REAZIONI PERICICLICHE

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1 EAZINI PEICICLICE eazioni concertate che prevedono la formazione e la rottura simultanea di due o più legami mediante uno stato di transizione ciclico. Il prodotto di queste reazioni può essere un sistema ciclico o aperto Le reazioni pericicliche sono reversibili Le principali reazioni pericicliche sono: EAZINI DI CICLADDIZINE (CICLEVESINE) EAZINI ELETTCICLICE EAZINI SIGMATPICE () ' ' ()

2 TEIA DEGLI BITALI DI FNTIEA Consente una trattazione semplificata delle interazioni orbitaliche che portano alla rottura e alla formazione di nuovi legami durante una reazione chimica. In pratica il decorso della reazione viene analizzato prendendo in considerazione solo gli orbitali di frontiera che sono così caratterizzati: M: ighest ccupied Molecular rbital rbitale molecolare occupato a energia più elevata LUM: Lowest Unoccupied Molecular rbital rbitale molecolare non occupato a energia più bassa a) ALCENI π LUM π M b) SISTEMI ALLILICI CATINE ANINE LUM LUM 0.7 M M

3 c) DIENI LUM M d) ALCANI - SISTEMI CN LEGAMI δ LUM σ M σ

4 INTEAZINE DI BITALI DI FNTIEA L utilizzo degli orbitali di frontiera consente una trattazione semplificata della interazione molecolare La teoria della perturbazione: quando si ha formazione di uno o più legami, il massimo guadagno energetico si ottiene per interazione di orbitali pieni con orbitali vuoti dei reagenti M LUM M LUM E a E b Il massimo guadagno energetico si ha con interazioni M-LUM (2E a > 2E b ) Interazioni M-M costringono 2 elettroni a disporsi su un orbitale antilegante ad elevata energia. Le variazioni di energia che si determinano in una reazione si possono calcolare tramite l Equazione di Klopman (semplificata): E = - Q A Q B ε AB 2 (C A C B β) 2 E M - E LUM E Q A e Q B AB C A e C B E M E LUM guadagno energetico della reazione carica reagente A e B distanza tra atomi interagenti coefficienti dell orbitale molecolare energie degli orbitali homo-lumo

5 Il guadagno energetico aumenta quanto minore è la differenza di energia M- LUM. Quando due molecole reagiscono, le interazioni principali sono di 3 tipi: 1. gli orbitali occupati (leganti) si respingono 2. cariche di segno opposto si attraggono 3. tutti gli orbitali occupati (specialmente M) interagiscono con quelli non occupati (specialmente LUM) attraendosi.

6 CICLADDIZINI E CICLEVESINI Vengono suddivise sulla base del tipo di legame (π, σ) coinvolto; del numero di elettroni (2, 4 ) e della geometria (suprafaciale, antarafaciale) con la quale le molecole interagiscono. CICLADDIZINI [2 2] a) EAZINE [π2 s π2 s ] Il sistema π di ciascuna molecola reagisce in maniera suprafaciale: LUM repulsione PIBITA M La reazione è proibita allo stato fondamentale poiché l interazione tra due orbitali nello stato di transizione è di tipo antilegante. Se un elettrone viene fatto passare sull orbitale LUM per mezzo di una radiazione elettromagnetica (reazione fotochimica) il processo diventa possibile nello stato eccitato. In questo caso è possibile un interazione di tipo SM-LUM. SM: Single ccupied Molecular rbital LUM LUM hν SM PEMESSA M

7 b) EAZINE [π2 s π2 a ] L approccio delle due molecole non è coplanare ma si sviluppa su due piani ortogonali: M LUM Questo tipo di interazione si chiama SUPAFACIALE-ANTAAFACIALE ed è una reazione permessa per simmetria allo stato fondamentale. Essa è però poco probabile su alcheni comuni a causa della elevata distorsione richiesta durante l approccio. c) EAZINE [π2 a π2 a ] E una reazione proibita per simmetria nello stato fondamentale. Inoltre prevede una doppia distorsione delle molecole interagenti: repulsione M repulsione LUM Sulla base di queste considerazioni è possibile ricavare delle regole di selezione che sulla base del numero di elettroni messi in gioco durante la reazione permette di sapere se la reazione è permessa allo stato fondamentale o in quello eccitato.

