi • Alifatici – Alcani o Idrocarburi saturi: idrocarburi con soli legami singoli. Petrolio . Combustibili fossili • Sono il risultato della lenta decomposizione. di materiale organico. • Sono classificati in tre tipologie basate sulla composizione chimica e origine: – Carbone – Petrolio – Gas naturale . principalmente plankton e alghe da cui il nome di combustibile fossile. in migliaia di anni. sotto alte pressioni e temperatura. . • Il petrolio greggio si trova in tutto il mondo e varia moltissimo da zona in zona in densità. zolfo e metalli. contenuto di aromatici.Petrolio • Il petrolio è una miscela di migliaia di composti chimici che si estrae dal sottosuolo. Fe. Ni. C 84-87% H 11-14 S 0-6 N 0-1 O 0-2 . azoto (carbazolo. quali alcani (chiamati paraffine). presenti in tracce – V. Ca. e U. chinolina). ossigeno (acidi e fenoli). cicloalcani (chiamati nafteni). Cu. – Composti metallici. alcheni. aromatici (~10%). Al. Na.Petrolio • La maggioranza dei suoi componenti sono: – Idrocarburi. poliaromatici (PAH). – Composti contenenti eteroatomi come zolfo (tiofene e derivati). etc.) in modo economico e ambientalmente accettabile. lubrificanti. oli da riscaldamento e oli combustibili.Lavorazione del petrolio • Comporta tre aspetti: – Approvvigionamento di greggio. conversione. oli combustibili pesanti e coke. . rifinitura. solventi. diesel. – Prodotti: sono benzina. asfalti. – Conversioni: processi che convertono il greggio in prodotti desiderati (separazione. e viene chiamato “frazione” o “taglio”.Raffineria • Nella raffineria il greggio viene separato in gruppi di idrocarburi mediante la distillazione frazionata. • I vapori distillati si raccolgono in torri di condensazione.eb. . • Ogni prodotto (miscela di composti) distilla in un range di p. Distillazione del greggio Gas non liquefacibili GAS Colonna distillazione atmosferica Gas liquefacibili Nafta Distillato Di mezzo Nafta leggera Nafta pesante Kerosene Gasolio (diesel) Oli lubrificanti Greggio Frazioni Pesanti Residuo o Oli pesanti Asfalto Gasolio sotto vuoto Oli lubrificanti Colonna distillazione sotto vuoto Gasolio pesante Residuo . etano. grassi 20 – 50 300 – 370 Olio pesante combustibile industriale 20 – 70 370 – 600 Residui coke. butano) Nafta . peci. (°C) riscaldamento.Prodotto Gas (metano. Uso Composizione (n. Carboni) Range di p. cere 70 o più sopra 600 propano.eb. cucina 1–4 < 20 (leggera e pesante) intermedio che sarà ulteriormente lavorato per fare benzina 5–9 60 – 100 Benzina carburante per motori 5 – 12 40 – 205 Kerosene carburante per aerei 10 – 18 175 – 325 Gasolio combustibile per diesel e olio riscaldante 12 – 20 250 – 350 Olio Lubrificante lubrificanti. asfalto. bitumi. La raffinazione • Processi fisici (separazione) – – – – desalatura distillazione frazionata estrazione miscelatura • Processi chimici – – – – – cracking (termico o catalitico) alterazione (reforming) unificazione (alchilazione) modificazione (isomerizzazione e polimerizzazione) trattamenti (hydrotreating) . . • Catalitico – Ha lo scopo di aumentare il numero di ottani della benzina.Cracking • Termico – Ha lo scopo di produrre olefine per la petrolchimica. Reforming Catalitico • Aumenta il numero di ottani della benzina partendo dalla nafta pesante. . Reforming Catalitico • Isomerizzazione . eb.Alchilazione & Polimerizzazione • Alchilazione – Ha lo scopo di produrre benzina ad alto numero di ottani da olefine leggere e isoparaffine leggere. – E l’opposto del cracking: piccole molecole si combinano per dare molecole più grandi nel range di p. delle benzine. . Alchilazione & Polimerizzazione • Polimerizzazione – Propene e buteni possono polimerizzare per dare prodotti nel range di p.eb. delle benzine ad alto numero di ottani. . Hydrocracking e Hydrotreating.Hydroprocessing • Include: Idrogenazione. 1. Pd. Idrogenazione (H2 su catalizzatore di Pt. supportati su silica e allumina): . Ni. Hydrocracking H2 naftalene H2 tetralina decalina H2 H2 toluene etilcicloesano H2 .Hydroprocessing 2. metalli) e le impurità . N.Hydroprocessing 3. Hydrotreating – Rimuove gli eteroatomi (S. Alcuni di essi sono: • Tensione di vapore • Numero di ottani • Contenuto di Aromatici / Benzene • Contenuto di Zolfo Le benzine sono sempre miscele di composti. .Specifiche per la benzina La benzina deve soddisfare molti criteri che variano nel tempo e nelle aree geografiche. • Si basa sul: 1. o isottano. n-eptano.4-trimetilpentano (isoottano) . eptano 2. cui viene assegnato numero di ottani 100. cui viene assegnato numero di ottani 0.Numero di ottani • La scala in ottani è una descrizione di quanto rapidamente brucia la benzina. 2.4-trimetilpentano.2. 2.2. Numero di ottani . come l’olio per diesel.Specifiche per oli Altri prodotti. devono avere altre specifiche come: • Numero di cetano (n-esadecano) • Densità • Punto di versamento (Pour Point) • Punto di Flash • Viscosità . Petrolchimica • I sette composti organici di base: – – – – – – – Etilene Propilene Buteni – frazione C4 Benzene Toluene BTX Xilene Metano . GPL PROPANO n-BUTANO ALCHILATI ISOBUTANO ISOBUTENE CONDENSATO PETROLIO .Condensato ETILENE NAFTA DISTILLAZIONE PETROLIO MTBE GASOLIO STEAM CRACKER PROPILENE POLYGAS BUTILENI BENZINA DA PIROLISI BUTADIENE CRACKING CATALITICO BENZINE IDROGENO BTX BT REFORMING CATALITICO IDRODEALCHILAZIONE TOLUENE IDROCRACKING DESOLFORAZIONE CICLOESANO .Olio greggio .Trattamenti del gas e integrazione raffineria-petrolchimica METANO ETANO GAS NATURALE O PRODOTTO TRATTAMENTO GAS PROPANE DEHYDRO. I sette composti organici di base Etilene Etilene dicloruro Vinil cloruro Etilbenzene Stirene Acido acetico Vinil acetato Etilene ossido Etilene glicol Frazione C4 Butadiene Acido acetico Vinil acetato Isobutene Metil t-butil etere Benzene Etilbenzene Stirene Cumene Acetone Fenolo Bisfenolo A Cicloesano Acido adipico Nitrobenzene Propilene Acrilonitrile Propilene ossido Cumene Acetone Fenolo Bisfenolo A n-Butirraldeide Metano Metanolo Formaldeide Clorometani Dimetil tereftalato Metil t-butil etere Acido acetico Vinil acetato n-Butirraldeide Urea HCN Toluene Benzene Xileni p-xilene Acido tereftalico Dimetil tereftalato . .Petrolio e carbone fonti di materiali per polimeri sintetici greggio etilene polivinil acetato politetrafluoro etilene propilene butilene polietilene Policarbonati gomma butile polivinil cloruro Nylon gomma stirenebutadiene polistirene gomma stirenebutadiene Epossidi Poli metil metacrilato polipropilene etc. .Dal carbone Carbone Peci Coke Acetone Benzene Polistirene Fenolo Naftalene Metanolo Nylon Poliesteri Formaldeide Epossidi Policarbonati Ureaformaldeide Fenolformaldeide Melaminaformaldeide etc. Dal carbone e dal petrolio Coke dal carbone Metano dal petrolio Acetilene Gomma nitrile Polivinil acetato Polimetil metacrilato Polivinil cloruro . Energia vs Chemicals 21 CAMICIE BENZINA PER 650 MIGLIA ETILENE PROPILENE 19 GALLONI NAFTA ETILENE GLICOL POLIETILENE POLIPROPILENE ACRILONITRILE 6 CONTENITORI IMMONDIZIE O 276 M2 DI PELLICOLA PER SERRE 175 METRI DI TUBI PER ACQUA 4 CASSE DI BIRRA O 30 ROTOLI DI SPAGO 21 MAGLIONI O 5 COPERTE O BUTADIENE BUTENE ELASTOMERI 1 PNEUMATICO DI AUTO O 13 DI BICI 3 CAMERE D’ARIA D’AUTO O 17 DA BICI UN BARILE DI PETROLIO AROMATICI CAPROLATTAME 500 PAIA DI CALZE . Alcani • Formula generale : CnH2n+2 CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3(CH2)2CH3 CH3(CH2)3CH3 CH3(CH2)4CH3 n-C7H16 n-C8H18 n-C9H20 n-C10H22 metano etano propano butano pentano esano eptano ottano nonano decano n-C11H24 n-C12H26 n-C13H28 n-C14H30 ¦ n-C20H42 n-C30H62 n-C40H82 ¦ etc. undecano dodecano tridecano tetradecano icosano triacontano tetracontano . Alcani • Tipi di carboni: metili CH3 CH3 CH CH2 CH3 metilene metino . e. p. –160ºC –89 –42 –0.4°C 36°C vs – 10.Relazione struttura-proprietà • Attrazioni intermolecolari: forze di London (o van der Waals) CH4 C2H6 C3H8 n-C4H10 n-C5H10 Le ramificazioni abbassano il p.4 +36 – 0.2°C 28°C maggiore superficie per l’attrazione 9°C .e. 5 kcal ~ ~ 1306. sono più stabili. .6 kcal ~ ~ 1303.0 kcal ~ CO2 + H2O Isomeri più ramificati hanno ∆Hcomb minore.3 kcal ~ ~ 1304.Proprietà chimiche degli alcani Combustione CnH2n+2 + O2 → nCO2 + 2n+2 Calori (entalpie) di combustione: ∆Hcomb ~ 1307. Ossidazione e riduzione H3C CH3 H H2C CH2 OH H C H H C H H H metano metanolo H HC CH O O C C H formaldeide H O C OH acido formico ossidazione più legami C-O. meno legami C-H riduzione meno legami C-O. più legami C-H O anidride carbonica . Numeri di ossidazione 1. Sommare -1 Cl +1 H +1 +1 -1 C +1 -1 O -1 Numero di ossidazione del carbonio +1 +1 +1 –1 = +2 . A ciascun atomo di un legame assegnare +1 all’atomo più elettropositivo e –1 all’atomo più elettronegativo (se gli atomi sono uguali assegnare 0) 2. C2 = -1 Br H H C Cl OH C=0 .Esempi • Determinare il numero di ossidazione dei C H C N C = +2 H O 2 1 H C C O H C1 = +3. Br Br H2C CH2 + Br2 H2C CH2 H H H2C CH2 + H 2O H C C H H OH Nessuno. Non c’è una variazione netta. . l’altro da -2 a -1 (si ossida). Ossidazione: Ogni C cambia da -2 a -1. riduzione o nessuna di esse. Un carbonio cambia da -2 a -3 (si riduce).Esempi • Catalogare le seguenti reazioni come ossidazione. 12 Cicloalcani Alcani ciclici a n termini . • La stabilità dei cicloalcani dipende da: – Strain d’anello = strain degli angoli di legame (strain di Baeyer) + strain torsionale (eclissamento) + strain sterico (van der Waals) .Conformazioni dei Cicloalcani • I cicloalcani adottano conformazioni di minima energia. 4 strain angolare e torsionale 7.Strain d’anello Strain d’anello totale 31.0 0 normali strain minimo 6.3 9.2 strain sterico transanulare .6 medi grandi > C12 1.5 kcal piccoli 26. 60º nel triangolo) tutti gli H eclissati = strain torsionale .5º sp3. H legami curvi. a banana sovrapposizione debole = strain degli angoli di legame (109.Conformazioni nel ciclopropano H H ciclopropano H H H più. ma minore strain d’eclissamento . 90º tutti gli H eclissati H H H H H H H H H H H H H ciclobutano 25° angolo di puckering “puckered”.Conformazioni nel ciclobutano H H H se fosse planare. 88º strain angolare leggermente maggiore. 108º tutti gli H eclissati 25° angolo di puckering H H H H H H H H H “envelope” rileva l’eclissamento envelope half-chair .Conformazioni nel ciclopentano H ciclopentano se fosse planare. 99% a t.tutti gli atomi sfalsati .Conformazioni nel cicloesano 1.nessun eclissamento .a.8 kcal ∴ nessuno strain d’anello (99.) .strain sterico .01% a t.eclissamento (0.5 kcal conformazione “chair” conformazione “boat” più stabile della “boat” .a. Conformazioni a “sedia” e a “barca” H H H H H H H H H H H H H H H H interazione H “flagpole” H H H H H H H H H H H H H H H H H H H “skewed boat” ~ 1.) .nessuno strain sterico ∴ strain d’anello 10. Posizioni equatoriali e assiali Asse dell’anello Assiali Equatore dell’anello Equatoriali .Cicloesano 2. Interconversione sedia-sedia nel cicloesano Ea ~ 10 kcal .Cicloesano 3. Inversione sedia-sedia sedia 1 half-chair 1 barca 2 barca 1 sedia 2 half-chair 2 . La curva di interconversione E half-chair half-chair boat twist-boat chair chair . Disegnare il cicloesano a sedia . 9 kcal per ogni repulsione CH3-H CH3 H equatoriale (95%) nessuno strain sterico (anti) H CH3 CH2 H CH2 H assiale (5%) repulsioni steriche (gauche) CH3 H2C H H 2C H H .3-diassiali CH3 repulsioni 1.Interazioni 1.8 kcal 0.3-diassiali metilcicloesano H CH3 H H ∆G ~ 1. Cicloesani disostituiti Stereoisomeri configurazionali non si possono interconvertire se non rompendo un legame isomeri geometrici conformazionali si possono interconvertire per rotazione attorno a un legame . cis-1.2-dimetilcicloesano CH3 CH3 CH3 H H H 50:50 CH3 H CH3 CH3 . 9 = 3.6 kcal ∆G ~ 3.4-dimetilcicloesano CH3 CH3 H H CH3 CH3 H CH3 diequatoriale nessuna repulsione CH3 H diassiale 4 repulsioni 1.3-diassiali = 4 x 0.6 kcal .trans-1. 8 kcal assiale-equatoriale 2 x 0.9 = 1.8 kcal .9 = 1.4-dimetilcicloesano CH3 CH3 CH3 CH3 H H H H 50:50 CH3 CH3 ∆G = 0 kcal equatoriale-assiale 2 x 0.cis-1. 9 = 3.6 kcal ∆G ~ 2.3-diassiali = 4 x 0.2-dimetilcicloesano CH3 CH3 CH3 H H CH3 CH3 1 interazione gauche = 0.9 kcal H H CH3 4 repulsioni 1.7 kcal .trans-1. cis-1.8 kcal 1 interazione 1.3-diassiale CH3-CH3 = 3.4 kcal 2 interazioni 1.3-dimetilcicloesano CH3 CH3 H CH3 CH3 H3C CH3 nessuna repulsione ∆G ~ 5.3-diassiali CH3-H = 1.6 kcal . 5 kcal .1-t-butil-4-metilcicloesano Il gruppo tert-butile blocca la conformazione sedia-sedia CH3 tBu CH3 ∆G ~ 3.8 kcal 5.7 kcal CH3 1. Reazioni degli idrocarburi C C H • nessun lone pair • nessun legame π • non acidi • non basici • C-C. Ossidazione non selettiva: combustione O2 R-H CO2 + H2O 2. C-H legami forti Sostituzione radicalica reagiscono solo con specie altamente energetiche o ad alta temperatura 1. Alogenazione hν R-H + X2 R-X + HX 3. Nitrazione R-H + HNO3 R-NO2 +H2O alogenuri alchilici nitrocomposti . • Tutti gli idrocarburi bruciano formando carbonio diossido. CnH2n+2 + O2 2n+2 n CO2 + H2O + Calore 2 Ogni C dà una molecola di CO2 . acqua e calore.Ossidazione • È una reazione importante economicamente. • Sono infatti usati come combustibili. 13 Alogenazione di alcani calore R–H + X2 —→ R–X + HX o luce una reazione di sostituzione Reattività: F2 > Cl2 > Br2 > I2 troppo reattivo comuni troppo poco reattivo (endotermica) Cl2 Cl2 Cl2 Cl2 CH4 → CH3Cl → CH2Cl2 → CHCl3 → CCl4 hν hν hν hν + HCl + HCl + HCl + HCl Problema: miscela di prodotti Soluzione: usare CH4 in largo eccesso (riciclandolo) . Meccanismo di una reazione radicalica a catena Radicale libero: specie con un numero dispari di elettroni Stadio 1: Cl2 → 2Cl• (rottura omolitica) Iniziazione Stadio 2: Cl• + CH4 → HCl + CH3• Stadio 3: CH3• + Cl2 → CH3Cl + Cl• migliaia di cicli = reazione a ”catena” totale: Propagazione determina la reazione totale CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl Talvolta: Cl• + Cl• → Cl2 CH3• + CH3• → CH3–CH3 CH3• + Cl• → CH3Cl Terminazione (infrequente a causa della bassa [rad•]) . maggior stabilità. più facile a formarsi ∴ Reattività dei C–H: 3º > 2º > 1º > CH3–H ∴ Stabilità dei C radicali: 3º > 2º > 1º > CH3–H .Stabilità dei radicali liberi R–H → R• + H• CH3–H CH3CH2–H CH3CH2CH2–H (CH3)2CH–H (CH3)3C–H CH3CH2CH2• ∆H = BDE bond dissociation energy BDE 104 kcal 98 kcal 98 kcal (ogni 1º) 95 kcal (ogni 2º) 91 kcal (ogni 3º) • CH3CHCH3 98 kcal CH3–CH2–CH3 95 kcal legami più facili a rompersi ∴ radicali liberi più stabili minor energia. Regioselettività Alcuni alcani danno un solo prodotto monoalogenato: CH3–CH3 Cl2 hν Cl2 hν hanno legami C–H tutti uguali Cl2 hν CH3–CH2–Cl Cl Utili sinteticamente Cl Cl Ma: Cl2 CH3CH2CH2Cl + CH3CHCH3 hν si trova: 43% 57% statisticamente: 75% 25% (6 H) (2 H) CH3CH2CH3 non tanto utile . Regioselettività Reattività dei C–H: 3º > 2º > 1º – per Cl2.9 : 1 Predire le quantità relative del prodotto monoclorurato: Cl Cl2 CH3CH2CH2Cl + CH3CHCH3 CH3CH2CH3 hν reattività dell’H 2º numero di H 2º prodotto 2º = x reattività dell’H 1º numero di H 1º prodotto 1º = 3. la reattività relativa è 5.8 57% = = 1x6 6 43% .2 : 3.9 x 2 7. Regioselettività Il bromo è molto più selettivo: Cl2 hν Br2 hν Cl Cl + 43% 57% Br Br 3% 97% Relative reattività per il Br2: 3º 1640 Br2 hν Br 100% Sinteticamente più utile 2º 82 1º 1 . Regioselettività X X2 hν + X X Cl2: Br2: + 28% ~0% 23% 90% + X 35% 9% 14% ~0% . Alogenazione del metano Memento: – Il Fluoro reagisce in modo esplosivo – Il Bromo reagisce ma non come il Cloro – Lo Iodio non reagisce Quale stadio è responsabile di tale differenza? ∆H°. Kcal/mole F Cl Br I Stadio 1: X2 l 2 X• +38 +58 +46 +36 Stadio 2: CH4 + X• l CH3• + HX – 32 +1 +16 +33 Stadio 3: CH3• + X2 l CH3X + X• –70 – 26 – 24 – 20 . Energetica della reazione ∆H° Stadio 2: CH4 + X• l CH3• + HX reagenti prodotti Eatt +34 Kcal/mole 36 32 24 I +33 Kcal/mole Eatt +18 Kcal/mole 16 Br 8 ∆H°. Kcal/mole 4 F Cl Br I – 32 +1 +16 +33 Cl Eatt +4 Kcal/mole +1 Kcal/mole 0 Eatt +1.2 Kcal/mole F –32 +16 Kcal/mole -32 Kcal/mole . • Evitare un largo eccesso di Br2 usando N-bromosuccinimide. Il radicale allilico è stabilizzato per risonanza. Br NBS H3CH2CCH CH2 hν CCl4 Br H3CHCCH CH2 NBS . O N Br O N H + + HBr O NBS Br2 O • Perché la reazione sia utile le posizioni alliliche devono essere equivalenti. altrimenti si ottiene una miscela di prodotti.Alogenazione allilica • La bromurazione avviene con buona resa sul C allilico (C sp3 vicino a C=C). Alogenuri alchilici R X . Br. .1. Alogenuri alchilici • Sono composti organici che contengono almeno un legame carbonio-alogeno (C–X) – X (F. Cl. I) • Il carbonio è sp3 • Possono contenere più legami C–X: composti polialogenati. 1. Alogenuri alchilici I. Proprietà e usi • Solventi resistenti al fuoco • Refrigeranti • Composti farmaceutici e precursori CH3CH2Cl CH3CH2Br CF3CCl2Br CCl2F2 CF2CHCl cloroetano (anestetico locale) bromoetano (fumigante) alotano (anestetico) CFC-12 (Freon-12) Freon 22 • Pesticidi C Cl 3 Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl DDT Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Mirex Cl Lindano . Nomenclatura IUPAC “alogenoalcano” Comune “alchil alogenuro” CH2Cl2 diclorometano metilene dicloruro CHI3 triiodometano iodoformio CBr4 tetrabromometano carbonio tetrabromuro CH3Br bromometano metil bromuro CCl2F2 diclorodifluorometano Freon-12 2-cloropropano isopropil cloruro iodocicloesano cicloesil ioduro 2-bromo-2. Alogenuri alchilici II.4-dimetilpentano -------- Cl I Br .1. 1. Alogenuri alchilici II. Nomenclatura Classificazione CH3X RCH2X metilalogenuri primario (1º) R' H R' R'' R X secondario (2º) R X terziario (3º) H H H R X X allilico 1° allilico 2° H H H R X X benzilico 1° benzilico 2° . 29 .09 104 CH3-F 1.14 50 Teflon ! δ+ δ– • Il legame C–X è polarizzato verso l’alogeno: R–X • Dipoli di legame: C–F > C–Cl > C–Br > C–I 1.48 1. Lunghezza di legame C-X e E di dissociazione Å kcal/mole CH3-H 1.51 1. Struttura • Il legame C–X si allunga scendendo nel gruppo e diventa più debole.93 65 CH3-I 2.56 D 1.1. Alogenuri alchilici III.42 105 CH3-Cl 1.78 80 CH3-Br 1. 72°C . diminuita area di contatto. Relazione struttura-reattività R–X • punti di ebollizione: CH3CH3 CH3Br CH3–CH2–CH3 CH3–CH2–F –89ºC 4ºC –42ºC –32ºC • la differenza è dovuta alla maggiore polarizzabilità delle 3 coppie di edell’alogeno • solubilità in H2O: R-X insolubile • Gli isomeri ramificati hanno forma più compatta.eb. diminuita forza di attrazione di van der Waals e più bassi p.eb. CH3CH2CH2CH2Br (CH3)3Br p. 100°C p.eb. Alogenuri alchilici IV.1. Capitolo Alcheni) – da alcani e Cl2 o Br2. Capitolo Alcheni). fine Capitolo) • Alchil dialogenuri: – da alcheni per addizione anti di bromo e cloro (v. Alogenuri alchilici V. Preparazioni • Alchil alogenuri: – da alcheni per addizione di acidi alogenidrici HCl. . calore o luce (v. HBr. Capitolo Alcani) – da alcoli per reazione con acidi alogenidrici (v. HI (v.1. . 