Composti Carbonilici

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1 omposti arbonilici 1

2 Introduzione Due grandi classi di composti contengono il gruppo carbonilico: 1. omposti che hanno solo atomi di carbonio e di idrogeno legati al carbonile: aldeidi e chetoni. aldeidi ' chetoni 2. omposti che contengono un atomo elettronegativo legato al carbonile: acidi e derivati. acidi l cloruri acidi anidridi ' ' esteri N ammidi 2

3 Il gruppo carbonilico Il gruppo carbonilico consiste di: un legame σ formato da sovrapposizione di orbitali ibridi sp 2 un legame π formato da sovrapposizione di orbitali 2p. Il legame = è polarizzato verso l atomo più elettronegativo, rendendo il carbonio elettron deficiente. Usando la descrizione della risonanza il carbonile ha due forme di risonanza. contributo maggiore contributo minore δ+ δ- ibrido carbonile polarizzato 3

4 Aldeidi e hetoni 4

5 Molecole che contengono il gruppo carbonilico 3 geraniale (E)-3,7-dimetil-2,6-ottadienale aldeide cinnamica trans-3-fenil-2-propenale vanillina 4-idrossi-3-metossibenzaldeide testosterone progesterone canfora 5

6 Nomenclatura aldeidi A. IUPA 1. generale: alcanale (carbonio aldeidico #1) 2. aldeidi cicliche: cicloalcancarbossaldeide 3. priorità: aldeide > chetone > alcool B. Nomi comuni Usare il prefisso del nome comune dell acido che si forma per ossidazione, facendolo seguire da aldeide. 1 : acido formico, formaldeide 2 : acido acetico, acetaldeide 3 : acido propionico, propionaldeide 4 : acido butirrico, butirraldeide. In una molecola contenente un gruppo funzionale a priorità maggiore, = è osso- e è formile. Aldeide priorità maggiore del chetone. 6

7 A. IUPA 1. generale: alcanone (carbonio carbonilico # più basso) 2. priorità: aldeide > chetone > alcool B. Nomi comuni Nomenclatura chetoni alchil alchil chetone (dagli alchili legati a =) chetoni aromatici: fenoni fenone acetofenone propiofenone benzofenone 7

8 Proprietà Fisiche Proprietà p. eb. e p.f. omposti con PM paragonabile: i p. eb. e p.f. seguono il solito trend. Maggiori le forze intermolecolari, maggiore il p.eb o il p.f PM 72 p.eb. 36 PM 72 p.eb. 70 PM 74 p.eb. 118 VDW VDW, DD VDW, DD, B PM 72 p.eb. 80 forze intermolecolari crescenti p. eb. crescente Solubilità e solubili in solventi organici e con <5 sono solubili in acqua e con >5 sono insolubili in acqua VDW = van der Waals, DD = dipolo-dipolo, B = legame idrogeno 8

9 Formaldeide Gas a t.a. Formalina è una soluzione acquosa al 40%. triossano p.f. 62 calore formaldeide p.eb formalina Esiste anche un polimero lineare della formaldeide che si chiama paraformaldeide. 9

10 Preparazione di aldeidi e chetoni Aldeidi ssidazione di alcoli 1 con P iduzione di esteri e nitrili con DIBAL- e cloruri di acidi con LiAl[( 3 ) 3 ] 3 Idratazione di alchini terminali per idroborazioneossidazione hetoni ssidazione di alcoli 2 con reagenti di r 6+ eazione di cloruri di acidi con organocuprati Acilazione di F.. Idratazione di alchini interni per idroborazione-ossidazione 10

11 Preparazione di aldeidi e chetoni iduzione di esteri e nitrili con DIBAL- e cloruri di acidi con LiAl[( 3 ) 3 ] 3. Li + Bu t Al Bu t Bu t Al Litio tri-tert-butilossialluminio idruro Diisobutilalluminio idruro Essi sono meno reattivi di LA, in parte perché stericamente ingombrati. l ' - N 1) LiAl(Bu t ) 3, etere, -78 2) 2 1) DIBAL-, esano, -78 2) 2 1) DIBAL-, esano 2) 2 11