8 EGLE DI SELEZINE m n Permessa (st. fond.) Proibita (st. eccit) Permessa (st. eccit.) Proibita (st. fond.) 4 q SUPA-ANTAA ANTAA-SUPA 4 q 2 SUPA-SUPA ANTAA-ANTAA SUPA-SUPA ANTAA-ANTAA SUPA-ANTAA ANTAA-SUPA m n = numero elettroni π totali Se gli alcheni utilizzati per la reazione hanno dei requisiti stereochimici definiti questi si rifletteranno sulla stereochimica del prodotto (reazione stereospecifica) Ad esempio: etilene cis 2-butene 3 C C 3 π 2 s π 2 s SUPA ETILENE SUPA 2-BUTENE hν 3 C C 3 CIS 3 C C 3 π 2 s π 2 a SUPA ETILENE ANTAA 2-BUTENE 3 C C 3 TANS In maniera analoga: ANTAA ETILENE SUPA 2-BUTENE CIS ANTAA ETILENE ANTAA 2-BUTENE TANS

9 Esempio sintetico di π2 s π2 s: C 3 hν C 3 CuTf reazioni antarafaciali sono possibili solo in sistemi che impongono una torsione del doppio legame: π 2s π 2s π 2s π 2a 1,5-cicloottadiene Anche alleni e cheteni hanno un sistema p distorto che può favorire reazioni antarafaciali. Interazione LUM CETENE-M LEFINA. π2 s π2 a interazioni secondarie interazioni M-LUM Gli orbitali π del carbonio sp sono ortogonali quindi l allene si comporta come un legame π semplice. Il sistema sp non ha sostituenti e ha una bassa richiesta sterica. Le interazioni secondarie abbassano l energia del processo. I cheteni alogenati sono più reattivi (LUM a più bassa energia). La stereochimica prevedibile è la seguente:

10 L CIS C SFAVITA S L L C TANS FAVITA S L CICLADDIZINI [4 2] Questo processo rappresenta una classica reazione di Diels-Alder. E un processo π4 s π2 s L interazione più favorevole è di solito M-DIENE con LUM-ALCENE: LUM M Perché la reazione sia possibile il diene deve poter adottare una conformazione di tipo s-cis non reagisce s-trans reagisce s-cis

11 Quando i sostituenti si trovano fuori dal sistema π la reazione risulta essere più veloce per un minor ingombro sterico nello stato di transizione. più reattivo di Dienofili sostituiti possono dare prodotti ES o END. Il prodotto END è più ingombrato però è favorito. (EGLA DI ALDE) ES-lenta termodinamicamente più stabile END-veloce termodinamicamente meno stabile Le interazioni secondarie sono probabilmente reaponsabili della selettività osservata: M interazioni primarie interazioni secondarie LUM

12 Le reazioni di Diels-Alder non presentano effetto solvente (non ci sono intermedi carichi, si usa benzene o toluene). STEECIMICA: come tutte le reazioni pericicliche che sono concertate, la reazione di Diels-Alder è stereospecifica. C 2 Me C 2 Me C 2 Me Me 2 C C 2 Me C 2 Me C 2 Me C 2 Me Ac C 2 Me 90 C Ac C 2 Me Ac Ac La natura dei sostituenti influenza enormemente la velocità e l efficienza della reazione. In generale secondo la teoria degli orbitali di frontiera: - gruppi elettronattrattori: abbassano E M-LUM ; - gruppi elettrondonatori: aumentano E M-LUM. Questo principio è di carattere generale e quindi valido PE TUTTE LE EAZINI CIMICE, non solo per quelle pericicliche. La reazione di Diels-Alder è quindi favorita da: gruppi elettrondonatori sul diene gruppi elettronattrattori sul dienofilo.