1) Sostituzione Nucleofila R–X + Nu– R–Nu + X– R–X + Nu R–Nu+ X– 2) Eliminazione H–C–C–X + B– C=C + HB + X– Nucleofilo: specie con disponibilità elettronica: neutro. carico parzialmente Nuδ– o totalmente Nu– (base) Elettrofilo: specie con carenza elettronica parziale Eδ+ o totale E+ (acido) . R–X: .. Un nucleofilo è anche base.2. Reattività di R-X Legame debole . Lone pair poco disponibili X. Nu. buon gruppo uscente ∴ R+ o Rδ+ R elettrofilo attaccabile da un nucleofilo. alta affinità elettronica. 2. Reattività di alogenuri alchilici I. L. Sostituzione Nucleofila Il nucleofilo Y sostituisce X nel legame con il carbonio: R X + Y substrato R Y + X nucleofilo Nu– prodotto nucleofilo uscente reazione di sostituzione gruppo uscente leaving group.G. H O CH3 Br CH3 OH + Br . Es. 2. Sostituzione Nucleofila A. Reattività di alogenuri alchilici I. Trasformazioni di gruppi funzionali R X + alogenuro alchilico solo C sp3 HO R OH alcoli R'O R O R' eteri O O R' C OR esteri HS R SH tioli R'S R S CN R C N nitrili R C C R' alchini R N N N azidi R' C O R' C C N3 R' tioeteri . Gruppi uscenti (LG.G. Leaving Group) miglior gruppo uscente è quello che è base più debole reattività: R–I > R–Br > R–Cl >> R–F migliore L. Reattività di alogenuri alchilici I. il meno reattivo R X + Y base più forte R Y + X base più debole Br + NaF bf Br + NaI bd acetone K>1 F + NaBr bd I + NaBr (s) bf la base più forte sposta la base più debole il precipitato determina la reazione (Le Châtelier) . Sostituzione Nucleofila B.G.2. il più reattivo Es. peggior L. 2. Reattività di alogenuri alchilici I. Gruppi uscenti (LG. Leaving Group) Basi deboli che sono buoni gruppi uscenti Solfonato Solfato Fosfato H–OH R–OH R3N: R3P: Acqua Alcoli Ammine Fosfine – Alogenuri –– –O–P–OR – – – – I–. Cl– – – Molecole neutre O –O–S–OR O –– Ioni O– O –O–S–R O O . Sostituzione Nucleofila B. Br–. – Rottura del legame C-X e formazione del legame C-Y hanno luogo nello stesso momento: SN2: Reazione bimolecolare: 2 specie coinvolte nello stadio lento. – La rottura del legame C–X avviene prima che si inizi la formazione del legame C–Y: SN1: Reazione unimolecolare: 1 sola specie è coinvolta nello stadio lento. reazione concertata a 1 solo stadio. reazione a 2 stadi .2. Sostituzione Nucleofila SN C. Reattività di alogenuri alchilici I. Meccanismo R X + Y R Y + X • Si riconoscono due meccanismi limite che si differenziano per il momento nel quale avvengono la rottura del legame C–X e formazione del legame C–Y. Due meccanismi limite generale: velocità = k1[RX] + k2[RX][Y–] aumenta k1 RX = CH3X 1º 2º v 3º aumenta k2 S N2 S N1 k1 ~ 0 k2 ~ 0 velocità = k2[RX][Y–] (bimolecolare) velocità = k1[RX] (unimolecolare) S N2 S N1 [Y–] [RX] cost .2. Sostituzione Nucleofila SN C. Reattività di alogenuri alchilici I. Cinetica Meccanismo SN2 es. Reattività di alogenuri alchilici: SN A. ossia bimolecolare ∴ sia CH3I che OH– partecipano nel RLS ricordando la reattività: R–I > R–Br > R–Cl >> R–F ∴ La rottura del legame C–X avviene nel RLS Ÿ meccanismo concertato.2. a uno stadio: [HO---CH3---I]– ST CH3I + OH– CH3OH + I– . CH3I + OH– → CH3OH + I– si trova che: velocità = k[CH3I][OH–]. Stereochimica: inversione di configurazione Reazione stereospecifica: H Br (R)-(–)-2-bromoottano NaOH HO H (S)-(+)-2-ottanolo La reazione procede con inversione di configurazione (non sempre con inversione del descrittore) .2. Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN2 B. 2. Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN2 C. Meccanismo inversione di configurazione Attacco da dietro: HO HO H δ+ δC I H H C sp3 I H HO C H HO C I H HH HO C I sp2 ST ad alta energia HO + I H C sp3 I . E N E R G I A Br– CH3I BrCH3 I– . Reattività di alogenuri alchilici: SN SN2 HH δδBr----C----I H S.T.2. 2. Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN2 D.. ramificazioni al carbonio α (X–C–C–C. ) α β γ Composto velocità relativa metile CH3Br RX 1º CH3CH2Br 1 RX 2º (CH3)2CHBr 0. R–Br + I– → R–I + Br– 1...008 RX 3º (CH3)3CBr metilbromuro etilbromuro 150 aumento di ingombro sterico ~0 isopropilbromuro t-butilbromuro . Effetti sterici es. ramificazioni al carbonio α carbonio metilico H I H C ingombro sterico minimo H H I Br H carbonio 3° H C H C Br ingombro sterico massimo C H H C H H H . Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN2 D. Effetti sterici 1.2. ramificazioni al carbonio α ∴ Reattività verso SN2: CH3X > 1º RX > 2º RX >> 3º RX reagiscono facilmente con meccanismo S N2 (k2 grande) più difficile non reagisce con meccanismo S N2 (k2 ~ 0) . Effetti sterici 1. Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN2 D.2. 00001 CH3 ~ non c’è SN2 con i substrati neopentilici (v. ramificazioni al carbonio β vel. CH3 β CH2 α CH2 Br 1 CH3 CH3 α CH CH2 Br 0. Effetti sterici 2. seguito) . Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN2 D.2. rel.003 CH3 CH3 α C CH2 Br ingombro sterico crescente 0. specie neutre R X + H2O R O H + X H solvolisi R X + R'OH solventi R O R' + X H ROH + HX idrolisi ROR' + HX alcoolisi . anioni R X + OH R OH + X R X + CN R CN + X 2.2. Nucleofili e nucleofilicità (nucleofilia) 1. Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN2 E. Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN2 E. la nucleofilia segue la polarizzabilità (raggio ionico) I– > Br– > Cl– > F– HS– > HO– PH3 > NH3 .2. c. Nucleofili e nucleofilicità (nucleofilia) a. b. la nucleofilia segue la basicità H2N– > HO– > F– H 3N > H 2O RO– > RCO2– quando gli atomi nucleofili sono dello stesso gruppo. specie cariche sono più nucleofile di specie neutre HO– > H2O RO– > ROH HS– > H2S quando gli atomi nucleofili sono dello stesso periodo. Nucleofili e nucleofilicità (nucleofilia) Riassunto: Nu molto buoni : buoni: abbastanza: cattivi: molto cattivi: I–. HO–. RCO2– H2O. RO–. Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN2 E. Cl–.2. RS–. N3– NH3. CN–. HS–. ROH RCO2H . F–. H2N– Br–. no SN2 Trovato: velocità = k[(CH3)3CBr] unimolecolare ∴ RLS dipende solo da (CH3)3CBr . Meccanismo SN1 CH3 CH3 H3C C Br + CH3OH CH3 ∆ H3C C O CH3 + HBr CH3 3º.2. Cinetica es. Reattività di alogenuri alchilici: SN A. 2. Cinetica Meccanismo SN1 CH3 RLS: H3C CH3 C Br H3C CH3 C + Br CH3 carbocatione CH3 H3C C HOCH3 H3C CH3 H3C CH3 H C O CH3 CH3 -H+ CH3 H C O CH3 CH3 CH3 H3C C O CH3 + HBr CH3 . Reattività di alogenuri alchilici: SN A. 2. Cinetica Meccanismo SN1 Meccanismo a due stadi: carbocatione R+ RBr + CH3OH ROCH3 + HBr . Reattività di alogenuri alchilici: SN A. 2. Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN1 B. Stereochimica CH3 R Br H H2O CH3 HO CH3CH2 R CH3 H CH3CH2 + H s OH CH3CH2 OH R OH2 CH3CH2 H CH3 CH3CH2 H + CH 3 C H OH2 carbocatione sp2 trigonale planare CH3CH2 S CH3 HO R CH3 CH3CH2 H Br miscela racema . allilico 1° 3º R+ benzilico 2°.2. allilico 2° . Stabilità dei carbocationi Stabilità di R+ : 3º > 2º >> 1º > CH3+ Reattività di R–X verso la SN1: 3º > 2º >> 1º > CH3X CH3+ 1º R+ 2º R+ benzilico 1°. Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN1 C. Reattività di alogenuri alchilici: SN Meccanismo SN1 C. Stabilità dei carbocationi Possibile riarrangiamento: EtOH ∆ CH3CH2O non OCH2CH3 Br –H+ EtOH H Et O .2. acetone. etil acetato H2O. dimetilformammide. X– relativamente a RX R+X– in solventi meno polari in solventi più polari H H O H H O O H H C H H RX O O H H O H H . ROH. RCO2H dimetilsolfossido. CH3CN solvatano cationi e anioni Il meccanismo SN1 è favorito da solventi polari protici stabilizzano R+. benzene etere. Effetto solvente nonpolare: moderatamente polare: polare protico: polare aprotico: esano.2. Reattività di alogenuri alchilici: SN SN1 vs SN2 A. IV. OH– in H2O: forti legami H con l’acqua rende OH– meno reattivo OH– in DMSO: una scarsa solvatazione rende OH– più reattivo (nucleofilo) in DMSO in H2O RX + OH– ROH + X– . Effetto solvente solvatano cationi non anioni Il meccanismo SN2 è favorito da solventi moderatamente polari & polari aprotici destabilizza Nu–. SN1 vs SN2 A. rendendolo più nucleofilo es. SN1 vs SN2 v = k1[RX] + k2[RX][Nu] velocità di SN1 crescente (stabilità carbocatione) RX = CH3X 1º 2º velocità di SN1 calante 3º (ingombro sterico) reagisce può reagire con reagiscono entrambi i principalmente principalmente con meccanismo meccanismi con meccanismo SN1 SN2 (k2 ~ 0.B. Riassunto IV. k1 grande) (k1 ~ 0. k2 grande) SN2 favorite da buon nucleofilo (velocità = k2[RX][Nu]) – di solito in solventi polari aprotici SN1 decorre in assenza di un buon nucleofilo (velocità = k1[RX]) – di solito in solventi polari protici (solvolisi) . SN2 o SN1? SN2 • Primari o metile • Nucleofilo forte • Solvente polar aprotico • v = k[RX][Nu] • Inversione al carbonio chirale • Nessun riarrangiamento SN1 • Terziario • Nucleofilo debole (può essere anche il solvente) • solvente polare protico • v = k[RX] • Racemizzazione di composti otticamente attivi • Prodotti riarrangiati . SN2 o SN1? H C C C C C H H C X X benzilico 2° allilico 2° X 3° Meccanismo probabile H H H H X X 2° benzilico 1° allilico 1° RCH2X* CH3X 1° metilalogenuri C X *senza ramificazioni in β SN1 SN1 o SN2 a seconda del solvente e altri parametri SN2 . V. Sostituzione vs Eliminazione X C C H Nu : L’attacco al carbonio provoca sostituzione L’attacco all’idrogeno provoca eliminazione . E1) avviene in assenza di un buon Nu o forte B . E2) favorita da alta concentrazione di un buon Nu o forte B • questo termine è zero quando [Nu o B] è zero ∴ reazione unimolecolare (SN1. E1) (SN2.V. Unimolecolare o bimolecolare? (SN1. E2) Velocità = k1[RX] + k2[RX][Nu o B] • questo termine diventa più grande all’aumentare della [Nu o B] ∴ reazione bimolecolare (SN2. Sostituzione vs Eliminazione A. V. non ha effetti sulla v di E2. Sostituzione vs Eliminazione B. ∴ E2 predomina Br ingombro sterico crescente Br NaOEt " O 91% O + 9% + 13% Br Br " tBuOK nucleofilo stericamente ingombrato 87% 100% O 15% + 85% . struttura del substrato: ingombro sterico diminuisce la v di SN2. Bimolecolare: SN2 or E2? v = kSN2[RX][Nu] + kE2[RX][B] 1. V. Bimolecolare: SN2 or E2? 2. base vs nucleofilo • base più forte favorisce E2 • migliore nucleofilo favorisce SN2 NaI Br 100% buon Nu debole B OCH 3 + buon Nu forte B I NaOCH3 40% 60% tBuOK OtBu 5% + 95% cattivo Nu forte B e ingombrata . Sostituzione vs Eliminazione B. Eliminazione E2 • Stereochimica È favorita la geometria anti perché consente una situazione sfalsata. B H H X antiperiplanare X S. anti prodotto alchene .T. Zaitsev) • Se sono possibili più prodotti di eliminazione. N.Regola di Saytzeff (A. R2C=CR2 > R2C=CHR > RHC=CHR > H2C=CHR tetra > tri > di > mono H H Br CH 3 C C C H H H CH 3 OH – H H C C CH 3 H C C H H minore CH 3 + H C C H H maggiore CH 3 CH 3 . si forma in percentuale maggiore l’alchene più stabile (quello più sostituito). Unimolecolare: SN1 o E1? OH2 Br H2O ∆ base debole Nu debole H OH2 per entrambe. v = k[RBr] ∴ non si controlla il rapporto di SN1 e E1 OH . Sostituzione vs Eliminazione C.V. bimolecolare: SN2 & E2 Favorite da alta concentrazione di buon Nu o forte B buon Nu. ingombrato) favorita E2 Substrato: 1º RX 2º RX 3º RX principalmente SN2 (tranne che con tBuO–) sia SN2 che E2 (ma principalmente E2) E2 soltanto la ramificazione in β impedisce SN2 . RO–. PH3 favorita SN2 buon Nu. Br–. HS–.V. NH3. forte B: tBuO– (steric. Sostituzione vs Eliminazione D. forte B: HO–. Sommario 1. debole B: I–. H2N– SN2 & E2 cattivo Nu. RS–. RCO2H Substrato: 1º RX 2º RX 3º RX SN1 e E1 (solo con riarrangiamento) SN1 e E1 (può riarrangiare) non si controlla il rapporto SN1 / E1 . Sommario 2.V. unimolecolare: SN1 & E1 Ha luogo in assenza di buon Nu o forte B cattivo Nu. ROH. debole B: H2O. Sostituzione vs Eliminazione D. • Alogenuri primari di solito SN2. E1 o E2. • Buoni nucleofili. • Basi ingombranti favoriscono l’eliminazione. . • Alogenuri terziari miscela di SN1.Sostituzione o Eliminazione? • La forza del nucleofilo determina l’ordine: Nucleofilo forte reagirà SN2 o E2. • Alta temperatura favorisce l’eliminazione. ma basi deboli favoriscono la sostituzione. E1 o E2? E1 • Terziario > Secondario • Base debole • Solvente ionizzante • v = k[alogenuro] • Prodotto di Saytzeff • Nessuna geometria richiesta • Prodotti di riarrangiamento • • • • • • • E2 Terziario > Secondario Richiesta base forte Polarità solvente non importante v = k[alogenuro][base] Prodotto di Saytzeff Gruppi uscenti coplanari (anti) Nessun riarrangiamento . VI. –O–SO2R esteri solfonici . –OH2+ per protonazione. cattivo gruppo uscente R–O– + HY Bisogna trasformare il gruppo –OH in buon gruppo uscente: es. Sostituzione di Alcoli Non si può sostituire direttamente: R–OH + Y– → R–Y + OH– quando Y– è una base più forte di OH– base forte. 2°.VI. 3° ROH 3º: SN1CA H3C OH OH protonato diventa buon gruppo uscente catalizzata da acidi HBr racemo H+ H3C OH2 H3C Br Br -H2O CH3 planare . Sostituzione di Alcoli A. Reazione di ROH con acidi alogenidrici HX R–OH + HX → R–X + H2O 1°. unimolecolare .e..VI. Reazione di ROH con acidi alogenidrici HX Il meccanismo SN1 catalizzato da acidi Ea più alta Ÿ RLS R+ + X– + H2O ROH + HX ROH2+ + X– RLS: ROH2+ carbocatione intermedio possibilità di riarrangiamenti RX + H2O R+ + H2O v = k[ROH2+] i. Sostituzione di Alcoli A. H H X C OH2 R ROH ROH + 2 + + HX X– S.T. Sostituzione di Alcoli A.T. RX + H2O .VI. Reazione di ROH con acidi alogenidrici HX Il meccanismo SN2 catalizzato da acidi ROH 1º : SN2CA R CH2 OH H+ R CH2 OH2 R CH2 X + H2O X v = k[ROH2+][X–] bimolecolare S. Sostituzione di Alcoli A. Reazione di ROH con acidi alogenidrici HX ROH 2º: miscela di SN1CA e SN2CA H OH Br H HBr S R H Br + R 87% 13% ∴ 26% racemizzazione (SN1CA) 74% inversione (SN2CA) Riarrangiamenti possibili (per la parte che procede con meccanismo SN1): HBr OH Br .VI. VI. Sostituzione di Alcoli B. Sostituzione via esteri solfonici O R S O H+ + OH R O ione alcansolfonato base molto debole O O R OH + R' S Cl O alcansolfonil cloruro O Nu R O O- O acido alcansolfonico acido forte Schema: S S O piridina R O S R' + HCl O alchil alcansolfonato (estere) O R' R Nu + R' S O O buon gruppo uscente . VI. TfCl Z CH3 OR + HCl CF3SO3R alchil triflato. BsCl SO3R alchil tosilato. R-OMs metansolfonil cloruro mesil cloruro MsCl Y CF3SO2Cl + ROH trifil cloruro. R-OBs . R-OTf SO2Cl + ROH CH3 p-toluenesolfonil cloruro tosil cloruro TsCl [ Br SO2Cl + ROH brosil cloruro. Sostituzione via esteri solfonici O X O CH3 S Cl + ROH CH3 S O O alchil metansolfonato alchil mesilato. R-OTs Br SO3R alchil brosilato. Sostituzione di Alcoli B. VI. Sostituzione di Alcoli B. Sostituzione via esteri solfonici Esempi OH TsCl piridina OTs NaI I NaCN CN NaSCH3 SCH3 La formazione dell’estere solfonico avviene con ritenzione di configurazione H OMs H OH MsCl piridina ritenzione NaSH HS H inversione (SN2) . 2º ROH SOCl2 piridina RCl gruppo uscente molto buono O RCH2OH Cl S O Cl R CH2 Cl O S Cl + H+ (SN2: solo 1° e 2°) RCH2Cl + SO2 + HCl piridina . Altri esteri inorganici 1º. Sostituzione di Alcoli C.VI. VI. Altri esteri inorganici 1º. Sostituzione di Alcoli C. 2º ROH PBr3 RCH2OH Br P Br Br RBr gruppo uscente molto buono R CH2 Br O P(OR)2 + H+ (SN2: solo 1° e 2°) RCH2Br + H3PO3 . δ+ C M legame covalente ma polare significativo carattere carbanionico .Composti Organometallici Metallo legato a carbonio. CH3CH2MgBr (non CH3O–Na+) In generale: δ.base forte e buon nucleofilo . es. Nomenclatura R M X R M alchilmetallo Li alchilmetallo alogenuro n-butillitio MgBr fenilmagnesio bromuro (CH3CH2)4Pb tetraetilpiombo .I. •• •• X R . II.trasferiti all’alogenuro dalla superficie metallica in 1 o 2 stadi – + M X •• •• •• •• •• . Struttura di R-M R M+ δ.. .δ+ R–M forma ionica forma covalente •• – % ionico C-K C-Na C-Li C-Mg C-Zn C-Cd C-Cu 51 47 43 35 18 15 9 R porta carica negativa nucleofilo e base forte base più forte più reattivo Li e Mg sono i metalli più usati nucleofilo migliore meno reattivo . . M M M M M 2e. pentano. fenile R M+X- velocità: X = I > Br > Cl solventi: eteri. vinile. benzene A. Preparazione di Composti Organometallici Metalli del Gruppo I: Li. Composti Organolitio Et2O Br + 2Li Li + LiBr anidro Br Li Et2O Li . Na.III. K R X + 2M R M + M+X- Metalli del Gruppo II: Mg. Cu R X+ M R = 1°. 2°. alcuni 3°. Reattivi di Grignard (organomagnesiaci) Br Mg MgBr t-butilmagnesio bromuro Et2O anidro MgCl Cl Mg isopropenilmagnesio bromuro Et2O anidro CH3 CH3 Mg p-tolilmagnesio bromuro Et2O anidro Br MgBr . Preparazione di Composti Organometallici B.III. δ.III. I composti organometallici sono basi forti.δ+ R M base molto forte (base coniugata di una acido molto debole) pKa R–H H pKa 60 HC≡C–H 25 45 ROH 16 45 H2O 16 36 RCO2H H NH3 5 . Preparazione di Composti Organometallici C. III. C. Basi forti ∴ Bisogna evitare composti protici: RLi + R´OH → RH + R´OLi RMgBr + H2O → RH + HOMgBr PhMgBr + NH3 → PhH + NH2MgBr Ma può essere utile: – Rimuovere un alogeno: H 2O C–X ĺ CLi ĺ C–H – Introdurre il deuterio: D 2O C–X ĺ CMgX ĺ C–D . IV. Sintesi di Alcoli In generale: δ O O–M+ + δ C C δ.δ+ R M R + H3O OH C R Reazione di formazione di legame C-C . IV. Sintesi di Alcoli A. Reattivi di Grignard e aldeidi e chetoni O-MgX+ O C C R MgX O C H H formaldeide O C R' H aldeide O C R'' R' chetone 1) RM gX 2) H 3 O + + H3O OH C R R R CH2 OH alcool 1° OH 1) RM gX 2) H 3 O + R CH R' alcool 2° OH 1) RM gX 2) H 3 O + R C R'' R' alcool 3° . Sintesi di Alcoli B. Reattivi di Grignard e esteri O R' C OH 1) 2 RMgX OR" O C OR" R' R MgX 2) H3O+ R' C R R O alcoli 3° con due gruppi uguali O R' C OR" R (+ R"OH) R' C R + R"OMgX R MgX O-MgX+ R' C R R + H3O OH R' C R R .IV. Reattivi di Grignard e esteri Esempi O OH OCH3 1) 2PhMgBr C 2) H3O+ 1) 2CH3MgBr 2) H3O+ CH3O2C HO bulnesolo (intermedio per la sintesi di farmaci e insetticidi) .IV. Sintesi di Alcoli B. Sintesi di Alcoli C.IV. Reagenti Organolitio O OLi C C H3O+ R OH C R R Li OH O 1) 2) H3O+ Li . IV. Ioni acetiluro O O-Na+ C C HC CNa + H3O OH C C C CH CH OH O 1) HC CNa + 2) H3O HC C C CH2 CH3 CH3 OH O HO 1) HC CNa 2) H3O+ HC≡CH + NaNH2 → HC≡CNa + NH3 HO C CH . Sintesi di Alcoli D. Li+ R-COO- MgX+ R-COOH H 3O + R-COOH COO-Li+ Li + CO2 COOH H3O+ etere acido benzoico benzoato di litio fenillitio Br Mg Mg Br etere bromuro di benzile H3O+ 1) CO2 COOH 2) H3O+ benzilmagnesio bromuro acido fenilacetico .V. R-Li + CO2 R-MgX + CO2 etere etere R-COO. Sintesi di acidi CO2 solido (ghiaccio secco) reagisce con RLi e RMgX per dare acidi carbossilici. VI. Reagenti Organorame Sintesi di alcani 2RLi + CuX etere R2CuLi + LiX litio dialchilcuprato R2CuLi + R'X etere R R' + RCu + LiX solo 1° O Br (n-Bu)2CuLi etere Br (Ph)2CuLi etere O . Alcheni . Alcheni Idrocarburi con doppi legami Carbonio-Carbonio 1. Struttura e Preparazione . Alcheni • Sono anche chiamati olefine • Includono molti composti naturali e importanti prodotti industriali che costituiscono i composti base per processi industriali. • Si preparano industrialmente per cracking termico di alcani lineari CH3(CH2)nCH3 ĺ H2 + CH4 + CH2=CH2 + CH3CH=CH2 + CH3CH2CH=CH2 . I. Nomenclatura Idrocarburi insaturi H H CH3 C C H propene (propilene) H etene (etilene) CH CH2 H Cl CH3 C CH2 CH3 2-metilpropene (isobutilene) C C H H cloroetene (vinil cloruro) α-pinene (trementina) H H O OH acido oleico (un acido grasso monoinsaturo) . I. Nomenclatura Alchene come sostituente H2C CH– H2C CH CH2 – Esempi etenil (vinil) 2-propenil (allil) vinil cloruro H2C C– 1-metiletenil (isopropenil) H3C – CH2 – CH2 – Cl alcool allilico metilene OH isopropenil bromuro CH2 Br 1-vinilcicloesene metileneciclopentano . R2C CH2 > RCH CH2 > H2C CH2 C C > R H R R 2.II. trans più stabile del cis. più sostituito = più stabile R C C R R R > RCH CHR . Relazione struttura-reattività Stabilità 1. E più stabile del Z H H H H H C C C C H H H H H trans-2-butene (Z)-2-butene H H H HH H repulsione sterica cis-2-butene (E)-2-butene . Deidroalogenazione di alogenuri alchilici C. Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione Il doppio legame si forma attraverso reazioni di eliminazione: X Y C C C C + X Y A. Dealogenazione di dibromuri vicinali Reazione di Eliminazione β-eliminazione o 1. Disidratazione di alcoli B.2-eliminazione .III. Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione A. più alto + H2O Keq < 1 (si distilla l’alchene per spostare la reazione a destra) Esempi OH H2SO4 ∆ OH H3PO4 ∆ molecole simmetriche . Disidratazione di alcoli H OH C H+ C C C p.e.e. più basso p.III. Disidratazione di alcoli 1.III. Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione A. Regola di Zaitsev: regioselettività e stereoselettività – il prodotto principale della β-eliminazione è l’alchene più stabile OH H2SO4 ∆ + 90% OH H3PO4 ∆ 10% + maggiore H2SO4 ∆ OH regioselettiva minore + 56% + 32% 12% stereoselettiva . reversibile . Disidratazione di alcoli 2.facilità di disidratazione: 3° > 2º > 1º + H3O Stadio 1 H Stadio 2 (RLS) O + H2O H O H Formazione del carbocatione + H2O H Stadio 3 (nessun Nu presente) O H + o H2O Protonazione alcool H H OH2 Acqua funge da base + H3O . Meccanismo E1 catalizzato da acido (E1CA) .III. Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione A. III. Meccanismo E1 catalizzato da acido (E1CA) Stadio 1 Stadio 2 Stadio 3 Ea più alta Ÿ RLS R+ + H2O ROH + ROH 2 + H3O+ H+O 2 alchene + H3O+ . Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione A. Disidratazione di alcoli 2. Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione A. Disidratazione di alcoli 2. R . si forma più velocemente. Meccanismo E1 catalizzato da acido (E1CA) Stadio 3 Entrambi i prodotti derivano dallo stesso carbocatione intermedio. Il prodotto più stabile ha minore Ea.III. Disidratazione di alcoli 3. Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione A.III. Riarrangiamenti dei carbocationi Esempi H3PO4 X + ∆ OH 64% + 33% 3% HO Y + maggiore minore Z + OH 56% + 32% 12% . Riarrangiamenti dei carbocationi shift 1. Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione A.2: Il gruppo migra con la propria coppia di legame CH3 CH3 C C C H C C shift di alchile (metile) H C C C shift di idruro In generale: R+ riarrangia in un altro R+ di energia uguale o più bassa: 2° 3° veloce 2° 3° 2° 3° lenti 3° 2° . Disidratazione di alcoli 3.III. Disidratazione di alcoli 3.III. Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione A. Riarrangiamenti dei carbocationi H+ -H 2O X OH veloce OH2 -H+ -H+ + 3% 64% 33% . Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione A.III. Disidratazione di alcoli 3. ma la migrazione può avvenire ugualmente con concomitante perdita di H2O: OH2 H -H+ + + . Riarrangiamenti dei carbocationi H2O HO Y H+ H Z veloce a causa della diminuzione dello strain d’anello -H2O -H+ + Carbocationi primari non si formano. poi step 1) o 2) .14III. Riarrangiamenti dei carbocationi Sommario: I carbocationi possono: 1) addizionare un nucleofilo R +X R X 2) perdere un protone H C C -H+ C C 3) riarrangiare a catione più stabile. Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione A. Disidratazione di alcoli 3. usare una base ingombrata. • Effetti stereoelettronici: eliminazione anti • Segue la regola di Zaitsev: si forma in prevalenza l’alchene più stabile. • Le basi ingombrate estraggono l’idrogeno meno ingombrato formando l’alchene meno sostituito. • Meccanismo E1: Alogenuri alchilici terziari con basi deboli • Se la sostituzione è competitiva. Deidroalogenazione di alogenuri alchilici H X C C + B C C + BH + X Eliminazione base forte: KOH/etanolo CH3CH2ONa/CH3CH2OH tBuOK/tBuOH • Meccanismo E2: Alogenuri alchilici secondari ingombrati e terziari danno buone rese. Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione B. come è il caso degli alogenuri primari.III. . 6-dimetilpiridina .Basi ingombranti CH 3 H 3C C O C H (C H 3 )2 _ CH 3 tert -butossido N C H (C H 3 )2 H 3C H diisopropilammina (CH3CH2)3N: trietilammina N CH 3 2. Dibromuri vicinali • Si usa NaI in acetone o Zn in acido acetico. • Gli atomi di bromo devono essere antiperiplanari (E2). Preparazione di Alcheni: Reazioni di Eliminazione C. I– Br = H H3C Br I– Br = Br H H Br Br Br Br CH3 H trans CH3 CH3 cis .III. Reazioni di Alcheni . dà reazioni radicaliche: Addizioni radicaliche . ca.Il legame π C C Il legame π è un sito elettron-donatore ∴ debolmente basico e moderatamente nucleofilo È relativamente debole. coordina acidi di Lewis 2. 65 kcal/mole 1. viene attaccato da elettrofili: Addizioni elettrofile 3. 5 kcal/mole Somma: 167.IV. Reazioni di addizione Reazioni di Addizione Y C C + Y Z C Z C Reazioni di Addizione Le reazioni sono esotermiche: Esempio Legami che si rompono: π C=C e H–Br 63 87.0 kcal/mole Calore di reazione –16.5 Legami che si formano: H–C e Br–C 99 68 Somma: 150.5 kcal/mole . IV. ossidazione X X ciclopropanazione X OH C C OH OH C C O C C H C C [CH2] O C C O H C C C . ossidazione epossidazione [O]. aloidrine [HOX]. ossidazione H H C C H X C C H OH C C [Elemento aggiunto] Prodotto rottura ossidativa [O2]. Reazioni di addizione Reazioni di Addizione Tipo di Addizione C C idrogenazione [H2]. ossidazione formaz. ossidazione idrossilazione [HOOH]. riduzione addizione HX [HX] idratazione [H2O] alogenazione [X2]. IV. Reazioni di addizione Idrogenazione di Alcheni C C + H2 Pt. Ni O OH acido stearico (saturo) . o Ni H H C C O acido oleico OH (insaturo) H2. Pd. 8 27.IV. Calori di idrogenazione: [H2]/Pt C C H H C C ∆Hº ~ –30 kcal/mol 30.1 28.7 0 0 più stabile . Reazioni di addizione Idrogenazione di Alcheni 1.1 meno stabile 27.2 26. Reazioni di addizione Idrogenazione di Alcheni 2. Stereochimica di idrogenazione Y C C YZ C C Y YZ C Z C Z addizione anti addizione sin L’idrogenazione catalitica procede per addizione sin: CH3 H H2 H CH3 Pt cis .V. Stereochimica di idrogenazione: sin Meccanismo probabile: superficie catalizzatore . Reazioni di addizione Idrogenazione di Alcheni 2.V. Addizione Elettrofila Gli elettroni π sono mobili e nucleofili (basi di Lewis). Reazioni di addizione B. elettrofilo δ+ δY Z Z Y C C RLS C C Y Z C C nucleofilo L’elettrofilo Y–Z è formato da una parte elettrofila e da una nucleofila Y–Z acidi forti alogeni acidi ipoalosi . reagiscono con elettrofili (acidi di Lewis).IV. Br.75) non reagiscono con i doppi legami. Addizione Elettrofila 1.7) e acido acetico (pKa = 4.IV. Addizione di acidi alogenidrici Acidi deboli come acqua (pKa = 15. H X C C + H X C C (X = Cl. I) alchil alogenuri Reattività: HI > HBr > HCl >> HF (più forte l’acido = miglior elettrofilo) δ+ δH X H C C RLS X C C H X veloce C C . Regola di Markovnikov a) Doppio legame simmetricamente sostituito: HBr Br I HI attacco indifferente b) Doppio legame non simmetricamente sostituito: Br CH3 CH CH2 HBr non CH3 CH CH2 H CH3 CH CH2 Br H Nell’addizione di HX a un alchene. Addizione di acidi alogenidrici I. Addizione Elettrofila 1. l’H si lega al carbonio con più H.IV. . . Addizione di acidi alogenidrici II.IV. Addizione Elettrofila 1. Meccanismo: 2 stadi con formazione del C+ H Br CH3 CH CH2 CH3 CH CH3 carbocatione 2° più stabile CH3 CH2 CH2 carbocatione 1° meno stabile Br Br prodotto Markovnikov Br Br Interpretazione meccanicistica della regola di Markovnikov: La reazione procede attraverso l’intermedio carbocationico più stabile. Meccanismo Ea più bassa ∴ maggior velocità di formazione Br Br Br + HBr Br . Addizione di acidi alogenidrici II.IV. Addizione Elettrofila 1. assomiglierà all’intermedio carbocationico. • Gli S.T. • Tutti i fattori che stabilizzano la specie stabile stabilizzano anche lo S. ossia l’Ea del suo S. .T. di stadi endotermici assomigliano strutturalmente ai prodotti.T. assomiglia alla struttura della specie stabile più vicina. di stadi esotermici assomigliano strutturalmente ai reagenti. • La formazione di un carbocatione è un processo endotermico: il suo S. Perché? • La struttura di uno S.Postulato di Hammond • Un intermedio più stabile si forma più velocemente di uno meno stabile. gli S.T.T.T. è più bassa. riarrangiamenti carbocationici Br HBr + Br HBr H Br 1.IV. Addizione di acidi alogenidrici III.2-H shift Br Br Br meccanismo . Addizione Elettrofila 1. Addizione radicalica di HBr + HBr senza perossidi con perossidi orientazione Markovnikov Br Br orientazione antiMarkovnikov (effetto perossido) . Addizione di acidi alogenidrici IV.IV. Addizione Elettrofila 1. Addizione di acidi alogenidrici IV. Addizione Elettrofila 1.IV. Addizione radicalica di HBr : meccanismo a catena radicalico R O O R ∆ 2 RO Iniziazione ROH + Br RO + HBr Br C C + Br Br C C Propagazione Br H C C + HBr C C Br H totale: C C + HBr C C + Br . Addizione di acidi alogenidrici IV. Addizione Elettrofila 1. Addizione radicalica di HBr Br Br HBr Br 3º Br 1º La reazione procede attraverso l’intermedio radicalico più stabile .IV. Addizione Elettrofila 1. Addizione radicalica di HBr Paragone: addizione di HBr con e senza perossidi Br HBr (H+) Br orientamento Markovnikov Intermedio più stabile in entrambi i casi. Br HBr Br orientamento antiMarkovnikov (Br•) controllo regiochimico . HBr peross.IV. Addizione di acidi alogenidrici IV. IV. Addizione di acido solforico (industriale) H OSO3H C C + H2SO4 C C OSO3H H2O ∆ orientamento Markovnikov C C ∆ alchil idrogeno solfato H2SO4 H OH H2O totale: idratazione OH . Addizione Elettrofila 2. + H2O C H OH H+ C H+ H2O -H+ -H2O OH2 C -H+ H+ Principio di reversibilità microscopica H2O H2SO4 OH Markovnikov inverso della disidratazione OH .IV. Idratazione acido-catalizzata C Es. Addizione Elettrofila 3. Addizione di alogeni X C C + X2 C C X dialogenuro vicinale Addizione stereoselettiva anti: Br2 CCl4 Br solo trans Br (X = Cl or Br) .IV. Addizione Elettrofila 4. Addizione Elettrofila 4. Addizione di alogeni Meccanismo: ioni alonio Br Br Br Br C C C C C Br Br Br Br C ione bromonio ciclico Br Br Br addizione anti Br prodotto trans .IV. 5. La concentrazione di HOCl può essere aumentata aggiungendo AgOH. Cl2 + H2O HOCl + HCl • L’acido ipobromoso HOBr viene formato per idrolisi di Nbromoacetammide: CH3CONHBr + H2O HOBr + CH3CONH2 . Keq § 10-4. Addizione di acidi ipoalosi • Cloro acquoso è in equilibrio con acido ipocloroso e acido cloridrico. IV. Addizione di acidi ipoalosi Formazione di aloidrine C Br X2 C H2O Br C C + HX OH aloidrine vicinali Br Br C C X –H+ C C C C OH2 H2O addizione anti Br2 Br H2O OH Br C C OH . Addizione Elettrofila 5. Addizione di acidi ipoalosi Regioselettività: Cl Cl Cl2 H2O OH non OH Cl Cl Cl maggiore contribuente del catione 1° Cl forma contribuente maggiore Cl .IV. Addizione Elettrofila 5. Addizione di acidi ipoalosi Cl ibrido di risonanza: δ+ Cl δ+ OH2 OH2 Il C più sostituito porta maggiore carica δ+. Addizione Elettrofila 5.IV. ha maggiore attrazione per il nucleofilo . Addizione Elettrofila 5.IV. Formazione di eteri Altri nucleofili: CH3 Br2 OCH3 CH3OH Br Br -H+ Br CH3 Br O Br CH3OH CH3 H . IV. OH- )3 B H2O2 OH- H OH C C orientamento anti-Markovnikov addizione stereoselectiva sin nessun riarrangiamento 6 OH + 2 B(OH)3 CH3 H OH anti-Markovnikov addizione sin . Addizione Elettrofila 6. Idroborazione-ossidazione C C H R2BH BR2 H2O2 OH- C C un boroidruro un organoborano 6 + B2H6 2 diborano 1) B2H6 2) H2O2. Altre reazioni di alcheni A.δ+ H BH2 2 BH3 B2H6 diborano borano δ.δ+ H BH2 CH3 CH CH2 B più elettropositivo di H δH H BH2 CH3 CH CH2 δ+ un C più sostituito porta maggior δ+ CH3 CH CH2 addizione sin H trialchilborano BH2 CH3 BR 2 CH CH2 OH anti-Markovnikov . Idroborazione-ossidazione Meccanismo: δ.V. V. Idroborazione-ossidazione Meccanismo: –O–OH HO–OH + –OH + H2O ione idroperossido – R2B–O–OH R2B CH3 CH2 CH2 –O–OH trialchilborano R = CH3CH2CH2– O–R CH3CH2CH2–OH acido H3 O+ O–B–O–R CH3 CH2 CH2 trialcossiborano CH3 CH2 CH2 SN2 interna la configurazione si mantiene O–BR2 CH3 CH2 CH2 . Altre reazioni di alcheni A. Idroborazione-ossidazione Controllo regiochimico: OH H2O Markovnikov H2SO4 1) B2H6 - 2) H2O2. OH OH anti-Markovnikov .V. Altre reazioni di alcheni A. 5. pH>8 R1 R3 C C R4 R2 O + OsO4 O 1 R R2 O + MnO42- R3 R1 R2 O piridina Mn O R4 Os HO R1 R2 O O R3 R4 OH R3 R4 H2S + Os o NaHSO3 stereoselettività sin . Idrossilazione Si formano glicoli sin: Con KMnO4 in ambiente basico o con OsO4: O + MnO4H2O. Ossidazioni 1. Epossidazione O C C + R C O OH perossiacido O O C C + R C OH epossido Meccanismo: O H δ+ O O δ– R1 R3 C C R4 R2 O R H HO R R O O R1 R3 C C R4 R2 S. Altre reazioni di alcheni 5. Ossidazioni 2. O O R1 R2 R3 R4 .T.III. Epossidazione Nomenclatura: Perossidi O CH 3 C O O OH acido perossiacetico epossietano (etilene ossido) O O O OH 1.2-epossipropano (propilene ossido) O Cl acido m-cloroperbenzoico (mCPBA) 1.5. Ossidazioni 2.2-epossicicloesano (cicloesene ossido) . 3-epossibutano . Altre reazioni di alcheni B.3-epossibutano CH3 O H H3C CH3 H trans-2.III. Epossidazione Addizione stereospecifica sin: CH3CO3H CH3CO3H O H H3C H cis-2. Apertura degli epossidi in ambiente acido acquoso H O H 2 R + H3 O+ H R1 H2O: : H R1 O H 2 R HO H H R1 OH2 R2 H2O HO H H R1 OH R2 .Sintesi glicoli anti 2. Altre reazioni di alcheni 3. Ozonolisi C 1) O 3 C R C C 1) O 3 2) H 2 O. Zn R rottura ossidativa R C O + R chetone O C H aldeide R H C O + R chetone O C H formaldeide . Ossidazioni H 2) H 2 O.III. Zn R H R H 1) O 3 R C C O + O C 2) H 2 O. Zn R C 5. C. Ozonolisi Meccanismo: O O R1 C R2 O O H R3 O R1 R2 H R3 H R3 molozonuro R1 R2 R1 C O R2 O O O R1 R2 C workup riducente O O O O ozonuro Zn/H2O H + O C R3 O H O O R1 R3 H R2 R3 workup ossidante H 2O 2 R1 C O R2 OH + O C R3 . Altre reazioni di alcheni C.III. Zn O . Ozonolisi Sintesi: 1) O 3 O H 2) H 2 O. Altre reazioni di alcheni D.III. Polimerizzazione H2C CH iniziatore radicalico CH2 Y monomero CH Y polimero n n = 1000 – 10 000 iniziatori radicalici: O2 O O O di-t-butil perossido O O dibenzoil perossido O O O . Altre reazioni di alcheni D. Polimerizzazione monomero polimero H2C CH2 etilene CH2 CH2 H2C CHCH3 propilene CH2 CH H2C CHCl vinil cloruro CH2 H2C CHPh stirene CH2 CH3 CH Cl n n n CH n polietilene polipropilene poli(vinil cloruro) (PVC) polistirene .III. “Orlon”. Altre reazioni di alcheni D.III. Polimerizzazione monomero H2C CCl2 vinilidene cloruro polimero Cl CH2 C Cl H2C CHCN acrilonitrile CH2 F2C CF2 tetrafluoroetilene CF2 CH CN CF2 Poli(vinilidene cloruro) (“Saran A”) n n Poliacrilonitrile (PAN. Acrilan) n Politetrafluoroetilene (PTFE. “Teflon”) . CH Propagazione R . Polimerizzazione Polimerizzazione radicalica a catena: ROOR ∆ Iniziazione 2 RO RO + CH2 CH RO CH2 R Markovnikov R RO CH2 RO CH2 CH CH + CH2 CH R R RO CH2 CH CH2 R CH CH2 CH + CH2 CH R R R polimerizzazione “testa-coda” etc. Altre reazioni di alcheni D.III. Alchini 1 . sedativo) HO 17-etinilestradiolo 2 . CaC2/H2O) Non comune in natura: H CH3 C C C C C C C O C ichtheothereol H HO Molti farmaci di sintesi: OH CH3 H C C C CH C CH2CH3 OH 3-metil-1-pentin-3-olo (ipnotico. Nomenclatura e proprietà H C C H acetilene (H2/carbone.I. Struttura H C C H lineare. sp 1 legame σ 2 legami π C–C (pm) C–H (pm) D(C–C) kcal/mol D(C–H) kcal/mol CH3–CH3 sp3 (25% s) 153 111 88 98 H2C=CH2 sp2 (33% s) 134 110 146 108 HC≡CH sp (50% s) 120 106 196 128 3 .II. Relazione Struttura-Proprietà A. 5 kcal/mol CH3CH2–C≡C–H ∆H = –69. Struttura H–C≡C–H + 2H2 → CH3CH3 ∆H = –74.1 kcal/mol ∴ più sostituito = più stabile 4 . Relazione Struttura-Proprietà A.9 kcal/mol CH3–C≡C–CH3 ∆H = –65.II. NH3 + Na Fe . Acidità degli alchini terminali HC CH + OH pKa ~26 HC C + H2O ~16 HC C + NH3 ~36 HC CH + NH2 pKa ~26 ∴ R C CH + NaNH2 Keq ~ 10-10 Keq ~ 1010 R C CNa + NH3 sodio ammide • NaNH2 si ottiene da ammoniaca e sodio metallico.II. Relazione Struttura-Proprietà B. H–N: Na H sodio ammide + 1/2 H2 5 .. Preparazione di Alchini A. Alchilazione di alchini terminali (SN2 ) H C C H NaNH2 H C CNa RX 1° solo H C C R buon Nu forte B NaNH2 R C CNa R'X Reazione di formazione di un legame C–C R C C R' 6 .III. III. Preparazione di Alchini B. 200ºC NaNH2. 150ºC 7 . B forte (E2) H 1 equiv. X B forte C C (E2) C C H H facile NaNH2 tBuOK KOH 2 equiv. B forte (E2) C C C C difficile KOH. Eliminazione di dialogenuri X X C C H X o C C H H H X dialogenuri vicinali dialogenuri geminali X X 1 equiv. H2/catalizzatore di Lindlar Pd/CaCO3. di Lindlar H H C C R addizione stereoselettiva sin R' 8 . Idrogenazione 1. chinolina ( ) N “avvelena” il catalizzatore R C C R' H2 cat. H2/catalizzatore R C C R' H2 Pt. Pb(OAc)2.IV. Pd o Ni R CH2 CH2 R' difficile fermare la reazione ad alchene 2. Reazioni di Alchini A. IV. Riduzione su metallo-ammoniaca R C C R' R Na o K H Na+ Na + NH3 (liq) R – •• •C= C R R' _ + •(NH3)n trasferimento elettronico H N H Tutti gli intermedi preferiscono la geometria trans H R' H •C= C addizione stereoselettiva anti C C NH3(l) R C C R' H R' e- R H C= C •• R' – :NH3 :NH2- R H C=C H R' 9 . Reazioni di Alchini B. Reazioni di Alchini C.IV. Addizione di acidi alogenidrici R C C H R HX H HX C C X H Markovnikov R HBr perossido H C C H Br antiMarkovnikov X R C CH3 X dialogenuro geminale Br HBr perossido R CH2 CH Br Es. CH3CH2C CH 2HCl Cl Cl 2 HBr perossido Br Br 10 . Reazioni di Alchini D.IV. Idratazione O H2SO4 R C C H HgSO4 OH R C CH2 R C CH3 O R C CH3 tautomeria Markovnikov tautomeri: isomeri che differiscono per la posizione di un doppio legame e di un idrogeno 11 . Reazioni di Alchini D.IV. Idratazione tautomeria cheto-enolica :OH O R C CH2 R C CH3 forma enolica forma chetonica H+ -H+ :OH OH R C CH3 R C CH3 struttura di risonanza più stabile 12 . Addizione di alogeni R C C R' X2 R X C C X2 X X R C C R' X R' addizione anti X X F. H2O O R C O + OH HO C R' 13 . Ozonolisi 1) O3 R C C R' 2) Zn.IV. Reazioni di Alchini E. ora indica la elevata stabilità di un sistema ciclico contenente elettroni π in coniugazione .Areni Composti aromatici Areni: composti contenenti l’anello benzenico Aromatico: aggettivo usato un tempo per indicare “fragrante”. Criteri per l’Aromaticità 1. Il sistema π esteso deve contenere (4n+2) elettroni π che è chiamato numero di Hückel. Il sistema deve essere ciclico 2. Il sistema deve essere planare 3. . Ogni atomo dell’anello deve far parte di un sistema π esteso 4. Esempi di sistemi di Hückel (4n+2) n=0 n=1 ciclopropenil carbocatione ciclopentadienil carbanione H B O n=0 n=1 n=1 n=2 n=1 cicloeptatrienil carbocatione ione tropilio N O N n=1 S N n=1 n=2 . Antiaromatico e Nonaromatico • Composti antiaromatici sono ciclici. ma con energia maggiore del sistema lineare corrispondente. coniugati con 4n elettroni in orbitali p che si sovrappongono. ciclopropenil carbanione ciclopentadienil carbocatione cicloeptatrienil carbanione • Composti non aromatici non hanno un anello con orbitali p che si sovrappongono e non sono planari. . Orbitali molecolari L’OM a più bassa energia ha 2 elettroni. E n gusci pieni aromatici: (4n+2) elettroni guscio aperto antiaromatici: (4n) elettroni n gusci con 2 ein meno . Ogni guscio pieno ha 4 elettroni. Benzene . • La struttura fu proposta da Friedrich Kekulé nel 1866. • Altri composti con rapporti inferiori di C:H avevano un odore piacevole per cui furono chiamati aromatici. .Scoperta del Benzene • Isolato nel 1825 da Michael Faraday che determinò in 1:1 il rapporto C:H. • Sintetizzato nel 1834 da Eilhard Mitscherlich che determinò la formula molecolare come C6H6. tutti angoli di 120º • tutti i legami C–C = 140 pm • tutti ibridizzati sp2 = = Ibrido di due strutture contributive equivalenti OM 0 π6* π4*.Benzene C6 H6 H H H H H H • esagono planare. π5* π2 . π3 π1 tutti gli elettroni in orbitali leganti . 