12 iduzione di esteri e nitrili e cloruri di acidi Meccanismo: l Al((Me 3 ) 3 l Al[Bu t ] 3 Al[Bu t ] 3 l l Al[Bu t ] 3 2 ' AlBu i 2 AlBu i 2 ' AlBu i 2 ' AlBu i N AlBu i 2 N AlBu i 2 N AlBu i

13 eattività di aldeidi e chetoni basico 1. Formazione di legami 2. Protonazione δ+ δ- elettrofilo ADDIZINE NULEFILA Nucleofili dell Nucleofili dell N Nucleofili del Nucleofili dell 3. Addizione di 2 (idratazione) 4. Addizione di alcoli 5. Addizione-eliminazione di N 3 e derivati G-N 2 6. Addizione ioni N 7. Addizione di organometallici 8. Addizione di idruro 9. iduzione catalitica ad alcoli 10. iduzione = a ssidazione di a 13

14 eattività di aldeidi e chetoni Le aldeidi sono più reattive dei chetoni verso i nucleofili per ragioni steriche e elettroniche. aldeidi chetoni : : ingombro sterico minore δ- : : δ+ un solo stabilizza la carica + : : ingombro sterico maggiore δ- : : δ+ due stabilizzano la carica + meno elettrofilo 14

15 Addizione Nucleofila I carbonili reagiscono con i nucleofili carichi (:Nu ) o neutri (:Nu). Se neutri, hanno un legato (:Nu ). La presenza o assenza di un gruppo uscente sul carbonile determina il tipo di reazione. 1. Aldeidi e chetoni subiscono addizione nucleofila. (') :Nu 2. I composti carbonilici che contengono un gruppo uscente subiscono sostituzione nucleofila. Z (') Nu intermedio tetraedrico 2 (') Nu Nu e + si addizionano Nu sostituisce Z :Nu Questa reazione è Z chiamata sostituzione Z Nu Nu nucleofila acilica: intermedio tetraedrico - era legato a Z ora è legato a Nu. Z = l,,,, N 2, N, N 2 15

16 Addizione Nucleofila ad Aldeidi e hetoni Quali Nu si addizionano al carbonile? l, Br e I sono buoni nucleofili nelle sostituzioni al saturo ma sono inefficaci nelle reazioni al insaturo. Quando essi si addizionano a un carbonile, si forma un alcossido. Dato che X è una base molto più debole dell alcossido, l equilibrio è spostato verso i reagenti. base forte l base debole l alcossido 16

17 Addizione Nucleofila ad Aldeidi e hetoni Meccanismo: + Nu Nu intermedio tetraedrico Nu on alcuni nucleofili neutri l addizione ha luogo solo con catalisi acida. + + Nu Nu intermedio tetraedrico Nu 17

18 3. Addizione di 2 Idratazione Per trattamento di un aldeide o chetone con 2 in presenza di un acido o una base si ha addizione di e sul legame π =, generando un 1,1-diolo, gem-diolo o idrato. (') + o (') La resa in gem-dioli è buona solo con aldeidi non ingombrate o con aldeidi con gruppi elettron attrattori. Gruppi elettron attrattori destabilizzano il carbonile favorendo la forma idrata. 2 l 3 2 l 3 18

19 3. Addizione di 2 Idratazione Sia l acido che la base catalizzano l addizione di 2 al carbonile. 1. In base, il nucleofilo è, più forte di 2. intermedio tetraedrico 2. In ambiente acido la protonazione dell ossigeno del carbonile rende più elettrofilo il carbonio intermedio tetraedrico

