A ph 7 la formazione dell'addotto è un equilibrio rapido e lo stadio rate-determining diventa la disidratazione k 2

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1 grafici con la concavità verso il basso sono diagnostici di un cambiamento dello stato ratedetermining entro lo stesso meccanismo Esempio: formazione dei semicarbazioni H H NNHNH H H NHNHNH H NHNHNH H k H N NH NH H 3 In soluzione acida lo stadio più lento è la formazione dell'addotto H L'attacco nucleofilo della semicarbazide sull'aldeide è favorito dai gruppi ad attrazione elettronica e quindi si aspetta ρ exp positivo ρ exp ~ ρ 1 a ph 1.75 ρ exp = 0.91 = ρ 1 A ph 7 la formazione dell'addotto è un equilibrio rapido e lo stadio ratedetermining diventa la disidratazione k ρ exp = ρ equ ρ La reazione è favorita dai gruppi a rilascio elettronico e quindi si aspetta ρ negativo ρ equ ha un valore positivo (1.81 e ρ un valore negativo (1.74: in parte si compensano e quindi ρ exp ha un valore piccolo ρ exp = = 0.07 In soluzione neutra la reazione è pochissimo influenzata dai sostituenti sull'anello aromatico Ad un valore di ph intermedio tra 1.75 e 7 non si possono usare le semplificazioni di SSA 1

2 a ph 3.9 che lo stadio ratedetermining sia la formazione dell'addotto ( o la disidratazione (k DIPENDE DAL SSTITUENTE on i sostituenti a rilascio elettronico la disidratazione è veloce ρ exp > 0 on i sostituenti ad attrazione elettronica la disidratazione è lenta ρ exp = ρ equ ρ piccolo Reazioni parallele k exp = k Se e k rispondono diversamente ai sostituenti, ci si deve aspettare una curvatura nel grafico di Hammett Per esempio, assumiamo che sia >> k a σ << 0 << k a σ >> 0 si ottengono due casi limite per k exp / exp >> k k exp k1 k = = exp 1 << k 0 k 0 = k 0 k 0 = k 1 ( 1 0 ( passando ai logaritmi: log ( k exp = exp >> k << k ( log ( log k log ( 1 1 ( log

3 k log( exp = exp >> k << k ρ 1 σ costante ρ σ costante' Se ρ 1 e ρ sono diversi, il grafico di Hammett ha una curvatura, con la concavità RIVLTA VERS L'ALT Esempio: idrolisi di benzoati di etile in H S % L'acqua è in concentrazione molto bassa (0.1% ed è completamente protonata. in queste condizioni non sono operativi i meccanismi che si hanno in soluzione acquosa In queste condizioni si hanno due meccanismi in competizione A Ac 1 con scissione del legame acile A Al 1 con scissione del legame alchile H H 3 H H H H H 3 H H 3 H A Ac 1 se σ < 0.6 A Al 1 se σ > 0.6 ρ = 3. ρ = 1.4 H EtH Et H H H EtH H 3

4 Grafici di Hammett con la concavità verso l'alto sono diagnostici di un cambiamento di meccanismo ALTRE STANTI DEL SSTITUENTE (σ, σ, σ 0 ; EQUAZINE DI YukawaTsuno Le costanti del sostituente σ, determinate dalla ionizzazione degli acidi benzoici, comportano un'interazione di risonanza tra il sostituente ed il gruppo carbossilato Se tra ed un qualsiasi gruppo funzionale ci fosse la stessa interazione di risonanza che tra ed il carbossilato, i valori di σ sarebbero universali log (K/K 0 per la ionizzazione di acidi benzoici 4

5 I fenoli sostituiti con gruppi ad attrazione elettronica in para sono acidi più forti di quanto previsto dalla relazione ρσ N coniugazione diretta (through conjugation N N N anche le basi coniugate degli ioni anilinio hanno coniugazione diretta: : NH NH NH 3 N N N i σ p non possono andare bene nel caso della dissociazione di ioni anilinio e di fenoli Poiché i composti sostituiti in meta non hanno through conjugation, si può costruire il grafico con i σ m K meta log = ρσ m K 0 K para ricavato ρ, si determina la nuova costante del sostituente usando log K 0 e ρ pn log K meta K 0 0 ρ 0 σ p σ σ m Queste nuove costanti del sostituente, che si riferiscono alla coniugazione extra della carica negativa, rispetto a quanto succede con i benzoati, si indicano con σ σ p > σ p 5

6 Analogamente, ci può essere coniugazione diretta tra un carbocatione legato ad un anello aromatico e sostituenti a rilascio elettronico in posizione para H H 3 H 3 H 3 3 : i σ p non possono andare bene nel caso della formazione di carbocationi Anche qui si può costruire il grafico con i σ m k ricavato ρ, si determina la nuova costante del sostituente usando para log pme e ρ log k meta 0 ρ σ σ σ p 0 σ m Equazione di kamotobrown reazione di riferimento: idrolisi (S N 1 di clorofenilpropani solvente: 90% acetone 10 % H log (k/ in funzione di σ dà un'ottima retta con i σ m e con i σ p di sostituenti ad attrazione elettronica ρ = 4.54 Per i sostituenti a rilascio elettronico σ = log (k/ σ p < σp 4.54 le sostituzioni elettrofile aromatiche si correlano meglio con i σ le sostituzioni nucleofile aromatiche si correlano meglio con i σ se una reazione correla meglio con σ p (o con σp che con σp, significa che i sostituenti in para danno una coniugazione diretta 6

