Reazioni Chimica Organica

Transcript

1 Reazioni Chimica Organica AO

2 Reattività degli alcani Gli alcani possiedono solo due tipi di legami: C-H (98 Kcal/mole) e C-C (88 Kcal/mole). Sono legami poco reattivi e reagiscono generalmente in modo non selettivo. Le reazioni tipiche degli alcani sono: 1. Combustione per reazione con ossigeno molecolare C n H 2n +2 + (3 n +1/2)O 2 -> nco 2 +(n+1)h 2 O 1. Alogenazione radicalica non selettiva R-H+A-B -> R-A+H-B (R-H è un alcano, A-B è un alogeno) 2

3 Alogenazione radicalica La reazione di alogenazione avviene in presenza di luce (Rad.UV) o fornendo calore. Si ottiene un ALOGENURO ALCHILICO e ACIDO ALOGENIDRICO Cl 2 2Cl Fase di iniziazione CH 4 + Cl CH 3 + HCl CH 4 + Cl CH 3 + HCl Fase di propagazione CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl CH 3 + Cl CH 3 Cl CLOROMETANO Fase di terminazione: X-X oppure R-R oppure R-X (X=Cl, Br)

4 Radicali (I) Sono specie non ioniche contenenti un elettrone spaiato in un orbitale. Hanno preferenzialmente geometria planare, con il carbonio ibridizzato sp 2 e sono tanto più stabili quanto più i sostituenti sono numerosi e ricchi di densità elettronica (terziario > secondario > primario). 'R "R R'" 4

5 Radicali (II) I radicali possono essere prodotti per rottura omolitica (in due parti in cui ognuna conserva un elettrone) di un legame oppure per addizione di un radicale a un legame multiplo. La rottura omolitica può essere provocata fornendo l esatta quantità di energia (scaldando oppure irradiando alla giusta lunghezza d onda) a un legame non particolarmente stabile (iniziatori radicalici): questa è detta fase di iniziazione. 5

6 Radicali (III) La rottura omolitica si può ottenere anche con interazione di un radicale con un legame che provoca la formazione di un composto covalente e di un nuovo radicale (fase di propagazione). L incontro di due radicali può provocare la ricombinazione a dare un legame covalente (fase di terminazione). 6

7 Gli alcheni: reattività (addizione elettrofila) Il doppio legame è un sito ad alta densità elettronica (sito nucleofilo). La tipica reattività è quella di addizione al doppio legame da parte di elettrofili (atomi o porzioni molecolari elettronpovere a bassa densità elettronica). E + E E Nu E Sin La reazione produce un carbocatione intermedio che viene attaccato da un nucleofilo. + Anti Nu Nu Si rompe il doppio legame p-greco dell alchene e il legame sigma del reagente ma si formano due legami sigma (più forti di p-greco) e un prodotto saturo più stabile 7

8 Gli alcheni: carbocationi Sono specie ioniche cariche positivamente prodotte per rottura eterolitica (in due parti una carica positivamente e l altra negativamente) di un legame C-X (C = C, H, O, Cl, Br, etc.) oppure per addizione di una specie carica positivamente ad un doppio legame. Hanno geometria planare, con il carbonio ibridizzato sp 2 e sono tanto più stabili quanto più i sostituenti sul carbocatione sono numerosi e ricchi di densità elettronica. 'R "R R'" 8

9 Gli alcheni: la regola di Markovnikov (addizione di reagenti asimmetrici ad alcheni asimmetrici) Addizione di acidi alogenidrici (HCl, HBr, HI) ad alcheni H 3 C CH + H Cl CH 2 H 3 C CH 2 CH 2 H 3 C CH CH 3 Cl H 3 C CH 2 H 2 C H 3 C CH Cl Cl CH % Regola di Markovnikov: nelle addizioni di HX agli alcheni asimmetrici, H si va a legare al C meno sostituito mentre X si lega al più sostituito. 9

10 Gli alcheni: addizione elettrofila La reazione di alcheni (con catalizzatori acidi H 2 SO 4, HNO 3 etc.) può portare alla somma di H 2 O in quanto dopo l addizione di H + come elettrofilo si può avere attacco di H 2 O come nucleofilo (l acqua si comporta da nucleofilo per la presenza di doppietti liberi su O). Segue Markovnicov. Si forma un alcol. Avviene in due stadi (1 formazione carbocatione; 2 addizione acqua (alcol protonato) da cui si libera H+ e si forma alcol. IDRATAZIONE ALCHENI in presenza di un catalizzatore acido. L acqua infatti non è così «acida» da fornire i protoni per innescare il processo 10