13 E L L L L L L Z X Energie degli orbitali di frontiera di vari dienofili: 3.0 E (ev) LUM C Z X M C=, C=C 2 Z= C ; CN; N 2 ; C X = Me; Me 2 N; Me L esempio seguente illustra chiaramente l effetto pronunciato dei sostituenti nella reazione di Diels-Alder:

14 165 C - 17 h 900 atm - 78% 20 C - 24 h 100 % Effetto di sostituzione in C-1 nei dieni. 2.5 E (ev) LUM M C Z X La sostituzione in C-2 produce lo stesso effetto ma di minore intensità. Ciò avviene perché i coefficienti degli orbitali centrali sono più piccoli rispetto a quelli dei carboni terminali (vedere equazione di Klopman) M - 0.6

15 EGISELETTIVITA Nell interazione M-LUM è favorito il legame tra atomi che hanno coefficienti di grandezza simile (grande-grande o piccolo-piccolo). X Z LUM DIENFIL C X Z M DIENE C X Z Ciò favorisce lo sviluppo di reazioni maggiormente regioselettive com e si può vedere dai seguenti esempi: 8 : 1 20 : 1

16 Me C Me C Me CATALISI La reazione di Diels-Alder è catalizzata da acidi di Lewis: C 2 Me C 2 Me C 2 Me CNDIZINI: 120 C /6h AlCl 3 / 20 C / 6 h 95 5 L acido di Lewis non funziona solo da catalizzatore poiché influenza anche la distribuzione dei prodotti. Quando sul dienofilo sono presenti dei gruppi carbonilici l acido di Lewis ha un duplice effetto: 1- abbassa l energia del LUM dienofilo 2- diminuisce il valore del coefficiente orbitalico sul carbonio in α al C=. AlCl 3 AlCl 3

17 E (ev) FATTE 1: reazione più veloce FATTE 2: reazione più regioselettiva. EATTIVITA Me N 2 Et 2 25 C 85% N 2 S 2 S C 94% P 3 P 3 96% Si Me C 6 6 Si Me C 3 C 72% Br Br Zn-Ag 74% C 3 Si Et 2 AlCl C Si 3 62%

18 EAZINI ELETTCICLICE Prevedono la formazione di un legame singolo agli estremi di un sistema lineare contenente k elettroni π e naturalmente il processo inverso. K π K 2 π a) eazione butadiene ciclobutene La reazione di chiusura (o apertura se si considera il processo inverso) può avvenire con due distinti meccanismi: Movimento CNTATI dei legami terminali nel quale il senso di rotazione è lo stesso. Movimento DISTATI con un senso di rotazione opposto. conrorotatoria M δ PEMESSA disrorotatoria LUM δ PIBITA Allo stato fondamentale è permessa unicamente la reazione conrotatoria perché il legame del sistema ciclobutenico finale è di tipo legante (M δ). In maniera analoga il ciclobutene si convertirà un butadiene solo attraverso un processo di apertura conrotatorio

19 EGLE DI SELEZINE: K Permesse (termiche) Proibite (fotochimiche) Proibite (termiche) Permesse (fotochimiche) 4 q CNTATIE DISTATIE 4 q 2 DISTATIE CNTATIE K = numero elettroni π; q = 0, 1, 2, 3 Chiusura dell 1,3,5-esatriene 1,3-cicloesadiene: L analisi degli orbitali di frontiera da il seguente risultato: LUM π conrotatoria PIBITA M (2 nodi) LUM δ LUM π disrotatoria PEMESSA M M δ

20 Le reazioni elettrocicliche possono essere applicate anche a sistemi ionici: disrotatorio conrotatorio conrotatorio Implicazioni di tipo stereochimico: CIS-TANS CIS CIS-CIS TANS TANS-TANS Si forma solo prodotto TANS-TANS per ragioni steriche.

