Acidi Carbossilici e Derivati

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1 Acidi arbossilici e Derivati 1

2 Acidi arbossilici 2

3 IUPA: acido alcanoico Il carbonio carbossilico prende sempre il numero 1 Nomi comuni: Molti acidi alifatici hanno nomi storici. La posizione dei sostituenti è indicata con lettere greche. N. di Struttura comune: IUPA: Nomenclatura ε δ γ β α nome base nome comune 1 form- acido formico 2 3 acet- acido acetico propion- acido propionico butirr- acido butirrico valeri- acido valerico capro- acido caproico 3

4 Nomenclatura Esempi acido α-clorobutirrico 2 N l acido γ-amminobutirrico GABA acido γ-fenilvalerico Br acido δ-bromocaproico 4

5 Nomenclatura di acidi ciclici Alifatici: Acidi cicloalcancarbossilici. Aromatici: derivati dell acido benzoico acido cicloesancarbossilico acido benzoico acido o-idrossibenzoico acido salicilico 5

6 Acidi grassi saturi 12 acido laurico 14 acido miristico 16 acido palmitico 18 acido stearico 20 acido arachico 6

7 Acidi Grassi Insaturi 16 acido palmitoleico p.f. 0 º 18 acido oleico p.f. 13 º 18 acido linoleico p.f. 5 º 18 acido linolenico p.f. 11 º 20 acido arachidonico p.f. 49 º 7

8 Nomenclatura di Acidi Bicarbossilici IUPA: acido alcandioico omune: da ricordare N. di Struttura nome IUPA nome comune acido etandioico acido ossalico 2 acido propandioico acido malonico ( 2 ) 2 acido butandioico acido succinico ( 2 ) 3 acido pentandioico acido glutarico ( 2 ) 4 acido esandioico acido adipico ( 2 ) 5 acido eptandioico acido pimelico acido fumarico acido maleico acido ftalico acido isoftalico acido tereftalico 8

9 Gli acidi carbossilici hanno p.eb. e p.f. maggiori di molecole con lo stesso PM PM 58 peb 0 VDW Proprietà fisiche 3 2 PM 58 peb 48 VDW, DD PM 60 peb 97 VDW, DD, B forza intermolecolare crescente 3 PM 60 peb 118 VDW, DD, 2B Gli acidi carbossilici esistono in forma dimera: Solubilità 2 = 1 3 miscibili con acqua 4 10 via via meno solubili > 10 insolubili VDW = van der Waals; DD = dipolo-dipolo; B = legame idrogeno 9

10 Sintesi di acidi carbossilici 1. ssidazione di alcoli 1 con 2 r 4 o KMn 4 in 2 S ssidazione di aldeidi con r 3 o KMn 4 in 2 S 4 o Ag(I) ammoniacale Ag(N 3 ) 2 (eattivo di Tollens). 3. ssidazione di alchilbenzeni con KMn 4 /Na/ o r 3 2 S 4 / 2 /. 4. a) ssidazione di alcheni con KMn 4 in Na a caldo b) ssidazione di alcheni e alchini con arbonatazione di reattivi di Grignard. 6. Idrolisi di derivati degli acidi e nitrili. 7. ssidazione di metilchetoni (eazione aloformica). 10

11 Acidi carbossilici via ossidazione 1. Da alcoli primari 2. Da aldeidi 3. Da aromatici sostituiti 1. K 2 r 7 2 S 4, 2 entrambi i legami - sono sostituiti da legami - 2. KMn 4 o K 2 r o o KMn 4 i deve essere almeno 1 legame - 11

12 eazioni di rottura ossidativa 1. ottura di alcheni Potassio permanganato a caldo 2. ottura di Alchini Potassio permanganato a caldo zonolisi 1. = KMn 4 + ' 2. 1) 3 2) 2 + ' 1) 3 2)