6 kcal ∴ la coniugazione da sola non spiega questa inusuale stabilità .4 ~ 30 kcal più stabile del “cicloesatriene” ~ –25.8 = Energia di risonanza stabilizzazione aromatica –28.8 –49.34 Å (C=C) 1.54 Å (C–C) Calori di idrogenazione –80.0 –26.Stabilità del Benzene Più stabile dell’ipotetico “cicloesatriene” 1. ¾ Non reagisce come gli alcheni che possono perdere il doppio legame.Stabilità del Benzene • La grande stabilità del benzene determina la sua reattività: ¾ Quando reagisce perde l’aromaticità ma ha la tendenza a tornare aromatico (con tutti i doppi legami coniugati): le reazioni saranno di addizione – eliminazione. . dando reazioni di addizione. ossia di sostituzione. Stabilità del Benzene Br Br2 addizione Br Br2 nessuna reazione ma H Br2 FeBr3 Br sostituzione: bromo sostituisce idrogeno . N-dietil-m-toluammide .Nomenclatura Alcuni nomi comuni: CH3 CH3 p-xilene CH3 H3C CH3 mesitilene CH3 CO2H OH CH3 cumene OH N O o-cresolo acido salicilico N. Idrocarburi aromatici policiclici (PAH) 8 1 7 2 6 3 5 4 naftalene 10 elettroni π n=2 CH3 antracene 14 elettroni π n=3 fenantrene 14 elettroni π n=3 OH NH2 CH3 1.4-dimetilnaftalene 1-naftolo (α-naftolo) 2-naftilammina (β-naftilammina) . carbone. fuliggine. • Diamante: uno scheletro di carboni tetraedrici.Allotropi del Carbonio • Amorfo: piccole particelle di grafite. diamante grafite . nero di carbone. • Grafite: strati di anelli aromatici fusi. .Allotropi del Carbonio • Fullereni: anelli a 5 e 6 termini arrangiati in forma di pallone da calcio. • Nanotubi: metà sfera C60 fusa a un cilindro di anelli aromatici fusi. 2 . nessuna interazione N ibridizzato sp2 pKa 5.Composti aromatici eterociclici • Piridina N N contribuisce con 1 elettrone p alla corrente d’anello orbitale sp2 perpendicolare al sistema π. Composti aromatici eterociclici H N pirrolo orbitale O sp2 furano orbitali 2p S tiofene orbitale 3p . Ossidazione della catena laterale G R COOH KMnO4 ∆ G G 4.Reattività di composti aromatici Come alcheni e alchini. ma con reazioni di sostituzione non di addizione L’anello può essere idrogenato ma in condizioni spinte La catena laterale può essere ossidata senza toccare l’anello I sostituenti W (attrattori) consentono a L (leaving group) di uscire come nucleofilo 1. Metallazione X G MgX (Li) Mg (Li) G H H + G B . SN aromatica (addizione-eliminazione) L Due meccanismi di SN ar + H-Nu W Nu Nu– (W) + L– W (W) 5. SE aromatica (addizione-eliminazione) H E + E-Nu G G 2. Riduzione dell’anello H2/Pt alta p G 3. gli aromatici reagiscono con E+. SN aromatica (eliminazione-addizione) L G B– H B B– H– G G 6. 1. Sostituzione Elettrofila Aromatica . Sostituzione Elettrofila Aromatica A. Alchilazione di Friedel-Crafts F. Reattività e Orientamento nelle Sostituzioni Elettrofile Aromatiche Effetti dei Sostituenti sostituenti attivanti sostituenti disattivanti sostituenti alogeni Effetti di Sostituenti multipli .1. Acilazione di Friedel-Crafts G. Acilazione-riduzione 1.1. Solfonazione E. Nitrazione D. Alogenazione C. Meccanismo B. Sostituzione Elettrofila Aromatica alchene: aromatico: C C Br2 Br2 FeBr3 Br C C Br Br addizione elettrofila sostituzione elettrofila aromatica .1. Sostituzione Elettrofila Aromatica • Alogenazione clorurazione bromurazione • Nitrazione • Alchilazione di Friedel-Crafts Cl2 FeCl3 HNO3 H2SO4 RCl AlCl3 Cl NO2 R O C • Acilazione di Friedel-Crafts RCOCl AlCl3 • Solfonazione H2SO4 SO3 fumante R SO3H .1. Alogenazione Cl+ Br+ Cl–Cl. Alchilazione di Friedel-Crafts 4. Solfonazione +NO 2 R+ + R–C=O SO3 R–COX AlX3 R–CO–O–CO–R H2SO4 Prodotto R O C R SO3H . Sostituzione Elettrofila Aromatica H + E+ E cat + H+ G G E+ E–Nu Cat. Lewis 1. Acilazione di Friedel-Crafts 5.1.H2SO4 H2SO4 3. Br–Br FeCl3 FeBr3 Cl 2. Nitrazione HO–NO2 H2SO4 NO2 R–X R–OH alchene AlX3 HF. Meccanismo • Queste reazioni sono legate da un unico meccanismo. – Formazione di un elettrofilo E+: l’elettrofilo è legato a un nucleofilo (Nu o Y). L’aromatico attacca E+. L’intermedio perde H+. Sostituzione Elettrofila Aromatica A.1. può staccarsi da solo o con un catalizzatore. perdendo l’aromaticità. riacquistando l’aromaticità. • La reazione procede con meccanismo a 2 stadi: 1. 2. . A.a E E H Y Y– Y non si addiziona.a E H E δ+ δ+ ibrido di risonanza complesso σ o di Wheland E l’anello riguadagna aromaticità perdendo un protone E+ entra H+ esce Sostituzione . Meccanismo generale: addizione-eliminazione δ+ δ– H E–Y agisce da base Y Csp3 E H E H E E Y lento veloce (+) o. perderebbe aromaticità δ+ (+) o.a E (+) p. A. Profilo Energetico della Reazione • Il primo stadio. l’addizione dell’E+ che porta all’intermedio I. è rate determining perché distrugge l’aromaticità. ST1 ST2 Ea2 H E Ea1 I + E+ E + H+ addizione eliminazione . per dare clorobenzene o bromobenzene. F2 reagisce troppo violentemente.B. Alogenazione • Nella alogenazione. • Reazioni analoghe con I2 e F2 non sono utili perché I2 è troppo poco reattivo. il benzene reagisce con Cl2 o Br2 in presenza di un acido di Lewis come FeCl3 o FeBr3. Br Br Br Fe Br Br + – Br–Br–Fe–Br Br Br Br + – Br–Br–Fe–Br H base – Br–FeBr3 Br Br Br H Br + F eBr 3 + H Br il catalizzatore viene rigenerato . •• •• • Nella nitrazione.C. – H2O •• •• NO2 O=N=O H2SO4 + HNO3 HSO4 + H2O –NO2 . Nitrazione acido ione nitronio (elettrofilo) base O O N O NO2 N O H H HSO4 NO2 base + H2SO4 La nitrazione è utile perché il nitro gruppo può essere ridotto a NH2. il benzene reagisce con la miscela solfonitrica (acido nitrico e acido solforico) per dare nitrobenzene. . O O O S O O O S S+ O OH H–O–SO3H + O–SO3H elettrofilo O OH + O S OH H H HSO4 SO3H + H2SO4 SO3H La reazione è reversibile: l’acido solfonico. il benzene reagisce con triossido di zolfo in presenza di acido solforico. riscaldato in H3O+. ridà l’aromatico. Solfonazione • Nella solfonazione.D. per dare acido benzensolfonico. Alchilazione di Friedel-Crafts • Un aromatico. dà un alchilbenzene. trattato con un alogenuro alchilico e un acido di Lewis (AlCl3) (o con un alcool o con un alchene e un acido protico o di Lewis). R Cl + AlCl3 R + AlCl 4 2° e 3° δ+ δR–Cl–AlCl3 R Cl + AlCl3 1° R coppia ionica Cl– AlCl3 H R H R – H+ R + AlCl3 + HCl .E. per protonazione + HF +F HF – Da alcoli.E. per protonazione o con un acido di Lewis ROH + BF 3 R + HOBF3 OH BF 3 . Alchilazione di Friedel-Crafts • Un altro modo per generare carbocationi: – Da alcheni. 2-shift + – CH3–C–CH2–Cl–AlCl3 CH3–C–CH3 + H . Alchilazione di Friedel-Crafts • • Alogenuri vinilici e arilici non reagiscono nelle alchilazioni di Friedel-Crafts. Si verificano riarrangiamenti anche se non si formano carbocationi liberi. Cl ma non AlCl3 H H 1.E. F. O R •• R C •• Cl •• Al Cl3 C O R C O R C O + AlCl4 ione acilio (non riarrangia) AlCl4 O H O R – H+ R + HCl + AlCl3 RCO– acile . il trasferimento di un gruppo acile da un atomo a un altro è chiamato acilazione. un anello aromatico è trattato con un cloruro acilico (RCOCl) o un’anidride (RCOOCOR) e AlCl3 per dare un chetone aromatico. • Dato che il nuovo gruppo legato al benzene (RCO) è chiamato un gruppo acile. Acilazione di Friedel-Crafts • Nella acilazione di Friedel-Crafts. F. Acilazione di Friedel-Crafts • Anidridi come agenti acilanti: O CH3 C O O O C Al Cl3 CH3 + CH3CO2H . NHR. +NMe3. NR2 (legano ad AlCl3 e diventano elettron + – attrattori –NR2–AlCl3) . 2. Alchilazione: • Si formano prodotti di polialchilazione perché il prodotto (aromatico alchilato) è più reattivo del substrato. • Trasposizioni. COR. danno resa bassa quando sull’anello aromatico vi siano gruppi • elettron attrattori: NO2. SO3H • un gruppo amminico: NH2. Alchilazione & Acilazione Le reazioni di F. CF3.Limiti delle reazioni di Friedel-Crafts 1. C. COOH. NaOH. HCl (riduzione di Clemmensen) NH2NH2. Come ottenere catene lineari • Acilazione-riduzione → alchilbenzeni 1° R O C O R Cl AlCl3 riduzione R nessun riarrangiamento agenti riducenti: Zn(Hg). calore (riduzione di WolffKishner) O O Cl AlCl3 Zn(Hg) HCl .G. • È la natura del primo sostituente a determinare la velocità della reazione (attivazione o disattivazione) e la posizione del secondo sostituente (orientamento).SEA su Benzeni sostituiti • La SEA è una reazione generale di tutti i composti aromatici. – L’orientamento — Il nuovo gruppo entra in posizione orto. meta o para rispetto al primo. . • Un sostituente influenza la SEA in due aspetti: – La velocità della reazione in rapporto al benzene — Un benzene sostituito reagisce più velocemente o più lentamente del benzene. gli eterociclici aromatici e i benzeni sostituiti. compresi i PAH. 000. p• sono gruppi attivanti. p-orientanti . o-.000 CH3 NO2 HNO3 + H2SO4 25 NO2 HNO3 H2SO4 NO2 1 • I gruppi OH e CH3 rendono l’anello aromatico più reattivo rispetto al benzene e orientano in o-.Reattività e orientamento delle SEA Velocità relativa Orientamento OH OH OH NO2 HNO3 + H2SO4 NO2 CH3 CH3 1. Reattività e orientamento delle SEA Velocità relativa Orientamento NO2 HNO3 1 H2SO4 Cl Cl HNO3 Cl + H2SO4 NO2 0. p-orientante NO2 NO2 NO2 HNO3 H2SO4 NO2 0. m-orientante .03 Cl è un gruppo disattivante. o-.000001 NO2 è un gruppo disattivante. Attivanti.p-orientanti Disattivazione Attivazione Effetti dei sostituenti –NO2 –NR3 –I. +R (+M) –F – Cl –Br –I I – Effetto induttivo R o (M) – Effetto di risonanza o mesomerico . +R (+M) •• •• •• –NH2 –NHR –NR2 fortemente •• attivanti –OH attirano densità elettronica dall’anello –I. o. o.p-orientanti Disattivanti. – R (–M) –CHO –COR •• –COOR •• –COOH –OR –NHCOR •• –OCOR –R –Ar moderatamente attivanti –C≡ ≡N –SO3H debolmente attivanti Disattivanti. m-orientanti cedono densità elettronica all’anello –I. Orientamento • I gruppi o-. • Per capire come i sostituenti attivano o disattivano l’anello alle sostituzioni elettrofile. • I gruppi m. Disattivazione.Attivazione. parziale o totale sull’atomo legato all’anello aromatico.orientanti hanno una carica positiva. dobbiamo considerare il primo stadio della SEA (lo stadio lento) che porta alla formazione di un intermedio carbocationico stabilizzato per risonanza. p. .orientanti hanno lone pair di elettroni sull’atomo legato all’anello aromatico. l’addizione dell’E+. ossia la formazione dell’intermedio I. ST1 ST2 Ea2 G Ea1 H E I G G + E+ + H+ E addizione eliminazione 42 . è rate determining perché distrugge l’aromaticità.A. Profilo Energetico della Reazione • Il primo stadio. meta. para e valutarne la stabilità. Orientamento • • Secondo il postulato di Hammond è possibile predire la velocità relativa della reazione dalla stabilità dell’intermedio carbocationico. – Più stabile è il carbocatione. minore l’Ea. da cui deriva.Attivazione. minore sarà l’energia dello S. Per valutare l’effetto di un sostituente: 1. . Disegnare tutti gli intermedi che derivano da attacco in orto. più veloce la reazione. Disattivazione.T. L’elettrofilo attacca la posizione che genera un intermedio più stabile. 2. Orientamento • Gruppi elettron donatori (D) stabilizzano il carbocatione. – attivano un anello aromatico verso l’attacco elettrofilo.Attivazione. – disattivano un anello aromatico verso l’attacco elettrofilo. D H E carbocatione più stabile W H E carbocatione meno stabile . Disattivazione. • Gruppi elettron attrattori (W) destabilizzano il carbocatione. rendendo più veloce la reazione. rendendo più lenta la reazione. +R: orientazione Energia degli Intermedi OH OH NO2 Attacco orto OH H OH H NO2 OH H NO2 NO2 OH H stabilizzato OH OH OH NO2 Attacco meta H H H NO2 NO2 NO2 OH OH Attacco para preferito OH OH NO2 NO2 OH OH NO2 OH OH H NO2 NO2 NO2 H NO2 H NO2 stabilizzato H NO2 preferito .Sostituenti attivanti +I. Sostituenti disattivanti –I. –R: orientazione Energia degli Intermedi NO2 NO2 NO2 Attacco orto NO2 H NO2 H NO2 NO2 H NO2 NO2 NO2 destabilizzato NO2 NO2 NO2 Attacco meta NO2 Attacco para NO2 NO2 NO2 H H H NO2 NO2 NO2 NO2 preferito NO2 NO2 NO2 NO2 H NO2 H NO2 H NO2 NO2 NO2 destabilizzato . Effetto dei sostituenti sostituenti attivanti E benzene sostituenti disattivanti E orto. para m eta meta orto. para H δ+ benzene E H δ+ δ+ δ+ OH E δ+ δ+ NO2 NO2 HO . Alogeni –I. +R: disattivanti o-. p-orientanti • Per effetto induttivo l’alogeno disattiva l’anello: la velocità sarà < che nel benzene. Cl N O2 Attacco orto & para Cl Cl H NO2 Cl Cl H NO2 H NO2 l’alogeno stabilizza Cl Attacco meta Cl Cl H H H NO2 NO2 NO2 nessun effetto H NO2 . • Per effetto mesomerico l’alogeno stabilizza l’intermedio quando l’elettrofilo è entrato in orto o para. Alogeni: orientazione meta orto. para benzene E H δ+ E δ+ δ+ Cl Cl . p-orientanti . o-. m-orientanti X disattivanti. p-orientanti Y Z NR3 disattivanti. o-.Effetto dei sostituenti: riassunto R Y attivanti. . condotta con alogenuri alchilici porta alla polialchilazione perché il monoalchilato è più attivato del substrato. • Un aromatico fortemente disattivato non dà reazioni di Friedel-Crafts. si alogena senza catalizzatore.-C.Limitazioni nelle SEA • Aromatici fortemente attivati (OH. • L’alchilazione di F.-C.-C. NR2) vengono polialogenati se trattati con X2 e FeX3. – Per avere il prodotto monoalogenato. OR. NHR. • Reazioni di F. NH2 e derivati. non avvengono in presenza di NH2 perché questi si complessa con AlCl3 disattivando l’anello. • La polisostituzione non avviene con la acilazione di F. Il gruppo più attivante prevale nell’indirizzare la sostituzione. La posizione tra due gruppi meta è troppo ingombrata per poter essere sostituita. 2. CH3 troppo ingombrata CH3 CH3 O2N HNO3 H2SO4 CH3 CH 3 CH3 NO2 HNO3 H2 SO4 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 HNO3 H2 SO4 O2N CH3 + O2N CH3 .Effetto di sostituenti multipli 1. Effetto di sostituenti multipli OH OH Br Br2 FeBr3 CH3 CH3 OH OH OH CH3 Br2 Br CH3 CH3 + FeBr3 Br OCH3 OCH3 SO3H SO3 H2SO4 NO2 NO2 . EtOH. NH3 (l) CH3 OH CH3 Na. 2000 psi o H2/Rh/C.4-cicloesadiene ma non alchene più stabile . NH3 (l) CH3 OH 1.2. EtOH. Idrogenazione catalitica H2/Pt. 1 atm b. Riduzione di Birch Na. Riduzione dell’anello benzenico a. alogenazione radicalica legame C–H più debole Br NBS hν NBS: N-bromosuccinimmide 2. Ossidazione della catena laterale Reazioni benziliche 1.3. ∆ Na2Cr2O7 H2 SO4 . ossidazione di areni R CH3 Na2Cr2O7 H2 SO4 . ∆ nessuna reazione nessuna reazione . 3. ∆ cumene CH3 CH3 o-xilene Na2Cr2O7 H2 SO4 . ∆ Na2Cr2O7 CO2 H H2 SO4 . ∆ CO2 H CO2 H acido ftalico qualsiasi gruppo alchilico si ossida tranne t-butile (o gruppi alchilici privi di H benzilici) . Ossidazione della catena laterale Reazioni benziliche ma: CH3 Na2Cr2O7 CO2 H H2 SO4 . – Presenza di sostituenti disattivanti in o.e p.4. di solito un alogeno. Sostituzione Nucleofila Aromatica Addizione-Eliminazione • Sono richiesti: – Presenza sull’anello di un gruppo uscente.al gruppo uscente che stabilizzino l’intermedio. Cl – OH NO 2 Cl OH – NO2 intermedio carbanionico stabilizzato per risonanza OH + Cl– NO 2 . Cl OH 1. H2O. Sostituzione Nucleofila Aromatica Eliminazione-Addizione • Quando viene riscaldato con NaOH acquoso sotto pressione. calore. il clorobenzene si converte in sodio fenossido.4. NaOH. H3O+ Meccanismo: Cl H H H H H OH – OH H2 O Benzino H H H H H . p 2. poi acidificato in fenolo. Sintesi regioselettive: la sequenza di reazioni determina il prodotto NO2 NO2 HNO3 Cl2 H2SO4 FeCl3 Cl Cl Cl Cl Cl2 HNO3 FeCl3 H2SO4 NO2 + NO2 . Sintesi regioselettive: la sequenza di reazioni determina il prodotto O O O HNO3 H2SO4 Cl AlCl3 NO2 NO2 HNO3 H2SO4 O Cl AlCl3 nessuna reazione . È l’attività del gruppo a determinare la scelta delle condizioni CH3 CH3 CH3 Br Br2 FeBr3 + Br OH OH OH Br Br2 H2O + Br NH2 NH2 Br2 H2O Br Br Br non si ferma al primo stadio . Eteri Tioli.Alcoli. Solfuri 1 . È prodotto industrialmente dal gas di sintesi a 400°C: CO + 2H2 → CH3OH cat ZnO2/cromia È un comune solvente industriale. È usato come carburante: – – – – alto numero di ottani basse emissioni. È estremamente tossico (15 ml causano la cecità.Alcoli di interesse CH3OH • Metanolo. ma basso contenuto energetico fiamma invisibile il suo incendio si può estinguere con acqua 2 . 100 ml causano la morte). alcool del legno. Alcoli di interesse CH3CH2OH • Etanolo. í Gasahol: 10% di etanolo nella benzina í Dose tossica: 200 mL. È prodotto industrialmente per idratazione dell’etilene. le cellule del lievito muoiono. Quando l’alcool raggiunge la percentuale di 12–15%. Si ottiene anche per fermentazione di zuccheri e amidi ad opera di lieviti. í Forma con l’acqua un azeotropo a 95% di etanolo. 3 . Evapora rapidamente lasciando un senso di freschezza. HOCH2CH2OH 4 .Alcoli di interesse (CH3)2CHOH • 2-propanolo o isopropanolo ha deboli proprietà antibatteriche per cui viene usato per disinfettare strumenti medicali o per pulire la pelle prima di un piccolo intervento. 300°C catalizzatore CH3 CH CH3 OH • Etilen glicol è il componente principale degli anticongelanti. È tossico. • Sintesi industriale: CH2 CH CH2 + H2O 100-300 atm. Alcoli di interesse OH β-fenetil alcool (lillà) OH geraniolo (gerani.nounours. formiche) OH www.fr retinolo (vit A) 5 . anestetico) HO O α-tocoferolo (Vit E) O disparlure (feromone sessuale femminile della falena) 6 .Eteri di interesse CH3CH2OCH2CH3 dietil etere (solvente. Nomenclatura Alcoli IUPAC: alcanolo í OH sulla catena più lunga í il carbonio che porta l’OH con il numero più basso Comune: alchil alcool Classificazione: R– CH2 –OH R–CH–R' primari (1º) secondari (2º) OH R– C – R' R" terziari (3º) – – – OH 7 . 2-propandiolo glicol propilenico 8 .2 dioli (dioli vicinali) sono chiamati glicoli. 4 gruppi OH si chiamano dioli. etc. • Gli 1.2-etandiolo glicol etilenico 1. CH2CH2 CH2CH2CH3 OH OH OH OH 1.Nomenclatura Polioli • Composti con 2. 3. trioli. tetraoli. • I nomi comuni dei glicoli usano il nome dell’alchene dai quali derivano. R O R ~112° • R può essere alchilico (C sp3). 