+ H 2 O N 2 + X X N N:.. -

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1 meccanismo: N N lento N 2 H 2 O veloce H ρ I <0 sia in meta che in para è in accordo con la formazione di una carica positiva negli intermedi r.. N N:.. - N N: ρ R <0 in meta si spiega con il fatto che il sostituente a rilascio elettronico stabilizza r, perché la carica negativa finisce vicino a quella positiva.. - : Trattamento di Swain-Lupton delle costanti del sostituente Swain e Lupton hanno tentato di descrivere gli effetti elettronici dei sostituenti con due soli parametri. f r La costante del sostituente, σ, si esprime come combinazione lineare di F ("costante di campo", che caratterizza l'effetto induttivo o "polare" e R, che caratterizza l'effetto di risonanza o coniugativo σ = ff rr fattore di campo fattore di risonanza Determinazione di F dai pk a di acidi biciclo[2.2.2]ottancarbossilici sostituiti in 4 F = (pk 0 a - pk a altri valori sono stati ricavati dalla relazione F = 2.186σ m σ p Determinazione di R se σ = σ p r = 1 l'equazione diventa σ = ff R Per il gruppo -NMe 3 σ p = 0.82 e F =

2 Questo gruppo viene preso come riferimento, assumendo che non abbia contributo coniugativo (R = 0.00 e permette di determinare f f = 0.56 conosciuto f, il valore di R per un qualsiasi sostituente si ricava dal suo valore di σ p R = σ p F Swain e Lupton hanno messo in relazione F ed R con altre costanti del sostituente σ m = 0.60F 0.27R 0.00 (r = 1.00 σ p = 0.56F 1.00R 0.00 (r = 1.00 σ 0 p = 0.60F 0.70R 0.01 (r = σ p = 0.51F 1.58R (r = σ - p = 0.75F 1.52R 0.09 (r = Le correlazioni con σ m e σ p con F e R sono perfette per via della definizione; con σ 0 la correlazione è ancora buona, con σ e σ - la correlazione è scarsa I valori originali di F sono stati corretti, dividendo i ΔpK a ottenuti dagli acidi biciclo[2.2.2]ottancarbossilici per la costante della reazione (ρ = 1.65 I valori di F e di R sono stati espressi in funzione delle costanti di Hammett F = σ m σ p R = σ p F Le costanti di Swain e Lupton (F e R sono state usate per correlare misure NMR e IR, equilibri acido-base, velocità di reazioni elettrofile e nucleofile ed anche attività bioiche successo variabile Critiche: 1. la maggior parte dei valori di F non è stata ottenuta da misure dirette di pk a 2. R è stato basato sull'assunzione che NMe 3 non abbia contributo di risonanza. Però σ m > σ p NMe 3 ha un piccolo effetto elettronico a rilascio perciò i valori di R non sono validi 3. E' discutibile che un solo insieme di R sia soddisfacente per tutti i tipi di risonanza 2

3 - Equazione di Drago-Dadmun (1993 Per correlare le misure chimico-fisiche Drago e Dadmun hanno usato l'equazione: Δχ - Δχ H = d E ΔE d C ΔC ΔE ΔC d E d C costante elettrostatica del sostituente costante covalente del sostituente costante elettrostatica della reazione costante covalente della reazione Δχ simbolo dei dati chimico-fisici Si può applicare a reazioni di un elettrofilo con vari nucleofili o di un nucleofilo con vari elettrofili Il nuovo insieme di valori ΔE e ΔC descrive in modo soddisfacente fenomeni con diversi tipi di contributi di risonanza SEPRZIONE DEGLI EFFETTI ELETTRONICI E STERICI - Equazione di Taft Visto il successo dell'equazione di Hammett per i composti aromatici, sembrò ragionevole cercare una correlazione anaa sostituente-reattività per i composti alifatici problemi problemi sterici (i sostituenti sono più vicini ai siti di reazione Per determinare le costanti del sostituente in sistemi alifatici, Taft ha usato l'idrolisi di esteri alifatici, sulla base delle seguenti assunzioni. 1. Nei composti alifatici l'effetto coniugativo è trascurabile 2. Nel caso dell'idrolisi acido-catalizzata, l'effetto elettronico è trascurabile e la costante di velocità dipende dall'effetto sterico di R in RCO 2 Et 3. La reazione base-catalizzata è influenzata dall'effetto elettronico e dall'effetto sterico. La grandezza dell'effetto sterico è la stessa dell'idrolisi acido-catalizzata ssunzione 1 non richiede giustificazioni, se il sostituente non ha doppi legami che possano coniugare con il sito di reazione 3