20 3. Addizione di 2 Idratazione Aumentando il numero di alchili (elettron donatori) sul carbonio carbonilico, diminuisce la quantità di forma idrata. numero di crescente stabilità crescente del carbonile formaldeide 2 3 acetaldeide acetone % 58% 0.2% quantità di forma idrata crescente 20

21 4. Addizione di Alcoli: Formazione di Acetali Aldeidi e chetoni reagiscono con 2 equivalenti di alcool per dare acetali. La formazione di acetali è catalizzata da acidi come Ts (acido p- toluensolfonico). ' Quando si usa un diolo si forma un acetale ciclico etilenglicol '' '' 2 ' acetale Ts gli acetali non sono eteri + 2 La sintesi di acetali è reversibile. Per favorirne la formazione si rimuove l acqua. 21

22 4. Addizione di Alcoli: Formazione di Acetali Meccanismo: 1) Attacco nucleofilo al carbonile catalizzato da acido (1 eq di alcool) 2) S N 1 A (1 eq di alcool): " emiacetale ' - ' ' " " 2 ' ' " " ' " " emiacetale gen. instabile " ' - " ' " " acetale ' 22

23 4. Addizione di Alcoli: Formazione di Acetali Esempi 3 3 3, cicloesanone dimetil acetale Et Et, Et benzaldeide dietil acetale + 2-pentanone etilene acetale + 23

24 Acetali come gruppi proteggenti Br? Br protezione del carbonile + 1) Na 2) 2 Br l addizione al carbonile è più veloce della S N 2 Br Na + 3 non reattivo con nucleofili deprotezione 24

25 Acetali come gruppi proteggenti? Br Mg incompatibili Br MgBr + Mg 1) Br MgBr 2)

26 4a. Emiacetali ciclici Emiacetali ciclici a 5 e 6 termini sono composti stabili isolabili. legato a: un un emiacetale 5-idrossipentanale 4-idrossibutanale = = Sono reazioni intramolecolari, molto più veloci di quelle intermolecolari: i gruppi reattivi e = sono spazialmente vicini. 6% 94% 11% 89% legati a: un un con parte dell anello 26

27 5. Addizione Nucleofila di Il trattamento di un aldeide o chetone con un organometallico (Li, Na, MgX, ZnX), seguito da acqua produce un alcool 1, 2, 3. Il nucleofilo è. (') MgX o Li 2 (') '' Il meccanismo è a due stadi. Li Li + + Li attacco nucleofilo intermedio tetraedrico protonazione (ac. debole) 27

28 6. Addizione Nucleofila di N Il trattamento di un aldeide o un chetone con NaN e un acido forte come l addiziona N sul carbonile generando una cianidrina. Il meccanismo è il solito. NaN + 2 S 4 N (') attacco nucleofilo La reazione è reversibile in ambiente basico. N intermedio tetraedrico (') N protonazione (') N cianidrina + N Keq > 100 aldeidi e chetoni ciclici Keq < 0.02 chetoni lineari (') N (') N (') + N 28

29 ianidrine 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 in più). ' N 2 + o ' α-idrossiacido riduzione ' 1) LiAl 4 2) N 2 β-amminoalcool 29

30 La eazione di Wittig La reazione di Wittig usa un carbonio nucleofilo (il reagente di Wittig) per formare alcheni. Il gruppo = viene trasformato in =. (') Ph 3 P (') + Ph 3 P= Formazione dell ilide: Nel primo stadio si forma il sale di fosfonio. Nel secondo stadio una base forte rimuove un protone dando l ilide. Ph 3 P: + 3 Br ilide del fosforo S N 2 Bu Li Ph 3 P 2 Bu metiltrifenilfosfonio bromuro alchene Ph 3 P 2 Ph 3 P ilide carbonio nucleofilo Ilide: una molecola che, scritta nella struttura di Lewis, ha una carica positiva e una negativa su atomi adiacenti. 2 30