9 .Nomenclatura Eteri • Gli eteri hanno due residui legati ad un ossigeno. vinilico. arilico (C sp2) Classificazione: CH3OCH3 simmetrici R uguali CH3OCH2CH3 asimmetrici R diversi Gli eteri possono essere lineari o ciclici. CH2=CH2 etilene H H O H H etilene ossido 10 .4-diossacicloesano 1.4-diossano Gli epossidi sono chiamati anche ossidi dell’alchene da cui derivano.4-epossibutano tetraidrofurano ossacicloesano ossano tetraidropirano O O O 1. chiamato gruppo epossi 1.2-epossietano ossaciclobutano ossetano 1.3-epossipropano ossaciclopentano ossolano 1.2-epossicicloesano l’atomo di ossigeno viene considerato un sostituente.Eteri ciclici O O O O Nomenclatura ossaciclopropano etilene ossido 1. 18-corona-6 complesso con K+ complesso con Li+ 12-corona-4 11 . • La capacità di una molecola host di legare guests specifici è detta molecular recognition.Interessanti Eteri: gli eteri corona • Un complesso etere corona-catione è detto complesso hostguest. Tioli e solfuri Nomenclatura Tioli • IUPAC: alcantiolo (stesse regole degli alcoli) • comune: alchil mercaptano SH 1-Butantiolo Butil mercaptano SH 2-Buten-1-tiolo 2-Butenil mercaptano Solfuri (tioeteri) • alchil alchil´ solfuro o dialchil solfuro S CH3 Metil 2-metilpropil mercaptano 12 . 13 . • La differenza di elettronegatività tra ossigeno (3. legami idrogeno solo deboli interazioni dipolo-dipolo • Anche gli eteri sono polari ma a causa dell’ingombro sterico le forze attrattive sono deboli.5) è 1. H H δ+ C H δO δ+ H • Nello stato liquido formano legami H forti.Proprietà fisiche • Gli alcoli sono composti polari. che influenzano fortemente le proprietà fisiche.1) è 1.5.5) e carbonio (2.0 e tra ossigeno e idrogeno (2. Proprietà fisiche Punti di ebollizione R O H legami H CH3CH2OH CH3SCH3 CH3CH2SH CH3OCH3 CH3CH2CH3 R O R R S H R S R polari. più basso degli alcoli a PM paragonabile e sono meno solubili in acqua. 78ºC 37ºC 35ºC –24ºC –42ºC forze di attrazione intermolecolari crescenti • I punti di ebollizione degli eteri sono più bassi di quelli degli alcoli a PM paragonabile e sono più vicini agli idrocarburi a PM simile.5) e H (2.eb. • La differenza in elettronegatività tra S (2. ma senza legami H p. A causa della bassa polarità del legame S-H i tioli si associano poco per cui hanno p.1) è 0. 14 .4.eb. 3 g/100g infinita scarsa infinita R O H R solo accettore di legami H C1 ↔ C4 ↔ C6 ↔ Cn miscibile poco insolubile solubile 15 .Proprietà fisiche Solubilità in acqua: CH3CH2OH CH3OCH3 CH3CH2CH2CH2CH2OH HOCH2CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2CH2OCH3 CH3OCH2CH2OCH3 H H R O O H H H O O H sia accettore che donatore di legami H R-OH infinita 7 g/100 g acqua 2. entrambi esplosivi. gli eteri lentamente si ossidano a idroperossidi e dialchil perossidi. H O R O O O O O O H OOH O O idroperossidi O + O O O O dialchil perossidi 16 .Autoossidazione degli eteri • In presenza di ossigeno atmosferico. • Precauzioni: – Non distillare a secco. – Conservare in bottiglie piene ben chiuse. Sintesi da laboratorio di alcoli • Idratazione di alcheni (Markovnikov) • Idroborazione-ossidazione di alcheni (antiMarkovnikov) • Idrolisi di alogenuri alchilici (íOH. esteri • Riduzione con idruri di formaldeide. acidi 17 . chetoni. aldeidi. chetoni. H2O) • Reattivi di Grignard o organolitio su aldeidi. Reazioni dei reattivi di Grignard o organolitio con aldeidi • Con formaldeide: sintesi di alcoli primari RMgX + H Br H2O O R OH H H Mg MgBr + O H H2O H CH2OH H • Con aldeidi: sintesi di alcoli secondari RMgX + Cl Mg O H R OH H2O H R' O MgCl + H R' H2O H HO CH2CH3 CH2CH3 18 . Reazioni dei reattivi di Grignard o organolitio con chetoni • Sintesi di alcoli terziari RMgX + R' MgBr + H2O O R'' O H3C R OH R' H2O H3C HO R'' CH2CH3 CH2CH3 19 . Reazioni dei reattivi di Grignard o organolitio con esteri • Sintesi di alcoli terziari particolari – Due gruppi uguali O RMgX + R' H2O OR'' R OH R' MgBr + O H3C H2O + RƍƍOH R H3C HO OCH2CH3 20 . S O2 R Il reattivo di Grignard si addiziona a questi gruppi 21 . CNR2 . NH.Ricordare: Br FG Il reattivo di Grignard è protonato da questi gruppi FG = OH. C N . SH. NO 2 . COOH O FG = O O CH . CR . Riduzione di composti carbonilici ¾ Aldeidi e Chetoni O C Agente riducente H OH C Più comuni: NaBH4 o LiAlH4 Meno comune: H2 e un cat come Pt. Pd/C. Ni O NaBH4 OH H 22 . Idruri metallici Fonti di ioni idruro H NaBH4 sodio boroidruro LiAlH4 litio alluminio idruro (LAH) H H B í Na+ H H H + H Al í Li H H reagente più blando – può essere usato in H2O o ROH reagente più forte – reagisce violentemente con H2O o ROH – si usa in etere anidro 23 . Sodio boroidruro • Meno reattivo di LiAlH4 e quindi più selettivo O R H R R' O R R' RCH2OH OH O R OH nessuna reazione OR' NaBH4 riduce chetoni ma non esteri O O OH OCH3 O OCH3 24 . Litio Alluminio Idruro • Molto reattivo O R H R R' O R R' RCH2OH OH O R OH RCH2OH + RƍOH OR' LiAlH4 riduce sia chetoni che esteri O OH O OCH3 OH 25 . Selettività • NaBH4 e LiAlH4 non riducono doppi legami O OH CH3 CH3 H3CO H3CO • H2/cat riduce anche i doppi legami O CH3 H3CO OH H2/Pt CH3 H3CO 26 . Meccanismo di riduzione • Meccanismo simile: – Trasferimento di idruro HH H B H H O H H B O H B O H H2O + B(OH)3 4 idruri attivi H H Al H H O H H Al O H H 4 idruri attivi O H 4 H H Al H O H2O 4 H O H + Al(OH)3 27 . Alcoli da epossidi O 1) RMgX R H3O+ 2) OH alcool 1° con 2 carboni in più Meccanismo O (SN2) OMgX R H3O+ R OH RMgX Esempio Br Mg Et2O MgBr 1) O OH 2) H3O+ β-fenetil alcool28 . 3-dioni 1.3-dioli O O NaBH4 CH3OH CO2CH3 OH 1.Preparazione di 1.3-dichetone O OH 1) LAH 2) H2O OH OH β-chetoestere 29 . Preparazione di dioli vicinali Idrossilazione di alcheni OH OH C C OsO 4 (cat) C C tBuOOH O O O Os O C C basta una quantità catalitica di OsO4 (tossico e costoso) addizione sin 30 . Sintesi di eteri per disidratazione di alcoli → CH2=CH2 H+ 180°C Meccanismo: H+ CH3CH2OH 140°C CH3CH2OCH2CH3 solo eteri simmetrici solo alcoli primari H2SO4 OH H2O HO OH2 SN2 O H O 31 . –OSO2R. –I. R1O–Na+ + RCH2L → RCH2OR1 + NaL L = –Br. –OSO3R RCH2L deve essere primario • Sintesi di Williamson intramolecolare: – ClCH2CH2CH2CH2OH Cl NaOH → H2O í O O Tutti gli ioni RO– che si formano reagiscono immediatamente 32 . alchil solfonati o alchil solfati primari fatti reagire con alcossidi.Sintesi di eteri: sintesi di Williamson • Gli eteri sono prodotti di sostituzione nucleofila SN2 a partire da alogenuri alchilici. B: H O C C X –HB+ O– C C X O C C + X– SN2 intramolecolare • Da alcheni per trattamento con peracidi.Sintesi epossidi • Una versione intramolecolare della sintesi di Williamson a partire dalle aloidrine porta agli epossidi. C C + RCOOOH O C C + RCOOH 33 . –O–H è LG . Protonazione R–OH2+ + A– R–OH + HA 2.... R–O . fortemente basico e nucleofilo . Ossidazione R2C=O R2CH–OH + K2Cr2O7 (KMnO4) 34 ... Disidratazione RCH=CH2 + H2O RCH2–CH2–OH + H2SO4 9. Esterificazione R–OH + Rƍ–COOH Rƍ–COOR + H2O R–OH + H2SO4 R–OSO3H + H2O 7. Eterificazione 100–150°C R–OH + H2SO4 R–O–R + H2O 6. Formazione di legame H H R–OH + R–OH R–OH O–R 3.. Eterificazione di Williamson R–O– Na+ + Rƍ–X R–O–Rƍ + NaX 5.. R–O–H . solo se protonato o esterificato 1. R–O–H . debolmente nucleofilo ... .Reattività di alcoli basico . debolmente acido . Conversione ad alogenuri R–X + H2O R–OH + HX R–OH + SOCl2 R–Cl + SO2 + HCl R–OH + PX3 R–X + H3PO3 8. Deprotonazione R–OH + Na R–O– Na+ + 1/2H2 4. Basicità degli alcoli (Protonazione) •• ROH •• + HX pKa < –2 CH3CH2OH + HBr — H + ROH + Xí •• pKa = –2 CH3CH2OH2+ + Brí 35 . Effetti induttivi HCl CH3CO2H CH3OH H2O CH3CH2OH (CH3)2CHOH (CH3)3COH (CF3)3COH pKa -7 4. E infatti sono acidi come l’acqua.7 15. – Aumentando l’ingombro sterico del gruppo alchilico.9 17. la base è meno stabilizzata.8 15.4 Cl– CH3CO2– CH3O– metossido HO– idrossido EtO– etossido iPrO– isopropossido tBuO– t-butossido 36 (CF3)3CO– . la capacità di solvatare lo ione alcossido diminuisce.1 18 5.Acidità degli alcoli (Deprotonazione) • L’acidità dipende in primo luogo dal grado di stabilizzazione e di solvatazione dello ione alcossido (base coniugata): ROH + H2O RO– + H3O+ – La carica negativa degli ioni CH3O– e EtO– è accessibile alla solvatazione come lo ione HO–. l’acidità diminuisce.5 15. 37 .Deprotonazione degli alcoli Formazione di ioni alcossido: RO– ~ stessa forza basica di HO–: ROH + NaOH pKa ~ 16 RONa + H2O 16 Keq ~ 1 non reagiscono con basi deboli • Reagiscono con basi forti come NaNH2. con t-butanolo e Na la reazione è troppo lenta. -1 0 CH3CH2OH + Na +1 0 CH3CH2ONa + ½H2 ossido-riduzione sodio etossido Ordine di reattività: CH3OH > alcoli 1° > alcoli 2° > alcoli 3° K > Na Con metanolo e K la reazione è esplosiva. RLi. RMgX • Si può usare un metallo alcalino (Na. K). Acidità dei tioli • Sono più acidi degli alcoli. pKa 6-8 SH + HOí S.+ H2O • Sono più nucleofili Br + HSí SH + Brí 38 . Esterificazione di Fischer (acidi carbossilici) – La reazione tra un alcool e un acido carbossilico porta alla formazione di un estere. È necessaria una catalisi acida. O R C + OH R'OH R C OH R C ORƍ C R R' O H O H+ H R K~1 Meccanismo: O O H+ O H+ C R R R' H O O OR' + H2O OH OH -H+ C R' C OH O H OH R C O OR' H -H2O H +H2O Per spostare l’equilibrio a destra si usa un eccesso di un reagente o si rimuove un prodotto. 39 . RCOOH da elettrofilo. ROH si comporta da Nu.Esterificazione a. Esterificazione di Fischer • Esempi O H3C C OH + acido acetico H2SO4 ∆ OH CH3OH H2SO4 C O isoamil acetato banana OH acido salicilico H3C alcool isoamilico OH CO2H O O C OCH3 metil salicilato 40 . Esterificazione b. Esteri di acidi inorganici O H3CO S OCH3 O OCH3 P H3CO OCH3 OCH3 H3CO P OCH3 O dimetil solfato trimetil fosfito trimetil fosfato La reazione di esterificazione di acidi inorganici si effettua a partire dal cloruro dell’acido. . Esterificazione c. Da cloruri di acidi e anidridi O R R C O Cl + R'OH O O C C O R C N OR' + HCl NH+Cl- O R + R'OH R C OR' + RCO2H Viste dalla parte dell’alcool sono acilazioni di un alcool. RƍOH + RCOCl → RƍOíCOR + HCl RíCOí = acile 42 Esterificazione Esempi di acetilazione di alcoli O OH CO2H O CH3COCl CO2H piridina acido salicilico acido acetilsalicilico (aspirina) O HO Ac2O O NCH3 HO O O NCH3 O O morfina Ac2O = CH3COOCOCH3 anidride acetica eroina Conversione di alcoli ad alogenuri alchilici La reazione degli alcoli con HX (X = Cl, Br, I) è un metodo generale per preparare alogenuri alchilici 1°, 2°, 3°. R–OH + H–X → R–X + H2O SN • Reattività di ROH: 3º > 2º > 1º > CH3OH • Reattività di HX: – HI > HBr > HCl (segue l’ordine di acidità) – solo gli alcoli 3º reagiscono con HCl a t ambiente – gli alcoli 1º e 2º richiedono HBr o HI ed alte t – Dato che Clí è un nucleofilo peggiore di Brí o Ií, la reazione degli alcoli 1° con HCl avviene solo quando si aggiunge un altro acido di Lewis, di solito ZnCl2. Esso complessa l’ossigeno rendendo OH buon gruppo uscente e facilitando la SN2. 44 Conversione di alcoli ad alogenuri alchilici Meccanismo buon gruppo uscente RíOH + HíX –→ SN1 RíOH2 + –→ o SN2 buon Nu + Xí RíX + H2O ¾Metanolo e alcoli 1° formano RX con meccanismo SN2. ¾Alcoli 2° e 3° formano RX con meccanismo SN1. í H í RCH2íOH + ZnCl2 –→ RCH2íOíZnCl2 –→ RCH2íCl + ZnCl2(OH)í + Clí SN2 45 Conversione di alcoli ad alogenuri alchilici Cloruro di tionile SOCl2 Cl Cl S O R O Clí H S O ROH + Cl Cl RCl + SO2 S O Clí R O N + buon LG NH Cl- Tribromuro di fosforo PBr3 Br Br ROH + P Br Br P Br Brí R O RBr + HOPBr2 H buon LG 46 Disidratazione con H2SO4 • Quando un alcool ha due o tre carboni β, la disidratazione segue la regola di Zaitsev. • Il prodotto principale è l’alchene più sostituito più stabile. OH H3O+ calore OH2 H H OH2 > > > Alcoli secondari e terziari reagiscono con meccanismo E1, alcoli primari con meccanismo E2. 47 Altri Agenti Disidratanti Ossicloruro di Fosforo POCl3 e piridina • Come H2SO4 o TsOH, POCl3 converte HOí, gruppo uscente cattivo, in uno buono. • La disidratazione procede poi con meccanismo E2 (senza riarrangiamenti) H3C OH O P Cl Cl Cl O H3C O PCl2 H íClí buon LG CH3 N + íOPOCl 2 + NH Cl48 Reazione di Eteri con acidi forti • Quando gli eteri dialchilici reagiscono con HBr o HI, entrambi i legami CíO vengono rotti e si formano due alogenuri alchilici. H3C CH3 CH3 O H3C HI H3C CH3 CH3 H3C O H Ií CH3 SN1 H3C CH3 Ií HI H3C CH3 H3C + CH3OH I CH3I • Se gli eteri sono alchil aril eteri, l’OH che rimane sull’anello non viene sostituito. HI O CH3 O H CH3 Ií SN2 CH3I + OH 49 Reazioni di Apertura di Epossidi • Gli epossidi contengono un anello a tre termini con due legami polari. • L’attacco nucleofilo apre l’anello facilmente anche in presenza di un cattivo gruppo uscente. • Tutti i nucleofili forti (íOH, íOR, íCN, íSR e NH3) aprono l’anello con meccanismo SN2. LG O O Nu Nuí OH H–OH Nu Due gruppi funzionali su C adiacenti Reazioni di Apertura di Epossidi Quando l’epossido è asimmetrico, la regioselettività della reazione SN2 è diversa a seconda delle condizioni: 1. Con un nucleofilo forte, Nu- attacca il carbonio meno sostituito O H H 1. íOCH3 2. H2O HO H H OCH3 2. Con un acido che protona l’ossigeno, il Nu- attacca il carbonio più sostituito. δ+ H OH OH + O O CH OH H2SO4 3 δ+ Ł H H H H H3CO H H H H CH3OH Ossidazione • Gli alcoli primari sono ossidati prima ad aldeide poi ad acidi se è presente acqua. OH R H H O [Ox] R O [Ox] H R OH • Gli alcoli secondari sono ossidati a chetoni. OH R H R [Ox] O R • I terziari non si ossidano. R Agenti ossidanti • Gli ossidanti più comuni che possiedono legami metalloossigeno contengono o Cr6+ (sei legami CríO) o Mn7+ (sette legami MníO). • I reattivi del Cr6+ includono CrO3 e sodio o potassio dicromato (Na2Cr2O7 and K2Cr2O7). Piridinio clorocromato (PCC) è un ossidante del Cr6+ più blando e selettivo, che viene usato in CH2Cl2, senza acqua. • Il più comune reagente del Mn7+ KMnO4 (potassio permanganato). • Altri ossidanti comprendono OsO4 (osmio tetrossido) e Ag2O [argento(I) ossido]. 53 Agenti ossidanti • Reattivo di Jones: CrO3, H2SO4, H2O, acetone – Meglio per alcoli secondari • Si può usare anche acido cromico H2CrO4 (Na2Cr2O7/ H2SO4/H2O) 54 Agenti ossidanti particolari • Piridinio clorocromato (PCC) N + HCl + CrO3 N+ H O O Cr O Cl • Piridinio Dicromato (PDC) C r 2O7 N+ H 2 • Sono in grado di ossidare alcoli primari ad aldeidi OH H H PCC O H 55 Meccanismo di ossidazione di un alcool 1° R H C OH H O O Cr R H H C O O Cr H O -O O alcool 1° R H2O H C O O Cr H O HO estere cromato R O + H3O+ + CrO32- in assenza di acqua, l’ossidazione si ferma qui H R O H H2O R H R OH OH aldeide idrata HO C O O Cr H O HO H2O aldeide R O HO acido 56 Meccanismo di ossidazione di un alcool 2° l’ossidazione avviene in questo stadio: il n° di legami C-H diminuisce, quello dei legami C-O aumenta R + C OH R O H alcool 2° O Cr R O H R C O O Cr H O -O R R C O O Cr H O HO H2O estere cromato R R O + H3O+ + CrO32- chetone 57 Ossidazione Esempi O OH K2Cr2O7 OH H2SO4 O PDC o PCC H CH2Cl2 O OH [O] maggiore è l’estensione della fascia verde nel tubo. • Maggiore è la concentrazione di etanolo nel respiro. • Si sfrutta questo cambiamento di colore per verificare il contenuto alcolico del sangue: l’ossidazione di etanolo con K2Cr2O7 arancio forma CH3COOH and Cr3+ verde. 59 . e un solido inerte. H2SO4. • Si soffia in un tubo contenente K2Cr2O7.Ossidazione dell’etanolo • Le ossidazioni con Cr6+ sono caratterizzate da cambiamento di colore da arancio-rosso a verde. Cr3+. esso viene metabolizzato a formaldeide e acido formico che sono estremamente tossici: il pH del sangue diminuisce. • Se l’etanolo è in eccesso si ha un aumento di acetaldeide che è tossica. attraverso la catalisi dell’alcool deidrogenasi. ad acetaldeide CH3CHO e poi ad acetato CH3COOí. • Se si ingerisce metanolo.Ossidazione dell’etanolo • Nel corpo l’etanolo viene ossidato nel fegato. CH3OH [O] alcool deidrogenasi [O] O H H alcool deidrogenasi O H OH 60 . segue cecità e morte. Composti Carbonilici 1 . Composti che hanno solo atomi di carbonio e di idrogeno legati al carbonile: aldeidi e chetoni. O C O C H R aldeidi R' R chetoni 2.Introduzione • Due grandi classi di composti contengono il gruppo carbonilico: 1. Composti che contengono un atomo elettronegativo legato al carbonile: acidi e derivati. R O C acidi OH R O C Cl cloruri acidi R O C O O C anidridi R' R O C OR' esteri R O C N ammidi 2 . C O C O contributo maggiore contributo minore δ+ δC O ibrido carbonile polarizzato 3 .Il gruppo carbonilico • Il gruppo carbonilico consiste di: – un legame σ formato da sovrapposizione di orbitali ibridi sp2 – un legame π formato da sovrapposizione di orbitali 2p. • Il legame C=O è polarizzato verso l’atomo più elettronegativo. • Usando la descrizione della risonanza il carbonile ha due forme di risonanza. rendendo il carbonio elettron deficiente. Aldeidi e Chetoni 4 . 6-ottadienale trans-3-fenil-2-propenale 4-idrossi-3-metossibenzaldeide O OH O O O testosterone progesterone canfora 5 .Molecole che contengono il gruppo carbonilico O O O H H H HO OCH3 vanillina aldeide cinnamica geraniale (E)-3.7-dimetil-2. formaldeide 2 C: acido acetico. priorità: aldeide > chetone > alcool B.e –CHO è formile. 6 . • Aldeide priorità maggiore del chetone. aldeidi cicliche: cicloalcancarbossaldeide 3.Nomenclatura aldeidi A. C=O è osso. facendolo seguire da aldeide. propionaldeide 4 C: acido butirrico. butirraldeide. IUPAC 1. • In una molecola contenente un gruppo funzionale a priorità maggiore. generale: alcanale (carbonio aldeidico #1) 2. 1 C: acido formico. Nomi comuni Usare il prefisso del nome comune dell’acido che si forma per ossidazione. acetaldeide 3 C: acido propionico. Nomenclatura chetoni A. priorità: aldeide > chetone > alcool B. Nomi comuni alchil alchilƍ chetone (dagli alchili legati a C=O) chetoni aromatici: fenoni O O O O R fenone acetofenone propiofenone benzofenone 7 . generale: alcanone (carbonio carbonilico # più basso) 2. IUPAC 1. crescente Solubilità RCHO e RCOR solubili in solventi organici RCHO e RCOR con <5C sono solubili in acqua RCHO e RCOR con >5C sono insolubili in acqua VDW = van der Waals. p. eb. 80°C forze intermolecolari crescenti p.eb. DD.f.eb. HB PM 72 p. e p.eb o il p. DD = dipolo-dipolo. 118°C VDW VDW.f.eb. eb. HB = legame idrogeno 8 . Maggiori le forze intermolecolari. seguono il solito trend. eb. maggiore il p. 36°C PM 72 p.eb. CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CHO CH3CH2CH2CH2OH PM 72 p. DD CH3CH2COCH3 VDW.f.Proprietà Fisiche Proprietà Composti con PM paragonabile: i p. 70°C PM 74 p. e p. eb. 9 . –21°C HO OH H H formalina • Esiste anche un polimero lineare della formaldeide che si chiama paraformaldeide.a.Formaldeide • Gas a t. • Formalina è una soluzione acquosa al 40%. 