e CH 3 OCH 3 OH CH 3 e CH 3 CH=CHCHCHCH

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1 RIEPILG DEI TIPI DI ISMERIA VISTI FINRA 1. Stessa formula molecolare, ma diversa sequenza degli atomi o delle insaturazioni. ISMERI STRUTTURALI e 3 2 e 3 () 3 ISMERI PSIZINALI 3 2 = 2 e 3 = 3 2. Data una definita sequenza, si possono avere isomeri dovuti a diverse relazioni dei gruppi nello spazio. a) ISMERI NFRMAZINALI (interconvertibili) a) ISMERI NFIGURAZINALI (NN interconvertibili) e 3 3 e 3 1

2 ISMERIA TTIA Qualunque oggetto, messo davanti ad uno specchio, riflette la propria immagine. L'immagine riflessa mantiene l'alto ed il basso, ma scambia sinistra e destra Acuni oggetti risultano sovrapponibili alla propria immagine speculare, altri no ggetti privi di elementi di simmetria non sono sovrapponibili alla propria immagine speculare. ggetti con elementi di simmetria sono sovrapponibili (e quindi identici) alla propria immagine speculare non ha un piano di simmetria, né altri elementi di simmetria 2

3 ha un piano di simmetria ggetti con elementi di simmetria (piani, assi, centro) si dicono simmetrici centro di simmetria piani di simmetria piano di simmetria uno degli assi di simmetria ggetti senza elementi di simmetria si dicono asimmetrici o chirali ANE LE MLELE, QUAND NN ANN ELEMENTI DI SIMMETRIA, SN NN SVRAPPNIBILI ALLA PRPRIA IMMAGINE SPEULARE 3

4 Il 2-butanolo può essere scritto con due diverse distribuzioni dei gruppi nello spazio. Le due strutture non sono sovrapponibili e quindi sono due isomeri distinti Si tratta perciò di STEREISMERI 2-butanolo Stereoisomeri che sono immagini speculari NN SVRAPPNIBILI si chiamano ENANTIMERI 2 3 I 2 3 I I 3 I I 3 specchio 4

5 Anche con un solo si possono avere enantiomeri. Ad esempio, il bromocloroiodometano l I I I I I I I I I I I I l se si sovrappongono i gruppi verticali, non sono sovrapposti quelli orizzontali se si prova a ruotare, solo i si sovrappongono Se in una molecola c'è UN sp 3 legato a QUATTR GRUPPI DIVERSI, esistono due stereoisomeri che sono immagini speculari NN SVRAPPNIBILI (enantioneri). iascun enantiomero è sovrapponibile all'immagine speculare dell'altro. (A) (B) specchio (A) specchio 5

6 La stereoisomeria ottica non c'è se al sp 3 sono legati almeno due gruppi uguali l 3 l l l 3 3 (A) specchio (B) 3 3 (A) (B) on due gruppi uguali c'è un piano di simmetria Se il sp 3 è legato a quattro gruppi (o atomi) uguali, il piano che passa per il e due gruppi (o atomi) è un piano di simmetria Se il sp 3 èlegatoatregruppi(oatomi) uguali ed uno diverso, il piano che passa per il, il gruppo (o atomo) diverso ed uno dei gruppi (o atomi) uguali è un piano di simmetria 6

7 Se il sp 3 è legato a due gruppi (o atomi) uguali, c è un piano di simmetria se gli altri due gruppi sono diversi tra loro; se gli altri due gruppi tra loro sono diversi, I piani di simmetria sono due Se il sp 3 è legato a quattro gruppi (o atomi) DIVERSI, NN E NESSUN piano di simmetria La stereoisomeria ottica non c'è se il è ibridato sp 2 : c'è sempre almeno un piano di simmetria (quello che passa per il piano individuato dai legami sp 2 Qualunque atomo tetraedrico legato a quattro gruppi diversi è un atomo asimmetrico (chirale) e rende asimmetrica la molecola R 4 R 1 Si R 3 R 2 R 4 R 1 Ge R 3 R 2 R 4 N R 1 R 3 X - R 2 7

8 In alcuni casi sono stati isolati gli enantiomeri di sali di ammonio quaternari o di N-ossidi 3 N l l 3 l 2 l 2 N l l 2 l l 3 specchio l N 2 3 l l l l l l l - 3 N 2 3 Le ammine terziarie enantiomere si interconvertono facilmente e non si possono considerare stereoisomeri, ma conformazioni (nel passaggio da una forma all'altra non si rompono legami chimici) R 1 : N R 1 N : N R 3R2 R 3 R 2 erti sali di solfonio, invece, richiedono più energia per l'interconversione e sono isolabili come enantiomeri stabili 2 2 S : l l l l l specchio - - : S