21 CICLADDIZINI 1,3-DIPLAI Sono reazioni [π 4s π 2s] permesse per simmetria, danno luogo alla formazione di anelli a 5 termini. dipolo a b d e c a b c d e dipolarofilo 1,3-dipoli sono isoelettronici con l anione allile: NITILE SSID C N C N AZIDI N N N N N N DIAZMETAN 2 C N N 2 C N N NITNI C N C N NITILE IMMINE C N N C N N Per reazioni concertate queste reazioni sono stereospecifiche: C 3 7 C 3 7 N N N N N N N N N 3 C C 3 7 FENILAZIDE 3 C C 3 7

22 eazioni a stadi possono infatti comportare rotazioni che possono compromettere i requisiti stereochimici della reazione: C N N N Considerando le interazioni M-LUM: M N N N N LUM LUM M La situazione nelle reazioni 1,3-dipolari è più articolata rispetto alle Diels-Alder. Vediamo il caso del diazometano con vari dipolarofili: 3.0 E (ev) C N N C - Z X 2 C N N - 2 C N N

23 Le reazioni 1,3-dipolari possono in funzione della natura dei reagenti essere M o LUM controllate Sostituenti elettronattrattori: M DIPL -LUM LEFINA ; Sostituenti elettrondonatori: M LEFINA -LUM DIPL. N N N - k vel N N N LUM M N C 2 Me log k vel C 2Me? E M

24 EGISELETTIVITA E opportuno considerare i coefficienti orbitalici negli orbitali di frontiera. Cambiando la natura dell interazione si possono avere considerevoli cambiamenti nella regioselettività del processo fino ad avere una inversione della stessa. M LUM E (ev) E (ev) N N N azide (-11.5) N N N (0.1) N N N C N (-9.7) 2 C N (-0.5) 2 C N nitrone C N N (-9.0) 2 C N N (1.8) 2 C N N diazoalcano C N (-11.0) C N (-0.5) C N nitrile ossido

25 I coefficienti M-LUM dei dipolarofili sono così caratterizzati: LUM C Z X M C Z X L L L L Controllo LUM Controllo M 3 C C N 3 C C N C 3 CMe C 3 MeC C 3 3 C N N C 3 Da notare: nelle Diels-Alder è preferibile la reazione tra dieni elettronricchi e dienofili elettronpoveri; nelle 1,3-dipolari la reazione può essere favorita da entrambe le combinazioni.

26 L ingombro sterico presente nei substrati può modificare la regiochimica rispetto a quella prevedibile sulla base di semplici considerazioni orbitaliche C N Y Y Y 5 N 4 2-isossazoline N Y 5 4 C 6 5 CMe 95 5 C 6 5 Bu S Cl Cl Applicazioni sintetiche: a) C 3 N N C3 N

27 b) N S N S N Zn Ac N S S c) ' C N N '

28 EAZINI SIGMATPICE iguardano la riorganizzazione concertata di elettroni durante la quale un gruppo attaccato attraverso un legame σ migra su un legame più lontano attraverso un legame π coniugato: [3,3] D 4 5 D [1,5] D D Le reazioni sigmatropiche vengono identificate con due numeri che a partire dagli atomi del legame che si rompe vanno agli atomi che andranno acostituire il nuovo legame. MIGAZINE DI IDGENI: a) Migrazione di tipo [1,3]: Anche in questo caso la migrazione può avvenire in due maniere distinte: suprafaciale o antarafaciale: SUPA PIBITA! SUPA M LUM ANTAA ANTAA PEMESSA!