62°C H2O O calore H H formaldeide p.f. O O O triossano p. Idratazione di alchini interni per idroborazione-ossidazione 10 .Preparazione di aldeidi e chetoni • Aldeidi – Ossidazione di alcoli 1° con PCC – Riduzione di esteri e nitrili con DIBAL-H e cloruri di acidi con LiAlH[OC(CH3)3]3 – Idratazione di alchini terminali per idroborazioneossidazione • Chetoni – – – – Ossidazione di alcoli 2° con reagenti di Cr6+ Reazione di cloruri di acidi con organocuprati Acilazione di F.C. -78°C 2) H2O R 1) DIBAL-H. OBut H Al OBut OBut Li+ H Al Litio tri-tert-butilossialluminio idruro Diisobutilalluminio idruro • Essi sono meno reattivi di LAH. in parte perché stericamente ingombrati.Preparazione di aldeidi e chetoni • Riduzione di esteri e nitrili con DIBAL-H e cloruri di acidi con LiAlH[OC(CH3)3]3. O R Cl O R OR' R-C싥N 1) LiAlH(OBut)3. esano 2) H2O R H O H 11 . -78°C 2) H2O O R H O 1) DIBAL-H. etere. esano. Riduzione di esteri e nitrili e cloruri di acidi • Meccanismo: O R Cl Al(OC(Me3)3 H R O Al[But]3 H Cl O Al[But]3 R C H í Clí Cl O Al[But]3 R C H H2O O R H O R AlBui2 H OR' R-C싥N AlBui2 H R O AlBui2 O AlBui2 H O 2 R C H R C H í íORƍ OR' O AlBui2 H OR' R C N AlBui H 2 R C N H AlBui2 H2O O R H O R H 12 . Addizione di H2O (idratazione) Nucleofili dell’N 5. Addizione-eliminazione di NH3 e derivati G-NH2 Nucleofili del C 6. Ossidazione di CHO a COOH 13 . Addizione di organometallici Nucleofili dell’H 8. Addizione di idruro 9.Reattività di aldeidi e chetoni C O basico δ+ δC O 1. Riduzione catalitica ad alcoli 10. Protonazione Nucleofili dell’O 4. Addizione ioni CN– 7. Riduzione C=O a CH2 11. Addizione di alcoli C elettrofilo ADDIZIONE NUCLEOFILA 3. Formazione di legami H 2. Reattività di aldeidi e chetoni • Le aldeidi sono più reattive dei chetoni verso i nucleofili per ragioni steriche e elettroniche. aldeidi δ- : O: R chetoni : O: H ingombro sterico minore R δ- : O: δ+ H un solo R stabilizza la carica + R : O: R ingombro sterico maggiore R δ+ R due R stabilizzano la carica + C meno elettrofilo 14 . NHR. Nu– sostituisce Z– O R :Nu– Z – O R O Z Nu –Z– intermedio tetraedrico Z = Cl. NR2 R Nu Questa reazione è chiamata sostituzione nucleofila acilica: RCO. OR. OCOR.Addizione Nucleofila • • I carbonili reagiscono con i nucleofili carichi (:Nuí) o neutri (:Nu). NH2. 1. Se neutri. 15 . Aldeidi e chetoni subiscono addizione nucleofila. OH. O– O R :Nu– R H (R') H (R') H2O Nu intermedio tetraedrico O H H (R') R Nu Nu– e H+ si addizionano 2. hanno un H legato (:Nu–H). I composti carbonilici che contengono un gruppo uscente subiscono sostituzione nucleofila. La presenza o assenza di un gruppo uscente sul carbonile determina il tipo di reazione.era legato a Z ora è legato a Nu. base forte O C Cl– base debole O C Cl alcossido 16 . – Quando essi si addizionano a un carbonile. si forma un alcossido.Addizione Nucleofila ad Aldeidi e Chetoni Quali Nu si addizionano al carbonile? • Cl–. l’equilibrio è spostato verso i reagenti. Br– e I– sono buoni nucleofili nelle sostituzioni al C saturo ma sono inefficaci nelle reazioni al C insaturo. Dato che X– è una base molto più debole dell’alcossido. O H+ OH C C OH C HNu HNu –H + OH C Nu intermedio tetraedrico 17 .Addizione Nucleofila ad Aldeidi e Chetoni Meccanismo: O O C C C Nu Nu Nu H+ OH intermedio tetraedrico Con alcuni nucleofili neutri l’addizione ha luogo solo con catalisi acida. 3.1-diolo. Addizione di H2O – Idratazione • Per trattamento di un aldeide o chetone con H2O in presenza di un acido o una base si ha addizione di H e OH sul legame ʌ C=O. O R C OH H–OH H(R') H+ o –OH R C H(R') OH • La resa in gem-dioli è buona solo con aldeidi non ingombrate o con aldeidi con gruppi elettron attrattori. gem-diolo o idrato. generando un 1. Gruppi elettron attrattori destabilizzano il carbonile favorendo la forma idrata. O H C H2O H OH H C H OH O Cl3C C H2O H OH Cl3C C H OH 18 . In ambiente acido la protonazione dell’ossigeno del carbonile rende più elettrofilo il carbonio. In base. il nucleofilo è –OH. Addizione di H2O – Idratazione • Sia l’acido che la base catalizzano l’addizione di H2O al carbonile.3. H3O H O O C C H2O H2O H OH OH C C O OH H intermedio tetraedrico + H3O 19 . più forte di H2O. 1. H OH O C O OH C C OH OH + OH intermedio tetraedrico HO 2. 3. Addizione di H2O – Idratazione • Aumentando il numero di alchili (elettron donatori) sul carbonio carbonilico. numero di R crescente stabilità crescente del carbonile H O C H3C H formaldeide H2O OH H C H OH O C H acetaldeide CH3 acetone H2O OH H3C C H OH 99.9% H3C O C H2O OH H3C C CH3 OH 58% quantità di forma idrata crescente 0.2% 20 . diminuisce la quantità di forma idrata. Per favorirne la formazione si rimuove l’acqua. O + HOCH2CH2OH etilenglicol TsOH O O + H2O • La sintesi di acetali è reversibile. 21 . Addizione di Alcoli: Formazione di Acetali • Aldeidi e chetoni reagiscono con 2 equivalenti di alcool per dare acetali. R O C + 2 RƍƍOH R' H+ H2O gli acetali non sono eteri R''O OR'' C R R' acetale • Quando si usa un diolo si forma un acetale ciclico. • La formazione di acetali è catalizzata da acidi come TsOH (acido ptoluensolfonico).4. 4. instabile O C R" R' OR" -H OR" R C R' OR" acetale 22 . Addizione di Alcoli: Formazione di Acetali Meccanismo: 1) Attacco nucleofilo al carbonile catalizzato da acido (1 eq di alcool) O C R O H R' R C H OH R R' H •• R"OH •• 2) SN1CA (1 eq di alcool): OH R C R' H OR" emiacetale OH 2 R C R' OR" •• R"OH •• R R' C O R" C O R' OH -H R R R' OR" R" H C emiacetale gen. Addizione di Alcoli: Formazione di Acetali Esempi O CH O 3 CH3OH.4. H+ OCH 3 .H2O O OH HO O O H+ OH OH cicloesanone dimetil acetale benzaldeide dietil acetale 2-pentanone etilene acetale O O H+ O 23 .H2O O OEt EtOH. H+ H OEt . Acetali come gruppi proteggenti O O ? Br H O Br O Br HO H OH 1) HC CNa H protezione del carbonile HC C 2) H2O Br l’addizione al carbonile è più veloce della SN2 C CH OH H+ O HC CNa H non reattivo con nucleofili O HC C O H O H3O+ HC C deprotezione H 24 . Acetali come gruppi proteggenti O O ? Br OH O O incompatibili Mg MgBr Br OH HO H+ O O O O 1) Mg O 2) H3O+ Br MgBr O OH 25 . Emiacetali ciclici • Emiacetali ciclici a 5 e 6 termini sono composti stabili isolabili. molto più veloci di quelle intermolecolari: i gruppi reattivi OH e C=O sono spazialmente vicini. 26 .4a. OH C legato a: HO OR un OH un OR emiacetale O O O HO H 5-idrossipentanale H 4-idrossibutanale 6% O = O C legati a: un OH un OR con R parte dell’anello OH H OH = O HO OH H OH 11% O 94% OH O 89% Sono reazioni intramolecolari. 2°.5. 3°. debole) intermedio tetraedrico 27 . RNa. RMgX. RZnX). Li O O–Li+ H–OH H H attacco nucleofilo OH H + LiOH protonazione (ac. seguito da acqua produce un alcool 1°. • Il nucleofilo è R–. Addizione Nucleofila di Rî • Il trattamento di un’aldeide o chetone con un organometallico (RLi. R O C RƍƍMgX H (R') H2O o RƍƍLi OH R C H (R') R'' • Il meccanismo è a due stadi. O R C O– R C H(R') H(R') OH H–CN R C H(R') + –CN CN NaCN + H2SO4 → –CN attacco nucleofilo intermedio tetraedrico CN cianidrina protonazione • La reazione è reversibile in ambiente basico.02 chetoni lineari O R C H(R') + íCN 28 . Addizione Nucleofila di îCN • Il trattamento di un’aldeide o un chetone con NaCN e un acido forte come HCl addiziona HCN sul carbonile generando una cianidrina.6. O H R C H(R') CN –OH O– R C H(R') CN Keq > 100 aldeidi e chetoni ciclici Keq < 0. • Il meccanismo è il solito. Cianidrine come Intermedi di Sintesi • Il ciano gruppo di una cianidrina può venir idrolizzato a gruppo carbossilico per riscaldamento con un acido o una base acquosi o può essere ridotto ad ammino gruppo (con un atomo di C in più). OH R C R' CN H2O H+ o –OH OH R C R' COOH α-idrossiacido riduzione 1) LiAlH4 2) H3O+ OH R C R' CH2NH2 β-amminoalcool 29 . scritta nella struttura di Lewis. • Il gruppo C=O viene trasformato in C=C. Ilide: una R C O (R') H Ph3P C R ilide del fosforo (R') H C C molecola che. – Nel secondo stadio una base forte rimuove un protone dando l’ilide. Ph3P: + CH3–Br H Bu–Li Ph3P CH2 –BuH metiltrifenilfosfonio bromuro SN2 Ph3P CH2 Ph3P CH2 ilide carbonio nucleofilo 30 . + Ph3P=O alchene • Formazione dell’ilide: – Nel primo stadio si forma il sale di fosfonio.La Reazione di Wittig • La reazione di Wittig usa un carbonio nucleofilo (il reagente di Wittig) per formare alcheni. ha una carica positiva e una negativa su atomi adiacenti. è la driving force per la reazione di Wittig • Quando il carbonio dell’ilide è sostituito si ottiene una miscela di alcheni. 31 . + R C O R' H2C PPh3 O PPh3 R C CH2 R' betaina O PPh3 R C CH2 R' ossafosfetano R R' C CH2 + O=PPh3 trifenilfosfina ossido • La formazione del doppio legame P=O. molto forte.La Reazione di Wittig • La reazione di Wittig è una addizione-eliminazione. NaH non va bene perché H– è un Nu debole.7. Addizione Nucleofila di Idruro Hî Riduzione di C=O a CHOH • Fonti di idruro sono sodio boridruro NaBH4 (in acqua o alcool) o litio alluminio idruro LiAlH4 (in etere anidro). Segue la protonazione che produce un alcool 1° o 2°. • Il nucleofilo è H:¯ O R C H(R') NaBH4 LiAlH4 H2O OH R C H(R') H • Meccanismo: – –BH3 Na+ – O–AlH3 Li+ O H H Li+ H3Al–H Na+ H3B–H – –B Na+ – O––Al Li+ H–OH H H 4 intermedio tetraedrico attacco nucleofilo OH H + LiOH protonazione 32 . H2O. riscaldamento. HCl R' EtOH. R C O (R') H NH2NH2 R C N (R') H NH2 1) NaOH. Desolforazione di tiochetali (idrogenolisi): condizioni neutre HS O SH BF3. ∆ 2) H3O+ R CH2 (R') H idrazone 3. etere Ni Raney S S EtOH 33 . HCl conc..Riduzione di C=O a CH2 1. Riduzione di Wolff-Kishner: condizioni basiche. Riduzione di Clemmensen: condizioni acide: Zn(Hg). O R C Zn(Hg). 80°C R–CH2–Rƍ 2. più basico di N- –OH carbanione 34 .Meccanismo della Wolff-Kishner R R C N (R') H N H H C N (R') H N H HO– R (R') H R C N (R') H N H H2O H2O R H C (R') H R H C N lento (R') H N –N2 R H C N (R') H N H si protona il C-. 8. –OH. –NHC6H3(NO2)2. –R. –NHCONH2 35 . Addizione Nucleofila di Ammine e Derivati R G-NH2 G R N C O C CH2R R2NH R CH2R immine R N C R CHR enammine G = –H. –NH2. –Ar.Meccanismo Formazione di Immine • È simile all’addizione di alcoli: R O C H+ CH2R La formazione dell’immina è più veloce quando il mezzo è debolmente acido (pH 4-5). –R. –NHC6H3(NO2)2. –NHCONH2 36 . –NH2. –OH. + OH C R CH2R Ο G–NH2 + HO NH2 G C R CH2R HO NHG addizione C nucleofila R CH2R carbinolammina instabile H+ G R N C CH2R G + + NH H2O NHG disidratazione C C R CH2R íH2O R CH2R stereoisomeria geometrica! G = –H. addizione nucleofila.Meccanismo Formazione di Enammine • La prima parte. + OH C R CH2R Ο R2 NH R R N C + HO NHR2 íH+ HO NR 2 addizione C C nucleofila R CH2R R CH2R carbinolammina H+ R CHR enammina R + R N + H2O NR2 C disidratazione R CHR íH O C 2 R CH2R H ione immonio 37 . è uguale: R O C H+ CH2R La formazione dell’enammina è più veloce quando il mezzo è debolmente acido (pH 4-5). –R.Formazione di Immine G = –H. –Ar Composto carbonilico Ο Immina G–NH2 NH O + Ο H–NH2 H+ cicloesilimmina N O + CH3NH2 H+ CH3 N-metilimmina del 2-pentanone O H NH2 + H+ N N-fenilimmina della benzaldeide 38 . –NHC6H3(NO2)2.4dinitrofenilidrazone 2. –NHCONH2 Composto carbonilico Ο Immina G–NH2 O HO–NH2 + N H+ OH acetone ossima idrossilammina acetone + H2N–NH2 NNH2 H+ acetone idrazone idrazina NHNH2 NHN H+ + O2N NO2 NO2 O2N acetone 2.Formazione di Immine G = –NH2.4-DNP 2.4-dinitrofenilidrazina O O H+ + H2N NHNH2 semicarbazide H2N NHN acetone semicarbazone 39 . Ossidazione delle aldeidi O R C O [O] R H [O] = C OH CrVI MnVII CrO3 KMnO4 K2Cr2O7 Ag2O/NH3 OH O R C C OH R H H CrO3 H3 O+ O2 O R C OH Alcune aldeidi sono ossidate facilmente: O O H Ag 2 O NH4 OH. EtOH OH O2 aria 40 . H2 O. Ossidazione dei chetoni • I chetoni sono inerti alla maggior parte degli agenti ossidanti. H2 O. – Subiscono lenta rottura in soluzione bollente alcalina di KMnO4. H3 O + COOH • Reazione di Bayer-Villiger: O O R C + RƍƍCOOOH R' protonazione chetone O – R"COO Rƍ C O R + O–H OH RCR' RíCR' OíOCRƍƍ O RƍƍCOOH R migra con ritenzione di configurazione attitudine migratoria: 3° > 2° > 1° > CH3 41 . Na OH COOH 2 . O 1 . KMn O 4 . Baeyer-Villiger Esempi O O O CH3CO3H O non O CH3CO3H O OCH3 O 42 .Ossidazione dei chetoni di J. Acidi Carbossilici e Derivati 1 . Acidi Carbossilici 2 . La posizione dei sostituenti è indicata con lettere greche.Nomenclatura IUPAC: acido alcanoico Il carbonio carbossilico prende sempre il numero 1 Nomi comuni: Molti acidi alifatici hanno nomi storici. comune: ε δ γ β α O C C C C C C OH IUPAC: 6 5 4 3 2 1 N. di C Struttura nome base 1 HCOOH form- acido formico 2 CH3COOH acet- acido acetico 3 CH3CH2COOH propion- acido propionico 4 CH3CH2CH2COOH butirr- acido butirrico 5 CH3CH2CH2CH2COOH valeri- acido valerico 6 CH3CH2CH2CH2CH2COOH capro- acido caproico nome comune 3 . Nomenclatura Esempi O acido α-clorobutirrico OH Cl O H2N OH acido γ-amminobutirrico GABA O OH acido γ-fenilvalerico Br O acido δ-bromocaproico OH 4 . • Aromatici: derivati dell’acido benzoico COOH acido cicloesancarbossilico COOH acido benzoico COOH OH acido o-idrossibenzoico acido salicilico 5 .Nomenclatura di acidi ciclici • Alifatici: Acidi cicloalcancarbossilici. Acidi grassi saturi COOH C12 acido laurico COOH C14 acido miristico COOH C16 acido palmitico COOH C18 acido stearico COOH C20 acido arachico 6 . Acidi Grassi Insaturi C16 acido palmitoleico p.f. 0 ºC COOH COOH C18 acido oleico p.f. 13 ºC COOH C18 acido linoleico COOH p.f. –5 ºC C18 acido linolenico p.f. –11 ºC COOH C20 acido arachidonico p.f. –49 ºC 7 Nomenclatura di Acidi Bicarbossilici • IUPAC: acido alcandioico • Comune: da ricordare N. di C Struttura 1 HOOC–COOH 2 HOOCCH2COOH 3 HOOC(CH2)2COOH 4 HOOC(CH2)3COOH 5 HOOC(CH2)4COOH 6 HOOC(CH2)5COOH HOOC nome IUPAC nome comune acido etandioico acido ossalico acido propandioico acido malonico acido butandioico acido succinico acido pentandioico acido glutarico acido esandioico acido adipico acido eptandioico acido pimelico COOH acido fumarico COOH COOH COOH HOOC COOH acido maleico COOH HOOC COOH acido ftalico acido isoftalico acido tereftalico 8 Proprietà fisiche • Gli acidi carbossilici hanno p.eb. e p.f. maggiori di molecole con lo stesso PM. CH3CH2CH2CH3 PM 58 peb 0°C VDW CH3CH2CHO PM 58 peb 48°C VDW, DD CH3CH2CH2OH PM 60 peb 97°C VDW, DD, HB CH3COOH PM 60 peb 118°C VDW, DD, 2HB forza intermolecolare crescente • Gli acidi carbossilici esistono in forma dimera: • Solubilità R–CO2H O H O R C R = C1–C3 miscibili con acqua C R O H O C4–C10 via via meno solubili > C10 insolubili VDW = van der Waals; DD = dipolo-dipolo; HB = legame idrogeno 9 Sintesi di acidi carbossilici 1. Ossidazione di alcoli 1° con H2CrO4 o KMnO4 in H2SO4. 2. Ossidazione di aldeidi con CrO3 o KMnO4 in H2SO4 o Ag(I) ammoniacale Ag(NH3)2 (Reattivo di Tollens). 3. Ossidazione di alchilbenzeni con KMnO4/NaOH/∆ o CrO3 H2SO4/H2O/∆. 4. a) Ossidazione di alcheni con KMnO4 in NaOH a caldo b) Ossidazione di alcheni e alchini con O3. 5. Carbonatazione di reattivi di Grignard. 6. Idrolisi di derivati degli acidi e nitrili. 7. Ossidazione di metilchetoni (Reazione aloformica). 10 Acidi carbossilici via ossidazione 1. Da alcoli primari 2. Da aldeidi 3. Da aromatici sostituiti 1. 2. 3. H R C OH H R C H O CH3 K2CrO7 H2SO4, H2O KMnO 4 o K 2 Cr 2 O 7 o R O C OH entrambi i legami C-H sono sostituiti da legami C-O RCOOH CH2R o Ci deve essere almeno 1 legame C-H CHR2 KMnO4 O C OH 11 Reazioni di rottura ossidativa 1. Rottura di alcheni  Potassio permanganato a caldo 2. Rottura di Alchini  Potassio permanganato a caldo  Ozonolisi 1. 2. R–CH=CH–Rƍ KMnO 4 R–CŁC–Rƍ 1) O3 2) H2O R–CŁC–H 1) O3 2) H2O RCOOH + R'COOH R C O HO R' + O C OH R C O + CO2 HO 12 Carbonatazione di Reattivi di Grignard δ R Mg X O C δ+ O O Et 2O R C OMgX H 3O O + R C OH 13 Idrolisi di derivati degli acidi e nitrili + R H C G H2O O R C OH + HG O – R dove G = OH C G H2O O R C O– + G– O –X, –OR, –NH2, –NHR, –NR2, –O C R O + RC N H o OH H2 O - R C NH 2 O R - C OH ( R C O ) O O vedi infra 14 Derivati degli acidi carbossilici 15 Derivati degli acidi carbossilici O R C O OH acido R C O R X alogenuro acido X = Cl, Br C C O O C R R anidride N H R C ammide 1° N R' R' O C R C N R' R C N R" ammide 2° R O O H H C estere O O R O G ammide 3° nitrile strutturalmente diverso, chimicamente affine 16 Nomenclatura A. Alogenuri acidi O O Cl Cl etanoil cloruro (acetil cloruro) cicloesancarbonil cloruro O O Br butanoil bromuro (butirril bromuro) Br benzoil bromuro 17 Nomenclatura B. Anidridi O O + R HO OH O 800°C R' O + H2O R O R' R = Rƍ: anidride alcanoica R  Rƍ: anidride alcanoica alcanoicaƍ O O O O H O O anidride etanoica (anidride acetica) anidride metanoica propanoica (anidride formica propionica) 18 Nomenclatura B. Anidridi cicliche O O O anidride butandioica (anidride succinica) O O O anidride cis-butendioica (anidride maleica) O O O anidride 4-cicloesene-1,2-dicarbossilica O O O anidride 1,2-benzenedicarbossilica (anidride ftalica) 19 Nomenclatura C. Esteri alchil alcanoato O ottil etanoato (ottil acetato) O O O O O OH etil butanoato (etil butirrato) arancia ananas 3-metilbutil etanoato (isopentil acetato, isoamil acetato) banana metil 2-idrossibenzoato (metil salicilato) menta O OCH3 20 Nomenclatura C. Esteri ciclici o lattoni Dare il nome all’acido carbossilico, tagliare il suffisso -ico, e aggiungere –olattone. β O O α O α α O β O γ γ-lattone 4-butanolattone γ-butirolattone β-lattone 3-propionolattone β-propionolattone β γ δ-lattone 5-pentanolattone δ-valerolattone O O 2 3 H3 C 1 O 3-butanolattone β-butirolattone O δ 2 3 1 4 O 5 CH 3 5-esanolattone δ-caprolattone 21 Esempi di composti con un gruppo lattonico Vitamina C o acido ascorbico. È una vitamina idrosolubile sintetizzata dalle piante ma non dall’uomo per cui è necessario assumerla con la dieta. Ginkgolide B è uno dei componenti attivi dell’estratto del ginkgo biloba. 22 Nomenclatura D. Ammidi IUPAC: N-alchilalcanammide comune: acido –ico + ammide O O NH2 propanammide (propionammide) NH2 ciclopentancarbossammide O O NEt2 NH CH3 N-metiletanammide (N-metilacetammide) O H N(CH3)2 N,N-dimetilmetanammide (N,N-dimetilformammide, DMF) CH3 N,N-dietil-m-metilbenzammide (N,N-dietil-m-toluammide, DEET) 23 tagliare il suffisso -ico. α β O O O α α NH β O 2 3 β γ γ γ-lattame γ-butirolattame β-lattame β-propionolattame α NH 1 β NH H3 C 3-butanolattame β-butirolattame NH δ β γ δ-lattame δ-pentanolattame α O 3 4 2 5 1 6 NH δ ε 6-esanolattame ε-caprolattame 24 . e aggiungere -olattame. Ammidi cicliche o lattami Dare il nome all’acido carbossilico.Nomenclatura D. Lattami penicillina G penicilline cefalosporine cefalexina H S H2 N C N CH3 O N H H N O N Cefetamet S CH3 CO2 H 25 . Nitrili IUPAC: alcanonitrile comune: nome dell’acido –ico + onitrile CH3C N C N CN etanonitrile (acetonitrile) 2-metilpropanonitrile (isobutirronitrile) benzenecarbonitrile (benzonitrile) 26 .Nomenclatura E. Ordine di precedenza dei GF O O O R R > OH O > R R OR' O > R O > R X O anidride acido carbossilico > RCN nitrile > R estere O H aldeide > R O R' chetone alcanoil alogenuro > ROH alcool NH2 ammide > RNH 2 ammina 27 . Reattività 28 . Interconversione dei gruppi funzionali Idrolisi Formazione di alogenuri Formazione di esteri Formazione di ammidi Formazione di anidridi R R C O O C SOCl2 (PCl3) O ∆ C OH H2O H2O R R HCl O RCOONa H2O NH3 NH3 ∆ H2O RƍOH NH3 R CŁ N P2O5 1 H2O R C O NH 2 NH3 O RƍOH HA RƍOH R C Cl C OR' O 29 . Vi sono delle conversioni di sola andata. 