9 Una molecola può essere priva di elementi di simmetria anche in assenza di atomi chirali ALLENI sostituiti l l l l l l l specchio l l l l non sovrapponibile alla immagine speculare BIFENILI 2,2',6,6'-tetrasostituiti - - N N l l l l l l l specchio - N N Acido 6,6'-dinitrobifenil-2,2'-dicarbossilico (acido 6,6'-dinitrodifenico) l l l - visti di lato l - N l N l l l N l N - l - specchio - 9

10 Una molecola con un solo (o altro atomo) chirale si dice asimmetrica. Una molecola priva di elementi di simmetria ma senza atomi chirali si dice dissimmetrica Le molecole asimmetriche e quelle dissimmetriche esistono come enantiomeri, cioè come immagini speculari non sovrapponibili Perché si chiama Isomeria ttica? luce ordinaria luce polarizzata Quando la luce polarizzata attraversa un composto chirale, il piano di polarizzazione viene deviato luce polarizzata l 3 l'asimmetria allo stereocentro provoca la rotazione 10

11 Quando la luce non polarizzata attraversa un filtro polarizzatore, le onde luminose che vibrano in tutte le direzioni vengono filtrate e la luce che passa vibra in una sola direzione Quando l'asse di un secondo polarizzatore è parallela a quella del primo, la luce passa anche attraverso il secondo polarizzatore e l'osservatore vede il massimo della luce Quando i due filtri polarizzatori hanno assi che formano angoli tra 0 e 90, passauna quantità di luce intermedia tra il massimo e zero. 11

12 Quando la luce polarizzata attraversa una soluzione contenente il composto chirale, questo provoca la rotazione del piano della luce polarizzata La rotazione del piano della luce polarizzata venne chiamata attività ottica e le sostanze capaci di ruotare il piano della luce polarizzata si chiamarono "otticamente attive". Gli enantiomeri hanno tutte le proprietà fisiche identiche, tranne la DIREZINE in cui ruotano il piano della luce polarizzata L enantiomero che ruota verso destra il piano della luce polarizzata si dice destrogiro e si indica con () (una volta con d), quello che lo ruota verso sinistra si dice levogiro e si indica con (-) (una volta con l) Gli enantiomeri ruotano il piano della luce polarizzata esattamente della stessa quantità, ma in direzione opposta Una miscela in parti uguali di due enantiomeri (miscela racemica) ha potere rotatorio ZER. Non è possibile prevedere in che direzione un dato enantiomero ruoterà il piano della luce polarizzata: direzione e grandezza della rotazione sono proprietà fisiche che devono essere misurate. 12

13 Lo strumento che misura la rotazione della luce polarizzata si chiama polarimetro. La rotazione (α) misurata dipende dalla concentrazione della soluzione, dalla lunghezza del cammino ottico (lunghezza della cella) e dall'attività del composto. Per un dato composto si definisce il potere rotatorio specifico, [α] = λ dove: α = rotazione osservata l = lunghezza del cammino ottico (in dm) c = concentrazione (in g/ml) o α c x l 13

14 PRBLEMA ome si possono identificare i due enantiomeri? Notazione di FISER Si basa sul lavoro di Fischer con l'aldeide GLIERIA (2,3-diidrossipropanale) * 2 () () (-) destrogiro levogiro () (-) (d) (l) Quale struttura assegnare all'enantiomero destrogiro? Quale al levogiro? si usano delle formule proiettive PER SRIVERE LE FRMULE PRIETTIVE DI FISER REGLE 1. Si orienta la molecola in modo che solo il chirale appartenga al piano di scrittura 2. I legami del chirale si proiettano a croce sul piano di scrittura, con la convenzione che i segmenti RIZZNTALI indicano legami al di qua del piano di scrittura (verso l'osservatore) ed i segmenti VERTIALI indicano legami al di là del piano di scrittura (lontano dall'osservatore) = 3. La catena più lunga di atomi di carbonio si mette verticale. 14

15 PER ATTRIBUIRE LA NTAZINE D,L 1. Si scrive la molecola secondo la proiezione di Fisher, con la catena più lunga di atomi di in verticale e N L'ESTREMITA' PIU' SSIDATA IN ALT. nell'aldeide glicerica, al chirale sono legati: -, -, -, Si guardano i legami orizzontali. Se il gruppo diverso da si trova a sinistra, si assegna la notazione L e si dice che l'enantiomero è "di serie L". Se il gruppo diverso da si trova a destra, si assegna la notazione D e si dice che l'enantiomero è "di serie D". 2 D 2 L Fischer ha assegnato (in modo arbitrario) la configurazione D all'enantiomero destrogiro dell'aldeide glicerica. A partire dall'aldeide glicerica è stata assegnata la struttura agli altri composti, partendo da quelli che sono in relazione strutturale con l'aldeide glicerica D aldeide D-glicerica D-2,3-diidrossipropanale () (-) D acido D-2-idrossipropanoico acido D-lattico 15