13 arbonatazione di eattivi di Grignard δ Mg X δ + Et MgX 13

14 Idrolisi di derivati degli acidi e nitrili G G G 2 + G dove G = X,, N 2, N, N 2, N + o - 2 N 2 ( ) - vedi infra 14

15 Derivati degli acidi carbossilici 15

16 Derivati degli acidi carbossilici X ' acido alogenuro acido X = l, Br anidride estere N N ' N ' N " ammide 1 ammide 2 ammide 3 nitrile G strutturalmente diverso, chimicamente affine 16

17 Nomenclatura A. Alogenuri acidi l l etanoil cloruro (acetil cloruro) Br butanoil bromuro (butirril bromuro) cicloesancarbonil cloruro Br benzoil bromuro 17

18 Nomenclatura B. Anidridi + ' 800 ' + 2 = : anidride alcanoica : anidride alcanoica alcanoica anidride etanoica (anidride acetica) anidride metanoica propanoica (anidride formica propionica) 18

19 B. Anidridi cicliche Nomenclatura anidride butandioica (anidride succinica) anidride cis-butendioica (anidride maleica) anidride 4-cicloesene-1,2-dicarbossilica anidride 1,2-benzenedicarbossilica (anidride ftalica) 19

20 Nomenclatura. Esteri alchil alcanoato ottil etanoato (ottil acetato) arancia etil butanoato (etil butirrato) ananas 3-metilbutil etanoato (isopentil acetato, isoamil acetato) banana 3 metil 2-idrossibenzoato (metil salicilato) menta 20

21 . Esteri ciclici o lattoni Nomenclatura Dare il nome all acido carbossilico, tagliare il suffisso -ico, e aggiungere olattone. α β β-lattone 3-propionolattone β-propionolattone α β γ γ-lattone 4-butanolattone γ-butirolattone α β δ γ δ-lattone 5-pentanolattone δ-valerolattone butanolattone β-butirolattone 5-esanolattone δ-caprolattone 21

22 Esempi di composti con un gruppo lattonico Vitamina 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

23 D. Ammidi IUPA: N-alchilalcanammide comune: acido ico + ammide Nomenclatura N 2 propanammide (propionammide) N 2 ciclopentancarbossammide N 3 N-metiletanammide (N-metilacetammide) N( 3 ) 2 N,N-dimetilmetanammide (N,N-dimetilformammide, DMF) NEt 2 3 N,N-dietil-m-metilbenzammide (N,N-dietil-m-toluammide, DEET) 23

24 D. Ammidi cicliche o lattami Dare il nome all acido carbossilico, tagliare il suffisso -ico, e aggiungere -olattame. α β N β-lattame β-propionolattame α Nomenclatura 2 1 α N β γ γ-lattame γ-butirolattame β 3 N 3 3-butanolattame β-butirolattame β α N β δ γ δ-lattame δ-pentanolattame 3 4 α 2 1 γ N 5 6 δ ε 6-esanolattame ε-caprolattame 24

25 Lattami penicilline penicillina G cefalosporine cefalexina 2 N S N N S N 3 N 3 2 efetamet 25

26 E. Nitrili Nomenclatura IUPA: alcanonitrile comune: nome dell acido ico + onitrile 3 N etanonitrile (acetonitrile) N 2-metilpropanonitrile (isobutirronitrile) N benzenecarbonitrile (benzonitrile) 26

27 rdine di precedenza dei GF > > > > ' X N 2 acido carbossilico anidride estere alcanoil alogenuro ammide > N nitrile > > > ' aldeide chetone alcool > N 2 ammina 27

28 eattività 28

29 Interconversione dei gruppi funzionali Idrolisi Formazione di alogenuri Formazione di esteri Formazione di ammidi Formazione di anidridi 2 l 2 Sl 2 (Pl 3 ) l 2 Na N 3 2 A N 3 N 3 N P N 2 N 3 ' 29

30 ommento 1. Tutti i derivati si idrolizzano ad acido. 2. Vi sono delle conversioni di sola andata. 3. I nitrili sono connessi al resto attraverso l ammide. 4. l e, che sono localizzati simmetricamente, svolgono il ruolo centrale nelle trasformazioni. 5. Le vie preferite per arrivare dall acido all estere o all ammide non sono quelle dirette, ma quelle che passano per il cloruro o l anidride perché non richiedono catalisi. 30