30 . ma quelle che passano per il cloruro o l’anidride perché non richiedono catalisi. 3. che sono localizzati simmetricamente. RCOCl e RCOOCOR. 4. 5. I nitrili sono connessi al resto attraverso l’ammide. Tutti i derivati si idrolizzano ad acido. Le vie preferite per arrivare dall’acido all’estere o all’ammide non sono quelle dirette. 2.Commento 1. svolgono il ruolo centrale nelle trasformazioni. í í = RíCíG O Nu RíCíG O .Reattività di acidi e derivati acido = RíCíOH O . Deprotonazione R–COOH + NH3 2.. Nu R–C–G + A– +OH 3.. Idrolisi R–COG + H2O R–COOH 4. Formazione di Esteri . . Disidratazione di ammidi R–CONH2 + P2O5 R–C싥N 11... = . Reazione con organometallici R1MgX = RíCíNH2 O R–COO-NH4+ = = RíCíG O basico 1... Formazione di ammidi . Protonazione R–COG + HA H O+ 3 RR1R1COH R–COG 10.Esterificazione R–COG + R1OH R–COOR1 6. . C elettrofilo δ+ . = RíCíG O δí SN acile RíCíNu O . .. Formazione di anidridi R–COCl + R1COO– R–CO–O–COR1 8. Formazione di acil cloruri R–COOH + SOCl2 R–COCl 5. Trasposizione di Hofmann di ammidi R–CONH2 + Br2 + NaOH R–NH2 31 . ....Ammonolisi R–COG + NH3 R–CONH2 7... . . . Riduzione LiAlH H O+ 4 3 R–COG R–CH2OH o R-CH2NR2 9. che viene rotto da una base.74 16 36 ~50 (Rivedere gli effetti induttivi e di risonanza sulla acidità) 32 .Acidità L’aspetto più importante è il legame O–H polare. acidi deboli. Gli acidi carbossilici sono donatori di protoni (acidi di Bronsted-Lowry): pKa 3í5.Deprotonazione . O R C O :B O H + HB+ R C O stabilizzato per risonanza RCO2 H H 2O ROH NH3 RH pKa 5 15. 86 CO2H > Cl 4.05 CO2 H CO2 H 4.87 pKa 0.52 CO2 H OCH3 NO2 pKa 3.Acidità Effetti induttivi FCH2CO2H > ClCH2CO2H > BrCH2CO2H > CH3CO2H pKa 2.48 33 .87 4.44 CO2H 4.26 4.59 Cl3CCO2H > Cl2CHCO2H > ClCH2CO2H > CH3CO2H 2.20 4.64 1.90 2.76 Cl CO2H > pKa Cl 2.76 2. K) Reazione con basi forti Reazione con basi deboli 1. RCOOH Na 0 Na OH Na HCO 3 RCOOí Na + + ½H 2 RCOOí Na + + H 2 O RCOOí Na + + H 2O + CO 2 I sali sono cristallini. 2. Reazione con metalli attivi (Na. 3. si decompongono per riscaldamento a 300 – 400°C. 34 . RCOOH 3. non-volatili. RCOOH 2.Conversione a sali carbossilati 1. 7 Na+ –OCH2CH3 CH3CH2OH 16 Na+ H– H2 35 35 .5 Na+ –OH H2O 15.4 NH3 NH4+ 9.4 Na2CO3 HCO3– 10.2 Na+ –OCH3 CH3OH 15.basicità crescente Basi per deprotonare gli acidi Base acido coniugato pKa Na+ HCO3– H2CO3 6. Basicità • Il gruppo carbossilico (e derivati) può essere protonato da acidi forti (H-A) all’ossigeno carbonilico (3 forme di risonanza).2 L’equilibrio è spostato a sinistra tranne nel caso dell’H2SO4 in cui la forma protonata è abbondante (50%). 36 . R O C OH H–A OH C OH R OH C R OH OH C OH R + :A– pKa –5. capitolo aldeidi e chetoni). O R :Nu– H (R') O– R H (R') Nu intermedio tetraedrico H2O O H H (R') R Nu Nu– e H+ si addizionano 37 .Sostituzione Nucleofila Acile (addizione-eliminazione) 1. Aldeidi e chetoni che non hanno legato al carbonio carbonilico un gruppo uscente subiscono addizione nucleofila (v. I derivati degli acidi. NHR. OH. subiscono sostituzione nucleofila: 1° stadio: addizione O R :Nu– G lento 2° stadio: eliminazione – O R O G Nu –G– R intermedio tetraedrico Nu Nu– sostituisce G– Questa reazione è chiamata sostituzione nucleofila acilica. G = Cl. NR2 Nel caso dei cloruri acidi e delle anidridi Cl– e –OCOR sono buoni LG e non vi è necessità di catalisi. OCOR. OR. che hanno legato al carbonio carbonilico un gruppo uscente o un gruppo che può diventare buon LG. 38 . NH2.Sostituzione nucleofila acilica (addizione-eliminazione) 2. 2 Ea Hammett: S.1 simile a I.1 S.T.1 – O R G Nu RCOG + Nu- intermedio tetraedrico RCONu + G- RCOCl RCOOCORƍ RCOORƍ RCOOH RCONR2 RCOO- 39 .T. intermedio ƒ ~ stessa Energia per tutti i G ƒ energia di partenza diversa S.T.T.Sostituzione nucleofila acilica Reattività osservata: RCOCl > RCOOCORƍ > RCOORƍ • RCOOH > RCONR2 > RCOO– S. anidridi. porta meglio carica positiva strutture di risonanza uguali 40 .Struttura e Reattività G = Cl. sali Cloro appartiene al 3° periodo: sovrapposizione scarsa R O N meno elettronegativo di O. cloruri acidi stabilità R G = O. acidi O O C C Cl R O R C O O R' R C C R O G = N. ammidi Cl R R' O O N R' C R R'' O O C C O R' N R'' G = O. esteri. O R C N R'' R' grande < 10-2 41 .La reatività è legata alla struttura Stabilizzazione Velocità relative di idrolisi molto piccola 1011 piccola 107 moderata 1. meno reattivo è.0 O R R C Cl O O C C O Rƍ O R C O R' Più stabilizzato è il carbonile. esteri. i rispettivi gruppi –OH.SN acile con catalizzatore acido • Nel caso degli acidi. O R :Nu– OH lento – O R OH Nu – O HA + OH2 R Nu intermedio tetraedrico –H2O + OH R Nu O –H+ R Nu 42 . –OR. – NR2 diventano buoni LG solo protonandosi. ammidi. quindi è necessaria catalisi acida. H2O nelle idrolisi: O R + OH HA ORƍ R estere prototropia: spostamento di un protone da un sito basico ad un altro all’interno di una molecola ORƍ :OH2 lento OH R OH R ORƍ + OH2 OH prototropia O R + OHRƍ –RƍOH + OH –H+ Nu R OH 43 . come ad es.SN acile con catalizzatore acido • Anche il 1° stadio può richiedere catalisi. quando il Nu è debole. : CH3COCl + H2O → CH3COOH + HCl CH3COOCOCH3 + H2O → 2 CH3COOH 2. I cloruri e le anidridi reagiscono violentemente a t.a. CH3COOH + HOCH2CH3 Le ammidi devono avere un catalizzatore acido o basico & riscaldamento: CH3CONH2 + H2O 4. H2SO4 ∆ H2SO4 ∆ CH3COOH + NH4+ I nitrili devono avere un catalizzatore acido o basico e riscaldamento progressivo: HCl CH3CN + H2O → CH3CONH2 → 40°C 100°C CH3COOH + NH4+ 44 .Idrolisi Tutti i derivati degli acidi reagiscono con acqua a dare l’acido carbossilico. Gli esteri devono avere un catalizzatore acido o basico: CH3COOCH2CH3 + H2O 3.Formazione di Acidi . 1. ma consente formazione legame C=O (179 Kcal/mole) irreversibile O C Ì R O + R'OH 45 . Cloruri acidi R H OH 2 O O O C R C Cl R C Cl O OH Cl H H2O H O R C OH + H3O+ + Cl b.Meccanismo delle Idrolisi a. Esteri (ambiente basico) O R C O HO HO = HO18 R' R O O C OR' C ÌOH R O Ì H + R'O non buon LG. questa reazione è catalizzata da lipasi.Na+ R3 COO.Na+ sapone • Ogni triacilglicerolo è un triestere che contiene tre lunghe catene idrocarburiche da C12 a C20.Saponificazione O O R1 O R2 O O R3 O triacilgliceroli o grassi 3 NaOH ∆ R1COO. che possono essere sature (acidi grassi saturi) o contenere doppi legami Z (acidi grassi insaturi). • Nelle cellule.Na+ OH HO OH glicerina + R2 COO. 46 . reversibile O R C O OH OH H+ R' C R O R C OR' R' O R H2O = H2O18 O H OH -H+ R C H+ -R'OH O H R C OR' intermedio tetraedrico intermedio tetraedrico protonato senza cat la reazione è lenta OH OH OH2 H2O C íH+ OH H R C O OH R' intermedio tetraedrico protonato 47 . Esteri (ambiente acido).Meccanismo Idrolisi Acida degli Esteri c. Nitrili & Ammidi (ambiente acido) RíC≡NíH OH2 H2O OH2 RíC=NíH OH RíCíNH2 O OH RíCíNH3 OH – – OH RíCíNH2 OH – – O OH2 R–C–NH2 OH – – R–C–NH2 OH = = R–C–NH2 H+ RíC=NíH = R–C≡N: H+ OH R–C–OH + NH3 = = O R–C–OH + NH4 e. Nitrili & Ammidi (ambiente basico) = = OH– H2O R–C=N–H R–C–NH2 O OH OH OH O O H–OH R–C–NH2 R–C–O– R–C–OH + NH3 O– – – = R–C–NH2 O R–C=N– = R–C≡N: OH– + NH4 48 .Meccanismo Idrolisi equilibrio ammido-immidol d. PCl5. RCOOH + SOCl2 RCOCl + SO2 + HCl N N Cl H Meccanismo per SOCl2 e PCl3: Cl Cl O H Cl R–C–O–S=O Cl = O R–C–Cl + SO2 + HCl O H Cl R–C–O–S=O – – – – S O O H Cl R–C–O–S–O Cl – – = Cl – – – = = 1.Formazione di acil alogenuri Si usano alogenuri di acidi inorganici SOCl2 (cloruro di tionile). PBr5. O R–C–OH Cl O R–C–Cl + P(OH)Cl2 = Cl – P Cl O H R–C–O–P–Cl Cl Cl – = = O 2. R–C–OH 49 . PCl3. PBr3. Formazione di esteri 1. R–C–OH O R–C–OH O R'OH H + CH2N2 R–C–ORƍ + H2O O R–C–OCH3 + N 2 O 50 . Da anidridi acide 1. Da cloruri acidi 3. Da acidi carbossilici ƒ con ROH e catalisi di un acido minerale (Fischer) ƒ attraverso l’uso di diazometano (esteri metilici) 2. Esterificazione a.Formazione di Esteri . Esterificazione di Fischer (dagli acidi e alcoli): reversibile H+ RCOOH + RƍOH O R C O H+ OH R R' O R C H ORƍ O C H OH R OH R' H -H+ O H+ C R RCOORƍ + H2O O C OH O H OH R C O OR' H -H2O H +H2O R' 51 . R–C–ORƍƍ = OHRƍ R–C–ORƍƍ OH – – OH ORƍ R–C–OHRƍƍ OH – – O R–C–ORƍ RƍƍOH = = R–C–ORƍ H+ O 52 .Formazione di Esteri . Da un estere per transesterificazione. Da acil cloruri e anidridi (metodo di elezione) RCOCl + RƍOH RCOORƍ + HCl RCOOCOR + RƍOH O R–C–ORƍ = OH R–C–ORƍ = R–C–ORƍ = – – = – – OCOR OCOR -H+ RƍOH R–C–OHRƍ R–C–OCOR R–C–ORƍ O– OH O Cl R–C–ORƍ OH – – Cl R–C–ORƍ OH – – = – – Cl -H+ RƍOH R–C–OHRƍ R–C–Cl O– O RCOORƍ + RCOOH O c.Esterificazione b. R C O Cl O O C C R O O C + NH3 R C NH2 ammide 1° O R + R"NH2 R C NHR" ammide 2° O OR' + R"2 NH R C NR"2 ammide 3° Vista dalla parte delle ammine è un’acilazione all’azoto 53 . R 3. 3.Formazione di ammidi – Ammonolisi 1. Diretta conversione di acidi ad ammidi (industriale) Da cloruri acidi Da anidridi O O Da esteri NH3 1. 4. 4. C C R OH R NH2 ∆ O 2. 2. R C Cl NH3 O 3. RCOOíNH4+ -H2O C + NH2 RCOOíNH4+ OH R C OR' R C OR' NH3 NH2 O –R'OH R C NH2 54 . RCOOH NH3 í O 2.Meccanismo di Ammonolisi 1. R C OCOR C NH3 RCONH2 O OH R C Cl R C Cl NH3 NH2 R C OCOR í O OR' O –Clí R OH R C OCOR C NH2 O –RCOOí R NH2 NH3 O R ∆ Oí NH3 4. 5 NH O – Le immidi cicliche si preparano per riscaldamento del sale di diammonio dei diacidi. – La immide più comune è la succinimmide. O O NH4+ - O OCCH2 CH2 CO- NH4+ calore NH O 55 . O pKa 8.Formazione di immidi • Le immidi sono ammidi doppie in cui un guppo amminico è legato a due gruppi acilici. Formazione di Anidridi 1. Disidratazione di acidi (industriale) O RCOOH 2. 800°C R C O O C R Dal cloruro dell’acido e dal sale dell’acido stesso o di un altro acido (anidridi miste) RCOCl + RƍCOO-Na+ RCOOCORƍ 56 . Formazione di Anidridi Cicliche • Si formano da acidi bicarbossilici per forte riscaldamento: O COOH COOH forte riscaldamento O + H 2O O anidride succinica acido succinico O COOH COOH acido glutarico forte riscaldamento O + H 2O O anidride glutarica 57 . Riduzione • Gli acidi carbossilici sono difficili da ridurre: NaBH4 riduce solo aldeidi e chetoni H2/cat riduce legami C=C. aldeidi e chetoni LiAlH4 riduce aldeidi e chetoni ed è il solo reagente sufficientemente forte per ridurre gli acidi carbossilici ad alcoli 1°. O O OH NaBH4 CH3OH H2 Pt OH O OH OH O OH OH 1) LAH 2) H3O+ B2H6 diglima OH O OH 58 . 3. Le ammidi si riducono ad ammine.Riduzione 1. Anche gli esteri sono ridotti da LAH ad alcoli primari 2. LiAlH4 RCOORƍ 2. 1. H2O 1. I nitrili si riducono ad ammine. H2O RNRƍRƍƍ RNH2 59 . H2O RCONRƍRƍƍ RCN RCH2OH 1. LiAlH4 2. LiAlH4 2. O O Li+ RíCH2íNH2 + R3AlOH Li+ 60 . H Li+ R C H H í R C NRƍRƍƍ NRƍRƍƍ C í O Li+ RƍOAlH2íH Li+ Li+ O AlH3 : R C R í O 2. C R R C OR' H AlH3 OR' HíAlH3 Li+ í intermedio tetraedrico HíAlH3 HíAlH3 RíC싥N: H3O+ RCH2OH H + AlH2ORƍ í LiOAlH3 O AlH3 Li+ + RCH=NRƍRƍƍ R C NRƍRƍƍ H RCH2íNRƍRƍƍ Li+ í RíCH=N: AlH3 í HOíH í HO2 RíCH2íNíAlR3 íAlR 3 HíAlH3 Li+ í RíCH=NíAlH3 AlH3 í RíCH2íNíAlH3 íAlH 3 í 3.Meccanismo della Riduzione í O 1. esteri e nitrili vengono ridotti ad aldeidi usando 1 equivalente di idruro di isobutilalluminio a –70°C. O R C OAl [CH2CH(CH3)2]2 OR' esano. –70°C C H + RƍOH+ Al(OH)3 + isobutano HíAl[CH2CH (CH3)2]2 RíC싥N: O RíCH=N–HíAl[CH2CH(CH3)2]2 O O+ H3 R C H 61 . 2. –70°C HíAl[CH2CH(CH3)2]2 R C OR' R H H–OH benzene. Se si usano 2 equivalenti si ottiene l’alcool. Acidi.Riduzione con DIBAH 1. Addizione dei reattivi di Grignard 1.MgBr+ R C R' NH H3 O+ R C R' 62 . 2. Esteri RCOORƍ danno alcoli 3° (HCOOR danno alcoli 2°) Nitrili danno chetoni. R C N 1) R'MgBr 2) H3 O+ R'MgX O R C R' H3O+ N. 2. OH O -H2O R I chetoni si possono preprare anche dagli alchilcuprati e i cloruri degli acidi O R C – 1. H3O + O + R C R' 63 C R' .Addizione degli organolitio e dialchilcuprati 1. Gli organolitio sono più forti dei reattivi di Grignard Con tutti i derivati si ottengono chetoni Reagiscono anche con gli anioni carbossilato: RCOOH O R'Li C R OíLi+ OíLi+ R C Rƍ H+ R C Rƍ OH OíLi+ R'Li 4. 3. 2 R'2Cu Li Cl 2 . H2SO4. PCl3. P2O5.Disidratazione di Ammidi primarie a Nitrili • Un’ammide primaria viene disidratata in un nitrile per azione di un agente che lega fortemente l’acqua o la distrugge. SOCl2. H C N O R C NH O O O H P P O O O O HO RíC=NH H HO O R O O P O O P O O P P O HO OH HO P O OO P HO HO + RíC싥NH RíC싥N + H4P2O7 idratata 64 . O Br2 NaOH C R NH2 ammide 1° O R C 70-75°C N H R–N=C=O isocianato R C ammina 1° N H R C OH OH OH RíN=CíOí N H Br Br HO–H O O O H RíNH2 OH RíNHíC=O acido carbammico OH Br OH R C N Br migrazione di R O– RíNHíC=O RíNH2 + CO2 HO–H 65 .Trasposizione di Hofmann • Un’ammide primaria viene trasformata in un’ammina primaria con 1 atomo di C in meno. Acido Carbonico e Derivati HO OH H O Cl O OR RO OR Cl OH O acido formico acido carbonico HO OH OR acido cloroformico Cl Cl O O O O alchil idrogenocarbonato dialchil idrogenocarbonato alchil cloroformiato fosgene HO NH2 RO NH2 H2N NH2 O O O acido carbammico alchil carbammati o uretani urea 66 . Enoli e Enolati 1 . γ e δ non sono acidi – non possono essere rimossi da una base acido non acidi O H H H H C C C C C α β γ δ 2 .Idrogeni in α a un carbonile • Solo gli idrogeni α sono acidi • Gli idrogeni β. O (R) H C O C H 25°C H2O aldeide (chetone) C H C pKa = 16-20 enolo legame H β-dichetoni O tautomeria cheto-enolica O O 25°C H2O H O δ- O H O δ+ pKa = 9.0 3 . • La percentuale di enolo presente dipende dalla natura del composto e quindi dall’acidità dei suoi H α e dal solvente.Enoli • Tutti i composti cabonilici sono in equilibio con le loro forme enoliche. Enolizzazione • Le reazioni di enolizzazione possono essere catalizzate da acidi e da basi Catalisi acida O C + C H H O C H C O H C H C H -H+ C Catalisi basica O C C H OH- O O C C C enolato H2O C H O O C C H + OHC enolo 4 . Ioni enolato Scelta della base O C C H + OH- Keq ~ 1 O C O C C + H2O C Ka ~ 10-16 Ka ~ 10-16 O C C H + Ka ~ 10-16 N Li Keq ~ 1024 litio diisopropilammide (LDA) H O Li C C + N Ka ~ 10-40 5 . Reazioni di enoli e enolati • Gli enoli e gli enolati sono nucleofili al C α e reagiscono con elettrofili: – acidi – alogeni – alogenuri alchilici – gruppi carbonilici + H O OH C O C C H C E + C C B E O C C E enolo O O C C C enolato E+ C E carbonile α-sostituito 6 . CH3COCH3 + D2O H2SO4 tracce CH3COCH2D + HOD O H3C C CH3 stadio lento OH H3C CH3COCD3 C CH2 D D D + O +O H H3C C H O O H CH2D H3C C CH2D enolo O H3C C CD3 H3C O OH C C CD2H H3C enolo CHD 7 .Reazione di un enolo con un acido • Si vede solo utilizzando un acido marcato con un isotopo. Cl2.α-Alogenazione di Aldeidi e Chetoni • Il trattamento di un’aldeide o un chetone con un alogeno. 65°C CH3COCH2Br + HBr 50% + CH3COCHBr2 + BrCH2COCHBr2 poco O O H3C C CH3 H3C C CH2Br stadio lento OH H3C C CH2 +O Br–Br H3C C H Br– CH2Br enolo 8 . Br2 o I2 porta alla sostituzione dello (o degli) idrogeno in α. CH3COCH3 + Br2 H2O. α-Alogenazione di Aldeidi e Chetoni O Cl2 O O Cl O Br2 Br 9 . H Br O H3 C C CH 3 H H :B O H3 C C C H H O H3 C C C H H H :B H O O H3 C C Br–Br CHBr H3 C C H C Br H 10 .α-Alogenazione di Aldeidi e Chetoni • La reazione di α-alogenazione può essere acido catalizzata. CHI3. 11 .Reazione aloformica O C R O X2 CH3 OH- R C + CHX3 O aloformio metil chetone O R C CH3 X2 OH- O R C CH2X O X2 OH- R C O R HOí CX3 R C CX3 OH CHX2 + H2O + X- + H2O + XO C O R C OH + CX3 X2 OH- O R C CX3 + H2O + X- RCO2í + HCX3 Test allo iodoformio per i metil chetoni: formazione di un voluminoso ppt giallo. α-Alchilazione • Gli anioni enolato reagiscono con alogenuri alchilici dando prodotti di α-alchilazione. 1. NaNH2 H O H 2. Br O NaNH2 Br H O Na+ H O-Na+ 12 . β-insatura 13 . aldeidi carbonile di una aldeide carbonio α dell’altra O 2 RíCH2íCíH OHí OH O RíCH2íCíCHíCíH aldolo H R nuovo legame OHí. ∆ O RíCH2íCH=CíCíH R aldeide α.Condensazione aldolica 1. Condensazione aldolica Esempi O OH OH- O O ∆ H H O OH - H O O OH ∆ H H H O H Ph OH- Ph H Ph OH O H Ph O 14 . Condensazione aldolica Meccanismo O H3C C H OHí Oí Oí H3C C O C elettrofilo H H2C C H O CH3íCíCH2íCíH H2O OH O CH3íCíCH2íCíH aldolo OH- C nucleofilo O CH3íC=CH2íCíH í OH- OH Oí CH3íCíCH2=CíH aldeide α.β-insatura 15 . Condensazione aldolica 2.β-insaturo 16 . Chetoni carbonile di un chetone carbonio α dell’altro O 2 RíCH2íCíRƍ OHí OH O RíCH2íCíCHíCíRƍ β-idrossichetone Rƍ R nuovo legame OHí. ∆ O RíCH2íC=CíCíRƍ Rƍ R chetone α. Chetoni O OH- OH O O ∆ mesitil ossido O OH- HO Ph O O Ph Ph Ph 17 .Condensazione aldolica 2. Chetoni O O O OH- ∆ HO O OHO O O OH- H2O O O O HO HO 18 .Condensazione aldolica intramolecolare 2. Condensazione aldolica intramolecolare 2. Chetoni O O OH∆ O OHO O O O 19 . ossia non avere H-α. O RíCH2íCíH O + RƍíCH2íCíH OH- tutti i possibili prodotti (4) Il composto carbonilico enolizzabile viene aggiunto alla soluzione del composto carbonilico non enolizzabile in base. non condensa con se stessa O O H O H O OH OH-. ∆ 20 .Condensazione aldolica mista Uno dei due componenti deve essere non enolizzabile. ∆ O H O O H H H OH-. ∆ O H O O O OH-. ∆ benzalacetone dibenzalacetone 21 .Condensazione aldolica mista Esempi O O O OH OH O O H OH-. β β-insaturi O O O H H H propenale acroleina 2-butenale crotonaldeide 3-fenilpropenale cinnamaldeide aldeide cinnamica O O 4-metil-3-penten-2-one mesitilossido 4-fenil-3-buten-2-one benzalacetone 22 .Aldeidi e Chetoni α. ∆ H O O PhCH=O OH-. ∆ H O 2 2 H O OH∆ H O O H2CO OH- H O ∆ O O H PhCH=O OH-. ∆ 23 .Aldeidi e Chetoni α.β β-insaturi O OH-. Reattività Aldeidi e Chetoni α.β β-insaturi O O C C ma C C C C Nu Nu Nu Nu Carbonili α.β-insaturi O O O = - Oδ δ+ δ+ due siti elettrofili 24 . 4 o coniugata 25 .2 o diretta H+ OH Nu O Nu addizione 1.Aldeidi e Chetoni α.β β-insaturi Reazioni di addizione O O H+ OH Nu Nu Nu O O Nu Nu ione enolato addizione 1. Basi forti come RMgX.Aldeidi e Chetoni α. RLi.β β-insaturi Addizione diretta 1. LAH: danno addizione diretta OH O 1) PhMgBr H O 2) H3O+ OH 1) HC CNa C CH 2) H3O+ OH O 1) LAH 2) H3O+ 26 . Aldeidi e Chetoni α.β β-insaturi Addizione coniugata 2. La maggior parte degli altri Nu (basi più deboli): danno addizione coniugata O CN H O NaCN H2O H O CH3SH H2O O O CH3S O NaN3 H2O N3 27 . 5-dicarbonilico 28 .β-insaturo O O H2O O O composto 1.β β-insaturi Addizione di Michael È l’addizione coniugata di un enolato a un composto carbonilico α.β-insaturo O enolato O chetone α.Aldeidi e Chetoni α. Aldeidi e Chetoni α.β β-insaturi Addizione di Michael O O H O + OH- H OH- O H O H2O O O O H 29 . Aldeidi e Chetoni α.β β-insaturi Addizione di Michael β-Dichetoni O O O + OH– Ka = 10–9 O O O + H2O Ka = 10-16 Keq = 07 O O O O + O NaOH CH3OH O 30 . Aldeidi e Chetoni α.β β-insaturi Reazione di anellazione di Robinson È un’addizione di Michael seguita da condensazione aldolica O O OH+ O O O addizione di Michael condensazione aldolica O O O 31 . Aldeidi e Chetoni α.β β-insaturi Meccanismo della reazione di anellazione di Robinson O O O OH- H2O O O O O O O O O H2O OHO O O O O O O O O OHOH O OH O O 32 . 