4 ssunzione 2 per giustificarla bisogna conoscere il meccanismo O H 3 O K 1 O H R C veloce OEt H 2 O O H R C OEt H 2 O 2 lento 2 prodotti utilizzando l'approssimazione del pre-equilibrio exp = K 1 2 ρ exp = ρ 1 ρ 2 ρ 1 < 0, ρ 2 > 0 ρ exp ~ 0 se ρ 1 ~ ρ 2 Questo ragionamento trova sostegno nel valore prossimo a zero di ρ per l'idrolisi acido-catalizzata dei benzoati di etile meta e para sostituiti Nel caso dell'idrolisi acida degli esteri, il aritmo del rapporto delle costanti di velocità si pone uguale al requisito sterico di R ( = E S E S costante sterica del sostituente ssunzione 3 si basa sull'esame delle differenze strutturali degli intermedi dell'idrolisi in ambiente acido e basico 2 intermedio della idrolisi acida O - intermedio della idrolisi basica le due strutture differiscono per due soli protoni Lo stadio rate-determining dell'idrolisi basica è il primo stadio 4

5 O HO - 1 lento O- prodotti exp B = 1 Questa costante di velocità ( B exp è influenzata sia dagli effetti elettronici che da quelli sterici ( B B 0 = ρ*σ* E S ( B B 0 - elettronico sterico ( = ρ*σ* σ* misura l'effetto elettronico induttivo del sostituente ρ* costante della reazione, che misura la sensibilità della velocità all'effetto elettronico induttivo del sostituente e B sono misurati con l'acetato di etile CH 3 CO 2 Et per definizione σ* Me = 0 B e sono misurati con acetati di etile sostituiti reazione di riferimento CH 2 CO 2 Et per questa reazione Taft ha scelto arbitrariamente ρ* = 2.46 (in modo da avere σ* ~ σ di Hammett σ* = B B ( In seguito è stata stabilita una relazione tra i valori σ I di ed i valori σ* dei gruppi CH 2 - ( σ I ( = 0.45 σ*(ch 2 Tabella. Costanti induttive del sostituente di Taft Gruppo σ* Gruppo σ* Me 0.00 CH Et CH 2 OMe 0.52 Pr CH 2 F 1.10 Bu CH 2 Cl 1.05 i-pr CH 2 Br 1.00 t-bu CH 2 I 0.85 Ph 0.60 CH 2 NO PhCH CH 2 CN 1.30 PhCH2CH CH 2 CF OMe CH 2 COCH

6 La costante sterica, E S, si può determinare dall'equazione ( = E S 0 I valori E S misurano il requisito sterico del sostituente rispetto al metile E S (Me = 0 Se R è più piccolo di Me E S > 0 Se R è più grande di Me E S < 0 Taft ha suggerito, per descrivere gli effetti elettronici induttivi dei sostituenti su reazioni di composti alifatici, l'equazione: = ρ*σ* ( In molti casi l'equazione dà risultati soddisfacenti RCO 2 Et - RCO 2 - Et ρ* = 2.48 RCO 2 H H 2 O RCO 2 - H3 O ρ* = 1.72 RCH 2 Br PhS - RCH 2 SPh Br - ρ* = RR'R"CCl Et RR'R"COEt HCl ρ* = In altri casi, per ottenere una buona correlazione si è dovuta includere la costante sterica del sostituente, E S, insieme alla costante sterica della reazione, δ. = ρ*σ* ( δe S La validità delle costanti σ* ed E S è stata criticata da molti ricercatori CRITICHE: Il metodo non separa in modo appropriato gli effetti induttivo e sterico: E S contiene ancora un effetto induttivo residuo e, soprattutto, σ* contiene un effetto sterico residuo vengono preferiti i σ I FVORE: è stato dimostrato che i valori E S sono proporzionali ai raggi di van der Waals dei sostituenti Più recentemente i valori E S originali (relativi a Me sono stati sostituiti con una serie di E S modificati, relativi all'h E S (H = 0 6