16 La convenzione di Fischer permette di assegnare una NFIGURAZINE RELATIVA Non c'è NESSUNA RELAZINE tra il SEGN del potere rotatorio (dato sperimentale) di un enantiomero e la sua NFIGURAZINE. Dobbiamo essere in grado di scrivere le strutture D e L degli enantiomeri di uncomposto, ma non possiamo dire quale enantiomero è destrogiro e quale levogiro, se non misurando sperimentalmente il potere rotatorio. ATTENZINE!!!! N LE FRMULE PRIETTIVE SI PERDN (APPARENTEMENTE) LE INFRMAZINI SULLA TRIDIMENSINALITA' In realtà le informazioni si conservano, se si ricorda la convenzione con cui si proiettano i legami Una volta che i legami del chirale sono stati proiettati a croce, le sole operazioni lecite sono quelle che mantengono i legami nella stessa situazione rispetto al piano di scrittura = = 16

17 perazioni LEITE slittamento sul piano rotazione di 180 rotazione di 180 = 2 2 = 2 2 perazioni PRIBITE rotazione di 90 rotazione di 270 RIBALTAMENT rotazione di 90 = 2 =/ rotazione di 270 = =/ 2 2 ribaltamento = 2 2 =/ 2 2 = 2 ribaltamento enantiomero 2 2 non sovrapponibili 17

18 Esempio acido 2-bromopropanoico 3 * 2 si scrive la catena di verticale, con il gruppo più ossidato in alto ai due enantiomeri si assegna la notazione guardando dove si trova il gruppo diverso da (in questo caso, ) D L 3 La notazione D,L non si può applicare: 1. Se non c'è una funzione più ossidata da mettere in alto l esempio 3-cloroesano * si può sempre scrivere la forma proiettiva 2 3 rotazione di l l? lo STESS enantiomero ha il l a sinistra e a destra, perché non c'è un'estremità più ossidata da mettere in alto 18

19 2. Se non c è un atomo di legato al chirale esempio acido 2-bromo-2-metilbutanoico * si può sempre scrivere la forma proiettiva l 2 l 2 3 l 3 2 3? l 2 3 Quando non è possibile assegnare la notazione D,L si ricorre ad una notazione più generale, sempre applicabile Notazione R,S ATTRIBUZINE DELLA NTAZINE R,S REGLE 1. Si elencano i quattro gruppi (o atomi) legati allo stereocentro ( chirale), in ordine di priorità decrescente. 2. Si orienta la molecola, in modo da guardarla DALLA PARTE PPSTA, RISPETT AL GRUPP A PRIRITA' PIU BASSA. 3. Partendo dal gruppo a priorità più alta, si disegna una freccia curva in direzione del gruppo successivo in ordine di priorità. 4. Se la freccia è in senso orario (cioè se si va dal primo gruppo al secondo edal terzo in senso orario), la configurazione è R (= recte), se la freccia è insenso antiorario, la configurazione è S (= sinister). 19

20 esempio: 2-butanolo 3 * ) - 2) ) - 3 4) R ATTENZINE!!! Quando la molecola è rappresentata in modo tridimensionale, può essere orientata in modo qualsiasi. Per assegnare la notazione, bisogna GUARDARE LA MLELA DALLA PARTE PPSTA RISPETT ALL'ULTIM GRUPP IN RDINE DI PRIRITA' Esempio: va guardato da dietro sono tutte rappresentazioni dell' (S)-2-bromobutano

21 E' MLT IMPRTANTE GUARDARE LA MLELA NELLA GIUSTA DIREZINE l'enantiomero è lo stesso (la mano è la stessa), ma può non sembrarlo, se si guarda dalla parte sbagliata

22 2 3 (R)-2-bromobutano 3 l l 3 3 Usando le formule proiettive, l'ultimo gruppo in ordine di priorità (per esempio, l') va messo su uno dei segmenti verticali (per esempio, in basso): in tal modo E' DALLA PARTE PPSTA rispetto al punto di osservazione. =

23 ESEMPI: Scrivere l'acido (S)-2-bromo-2-metilbutanoico 1. Si scrive la formula (individuando il chirale) * Si elencano i gruppi, in ordine di priorità decrescente 1) - 2) - 2 3) ) Si scrive la formula proiettiva (legami a croce) con l'ultimo gruppo in ordine di priorità DIETR (ad esempio, in BASS) 3 4. Il 1 gruppo in ordine di priorità si mette DVE SI VULE; il 2 gruppo va messo in modo da essere raggiunto in senso ANTIRARI S 23

24 oppure S oppure S Le notazioni D,L e R,S richiedono un diverso orientamento della molecola, pur usando le stesse formule proiettive. Notazione D,L Notazione R,S NFIGURAZINE RELATIVA NFIGURAZINE ASSLUTA È importante essere in grado di passare da una notazione all altra PASSAGGI DA D,L a R,S esempio: l'aldeide D-glicerica D 2 R o S? La proiezione di Fischer che permette di assegnare la notazione D,L richiede che ai legami verticali siano legati (di solito) degli atomi di La proiezione di Fischer che permette di assegnare la notazione R,S richiede che ad uno dei legami verticali sia legato l'ultimo gruppo in ordine di priorità (di solito l'). 24