31 = G =.... δ+ G δ =.... acido basico elettrofilo eattività di acidi e derivati 1. Deprotonazione + N 3 - N Protonazione G + A G + A 3. Idrolisi + G Formazione di acil cloruri + Sl 2 l 5. Formazione di Esteri - Esterificazione G Formazione di ammidi - Ammonolisi =.. Nu G =.... S N acile Nu G Nu =.... N 2 = G + N 3 N 2 7. Formazione di anidridi l iduzione LiAl G o - 2 N 2 9. eazione con organometallici 3 G 1 MgX Disidratazione di ammidi N 2 + P 2 5 N 11. Trasposizione di ofmann di ammidi N Br 2 + Na N 2

32 Deprotonazione - Acidità L aspetto più importante è il legame polare, che viene rotto da una base. Gli acidi carbossilici sono donatori di protoni (acidi di Bronsted-Lowry): pk a 3 5, acidi deboli. :B B + stabilizzato per risonanza pk + a N 3 36 ~50 (ivedere gli effetti induttivi e di risonanza sulla acidità) 32

33 Effetti induttivi Acidità F 2 2 >l 2 2 >Br 2 2 > 3 2 pk a l 3 2 >l 2 2 >l 2 2 > 3 2 pk a l 2 > 2 > 2 l l pk a N 2 3 pk a

34 onversione a sali carbossilati 1. eazione con metalli attivi (Na, K) 2. eazione con basi forti 3. eazione con basi deboli 1. Na 0 Na + + ½ 2 2. Na Na Na 3 Na I sali sono cristallini, non-volatili, si decompongono per riscaldamento a

35 Basi per deprotonare gli acidi basicità crescente Base Na + 3 N 3 Na 2 3 Na + 3 Na + Na Na + acido coniugato pka N

36 Basicità Il gruppo carbossilico (e derivati) può essere protonato da acidi forti (-A) all ossigeno carbonilico (3 forme di risonanza). A + :A pka 5.2 L equilibrio è spostato a sinistra tranne nel caso dell 2 S 4 in cui la forma protonata è abbondante (50%). 36

37 Sostituzione Nucleofila Acile (addizione-eliminazione) 1. Aldeidi e chetoni che non hanno legato al carbonio carbonilico un gruppo uscente subiscono addizione nucleofila (v. capitolo aldeidi e chetoni). (') :Nu 2 Nu (') e + (') si addizionano Nu Nu intermedio tetraedrico 37

38 Sostituzione nucleofila acilica (addizione-eliminazione) 2. I derivati degli acidi, che hanno legato al carbonio carbonilico un gruppo uscente o un gruppo che può diventare buon LG, subiscono sostituzione nucleofila: G 1 stadio: addizione :Nu lento Nu G intermedio tetraedrico 2 stadio: eliminazione G Nu Nu sostituisce G Questa reazione è chiamata sostituzione nucleofila acilica. G = l,,,, N 2, N, N 2 Nel caso dei cloruri acidi e delle anidridi l e sono buoni LG e non vi è necessità di catalisi. 38

39 Sostituzione nucleofila acilica eattività osservata: l > > > N 2 > G + Nu - S.T.1 E a G Nu intermedio tetraedrico S.T.2 ammett: S.T.1 simile a I, intermedio ~ stessa Energia per tutti i G energia di partenza diversa Nu + G - l N 2 - S.T.1 39

40 Struttura e eattività G = l, cloruri acidi l l loro appartiene al 3 periodo: sovrapposizione scarsa stabilità G =, anidridi, esteri, acidi G = N, ammidi ' N ' '' N '' ' ' N meno elettronegativo di, porta meglio carica positiva G =, sali strutture di risonanza uguali 40