7 equazione di Taft modificata ( = ρ I σ I ρ S E S ρ I ρ S costante induttiva della reazione costante sterica della reazione EFFETTO orto Un sostituente in orto può esercitare sulla reazione più di un effetto - effetto di campo (polarizzazione diretta del centro di reazione attraverso lo spazio - effetto di impedimento sterico di risonanza (può non essere coplanare con il benzene e quindi non dare coniugazione completa - effetto sterico (può ostacolare l'avvicinamento del reagente al centro di reazione o la formazione del guscio di solvatazione - possibilità di legame idrogeno - possibilità di effetto del gruppo adiacente difficile da trattare quantitativamente Taft ha determinato valori σ o * e E S dall'idrolisi acida e basica di esteri benzoici sostituiti in orto Le costanti steriche sono state chiamate E S, anche se numericamente sono diverse dalle E S alifatiche Il riferimento per σ o * è stato Me, ma con l'aiuto di σ p (Me è stato riscalato ad H come sostituente di riferimento ( = ρ δe o σ o S 0 Costanti del sostituente di Taft, per sostituenti orto gruppo σ 0 * σ 0 E S H OMe Me F Cl Br I NO successo molto limitato 7

8 CRITICHE: - un solo insieme di valori σ o non è soddisfacente per rappresentare una varietà di effetti elettronici - E S contiene ancora un piccolo contributo di effetti coniugativi - Equazione di Charton Per l'interpretazione dell'effetto orto, Charton ha introdotto l'equazione: ( = ασ I βσ R ψυ h σ I σ R υ costante induttiva del sostituente costante coniugativa del sostituente costante sterica del sostituente α sensibilità della reazione all'effetto induttivo β sensibilità della reazione all'effetto coniugativo ψ sensibilità della reazione all'effetto sterico Come σ I e σ R sono stati presi i valori calcolati in precedenza Per sostituenti simmetrici, υ è stata determinata dai raggi di van der Waals υ = r Per sostituenti non simmetrici, Charton ha calcolato υ da misure cinetiche υ e E S sono in buona correlazione Charton ha applicato la sua equazione con successo per interpretare molte reazioni. in molti casi ha ottenuto valori di ψ molto piccoli (impedimento sterico molto piccolo - Equazione di Fujita-Nishioa Fujita e Nishioa nella descrizione dell'effetto orto hanno considerato tre effetti - effetto polare (induttivo e coniugativo ordinario - effetto di campo di prossimità - effetto sterico dei sostituenti orto per l'effetto elettronico normale hanno usato le costanti di Hammett, con l'assunzione che σ orto = σ para per la descrizione dell'effetto polare attraverso lo spazio dei sostituenti orto hanno usato i parametri F di Swain-Lupton 8

9 per la caratterizzazione degli effetti sterici hanno usato i valori E S di Taft In questo modo la reattività di composti orto, meta e para sostituiti si può racchiudere in una sola equazione o,m,p = ρ σ o,m,p δe S ff c ρ δ f sensibilità della reazione agli effetti elettronici sensibilità della reazione all'effetto sterico sensibilità della reazione all'effetto campo Con sostituenti in meta e para δe S e ff vanno a zero e l'equazione diventa quella di Hammett Per σ bisogna scegliere sempre la scala più adatta (σ, σ 0, σ, σ - CRITICHE: - Le costanti del sostituente non sono in grado di descrivere l'effetto del legame idrogeno o l'effetto di partecipazione del gruppo adiacente - non necessariamente σ orto = σ para 9