25 2 Il passaggio da una formula proiettiva all'altra NN PU' ESSERE TTENUT PER RTAZINE: la rotazione di 90 (o di 270 ) è una operazione proibita, perché non mantiene il significato tridimensionale dei legami proiettati a croce. Data una configurazione, un QUALSIASI scambio di legami comporta l'inversine della configurazione. Per passare da una formula proiettiva ad un altra con la stessa configurazione, basta effettuare un NUMER PARI di scambi di legame il primo scambio deve necessariamente portare l'ultimo gruppo in ordine di priorità (in questo caso ), su un legame verticale (per es., in basso) 2 2 Il secondo scambio può riguardare due qualsiasi degli altri legami:

26 2 2 2 il primo scambio è stato tra e 2, il secondo tra e il primo scambio è stato tra e 2, il secondo tra 2 e il primo scambio è stato tra e 2, il secondo tra 2 e Il risultato deve essere la stessa configurazione! rdine di priorità: 1) -, 2) -, 3) - 2, 4) R R R PASSAGGI DA R,S a D,L esempio: l'acido (S)-2-bromopropanoico D o L? 2 1) - 2 2) - * ) ) - Per poter assegnare la notazione D,L è necessario avere: ci si deve arrivare con un NUMER PARI DI SAMBI DI LEGAME deve andare sul legame verticale in basso è già al posto giusto il primo scambio riguarda - 3 e -; il secondo scambio non può toccare il - 3 né il - 2 e perciò deve avvenire tra - e - L

27 MLELE N PIU' DI UN STEREENTR Esempio: I chirali sono due * * 2 2: -, -, -, : - 2, -, -, -()- Si usano le formule proiettive; si hanno due legami a croce il legame - appartiene al piano di scrittura = viene proiettata una conformazione ELISSATA L'orientamento della catena è lo stesso: verticale, con l'estremità più ossidata (se c'è) in ALT. 2 2 I legami orizzontali dei due possono avere il gruppo diverso da dalla stessa parte o da parti opposte rispetto alla catena verticale. l l l l 2 2 l enantiomeri l l l l 2 l enantiomeri 2 Quattro stereoisomeri, a due a due enantiomeri 27

28 Se si confronta la struttura di uno qualsiasi degli enantiomeri della prima coppia con quella di uno qualsiasi degli enantiomeri della seconda coppia, si vede che non sono sovrapponibili, ma non sono neppure immagini speculari Stereoisomeri non enantiomeri si chiamano DIASTEREMERI anno proprietà fisiche diverse DIASTEREMERI enantiomeri enantiomeri DIASTEREMERI La notazione D,L si assegna guardando la configurazione DELL'ULTIM ATM DI ARBNI IRALE IN BASS, una volta orientata la molecola con l'estremità più ossidata in alto. D 2 L 2 D 2 L 2 E' necessario avere un modo per distinguere i due stereoisomeri di serie D ed i due di serie L. Quando i due gruppi diversi da si trovano dalla stessa parte del legame - nella formula proiettata, lo stereoisomero si chiama ERITR 28

29 Quando i due gruppi diversi da si trovano da parti opposte del legame - nella formula proiettata, lo stereoisomero si chiama TRE 2 2 D-eritro-2,3,4-triidrossibutanale (D-eritrosio) L-eritro-2,3,4-triidrossibutanale (L-eritrosio) 2 2 D-treo-2,3,4-triidrossibutanale (D-treosio) L-treo-2,3,4-triidrossibutanale (L-treosio) Se gli stereocentri non sono consecutivi, si scrivono le proiezioni a croce per ciascuno di essi. Non si scrivono legami a croce per i non chirali. esempio: * * : - 2, -, - 3, : - 3, -, -, -( 3 ) 2 29

30 Gli stereocentri possono essere anche più di due In generale, se n è il numero degli stereocentri in una molecola, il numero massimo di stereoisomeri possibili è 2 n La notazione R,S si assegna dicendo se è R o S IASUN IRALE presente nella molecola Per passare dalla notazione D,L alla notazione R,S si seguono le regole già viste per molecole con un solo stereocentro. Esempio: L-treo-2,3,4-triidrossibutanale R o S? L 2 2 () 2 due scambi di legame 1) - 2) - 3) -() 2 4) () () 2 due scambi di legame 2 () S R 1) - 2) -() 3) - 2 4) - (2R,3S)-2,3,4-triidrossibutanale 30