41 La reatività è legata alla struttura Stabilizzazione Velocità relative di idrolisi l molto piccola ' piccola 10 7 moderata 1.0 Più stabilizzato è il carbonile, meno reattivo è. N ' grande < 10-2 '' 41

42 S N acile con catalizzatore acido Nel caso degli acidi, esteri, ammidi, i rispettivi gruppi,, N 2 diventano buoni LG solo protonandosi, quindi è necessaria catalisi acida. :Nu lento Nu A + 2 Nu intermedio tetraedrico Nu Nu 42

43 Anche il 1 stadio può richiedere catalisi, quando il Nu è debole, come ad es. 2 nelle idrolisi: S N acile con catalizzatore acido estere prototropia: spostamento di un protone da un sito basico ad un altro all interno di una molecola + A : 2 lento Nu prototropia

44 Formazione di Acidi - Idrolisi Tutti i derivati degli acidi reagiscono con acqua a dare l acido carbossilico. 1. I cloruri e le anidridi reagiscono violentemente a t.a.: 3 l l Gli esteri devono avere un catalizzatore acido o basico: Le ammidi devono avere un catalizzatore acido o basico & riscaldamento: 3 N N I nitrili devono avere un catalizzatore acido o basico e riscaldamento progressivo: l 2 S 4 2 S 4 3 N N N

45 a. loruri acidi l b. Esteri (ambiente basico) 2 Meccanismo delle Idrolisi l l l - ' ' + ' irreversibile non buon LG, ma consente formazione legame = (179 Kcal/mole) = 18 +' 45

46 Saponificazione 2 3 Na triacilgliceroli o grassi glicerina 1 - Na Na Na + sapone gni triacilglicerolo è un triestere che contiene tre lunghe catene idrocarburiche da 12 a 20, che possono essere sature (acidi grassi saturi) o contenere doppi legami Z (acidi grassi insaturi). Nelle cellule, questa reazione è catalizzata da lipasi. 46

47 Meccanismo Idrolisi Acida degli Esteri c. Esteri (ambiente acido), reversibile ' + senza cat la reazione è lenta ' ' 2 2 intermedio tetraedrico protonato + ' intermedio tetraedrico ' ' 2 = 2 18 intermedio tetraedrico protonato 47

48 d. Nitrili & Ammidi (ambiente acido) N: + N 2 Meccanismo Idrolisi 2 =N 2 equilibrio ammido-immidol =N N 2 = N 2 = + N 2 = 2 N 2 N 2 N 3 e. Nitrili & Ammidi (ambiente basico) N: N 2 = =N N 2 2 = =N = + N 4 = = N 2 + N 3 = + N N 3

49 Formazione di acil alogenuri Si usano alogenuri di acidi inorganici Sl 2 (cloruro di tionile), Pl 3, Pl 5, PBr 3, PBr 5. + Sl 2 l + S 2 + l N Meccanismo per Sl 2 e Pl 3 : N l 1. = = l l S l + S 2 + l l = S l l S= l = l S= l 2. = l P l l l = Pl l l = + P()l 2 49

50 Formazione di esteri 1. Da acidi carbossilici con e catalisi di un acido minerale (Fischer) attraverso l uso di diazometano (esteri metilici) 2. Da cloruri acidi 3. Da anidridi acide 1. ' N N 2 50

51 Formazione di Esteri - Esterificazione a. Esterificazione di Fischer (dagli acidi e alcoli): reversibile ' ' ' ' 51

52 Formazione di Esteri - Esterificazione b. Da acil cloruri e anidridi (metodo di elezione) l + + l + + l = = l c. Da un estere per transesterificazione. = + = l l = = = = 52

53 Formazione di ammidi Ammonolisi 1. Diretta conversione di acidi ad ammidi (industriale) 2. Da cloruri acidi 3. Da anidridi 4. Da esteri N 3 +N 3 l N 2 N 2 ammide ' +"N 2 +" 2 N N" N" 2 ammide 2 ammide 3 Vista dalla parte delle ammine è un acilazione all azoto 53