31 La eazione di Wittig La reazione di Wittig è una addizione-eliminazione. ' 2 PPh 3 + PPh 3 2 ' betaina PPh 3 2 ' ossafosfetano 2 ' + =PPh 3 trifenilfosfina ossido La formazione del doppio legame P=, molto forte, è la driving force per la reazione di Wittig Quando il carbonio dell ilide è sostituito si ottiene una miscela di alcheni. 31

32 7. Addizione Nucleofila di Idruro iduzione di = a Fonti di idruro sono sodio boridruro NaB 4 (in acqua o alcool) o litio alluminio idruro LiAl 4 (in etere anidro). Na non va bene perché è un Nu debole. Segue la protonazione che produce un alcool 1 o 2. Il nucleofilo è : Meccanismo: Li + Na + 3 Al 3 B (') attacco nucleofilo NaB 4 LiAl 4 intermedio tetraedrico B 3 Na + Al 3 Li + 2 (') B Na + Al Li + 4 protonazione 32 + Li

33 iduzione di = a 2 1. iduzione di lemmensen: condizioni acide: Zn(g), l conc., riscaldamento. ' Zn(g), l Et, iduzione di Wolff-Kishner: condizioni basiche. (') N 2 N 2 1) Na, 2, N 2 (') N 2) (') idrazone 3. Desolforazione di tiochetali (idrogenolisi): condizioni neutre S S BF 3, etere S S Ni aney Et 33

34 Meccanismo della Wolff-Kishner (') N N (') N N (') N N 2 si protona il -, più basico di N - (') 2 (') N 2 lento (') N N (') N N carbanione 34

35 8. Addizione Nucleofila di Ammine e Derivati 2 G-N 2 2 N G N 2 N immine enammine G =,,, N 2, N 6 3 (N 2 ) 2, NN 2 35

36 Meccanismo Formazione di Immine È simile all addizione di alcoli: 2 La formazione dell immina è più veloce quando il mezzo è debolmente acido (p 4-5). + + N + 2 G NG carbinolammina G N 2 instabile G N 2 stereoisomeria geometrica! G + N NG 2 addizione nucleofila disidratazione G =,, Ar,, N 2, N 6 3 (N 2 ) 2, NN 2 36

37 Meccanismo Formazione di Enammine La prima parte, addizione nucleofila, è uguale: 2 La formazione dell enammina è più veloce quando il mezzo è debolmente acido (p 4-5). + + N N2 addizione nucleofila carbinolammina 2 N + + N N 2 + N 2 disidratazione 2 2 enammina ione immonio 37

38 Formazione di Immine G =,, Ar omposto carbonilico G N 2 Immina N + N 2 + cicloesilimmina N 3 N-metilimmina + 3 N + del 2-pentanone 2 + N 2 + N N-fenilimmina della benzaldeide 38

39 omposto carbonilico Formazione di Immine G = N 2, N 6 3 (N 2 ) 2, NN 2 G N 2 Immina N acetone ossima + N + 2 acetone idrossilammina + 2 N N 2 + idrazina NN 2 acetone idrazone NN N N 2 2,4-dinitrofenilidrazina + 2 N NN N 2 acetone 2,4- dinitrofenilidrazone 2,4-DNP + 2 N NN 2 semicarbazide + 2 N NN acetone semicarbazone 39

40 ssidazione delle aldeidi [] [] = r VI Mn VII r 3 KMn 4 Ag 2 /N 3 2 K 2 r 2 7 r Alcune aldeidi sono ossidate facilmente: Ag 2 N 4, 2, Et 2 aria 40

41 ssidazione dei chetoni I chetoni sono inerti alla maggior parte degli agenti ossidanti. Subiscono lenta rottura in soluzione bollente alcalina di KMn KMn 4, 2, Na eazione di Bayer-Villiger: ' protonazione chetone " + ' ' + migra con ritenzione di configurazione attitudine migratoria: 3 > 2 > 1 > 3 41

42 ssidazione dei chetoni di J. Baeyer-Villiger Esempi 3 3 non