31 1 Esempio: Scrivere l'acido (2S,3S)-2,3-diclorobutanoico e dire se è di serie D o L Si scrive la formula, individuando i chirali * * 3 2 l l 2 Si scrivono gli stereocentri secondo la configurazione richiesta 2: 1) -l, 2) -l 3, 3) - 2 4) - 2S 3 2 l 1 l 3 2 l atomo con numero atomico maggiore: dà priorità maggiore al gruppo 3 3: 1) -l, 2) l 2, 3) 3 4) - 3S l 2 l 1 Si scrive la proiezione adatta per assegnare la notazione D,L 2 4 2: 3 si mettono i gruppi sui legami orizzontali, ricordandosi in ogni caso di fare un numero pari di scambi di legame 3 l l deve andare in basso 2 deve andare in alto 31

32 2 l l 3 il primo scambio ha riguardato - 2 e -l, il secondo ha riguardato -l 3 e - 3: l l 2 3 l deve rimanere in alto deve andare in basso 2 l 3 il primo scambio ha riguardato - 3 e -, il secondo ha riguardato -l e 5 si combinano i due atomi in un'unica molecola 6 2 l l 3 l 2 l 3 si assegna la serie, sulla base della configurazione dell'ultimo chirale in basso L l 2 l 3 treo nome completo: acido L-treo-2,3-diclorobutanoico 32

33 2 n è il massimo numero di stereoisomeri che si possono avere con n centri chirali Non sempre questo numero viene raggiunto Esempio: Acido 2,3-diidrossibutandioico (acido tartarico) 2: - 2, -, -, -() 2 3: - 2, -, -, -() * * 2 I quattro gruppi diversi legati al 2 SN GLI STESSI QUATTR GRUPPI (diversi tra loro) legati al 3 in questi casi si parla di STEREENTRI ( chirali) SIMILI Se si scrivono le strutture secondo la notazione di Fischer: 2 2 l l l l l 2 2 immagini speculari NN sovrapponibili ENANTIMERI L acido 2,3-diidrossibutandioico ha solamente TRE stereoisomeri l l l l l immagini speculari sovrapponibili STESS MPST UN SL!! Lo stereoisomero sovrapponibile alla sua immagine speculare è un composto otticamente INATTIV (per la presenza di un piano di simmetria o, come si dice, per compensazione interna); prende il nome di MESFRMA 33

34 piano di simmetria 2 MESFRMA Tutte le volte che in una molecola sono presenti due stereocentri simili (cioè legati agli stessi quattro gruppi diversi), gli stereoisomeri diventano tre: una coppia di enantiomeri e la mesoforma. La mesoforma è un diastereomero di ciascun componente della coppia di enantiomeri. R 3 3 R S 3 3 = = = = R S ENANTIMERI 3 3 R specchio S S 3 R 3 = = S DIASTEREMERI DIASTEREMERI specchio 3 S R 3 3 = = R S R Enantiomeri? N!! IDENTII MES S 3 34

35 I due * simili possono anche non essere adiacenti esempio: acido 2,3,4-triidrossipentandioico 2: - 2, -, -, -()() 2 4: - 2, -, -, -()() 2 ATTENZINE!! il 3 NN è chirale -, -, -() 2, -() 2 2 * * 2 2 Il piano di simmetria i passa a metà del 3 e dei suoi legami Nello scrivere le formule proiettive di Fischer, è bene scrivere a croce solo i legami dei chirali mesoforma 2 2 enantiomeri treo 2 2 RISLUZINE DI UNA MISELA RAEMIA Per separare una miscela di enantiomeri (risolvere una miscela racemica) non si può sfruttare nessuna proprietà fisica o chimica, perché SN IDENTIE. 1. Si trasforma la coppia di enantiomeri in una coppia di diastereomeri, facendo una reazione con un composto otticamente puro. 2. I diastereomeri si separano, sfruttando le diverse proprietà fisiche. 3. Dopo la separazione dei distereomeri, si ripristinano gli enantiomeri iniziali 35

36 X R X S Y S X R Y S X S Y S miscela racemica composto otticamente puro miscela di diastereomeri i diastereomeri si separano X R Y S X S Y S scissione X R Y S X S Y S separazione e recupero di Y S X R PUR X S PUR IRALITA' NEI MPSTI ILII I cicloalcani con un solo sostituente o con due sostituenti sullo stesso NN ANN STEREENTRI Si osservi la differenza tra 2-clorobutano e clorociclobutano: l * 2 : -, -l, - 3, gruppi diversi (a) l (b) 1: -, -l, (a): , (b): gruppi uguali analogamente: l (a) (b) 1: -, -l, (a): , (b): gruppi uguali 36