54 Meccanismo di Ammonolisi N 3 N + 4 N 3 N 3 N 3 l ' - 2 N 2 l l N 3 N 2 l N 3 N 2 ' ' N 3 N 2 ' N N 2 N + 4 N 2

55 Formazione di immidi Le immidi sono ammidi doppie in cui un guppo amminico è legato a due gruppi acilici. La immide più comune è la succinimmide. N pka 8.5 Le immidi cicliche si preparano per riscaldamento del sale di diammonio dei diacidi. N N 4 + calore N 55

56 Formazione di Anidridi 1. Disidratazione di acidi (industriale) Dal cloruro dell acido e dal sale dell acido stesso o di un altro acido (anidridi miste) l + - Na + 56

57 Formazione di Anidridi icliche Si formano da acidi bicarbossilici per forte riscaldamento: acido succinico acido glutarico forte riscaldamento forte riscaldamento + 2 anidride succinica + 2 anidride glutarica 57

58 iduzione Gli acidi carbossilici sono difficili da ridurre: NaB 4 riduce solo aldeidi e chetoni 2 /cat riduce legami =, aldeidi e chetoni LiAl 4 riduce aldeidi e chetoni ed è il solo reagente sufficientemente forte per ridurre gli acidi carbossilici ad alcoli 1. NaB Pt 1) LA 2) 3 + B 2 6 diglima 58

59 iduzione 1. Anche gli esteri sono ridotti da LA ad alcoli primari 2. Le ammidi si riducono ad ammine. 3. I nitrili si riducono ad ammine. 1. LiAl N 1. LiAl N N 1. LiAl N 2 59

60 Meccanismo della iduzione 1. ' Al 3 Li + Li + intermedio tetraedrico ' Al 3 Al 2 Li + Li + + Al N Al 3 Li + 3. N: Al 3 Li + =N: 2 N Al 3 Al 3 Li + Al 3 Al 3 Li + N N : 2 Al 3 Al 3 Li + LiAl 3 + =N 2 N =N Al 3 2 N Al 3 Al Al N Al Li + 60

61 iduzione con DIBA 1. Acidi, esteri e nitrili vengono ridotti ad aldeidi usando 1 equivalente di idruro di isobutilalluminio a Se si usano 2 equivalenti si ottiene l alcool. ' esano, 70 Al[ 2 ( 3 ) 2 ] 2 Al [ 2 ( 3 ) 2 ] 2 ' + + Al() 3 + isobutano Al[ 2 ( 3 ) 2 ] 2 N: =N Al[ 2 ( 3 ) 2 ] 2 benzene,

62 Addizione dei reattivi di Grignard 1. Esteri danno alcoli 3 ( danno alcoli 2 ) 2. Nitrili danno chetoni. N 'MgX 1) 'MgBr 2) 3 + ' 3 + N - MgBr + N 3 + ' ' 62

63 Addizione degli organolitio e dialchilcuprati 1. Gli organolitio sono più forti dei reattivi di Grignard 2. on tutti i derivati si ottengono chetoni 3. eagiscono anche con gli anioni carbossilato: 'Li Li + Li + 'Li Li ' 4. I chetoni si possono preprare anche dagli alchilcuprati e i cloruri degli acidi l 1. 2 ' 2 u Li ' 63

64 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, 2 S 4, P 2 5, Pl 3, Sl 2. N =N P P N P P N + P P P P N + 4 P 2 7 idratata 64

65 Trasposizione di ofmann Un ammide primaria viene trasformata in un ammina primaria con 1 atomo di in meno. N 2 ammide 1 Br 2 Na N 2 ammina 1 N N== isocianato Br Br N= N N = acido carbammico N Br N Br migrazione di N = N

66 Acido arbonico e Derivati acido carbonico acido formico l acido cloroformico l l l alchil idrogenocarbonato dialchil idrogenocarbonato alchil cloroformiato fosgene N 2 N 2 2 N N 2 acido carbammico alchil carbammati o uretani urea 66