2 R2Cu– Li+ + LiX R 1) R2CuLi 2) H3O+ O addizione 1.Addizione coniugata di reagenti organorame O di solito metile o 1° 2 RLi + CuX OH 1) RMgX 2) H3O+ Et2O O R addizione 1.4 alchilazione al carbonio β 2 CH3Li + CuBr Et2O O (CH3)2CuLi Litio dimetil cuprato O 1) (CH3)2CuLi 2) H3O+ 33 . Alchilazione di ioni enolato OH- O O la resa è di solito bassa perché compete la condensazione aldolica O R X R alchilazione al C-α metile o 1° SN2 I β-dichetoni invece non condensano con se stessi: O O + R X O K2CO3 O R O O O K2CO3 CH3I O O - O OH ∆ O 34 . pKa ≅ 16–20 (Effetto del gruppo ORƍ).Enolizzazione Esteri Esteri: Gli idrogeni in α ad un carbonile estereo sono meno acidi. pKa ≅ 24. di quelli in α di aldeidi e chetoni. O R CH2 C O OR' + R'O R CH C OR' Keq ~ 10–6 + R'OH Ka ~ 10–16 Ka ~ 10–22 β-Chetoesteri O C C CH2 OR' + R'O R O O C C CH : R O OR' Keq ~ 105 Ka ~ 10–16 Ka ~ 10–11 Carbanione stabilizzato per risonanza con 2 carbonili + R'OH O O R C CH C OR' R O O C C CH OR' 35 . Reazioni di enolati di esteri • Gli enolati di acidi ed esteri sono nucleofili al C α e reagiscono con elettrofili: – alogeni – Reazione di Hell-Volhardt-Zelinski (per gli acidi) – alogenuri alchilici – Reazione di alchilazione di esteri – gruppi carbonilici – Reazione di condensazione di Claisen 36 . RCH2COOH + PBr3 J RCHBrCOOH + HOPBr2 O O O í í RíCH2íCíOíCíCHíR Br Br– O O RíCH2íCíOíCíCHíR Br Br í í O O RíCH2íCíOíCíCHíR Br Br í í í í RíCH2íCíOH + RíCHíCíBr Br O O + RíCHíCíOH Br í RíCH2íCíBr O 37 .Reazione di Hell-Volhardt-Zelinsky • È una reazione di α-bromurazione di acidi condotta con Br2 in presenza di P elementare. 1. 2P + 3 Br2 J 2PBr3 2. Reazione di α-Alchilazione • Gli anioni enolato reagiscono con alogenuri alchilici per dare prodotti di α-alchilazione. O O R CH 2 C LDA OR' THF. -78°C R CH C OR' Rƍƍ–X LDA: litio diisopropilammide HMPA: esametilfosforammide O Li N R HMPA -78°C Me2N C OR' Rƍƍ O P Li CH NMe2 NMe2 38 . Condensazione di Claisen Un estere enolizzabile in ambiente basico (alcolato) reagisce con se stesso per dare un β-chetoestere. carbonio carbonilico di un estere carbonio α dell’altro estere O 2 R CH2 C 1) R'Oí OR' 2) H3O+ R CH2 nuovo legame O O C C CH OR' R β-chetoestere 39 . è grande ~105 C OR' C OR' O R Ka ~ 10–11 CH La costante di eq. è piccola ~10–11 40 .Meccanismo della Condensazione di Claisen O CH 2 C R'Oí R OR' CH C : R O O R OR' Ka ~ 10–22 R CH2 R O O C C CH CH CH2 C C OR' + RƍOH Ka ~ 10–16 H3O+ O O O : CH2 C C OR' O R R OR' C OR' R'O– R R CH2 O O C C CH R OR' RCH2 La costante di eq. Condensazione di Claisen Esempi O 1) NaOEt OEt O 2) H3O+ O OEt etil acetoacetato etil 3-ossobutanoato 1) NaOCH3 2) H3O+ O OCH3 O O OCH3 41 . Condensazione di Dieckmann Condensazione di Claisen intramolecolare O O CH3O 1) NaOCH3 OCH3 OCH3 2) H3O+ O O CH3OO O CH3O OCH3 O O OCH3 OCH3 42 . 2-diesteri 43 .Condensazione di Claisen mista O O RíCH2íCíORƍƍ + RƍíCH2íCíORƍƍ RƍƍOí tutti i possibili prodotti (4) Uno dei due esteri deve essere non enolizzabile: O O H O OR OR OR formiati benzoati O RO O OR RO OR O carbonati 1. Condensazione di Claisen mista Esempi O O + H OCH3 O 1) NaOCH3 + OCH3 2) H3O H OCH3 O O + O OCH3 OCH3 O 1) NaOCH3 2) H3O+ OCH3 O O + OCH3 CH3O OCH3 1) NaOCH3 2) H3O+ O H3CO OCH3 O O O + OCH3 O CH3O OCH3 O 1) NaOCH3 2) H3O+ O O H3CO OCH3 O O 44 . O R C O CH2 R' + C R" O CH3O- C R OCH3 O CH C R" R' non enolizzabile CH3OO R C CH R' CH3O O O C C R" R O CH C R'' R' OCH3 45 .Acilazione con esteri di chetoni Esteri che non formano enolati possono essere usati per acilare enolati di chetoni. Acilazione con esteri di chetoni Esempi O O 1) NaOCH3 + H OCH3 + O H 2) H3O+ O O O O OCH3 O 1) NaOCH3 2) H3O+ 46 . Acilazione con esteri di chetoni Esempi O O O 1) NaOCH3 OCH3 2) H O+ 3 Ka~10-16 O Ka~10-22 CH3O- O O O OCH3 OCH3 O 47 . Sintesi di Chetoni da β-Chetoesteri Decarbossilazione O R O O H3O+ OR" o OH∆ OH R R' β-chetoestere O O ∆ R' β-chetoacido O H R' + CO2 chetone O O O í CO2 R R' R H R R' enolo 48 . Sintesi di chetoni dall’estere acetoacetico O O O O H3O+ 1)NaOEt OEt OEt 2) RX ∆ R R acetone monosostituito 1)NaOEt 2) R'X Claisen EtOO O O O H3O+ OEt OEt R R' O R ∆ R' acetone disostituito 49 . Sintesi di chetoni da β-Chetoesteri Esempio O O OEt O 1) EtO2) OEt H3O+ 1) OH-. H2O 2) H3O+ O O ∆ O OH 50 . RƍCl O RO O O OR diestere malonico H O O O í CO2 HO H HO R' R' enolo 51 . EtO- 2.Sintesi di acidi con 2 C in più da RX RX J RCH2COOH O O RO O + H3O OR Rƍ diestere malonico monosostituito O O HO OH ∆ Rƍ derivato dell’acido malonico Rƍ + CO 2 HO acido 1. Sintesi malonica O EtO O 1)NaOEt OEt 2) RX O O OEt EtO ∆ R dietilmalonato O H3O+ R HO acido acetico monosostituito 1)NaOEt 2) R'X O O EtO OEt R R' O H3O+ ∆ HO R R' acido acetico disostituito 52 . Ammine . alcaloidi. proteine. • Sono le basi più forti presenti negli organismi viventi in ammino acidi.Classificazione • Le ammine sono derivati dell’ammoniaca in cui uno o più idrogeni è stato sostituito da un alchile o un arile. etc. e sono catalizzatori di importanti reazioni biologiche. peptidi. R' NH3 ammoniaca RNH2 1o R NH R' 2o R N R '' 3o R' R N R'' R''' ione tetraalchilammonio quaternario . basi eterocicliche degli acidi nucleici. Classificazione • Le ammine vengono suddivise in: • ammine alifatiche: ammine nelle quali l’azoto è legato solo H3C a gruppi alchilici benzildimetilammina ammina 3° N CH3 CH2 • ammine aromatiche: ammine nelle quali l’azoto è legato ad uno o più gruppi arilici N-metilanilina ammina 2° aromatica CH3 NH • ammine eterocicliche: ammine nelle quali l’azoto è inserito in un anello aromatico o alifatico N N H piridina pirrolo N H piperidina N H pirrolidina . e l’ammina è chirale.2-trimetilaziridina .Chiralità delle ammine L’azoto può avere 3 gruppi differenti e 1 lone pair. ma gli enantiomeri non possono essere separati a causa dell’inversione dell’N. ‡ (R)-etilmetilammina stato di transizione (S)-etilmetilammina Se l’azoto è impedito nella rotazione gli enantiomeri sono separabili. (R)-1.2-trimetilaziridina (S)-1.2.2. orbitale sp3 . orbitale sp2 R N R R ~6 kcal/mole orbitale sp3 R R R N R R R N I sali di ammonio quaternario sono separabili.Inversione dell’azoto La barriera dell’inversione è molto bassa: le ammine non sono separabili. Alcaloidi NH2 NH2 HO OH anfetamina dopamina (trasmissione nervosa) CH3O OH NHCH3 NH2 CH3O OCH3 efedrina (adrenalina) mescalina O O N O O NHCH3 metilenediossimetanfetamina (MDMA. “ecstasy”) NH2 novocaina . Composti Azotati NH2 HO N H O HO H3C O N H Coniina H3C O N Muscarina OCH3 H N H3C OH O Ph Atropina HO N S Cl N H3C OH N Chinino N N CH3 O NH2 N OH H3C N N CH3 Nicotina H N Caffeina Serotonina CH3 N Cl CH3 H3C CH3 N tiamina Vit B1 N O HO Morfina CH3 . NH 2 1-amminobutano butanammina n-butilammina H N CH 3 1-metilamminopropano N-metilpropanammina metilpropilammina NH 2 2-amino-2-metilpropano 2-metil-2-propanammina tert-butilammina N dimetilamminoetano N.N-dimetiletanammina etildimetilammina . dialchilammina.N-dialchilammino) Comune: alchilammina. etc. alchilalchil'ammina.Nomenclatura IUPAC: alcanammina come gruppo: H2N– ammino RNH – (N-alchilammino) R2N – (N. Nomenclatura Ammine eterocicliche NH2 N N H anilina indolo N N H N piridina piperidina pirimidina N N H N H N H pirrolo pirrolidina imidazolo . 1 31. °C CH3CH3 CH3NH2 CH3OH 30..0 –88.4)) N H R H sp3 trigonale piramidale PM p.5 – 2. < 65.6 < –6.0 – 2.3 NH2 p.9) è < di quella tra O e H (3..1 = 1.eb.0 NH < 34 N < 3 .1 32.eb.Proprietà fisiche • Le amine sono composti moderatamente polari • legami idrogeno N–H----N sono più deboli di O–H----O (differenza in elettronegatività tra N e H (3.1 = 0. °C 48 Sono solubili in acqua. H2N H2N NH2 NH2 putrescina 1.Solubilità e odore • Ammine corte (<6 C) sono solubili in acqua. • La maggior parte delle ammine puzzano di pesce in putrefazione. • Tutte le ammine sono accettori di legame idrogeno da acqua e alcoli.5-pentandiammina nella carne in putrefazione 11 .4-butandiammina cadaverina 1. • La ramificazione aumenta la solubilità. Sintesi di Ammine 1. Riduzione: – – – – 4. di azidi di nitrili di ammidi di ossime Aminazione riduttiva di aldeidi o chetoni Riduzione di nitrocomposti aromatici Riarrangiamento di Hofmann Riarrangiamento di Curtius 12 . 5. Alchilazione diretta per l’ottenimento di ammine 1° 2. Sintesi di Gabriel di ammine 1° 3. 6. 7. • L’alchilazione non può essere controllata! • Per fare un’ammina 1° si usa un largo eccesso (10:1) di ammoniaca con un alogenuro 1° o un tosilato 1° (SN2). 13 . Alchilazione diretta – ammine 1° • Le ammine reagiscono con gli alogenuri 1° con meccanismo SN2. etc. and tri-alchilati e infine sali di tetralchilammonio.Sintesi di Ammine 1. • Problema: polialchilazione: si formano miscele di prodotti mono-. di-. NH3 Nu B Nu B RX RNH2 RX R2NH RX R 3N NH3 + RX ĺ RNH3+ + X– NH3 + RNH3+X– ' RNH2 + NH4+X– RNH2 + RX ĺ R2NH2+ + X– RX R4N+X– La reazione dovrebbe fermarsi qui NH3 + R2NH2+ X– ' R2NH + NH4+X– etc. poi si scalda con idrazina.Sintesi di Ammine 2. • Il substrato RX deve essere adatto a SN2. O O _ N K+ KOH NH O ftalimmide pKa 9 O ftalimmide potassica Limiti della reazione: 1) RX solo 1° e 2° 2) produce solo ammine 1° N non ulteriormente alchilabile O R–X KOH N R O H2O R–NH2 + acido ftalico NH2–NH2 idrazina calore O NH NH O + R–NH2 . Sintesi di Gabriel di ammine 1° • Si usa l’anione ftalimide come una forma di ammoniaca che può essere alchilata un sola volta. 4-dione 15 .Sintesi di Gabriel Meccanismo O N-R NH2NH2 HO NHNH 2 O NHNH2 NHR N-R O O O O NH NH RNH2 + O O NH NH O NHR ftalazina 1. Sintesi di Gabriel Esempi O O NK O Br N O Br H2NNH2 NK O NH2 O O N O NH2 H2NNH2 NH2 16 . Alchil azidi sono esplosivi! Non si isolano.Sintesi di Ammine 3a. Reagisce con alogenuri o tosilati 1° e 2° non ingombrati (SN2). R–X + N3– ĺ R–N3 + X– • L’azide viene ridotta con LiAlH4 o con H2/Pt. Riduzione di azidi • L’azide è un buon nucleofilo. Pd o Ni R–N3 + LiAlH4 Br NaN3 H 3O + ĺ → R–NH2 N3 1) LiAlH4 2) H2O NH2 17 . Sintesi di Ammine 3b. Riduzione di nitrili • Il cianuro –C≡N è un buon nucleofilo per SN2. 1) LiAlH4 2) H 2O RCH2NH2 CH2NH 2 . • La riduzione del nitrile con H2/cat o LiAlH4 fornisce il gruppo –CH2NH2 (1 C in più rispetto alla catena originaria) R X Br NaCN DMSO NaCN R CŁN CN H2 cat. un’ammina 1° o 2° per dare un’ammide.Sintesi di Ammine 3c. Riduzione di ammidi • Un cloruro di un acido reagisce con ammoniaca. • Il C=O dell’ammide viene ridotto a CH2 con LiAlH4. – ammoniaca dà un’ammina 1°: O NH3 O 1) LiAlH4 NH2 Cl 2) H3O+ NH2 – un’ammina 1° dà un’ammina 2°: O O CH3CH2NH2 1) LiAlH4 N H Cl + 2) H3O N H – un’ammina 2° dà un’ammina 3°: O O Cl (CH3)2NH N(CH3)2 1) LiAlH4 N(CH3)2 2) H3O+ 19 . Riduzione di ossime O NH2OH N OH H2/Ni NH2 H+ 20 .Sintesi di Ammine 3d. Aminazione riduttiva di aldeidi o chetoni • È una interessante reazione che ha il suo equivalente biologico nella biosintesi degli ammino acidi. un’ammina primaria: si ottiene un’ammina secondaria 3. un’ammina secondaria: si ottiene un’ammina terziaria 21 .Sintesi di Ammine 4. • Si fa reagire un’aldeide o un chetone in presenza di un agente riducente (H2/Ni. litio cianoboroidruro Li(CN)3BH3. sodio cianoboroidruro Na(CN)3BH3. ammoniaca: si ottiene un’ammina primaria 2. sodio acetatoboroidruro Na(Ac)3BH) con: 1. Aminazione riduttiva di aldeidi o chetoni 1) NH3 O 1) LiAlH4 NH 2) H3O+ H+ ammina 1° immina CH3NH 2 O N CH3 1) LiAlH4 immina H 3C O 3) (CH 3 )2NH H H+ HN CH3 2) H3O+ H+ 2) NH2 ammina 2° N CH 3 H3C Na(CH3 COO)3BH H sale di imminio N CH 3 COOH 22 CH 3 .Sintesi di Ammine 4. Riduzione di nitrocomposti aromatici • È un metodo usato comunemente per sintetizzare aniline. Zn/AcOH (Clemmensen)) – per idrogenazione catalitica in fase eterogenea (PtO2) o omogenea (RuCl2(PPh3)3). Sn/HCl. HCl EtOH NO2 O NH2 o NaBH4/NiCl2 NO2 O Fe/AcOH NH2 il CO non si riduce . CH3 CH3 Zn.Sintesi di Ammine 5. • –NO2 può essere ridotto a –NH2 in diverse condizioni: – un idruro e un acido di Lewis (NaBH4 + NiCl2) – un metallo attivo in soluzione acida (Fe/AcOH o HCl. Sintesi di Ammine 6. – Hofmann O R C NH 2 X2. OHH 2O RNH 2 – Curtius O R C N3í Cl O C N3 R acil azide ∆ R–N=C=O H 2O RNH 2 + CO2 alchil isocianato 24 . Riarrangiamento di Curtius di acil azidi ad ammine 1° • Hanno meccanismo simile ma differenti condizioni. Riarrangiamento di Hofmann di ammidi 1° ad ammine 1° 7. Riarrangiamento di Hofmann In presenza di una base forte. le ammidi primarie reagiscono con cloro o bromo per formare ammine con un atomo di carbonio in meno. O R HO – N H H R H N – Br–Br O R O O N H R N– Br R–N=C=O N + Br- – estrazione di un protone N-H Br N-Bromoammide O –OH Br –OH R H HO C R N O– R–N=C=O isocianato HO C O R N – H–O–H –O C O R N H H–O–H –CO2 H R N H – estrazione di un protone N-H – riarrangiamento a isocianato –Isocianato reagisce con H2O per dare acido carbammico che perde CO2 . C C : O N=N=N: : R O R : : Riarrangiamento di Curtius NíNŁN: ∆ R–N=C=O + H 2O RNH 2 + CO2 :NŁN: 26 . Reattività delle Ammine 27 . 8 – 11). • Ammoniaca ha pKa = 9. Le alchil ammine sono di solito basi più forti dell’ammoniaca (pKa 9. . la solvatazione dello ione diminuisce (e con essa la stabilizzazione dell’acido coniugato). – 2) Ibridazione dell’azoto: un lone pair in un orbitale a più alta energia è più basico: Nsp3 > Nsp2 > Nsp – 3) Ogni delocalizzazione del lone pair diminuisce la basicità. per cui le ammine 2° e 3° hanno basicità simile alle 1°.Basicità • Il lone pair di elettroni può accettare un protone da un acido.26. • La basicità dipende da: – 1) Solvatazione: Aumentando il numero di gruppi alchilici. 61 CH3CŁN 1.0 -10.3 5.0 29 .0 -1.3 4.0 10.7 10.0 0.7 9.Basicità NH3 11. Acidità • Ammine 1º e 2º sono anche debolmente acide (pKa NH3 = 34). (pKa è qui usato come una misura dell’acidità dell’ammina e non del suo acido coniugato). RLi o sodio. KOH. La reazione ipotetica è: NH3 + H2O → NH2(–) + H3O(+) • Gli stessi fattori che diminuiscono la basicità ne aumentano l’acidità. C6H5SO2NH2 33 27 19 15 10 9. derivati da acidi molto deboli. Per una deprotonazione completa la base deve essere circa 1 milione di volte più forte. es. 30 . NaH.6 • Per la deprotonazione si devono usare basi molto forti. 3 10.7 11.Importanti basi organiche Piridina Trietilammina Base di Hünig DBU (C2H5)3N 5.4 12 Base di Barton Potassio t-Butossido Sodio HMDS Sodio esametildisilazide LDA Litio diisopropilamide (CH3)3CO(–) K(+) [(CH3)3Si]2N(–) Na(+) 14 19 26 [(CH3)2CH]2N(–) Li(+) 35.7 . Reazioni di sali di ammonio quaternario • Il gruppo –NR3+ è un buon gruppo uscente. • La reazione dipende dalla base: – se è un buon nucleofilo. SNCí. ArOí. CNí. Ií. Brí. RCOOí. NO3í. ArSí 32 . si ha SN2 – se è una base forte di ha E2 SN2 Nuí + R–NRƍ3 —→ R–Nu + NRƍ3 Nuí: Fí. Clí. si ha eliminazione. CH3X ecc. íOR e vi sono H β.Reazioni di sali di ammonio quaternario • Eliminazione di Hofmann – Se la base è íOH. NH2 Ag2O / H2O NMe3 X Metilazione esaustiva –AgX NMe3 OH OH H H + 150°C NMe3 95% 5% 33 . Reazioni di sali di ammonio quaternario • Eliminazione di Hofmann • Si forma l’alchene meno stabile per astrazione dell’H meno inglombrato (Regola di Hofmann). non assomigli ai prodotti e quindi non risenta dei fattori che stabilizzano gli alcheni. • Si pensa che lo S. δOH δOH H H δ- δNMe3 34 . abbia carattere carbanionico.T. Reazioni di sali di ammonio quaternario • Eliminazione di Cope • Quando un N-ossido di un’ammina terziaria viene riscaldato tra 150 e 200°C si ha una reazione di eliminazione con meccanismo sin concertato. salvo quando vi sia in β un fenile: H3C CH2 N O H3C H H3C H H CH3 calore 93% H2C CH3 + H CH3 7% + Me2N-OH 35 .N-dimetil idrossilammina base forte Quando si possono avere 2 eliminazioni. si forma l’alchene meno sostituito. Me N Me H2O2 H2O Me N H O Me + Me2N-OH N. l’azoto ne ha molti. Stato OX Formule (nomi) _3 R3N (ammine) R4N(+) (ammonio) C=N–R (immine) CŁN (nitrili) _2 R2N–NR2 (idrazine) C=N–NR2 (idrazoni) _1 RN=NR (azo composti) R2NOH (idrossil ammina) R3NO (ammina ossido) 0 N2 (azoto) R–N2(+) (diazonio) +1 R–N=O (nitroso) +3 R-NO2 (nitro) RO–N=O (nitrito) 36 .Stati di ossidazione dell’azoto • Mentre l’ossigeno ha 2 soli stati di ossidazione. da í3 a +5. í2 e í1. MCPBA. anche all’aria. • Le ammine 2° si ossidano a idrossilammina (íNOH) R2N-H J R2N-OH • Le ammine 3° si ossidano ad ammine ossido (íN+íO-) R3N J R3N-O . • Comuni agenti ossidanti: H2O2 .Ossidazioni di Ammine • Le ammine sono ossidate facilmente. alifatica o aromatica. 2°. 3°.3 H + HíOíN=O H + :N=O + :NŁO + H2O ione nitrosonio elettrofilo • Essendo elettrofilo reagisce con le ammine che sono nucleofili. in acqua. + HíOíN=O acido nitroso pKa 3. ossia se 1°. – Ciò che accade dipende dalla natura dell’ammina. . perde acqua e forma lo ione nitrosonio che è l’agente nitrosante. • L’acido nitroso viene protonato.Reagente Acido Nitroso • L’acido nitroso si produce in situ mescolando sodio nitrito e HCl o H2SO4. • Le ammine 2° formano N-nitrosoammine. – I sali di alchildiazonio sono instabili e perdono azoto. RíN+≡N. Se porta un sostituente reagiscono all’azoto. quelle aromatiche subiscono nitrosazione al C-para dell’anello. R2NíN=O.Reazioni con Acido Nitroso • Le ammine 1° formano sali di diazonio. che sono cancerogene su animali da laboratorio. • Le ammine 3° alifatiche reagiscono a caldo ma si frammentano. . quando libero. – I sali di arildiazonio sono stabili (a bassa t) e sono molto usati in sintesi. 40 .0°C) è può essere usato in reazioni successive. E2 R = alchile trasposizioni R íH R RíN=NíOH N N=O tautomeria H N-nitrosoammina íN2 RíNŁN X H íH2O RíN=NíOH2 catione diazonio Se R = arile il sale di diazonio è relativamente stabile (-5°C . E1. cloruri.Reazioni con Acido Nitroso: Diazosali Ammine 1° RíNH2 HNO2 0°C :N=O H R N N=O H X alcoli. SN1 H2O alcheni. HCl. H2O O=N CH3 0°C NaNO2. H2O 0°C N CH3 O2N CH3 N N=O 41 . HCl.Reazioni con Acido Nitroso Ammine 2° R N H R HNO2 0°C :N=O H R N N=O R X íHX R N N=O R N-nitrosoammina Ammine 3° aromatiche N CH3 CH3 O2N N CH3 CH3 NaNO2. • Dato che l’azoto è una molecola stabile le reazioni sono termodinamicamente favorite. . con tetrafluoborato BF4–. I sali di diazonio e tetrafluoborato sono stabili e possono essere isolati. • I sali di diazonio reagiscono con nucleofili che sostituiscono il gruppo diazonio –+N≡N. • La reazione che.Sali di Arendiazonio • Stabili in soluzione a 0°–10°C. liberando azoto. • La reazione con acido ipofosforoso. porta al fluoro derivato si dice reazione di Schiemann. H3PO2. • Le reazioni che usano come catalizzatore sali rameosi si dicono reazioni di Sandmeyer. rimuove un nitro gruppo o un ammino gruppo e procede probabilmente con meccanismo radicalico. Reazioni dei Sali di Arendiazonio 43 . la reazione retroscinde. Z N N Z X N N + Y Il gruppo Z elettronattrattore aumenta la elettrofilicità dell’N Z N N Il gruppo Y elettrondonatore aumenta la nucleofilicità dell’anello: O-. NHR. dipendentemente dalla sostituzione e sono usati come coloranti. Gli azocomposti che si formano sono colorati dal giallo al blu.Reazione di diazocopulazione N N N N X Nuí N N Nu azocomposto E>Z • A meno che l’azocomposto non sia stabilizzato. OR Y 44 . NR2. • La più importante applicazione è la SE aromatica di aromatici attivati da parte del sale di diazonio.