11 Gli alcheni: addizione elettrofila Alogenazione (Br, Cl) di alcheni Alchene + alogeno (Br2 o Cl2) in solvente inerte come CCl4. Si forma un alogenuro alchilico chiamato dialogenuro vicinale poiché ha due alogeni legati a due carboni adiacenti ETENE (sp2) DIBROMOETANO (sp3)

12 Gli alcheni: idrogenazione L idrogenazione dei doppi legami viene impiegata nell industria per trasformare gli oli vegetali (acidi grassi insaturi) in margarina. L addizione di idrogeno molecolare necessita di un catalizzatore, ovvero un composto (normalmente Pd, Pt, Ni metallici, finemente suddiviso) che velocizza (abbassando l energia di attivazione) la reazione. Il catalizzatore favorisce la rottura del legame H-H. La reazione avviene sulla superficie del metallo e l addizione dei due atomi di idrogeno avviene sulla stessa faccia del doppio legame.

13 Reazioni alchini la reattività è data dalla presenza del triplo legame (alta densità elettronica) Attacco per H 2 e per agenti elettrofili (reazioni di addizione) Le reazioni di addizione possono sviluppare sino ad ottenere composti saturi oppure essere controllate facendo in modo che si abbia un'addizione parziale al triplo legame, trasformandolo in un doppio legame. 2 stadi: rottura di un legame p-greco e successiva rottura del secondo: risultato =alcano IDROGENAZIONE ADDIZIONE ELETTROFILA

14 Gli alchini: idrogenazione Come per gli alcheni, è possibile idrogenare cataliticamente anche gli alchini. Il primo prodotto della reazione è un alchene che può essere ulteriormente idrogenato ad alcano. Serve un catalizzatore metallico (Pd,Ni,Pt). È possibile evitare questa seconda idrogenazione usando catalizzatori modificati quali il palladio Lindlar (Palladio e carbonato di calcio).in tal caso la reazione si ferma all alchene poiché viene addizionata solo 1 mole di Idrogeno. 14

15 Gli alchini: addizione elettrofila (con alogeni, acidi alogenidrici o H2O) Idratazione La reazione di alchini con catalizzatori acidi (H 2 SO 4, HNO 3 etc ) porta alla somma di H 2 O. In presenza di catalizzatori acidi. Intermedio instabile: ENOLO che isomerizza a chetone o a aldeide. (tautomeria cheto-enolica)

16 Gli alchini: addizione elettrofila (con alogeni, acidi alogenidrici o H2O) ALOGENAZIONE E ACIDI ALOGENIDRICI La reazione porta a prodotti diversi a seconda che l alchino reagisca con 1 mole o 2 moli di reagente Se l alchino è asimmetrico l addizione di H-X segue Markovnikov

17 Reattività dei composti aromatici Il benzene risulta inerte in reazioni di addizione che comporterebbero perdita di aromaticità del sistema. Il benzene reagisce tipicamente mediante reazioni di sostituzione elettrofila, i cui prodotti risultano ancora aromatici. La reazione procede in due stadi: 1) l elettrofilo si lega a un carbonio dell anello (sp3) con carica + delocalizzata in orto e para e transitoria perdita dell aromaticità 2) L atomo di idrogeno legato al carbonio sp3 viene allontanato come H+. Si ricostituisce l aromaticità e si forma il derivato del benzene 17

18 Sostituzione elettrofila aromatica Il meccanismo di sostituzione elettrofila è lo stesso per tutte le reazioni ed è indipendente dal tipo di elettrofilo. La reazione ha inizio con l agente elettrofilo (specie che presenta una carica positiva o una lacuna elettronica) che va alla ricerca di elettroni sull anello benzenico, legandosi ad esso e dando luogo ad un intermedio carico positivamente privo di aromaticità e rappresentabile con più formule limiti di risonanza (carica + in orto e in para). 18

19 Sostituzione elettrofila aromatica (2) L intermedio è una specie instabile che libera uno ione H +. In questo passaggio si ha formazione del prodotto finale di sostituzione con il recupero di aromaticità. Prodotto finale Diagramma dell energia di reazione 19

20 Sostituzione elettrofila nel benzene Le principali reazioni di sostituzione elettrofila del Benzene sono : NITRAZIONE (HNO3) con catalizzatore acido per formare ione nitronio - NO2 che è l elettrofilo forte) ALOGENAZIONE (Cl2 obr2),con FeCl3 per formare Cl+ che si comporta da elettrofilo forte ALCHILAZIONE (Alogenuro alchilico R-X dove X=Cl o Br), SOLFONAZIONE (H2SO4) 20

21 Reazioni di sostituzione elettrofila aromatica Il decorso delle reazioni di sostituzione elettrofila è fortemente dipendente dai gruppi funzionali già presenti sull anello. Un sostituente sull anello può facilitare o impedire la reazione, può comportarsi cioè da attivante o disattivante per la sostituzione. Il tipo di sostituente sull anello, in termini di disponibilità elettronica, è determinante nell indirizzare la posizione di attacco dell elettrofilo.