37 Infatti c'è un piano di simmetria l icloalcani con almeno DUE sostituenti su DUE diversi presentano stereocentri Esempi: l 2: -, -l 2 1 secondo il legame 2-3: secondo il legame 2-1: quattro gruppi diversi: il 2 è chirale l 2 1 1: -, -, -(l) 2 -, - 2 (l)- 2 : -, -l, - 2 ()-, -() 2 - la sequenza dell'anello va considerata TUTTA, ma viene "vista" in due modi diversi, a seconda del legame che si sta considerando: a tutti gli effetti, costituisce DUE GRUPPI DIVERSI. l l l l l l l l l l l l l enantiomeri enantiomeri cis trans diastereomeri l 37

38 (a) (a') l (b) l 1: -, -l, (a): l-, (b): -l 2 2-2: -, -l, (a'): l-, (b): -l chirali simili l l l l l l l l l l l l l l l l l l coppia di enantiomeri trans l l = l l l l = l l un solo composto cis, la mesoforma Per assegnare la notazione R,S, si seguono le regole generali, ricordandosi di guardare dalla parte opposta del gruppo a priorità minore 2 1: -, 2, - 2 l 2 2 -, l : -, -l, - 2 ( 2 ) 2 2 -, ( 2 ) 2 - l si guarda da sopra R bisogna guardare da sotto l l 38

39 2 l = 2 l R E' lecito ribaltare la molecola, perché NN E' una forma proiettiva Per assegnare la configurazione agli altri stereoisomeri, basta confrontare la disposizione dei gruppi con quella dello stereoisomero già esaminato: se è la stessa si assegna la stessa notazione, altrimenti si assegna l'altra l 1R,3R 1S,3S l 1R,3S l 1S,3R l ATTENZINE!! iclbutani 1,3-disostituiti ciclobutani 1,3-disostituiti e cicloesani 1,4-disostituiti NN ANN IRALI uguali 1: -, -, - 2 ( 3 ) 2 -, - 2 ( 3 ) 2-3 :- 3, -, , uguali icloesani 1,4-disostituiti ( 3 ) ( 3 ) due sostituenti uguali 39

40 IS icloesani 1,3-disostituiti 3 specchio 3 piano di simmetria piano di simmetria 3 3 TRANS forma MES specchio immagini speculari non sovrapponibili coppia di ENANTIMERI icloesani 1,2-disostituiti TRANS specchio immagini speculari non sovrapponibili coppia di ENANTIMERI IS specchio piano di simmetria forma MES piano di simmetria 40

41 specchio piano di? simmetria 3 3 piano di simmetria Perché un composto sia meso non è necessario che abbia un piano di simmetria nella conformazione più stabile: basta che abbia un piano di simmetria in una conformazione stabile. REGLE DELLA RISNANZA 1. Tutte le strutture canoniche di risonanza devono essere strutturedi Lewis corrette per esempio, nessuna può avere atomi di con cinque valenze 2. La posizione dei nuclei DEVE essere la stessa in TUTTE LE STRUTTURE ciò significa che quello che cambia quando si scrivono le varie strutture di risonanza è la distribuzione degli elettroni mobili (π e doppietti elettronici) 3. Tutti gli atomi che prendono parte alla risonanza devono essere PLANARI (o quasi) questo perché solo orbitali coplanari si sovrappongono lateralmente, permettendo la delocalizzazione degli elettroni 4. Tutti le strutture canoniche di risonanza devono avere lo stesso numero di elettroni spaiati. 41

42 5. L'energia della molecola vera è INFERIRE a quella di una qualsiasi delle sue strutture di risonanza. 6. Le strutture canoniche non contribuiscono allo stesso modo alla descrizione della molecola vera. iascuna forma contribuisce in modo proporzionale alla sua stabilità: quella che sarebbe più stabile contribuisce di più. FRME ANNIE UGUALI NTRIBUISN ALL STESS MD Quante più strutture di risonanza uguali si possono scrivere, tanto maggiore è la stabilizzazione di risonanza PSSN ESSERE DELALIZZATI SL ELETTRNI IMPEGNATI IN LEGAMI π PPIE DI ELETTRNI NN NDIVISI (n) Le strutture di risonanza possono contribuire in modo diverso alla descrizione della molecola vera. Strutture più "stabili" contribuiscono di più. a) Strutture con più legami covalenti sono in genere più stabili di quelle con meno legami covalenti b) La stabilità di una struttura diminuisce aumentando la separazione di carica (allontanamento di cariche diverse). Strutture con più cariche formali sono meno stabili di strutture non cariche. Strutture con più di due cariche in genere contribuiscono poco all'ibrido. Un tipo di struttura particolarmente sfavorevole è quella che porta due cariche uguali su due atomi adiacenti. c) Strutture in cui tutti gli atomi della prima riga del sistema periodico (, N, ) hanno l'ottetto completo sono più importanti delle strutture con ottetti non completi. d) A parità di ottetti elettronici, strutture con carica negativa sull'atomo più elettronegativo sono più stabili di altre, in cui la carica negativa sia su un atomo meno elettronegativo. importanza crescente e) Strutture con angoli distorti o lunghezze di legame distorte sono instabili. 42

