Capitolo 7 Composti organici alogenati

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1 himica Organica Informazione Scientifica sul Farmaco apitolo 7 omposti organici alogenati Organic hemistry, 5 th Edition L. G. Wade, Jr.

2 Introduzione I composti organici alogenati sono importanti per vari motivi: - versatili reagenti - solventi - insetticidi - farmaci - altro antipsicotico 2

3 lassi di alogenuri Alchilici: l alogeno, X, è direttamente legato ad un carbonio sp 3. Vinilici: X è legato ad un carbonio sp 2 di un alchene. Arilici: X è legato ad un carbonio sp 2 di un anello arimatico. Esempi: Br l I alchilico vinilico arilico 3

4 lassi di alogenuri alchilici Alogenuri metilici: 3 X Primari: 3 2 X. Secondari: ( 3 ) 2 X.. Terziari: ( 3 ) 3 X. Br Br 3 3 Br 4

5 Dialogenuri Geminali: due alogeni legati allo stesso carbonio Vicinali: due alogeni legati a due carboni adiacenti. Br Br Br Br Dialogenuro geminale Dialogenuro vicinale 5

6 Nomenclatura IUPA Sono identificati come alogenoalcani, il nome è quello dell alcano, l alogeno è un sostituente l 2-clorobutano 2 2 Br 3 ( 2 ) 2 ( 2 ) (2-bromoetil)eptano 6

7 Nomi comuni e sistematici 2 l 2 metilene cloruro. l 3 cloroformio. l 4 tetracloruro di carbonio. Nomi sistematici Sono chiamati alogenuri alchilici. Sono ancora usati per i gruppi alchilici piccoli l cloruro di sec-butile (2-clorobutano) ( 3 ) 3 Br bromuro di terz-butile 2-bromo-2-metilpropano 7

8 Usi degli alogenuri alchilici Solventi sgrassatura e pulizia a secco Anestetici: Alotano è F 3 lbr l 3 usato originariamente (tossico e cancerogeno) Freon, clorofluorocarburi o F Freon 12, F 2 l 2, ora rimpiazzato con Freon 22, F 2 l, meno dannoso per lo strato dell ozono. Pesticidi - DDT (ora proibito). 8

9 Polarità degli alogenuri m = 4.8 x d x d, d = carica (proporzionale a DEN); d = distanza (lunghezza di legame) in Angstroms. Elettronegatività: F > l > Br > I Lunghezza di legame: -F < -l < -Br < -I Momento dipolare: -l > -F > -Br > -I 1.56 D 1.51 D 1.48 D 1.29 D 9

10 Proprietà fisiche Punti di ebollizione Maggiori sono le forze intermolecolare, maggiore è il b.p. Attrazione dipolo-dipolo non molto diversa tra i vari alogenuri Interazioni di Van der Waals maggiori tra gli atomi più grandi Masse maggiori = b.p maggiori. La forma sferica diminuisce il b.p. ( 3 ) 3 Br 3 ( 2 ) 3 Br Densità Fluoruri e cloruri meno densi dell acqua. Dicloruri, bromuri e ioduri più densi dell acqua. 10

11 Polarità e Reattività Gli alogeni sono più elettronegativi del carbonio. Il legame -X è polare, il carbonio ha una parziale carica positiva. Il carbonio è elettrofilo e può essere attaccato dai nucleofili. L alogeno può uscire portandosi dietro il doppietto di elettroni. d+ d- Br Nu: - Br Nu + Br - 11

12 Reazioni degli alogenuri alchilici Nu + + X X gruppo uscente Nu L alogeno (gruppo uscente) è rimpiazzato da un altro gruppo (nucleofilo). Poiché l alogeno è più elettronegativo del carbonio, il legame -X si rompe eteroliticamente e X - esce. Il gruppo che prende il posto di X - è un nucleofilo. La reazione prende quindi il nome di Sostituzione Nucleofila 12

13 Quale meccanismo? Nella reazione si rompe il legame -Br e si forma il legame -Nu Possiamo immaginare 2 modalità 1- si rompe il legame -Br e contemporaneamente si forma il legame -Nu 2- prima si rompe il legame -Br e dopo si forma il legame -Nu Non è possibile che prima si formi il legame -Nu, ci sarebbe un carbonio con 5 legami Nu: - Br Br Br - + Nu Nu: - + Nu Br - Nu 13 Br