29 eazioni [1,3] ANTAA sono teoricamente possibili ma sono in pratica impedite da fattori sterici. Nello stato eccitato: SUPA PEMESSA! SUPA LUM SM ANTAA ANTAA PIBITA! In definitiva quindi le [1,3] possono avvenire solo SUPA [ragioni steriche] e nello stato eccitato [l unico permesso per simmetria]. b) Migrazione di tipo [1,5]: LUM PEMESSA S SUPA A M ANTAA PIBITA

30 c) Migrazione di tipo [1,7] ANTAA PEMESSA La [1,7] SUPAFACIALE è proibita, quella ANTAA è permessa e avviene in pratica perché il sistema contiene più atomi e quindi a causa della sua maggiore flessibilità consente all atomo che migra di trovarsi nella posizione corretta per la formazione del nuovo legame: [1,7] Se il sistema è chiuso in un ciclo l ANTAAFACIALE non può più avvenire e quindi allo stato fondamentale avviene la [1,5] SUPA permessa: [1,5] 5 C [1,7] C 3 7 C 3 Una conferma che le [1,5] sono SUPA si può avere esaminando queste evidenze sperimentali: Me D Me s Et 250 C Me D Me Et

31 La migrazione di idrogeno avviene in maniera stereospecifica: da uno stereocentro di tipo S si forma un nuovo stereocentro di tipo. Ciò è possibile esclusivamente con una reazione suprafaciale. Questo triene è stabile e non si converte in toluene perché l unica maniera con la quale può avvenire il processo è attraverso delle reazioni [1,3] o [1,7] SUPA le quali sono proibite allo stato fondamentale. La [1,7] ANTAA non può avvenire per la rigidità dell anello. [1,3] o [1,7] C 3 EGLE DI SELEZINE 1 j SUPA ANTAA 4 n TEMICA PIBITA FTCIMICA PEMESSA 4 n 2 TEMICA PEMESSA FTCIMICA PIBITA TEMICA PEMESSA FTCIMICA PIBITA TEMICA PIBITA FTCIMICA PEMESSA 2. MIGAZINI AL CABNI IAANGIAMENTI [3,3]: CPE E CLAISEN Sono riarrangiamenti permessi per simmetria allo stato fondamentale Il riarrangiamento di CPE è un processo reversibile: 275 C CEt CEt

32 Permesso termicamente allo stato fondamentale, passa attraverso uno stato di transizione a sedia 2' 1 M 1' 3 LUM 3' 2 Eventuali sostituenti presenti nel sistema si dispongono in maniera equatoriale in modo da minimizzare le interazioni relative. 3 C 3 C () C 3 (E) C 3 C 3 C 3 3 C (Z) 13% C 3 () (E) C 3 87% (S) C 3 A causa della reversibilità di queste reazioni viene favorita la formazione dell isomero termodinamicamente più stabile. 350 C Tensioni di anello abbassano l energia richiesta per il processo: - 40 C

33 Metalli di transizione (Pd 2 ) catalizzano la reazione ma in questo caso essa non è più una reazione periciclica poiché avviene a stadi. Pd 2 Pd 2 Pd 2 = PdCl 2 (C 3 CN) 2 Se in posizione 3 c è un ossigeno carico negativamente si osserva un aumento consistente nella velocità del processo. La reazione corrispondente prende il nome di XY-CPE. XY-CPE ANINICA K TF 98% K 75% 25 C Il IAANGIAMENT DI CLAISEN è analogo alla CPE:

34 Il meccanismo è simile: La reazione di CLAISEN è stata studiata originariamente su aril allil eteri: Se entrambe le posizioni orto sono occupate da sostituenti si hanno due reazioni di Claisen consecutive : ' ' ' ' La reazione su allil vinil eteri è uno dei processi più utilizzati su sistemi lineari: Me 125 C

35 Metodo ortoestere (eazione di Claisen- Johnson): C 3 C(C 3 ) 3 3 C C 3 (-C 3 ) C 3 C 3 C 3