43 TIPI DI DELALIZZAZINE 1. Doppi (o tripli) legami coniugati orbitali p orbitali atomici π 1 π 2 orbitali molecolari (leganti) Se il doppio legame è scambiato tra due atomi di diversa elettronegatività, la direzione dello spostamento degli elettroni è univoca ed obbligata verso l atomo più elettronegativo Doppi (o tripli) legami coniugati con un orbitale p pieno su un atomo adiacente in questo caso lo spostamento della coppia di elettroni parte dagli elettroni n l 2 l Iperconiugazione 2 3 Riguarda i legami σ e per ora non viene trattata. orbitale atomico orbitale molecolare - 43

44 Le strutture di risonanza non contribuiscono allo stesso modo alla descrizione della vera molecola: quella che corrisponde ad una situazione più stabile contribuisce di più. PIU' IMPRTANTE MEN IMPRTANTE >n legami covalenti,.. tutti gli ottetti completi.... > n legami covalenti, tutti gli ottetti completi > n legami covalenti, tutti gli ottetti completi senza separazione di carica N N: :.. : : : :.. : PIU' IMPRTANTE MEN IMPRTANTE senza separazione di carica.. N.. :.. F senza separazione.. di carica carica negativa sull atomo più elettronegativo.. : : - N N N.. : : :.. F F: B : F.. B - :.. F: : F: N N: N N: - Si passa da una struttura di risonanza all'altra spostando PPIE di elettroni. Questi spostamenti si possono fare solo su un atomo o un legame adiacente e sono UN ARTIFII necessario per la rappresentazione. 44

45 3.. : : N : N.. : - :.. : 3.. : N.. : 3 N : - :.. : NELLA REALTA' GLI ELETTRNI NN SI SPSTAN, MA SN DELALIZZATI... δ- : 3 N : δ-.. Lo spostamento degli elettroni dipende soprattutto dal loro tipo (π o n) e non dall'atomo coinvolto. 1. ELETTRNI π Gli elettroni π (orbitale molecolare) si spostano mettendoli entrambi su un orbitale atomico - A.. A B B.. - A B A B Se fra A e B non c'è differenza di elettronegatività: entrambi gli spostamenti sono ugualmente possibili SefraAeBc'èdifferenzadielettronegatività:lo spostamento avviene solo nella direzione che portala coppia di elettroni sull'atomo più elettronegativo Ọ :... : - 45

46 2. ELETTRNI n L'unica possibilità di spostare una coppia di elettroni n consiste nel formare un nuovo legame π. Perché questo sia possibile l'atomo adiacente deve avere un orbitale vuoto A.. - B A B La direzione dello spostamento può avvenire solo verso l'atomo con l'orbitale vuoto, indipendentemente dalla elettronegatività... : F.... : F: : F: F: : F B : F.. B - :.. F B - :.. F B -: : F.. : :.. F : :.. F:.. F: Gli elementi della seconda riga del sistema periodico (S, P) possono espandere l'ottetto (orbitali d di energia accessibile) : : :.. : : : : : S.... S.... S.... S.. :.. : :.. : : : : : - - La delocalizzazione può essere estesa a più atomi, purché siano tutti coplanari e con un orbitale π (legami π coniugati o legati ad un atomo con elettroni n) :.... :.. : (a) (a) - (b) (b) : l l.. :

47 Riprendendo l'analogia della corda in vibrazione, oltre alla armonica principale o fondamentale, ci sono le armoniche superiori, caratterizzate da lunghezza d'onda più corta ed energia maggiore. L'armonica fondamentale non ha nodi. La seconda armonica (frequenza doppia) ha un nodo, la terza armonica (frequenza tripla) ha due nodi, la quarta armonica (frequenza quadrupla) ha tre nodi. onsiderando gli orbitali molecolari come onde stazionarie, all'aumentare della energia degli orbitali aumenta il numero di nodi 47

48 Da 4 orbitali atomici p si formano 4 orbitali molecolari Se si confrontano il livelli di energia degli orbitali di 2 = 2 e di 2 =-= 2, si vede che una aumento della coniugazione alza l'energia dell'm e abbassa quella del LUM Energia ψ β } π* -β antileganti ψ -0.6 β 3... non legante π β ψ 2 ψ β 1.6 β } leganti 2 2 etene 2 2 butadiene La diminuzione della differenza di energia tra M e LUM diminuisce l energia necessaria per la transizione elettronica Spettroscopia UV-visibile 48