22 Reattività dell anello: gruppi attivanti Un gruppo sostituente è definito attivante se è in grado di fornire elettroni all anello benzenico, rendendolo quindi più incline ad interagire con un elettrofilo. Questo comportamento è tipico ad esempio del gruppo amminico, ben visualizzabile nell anilina. 22

23 Reattività dell anello: gruppi disattivanti Un gruppo sostituente è definito disattivante se sottrae elettroni all anello benzenico, rendendolo quindi meno incline ad interagire con un elettrofilo. Questo comportamento è tipico ad esempio del gruppo nitro, ben visualizzabile nel nitrobenzene. 23

24 Reattività dell anello: orientazione dei sostituenti Gruppi fortemente attivanti hanno un effetto ortopara orientante, giustificato dal fatto che queste posizioni risultano elettronicamente più arricchite, come si evince dall analisi delle formule limiti di risonanza dell anilina (slide precedente). Gruppi fortemente disattivanti hanno un effetto meta orientante, giustificato dal fatto che queste posizioni risultano elettronicamente meno impoverite, come si evince dall analisi delle formule limiti di risonanza del nitrobenzene (slide precedente). 24

25 Reattività dell anello: orientazione dei sostituenti (2) 25

26 Sostituzione elettrofila: la nitrazione Formazione dello ione nitronio: 1. l acido solforico concentrato (catalizzatore) protona il gruppo OH dell acido nitrico; 2. la perdita di H 2 O genera lo ione nitronio. 26

27 Sostituzione elettrofila: la nitrazione 27

28 Alogeno derivati: reattività Il legame carbonio-alogeno è molto polarizzato: reattività elettrofila del carbonio rottura del legame con uscita di X - reazioni di sostituzione nucleofila.

29 Alogeno derivati: la sostituzione nucleofila Nella reazione di sostituzione nucleofila si ha l uscita di un alogenuro con il suo doppietto elettronico e l ingresso di una specie neutra o anionica che possiede un doppietto elettronico (base di Lewis). La scala di nucleofilicità dipende dalla basicità ma anche dalla polarizzabilità degli elettroni (I > Br > Cl > F): SH - > CN - > I - > RNH 2 > OH - > Br - > PhO - > CH 3 COO - > Cl - > F - > NO 3- > H 2 O. 2 meccanismi: Sostituzione nucleofila bimolecolare S N 2. Sostituzione nucleofila unimolecolare S N 1. 29

30 La sostituzione nucleofila S N 2 (I) Reazione bimolecolare in cui il Nu: entra dal retro della molecola lungo il legame C-X che si rompe; Stato di transizione bipiramidale trigonale: Nu + C X Nu C X Nu C + X Inversione di disposizione dei sostituenti intorno all atomo di carbonio. È detta bimolecolare perché nello stadio cineticamente determinante partecipano sia il substrato che il nucleofilo. Velocità = k[alogenoalcano][nucleofilo]

31 La sostituzione nucleofila S N 2 (II) Un esempio: formazione di un alcol primario per sostituzione nucleofila di secondo ordine in un alogenuro primario.

32 La sostituzione nucleofila S N 1(I) Reazione unimolecolare in cui l entrata del Nu: è preceduta dallo stadio di ionizzazione in cui si forma un carbocatione: Nu C X C + X Nu C È detta unimolecolare perché lo stadio cineticamente determinante è costituito dalla ionizzazione. S N 2 vs S N 1: S N 2 favorita su substrati I ari > II ari > III ari. S N 1 favorita su substrati III ari > II ari > I ari Velocità = k[alogenoalcano] 32

33 La sostituzione nucleofila S N 1(II) Un esempio: formazione di un alcol terziario per nucleofila di primo ordine in un alogenuro terziario. Velocità = k[alogenoalcano] 33

34 Alcoli: acidità (I) Equilibrio di ionizzazione: Alcol Struttura Ka pka Metanolo CH 3 OH 3.2x10-16 Etanolo CH 3 CH 2 OH 1.3x Cloroetanolo ClCH 2 CH 2 OH 5.0x ,2,2-Tricloroetanolo Cl 3 CCH 2 OH 6.3x10-13 t-butanolo (CH 3 ) 3 COH 1.0x10-18 Cicloesanolo C 6 H 11 OH 1.0x Gli alcoli sono acidi deboli (pka = ) e l acidità diminuisce all aumentare del gruppo alchilico. Fenolo C 6 H 5 OH 1.0x10-10 Paragone con altri acidi Acqua H 2 O 1.8x Acido Acetico CH 3 COOH 1.6x Acido Cloridrico HCl 1.6x Zanichelli editore, 2014