7 Esempi: Bromurazione di benzeni monosostituiti in acido acetico. I dati cinetici sono stati riportati in grafico in funzione di σ (sopra e σ (sotto Mercuriazione di benzeni sostituiti La coniugazione diretta è un fenomeno piuttosto diffuso (anche negli acidi benzoici, ma con estensione diversa in reazioni diverse H H : E' sorprendente che bastino i σ ed i σ o i σ ed i σ per correlare molti dati cinetici Equazione di YukawaTsuno Yukawa e Tsuno hanno proposto una relazione più generale. Dalle costanti di equilibrio della reazione in acido solforico: H H S H 4 3 HS 4 sono state ricavate delle costanti del sostituente, che sono state riportate in grafico in funzione delle costanti ricavate per l'alogenazione di benzeni sostituiti, in AcH 7

8 La relazione è stata espressa con l'equazione: r (σ σ} k log( = ρ {σ r (σ σ} fattore di correzione, che misura l'estensione della coniugazione diretta se r = 0 se r = 1 log (k/ = ρσ log (k/ = ρσ equazione di Hammett equazione di kamotobrown Non c'è nessuna relazione tra ρ e r: ρ grande non comporta necessariamente r grande. Yukawa e Tsuno hanno verificato l'applicabilità della loro relazione con le reazioni di sostituzione elettrofila aromatica, ottenendo in molti casi una correlazione migliore che con ρσ H H H Br AcH, 5 Br HBr ρ = 8.8; r = 1.7 Acl ρ =.5; r = 1.6 Una reazione analoga è stata applicata con successo a reazioni con reagenti nucleofili: log k ( = ρ {σ r (σ σ} Esempio: Reazione del cloruro di picrile con aniline meta e parasostituite σ ; σ ; 0.76 σ 0.4σ 8

9 Poiché i valori originali di σ devono avere almeno un residuo di coniugazione diretta, sono stati fatti tentativi di ottenere costanti del sostituente privi di tale contributo σ o Taft ha determinato questi valori dalle costanti di ionizzazione di acidi fenilacetici e fenilpropanoici e dalle costanti di velocità dell'idrolisi dei rispettivi esteri etilici Problemi data la separazione tra sostituente e centro di reazione, ρ piccoli ed accuratezza inferiore Per i sostituenti in para che donano elettroni per risonanza σ o > σ conferma della presenza di coniugazione diretta residua negli acidi benzoici ggi si cerca il modo di descrivere gli effetti dei sostituenti con metodi computazionali. Non è facile trovare un descrittore che funzioni bene. Un esempio recente utilizza i valori dei potenziali elettrostatici (EPN agli atomi di carbonio nelle posizioni orto e para di un benzene sostituito, calcolati con metodo DFT (density functional theory J. rg. hem. 006 DEVIAZINI RANDM SISTEMATIHE? "i sono sempre delle deviazioni dalle correlazioni lineari di energia libera, deviazioni che in media sono ben al di là dell'incertezza sperimentale. Spesso non hanno andamenti riconoscibili; in altri casi gli andamenti sono evidenti; spesso gli andamenti sono distinguibili da una dispersione casuale solo esercitando una notevole dose di ottimismo" (Hammett 9

10 Esempio: reazione di benzofenoni monosostituiti con idrossilammina (metanolo 70% v/v in acqua, con tampone acetato 1 = ph; = pme; 3 = pme; 4 = mme; 5 = pph; 6 = H; 7 = mme; 8 = mh 9 = mn ; 10 = pn ; 11 = pbr Leffller e Grunwald hanno disegnato la retta a zigzag (deviazione standard Dickinson ed Eaborn hanno usato l'equazione log k = [σ 11(σ σ], con deviazione standard 0.034, interpretandola come dovuta a piccolo effetto normale del sostituente e grande effetto di coniugazione diretta Si può supporre che le deviazioni apparentemente sistematiche siano in realtà casuali (random e tracciare la retta (curva continua di equazione log k = σ, con deviazione standard Ancora migliore è l'equazione log k = σ La costante di velocità della reazione più veloce è solo 3.5 volte maggiore di quella della reazione più lenta SEPARAZINE DEGLI EFFETTI INDUTTIV E DI RISNANZA Equazione di Taft a due parametri Per descrivere separatamente gli effetti induttivo (polare e di risonanza (mesomerico, Taft ha introdotto un'equazione con due costanti del sostituente k log = ρ k0 I σ I ρ R σ R σ I è la costante del sostituente che ne descrive l'effetto induttivo σ R è la costante del sostituente che ne descrive l'effetto coniugativo ρ I è la costante della reazione che misura la sensibilità della reazione all'effetto induttivo ρ R è la costante della reazione che misura la sensibilità della reazione all'effetto coniugativo σ I e σ R sono numericamente gli stessi per i sostituenti meta e para l'equazione di Taft si deve applicare separatamente ai composti meta e para sostituiti: cambia la sensibilità ρ m I, ρ p ρr m ρ p I,, R 10

11 Per determinare σ I sono stati usati sistemi senza coniugazione Da misure di pk a di acidi biciclo[..]ottancarbossilici, sostituiti in 4, in acqua ed in etanoloacqua 1:1 v/v H H geometria simile a quella degli acidi benzoici, con solo effetto induttivo 11