14 Meccanismo S N 2 Nu: - Sostituzione nucleofila Bimolecolare. Reazione oncertata: si formano nuovi legami e si rompono i vecchi legami contemporaneamente. Inversione di Walden. Br Nu + Br - 14

15 Diagramma di energia S N 2 15

16 Substrato: impedimento sterico Alogenuro Tipo di velocità relativa 2 X metilico X primario X primario X primario 0.4 ( 3 ) 2 X secondario ( 3 ) 3 X terziario ~

17 Forza dei nucleofili Nell ambito di una coppia acido/base coniugata, la base è più nucleofila: O - > 2 O, N 2- > N 3 Diminuisce da sinistra a destra nella tavola periodica. Atomi più elettronegativi sono meno propensi a formare nuovi legami: O - > F -, N 3 > 2 O Aumenta dall alto in basso nella tavola periodica (maggiori dimensioni e polarizzabilità): I - > Br - > l - 17

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19 Nucleofili ingombrati Soffrono di impedimento sterico per l attacco al carbonio elettrofilo, quindi sono nucleofili deboli. 3 2 O ethoxide (unhindered) weaker base, but stronger nucleophil 3 3 O 3 t-butoxide (hindered) stronger base, but weaker nucleophile 19

20 Effetto del solvente (1) Solventi polari protici (O- o N-) riducono la forza del nucleofilo. Prima di attaccare il carbonio elettrofilo bisogna rompere i legami idrogeno. 20

21 Effetto del solvente (2) Solventi polari aprotici (no O- o N-) non formano legami idrogeno con il nucleofilo, quindi favoriscono la reazione S N 2 Esempi: 3 N acetonitrile O N 3 3 dimethylformamide (DMF) O 3 3 acetone 21

22 Gruppi uscenti Elettron-attrattori Stabili una volta usciti (basi deboli) 22

23 Reazioni S N 1 sostituzione nucleofila Unimolecolare. Reazione in due stadi con formazione di un carbocatione come intermedio. La velocità dipende solo dalla concentrazione del substrato. Meccanismo Br Br - + Nu: - Nu 23

24 Diagramma di energia S N 1 La formazione del carbocatione è endotermica Il carbocatione è un intermedio (minimo relativo di energia). 24

25 Velocità delle S N 1 3 > 2 > 1 >> 3 X L ordine segue la stabilità dei carbocationi arbocationi più stabili si formano più facilmente Gruppi uscenti migliori, reazioni più veloci (come per le S N 2) I solventi migliori sono quelli polari protici: solvatano gli anioni grazie al legame idrogeno 25

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27 Riassumendo: 27

28 S N 2 S N 1 Primari o metilici Nucleofili forti Solventi polari aprotici (DMSO, DMF) v = k[sub][nuc] Inversione al carbonio chirale Terziari Nucleofli deboli (a volte il solvente) Solventi polari protici v = k[sub] Racemizzazione 28

29 Reazioni di Eliminazione B + + B + X X L alogenuro alchilico perde uno ione alogenuro e cede alla base uno ione + su un atomo di carbonio adiacente. Si forma un legame p; il prodotto è un alchene. Questa reazione è chiamata deidroalogenazione (-X). 29

30 Sostituzione ed eliminazione competono 30

31 Reazione E2 Eliminazione Bimolecolare Richiede una base forte L uscita dell alogenuro e del protone sono contemporanee, non si formano intermedi. 31

32 Regola di Saytzeff Se si può formare più di un prodotto, si forma preferenzialmente l alchene più sostituito (più stabile). R 2 =R 2 > R 2 =R > R=R > 2 =R tetra > tri > di > mono Br 3 O

33 Sustituzione o Eliminazione? La forza del nucleofilo determina l ordine: i nucleofili forti favoriscono le S N 2 o le E2. Alogenuri primari solitamente S N 2. Alogenuri terziari miscele di S N 1, E1 o E2 Alte temperature favoriscono le eliminazioni. Basi ingombrate favoriscono le eliminazioni. Buoni nucleofili ma basi deboli favoriscono le sostituzioni. 33

34 E gli alogenuri secondari? Spesso danno miscele di prodotti. 34

35 Fine del capitolo 7 35