35 Alcoli: acidità (II) Gli alcoli con un gruppo elettron-attrattore (per esempio contenenti un alogeno come il fluoro) risultano più acidi a causa dell effetto induttivo, per il quale sul carbonio dello ione alcossido (la base coniugata) si crea una parziale carica negativa che neutralizza in parte la carica positiva sull ossigeno, rendendola meno propensa a riacquistare il protone. Ione 2, 2, 2 difluoroetossido, base coniugata del 2, 2, 2 - difluoroetanolo

36 Alcoli: ossidazione (I) Gli alcoli possono essere ossidati per reazione con sali di metalli in alto stato di ossidazione, come Cr(VI), Mn(IV), Ru(VIII) ecc. Gli alcoli primari portano ad aldeidi o acidi carbossilici, quelli secondari a chetoni. Il meccanismo di questa reazione prevede l attivazione del legame C-H e la formazione di un doppio legame C=O. La reazione di alcoli primari procede a dare, come primo stadio della reazione, l aldeide R CHO che viene poi ossidata ad acido carbossilico R COOH. È possibile fermarsi ad aldeide usando ossidanti più blandi.

37 Alcoli: ossidazione (II) Zanichelli editore,

38 Struttura e proprietà del gruppo carbonilico Doppio legame C=O e varia sostituzione al C (H, alchili, alogeni, OR, SR etc ). C ibridizzato sp 2 e quindi planare. C O O d - C d + reattività nucleofila reattività elettrofila C O C O Forte momento di dipolo C O. Ossigeno nucleofilo reagisce con acidi di Lewis. Carbonio elettrofilo reagisce con nucleofili. 38

39 I composti che contengono il gruppo carbonilico O O R C H Aldeidi R C OR Esteri O O R C R Chetoni R C NR 2 Ammidi O O O R C OH Acidi Carbossilici R C O R Anidridi O R C Cl Cloruri acilici 39

40 Reazioni al gruppo carbonile ADDIZIONE NUCLEOFILA : formazione emiacetali/acetali (v.slide seguente) RIDUZIONE Aldeide -> alcol 1 Chetone -> alcol 2 OSSIDAZIONE Aldeidi -> acidi carbossilici Ricorda Reazione Fehling Zuccheri

41 Addizione di nucleofili al carbonile Anche nucleofili con eteroatomi sono in grado di addizionarsi al carbonile. Queste reazioni sono in generale degli equilibri dove il prodotto non è sempre favorito. R R O C O C R' R' H H O R" N H HO R HO R" R C OR" R' Emiacetale Emichetale C NHR" R' Emiamminale R"O R R C Acetale Chetale N C Immina OR" R' R" R' Ricorda! Ciclizzazione del Glucosio! 41

42 Reattività degli acidi carbossilici (I) La reattività degli acidi carbossilici è legata al gruppo O-H che in presenza di una base forte può cedere H (SALIFICAZIONE) o in presenza di un nucleofilo (es. OR o NH2) può essere sostituito (sostituzione nucleofila) 42

43 Reattività degli acidi carbossilici (II) La caratteristica di tutti i derivati degli acidi carbossilici è la reazione di sostituzione nucleofila acilica in cui il passaggio iniziale è quello di addizione al carbonile con formazione di un intermedio tetraedrico. Questo intermedio evolve a formare nuovamente il carbonile. Il risultato netto è una sostituzione. 43

44 Saponificazione La reazione inversa alla formazione di un estere è la cosiddetta idrolisi alcalina o saponificazione. 44

45 I saponi (I) In natura gli acidi grassi (acidi carbossilici a lunga catena, C 16 -C 20 ) si trovano prevalentemente sotto forma di esteri del glicerolo: trigliceridi. 45

46 Ammidi (I) La condensazione tra un acido carbossilico e un ammina con eliminazione (formale) di una molecola di acqua dà luogo a un ammide. Il legame ammidico è molto forte a causa della presenza di due forme di risonanza: Quando il legame ammidico si trova nelle proteine viene chiamato LEGAME PEPTIDICO. Una AMMIDE molto importante è l UREA che rappresenta il prodotto finale del metabolismo proteico ed è eliminata con i RENI

47 Il legame ammidico Il legame ammidico è molto stabile e difficilmente idrolizzabile. Le proteine sono costituite da a-amminoacidi legati uno all altro da serie di legami ammidici (legami peptidici) e hanno una struttura poliammidica. La rigidità del gruppo ammidico determina la struttura tridimensionale delle proteine e la loro funzione. 47