49 L assorbimento di una radiazione elettromagnetica di energia corrispondente alla differenza tra M e LUM di un composto dà lo spettro di assorbimento di quel composto anza Assorba Bisogna capire perché nell UV-visibile si ha assorbimento in un INTERVALL di lunghezze d onda (bande di assorbimento larghe). gni molecola è caratterizzata da livelli di energia elettronica, vibrazionale e rotazionale. Ad ogni livello elettronico corrispondono diversi livelli vibrazionali, ad ogni livello vibrazionale corrispondono diversi livelli rotazionali A temperatura ambiente la maggior parte delle molecole si trova nello stato fondamentale (E 1 ) La differenza di energia tra gli stati vibrazionali è molto più piccola di quella tra gli stati elettronici (radiazione nell infrarosso) e quella tra gli stati rotazionali è ancora più piccola (radiazione nelle microonde). L assorbimento della luce UV-visibile porta alla promozione di un elettrone dallo stato fondamentale E 1 ad uno qualsiasi dei livelli vibrazionali e rotazionali del livello elettronico eccitato, E 2. 49

50 Le transizioni elettroniche si dividono in permesse dalla simmetria e proibite dalla simmetria Le transizioni proibite dalla simmetria possono ugualmente avvenire, ma sono deboli (minore probabilità) Legge di Lambert-Beer A = ε c Transizioni permesse dalla simmetria ε (log ε 4) Transizioni proibite dalla simmetria ε < : tra 10 e 1000 (log ε tra 1 e 3)) La parte della molecola l che contiene gli elettroni coinvolti nella transizione i elettronica si chiama RMFR. La lunghezza d onda del massimo della banda di assorbimento si indica con λ max ed il coefficiente di estinzione molare corrispondente si indica con ε max. Sistemi coniugati hanno minore differenza di energia tra M e LUM, λ max maggiore, ε max maggiore. etene LUM π* M π* hν M π π stato fondamentale stato eccitato λ max = 171 nm, ε max = M -1 cm -1 In generale, più lungo è il cromoforo, maggiore è la lunghezza d onda del massimo di assorbimento 50

51 1,4-pentadiene λ max = 178 nm, ε max = M -1 cm -1 butadiene M LUM M π* π hν π* π stato fondamentale stato eccitato λ max = 217 nm, ε max = M -1 cm -1 1,3,5-esatriene λ max = 274 nm, ε max = M -1 cm -1 β-carotene λ max = 426 nm, 451 nm, 483 nm 11 doppi legami coniugati licopene (pomodoro) 51

52 Quando la luce bianca attraversa una soluzione di un composto che assorbe nel visibile, il composto assorbe la luce della lunghezza d onda che promuove la transizione elettronica e riflette (trasmette) le altre componenti. Quello che percepiamo come colore è la luce riflessa, complementare a quella assorbita olore percepito olore assorbito λ della luce assorbita dal composto (nm) verde-giallo violetto giallo blu rosso verde blu giallo blu-verde arancione verde rosso La transizione n π* è proibita dalla simmetria ε bassi però λ max > di quella della transizione π π*, perché la dfferenza di energia M-LUM è minore Anche in questo caso la coniugazione avvicina M e LUM, con spostamento del massimo do assorbimento verso lunghezze d onda d maggiori i λ max, nm ε n π* λ max, nm ε π π* 52

53 Il colore dei blue jeens è dato dal colorante indaco, che assorbe la luce gialla e trasmette la radiazione blu-indaco N N precursore incolore aria N indaco I jeans si immergono in una vasca contenente il precursore incolore: quando si appendono per asciugare, l ossigeno ossida il colorante ad indaco ed i jeans diventano blu. N? ARMATIITA' he cosa rende speciale il benzene? BENZENE () x Faraday (1825) 6 6 (1834) Struttura? sulla carta sono possibili diverse strutture con formula molecolare però La REATTIVITA' è molto diversa da quella di molecole con legami carbonio-carbonio doppi e tripli 53

54 2 reazione di addizione alchene 2, Pt 2, alcano (facilmente) reazione di addizione benzene 2, 2, Pt NESSUNA reazione reagisce lentamente, a t e P molto elevate 2 si ha reazione solo in presenza di Fe 3 SSTITUZINE 6 5? Esiste un solo 6 5 ARMATIITA' odore caratteristico Kekulé (1865) Friedrich August Kekulé ( ) 1896) 54

55 spiega perché esiste un solo 6 5 NN spiega perché esiste un solo 12 1, Proposta di Kekulé: ARMATIITA' caratteristica che ha come conseguenza reazioni di SSTITUZINE piuttosto che reazioni di addizione questa definizione operativa è valida anche oggi ARMATIITA' anello con legami semplici e doppi alternati. (1911) cicloottatetraene addiziona 2 addiziona 2 facilmente NN è aromatico 2 Δ = kcal/mole 2 2 Δ =-57.2 kcal/mole (= x 2) Δ atteso per tre doppi legami: x 3 = kcal/mole Sperimentalmente: 3 2 Δ = kcal/mole 55

56 ll benzene è PIU' STABILE di 36 kcal/mole di quello che ci si aspetterebbe da un anello a sei termini con tre doppi legami alchenici. ENERGIA DI RISNANZA 1.39 Å 6 orbitali atomici p 6 orbitali molecolari } orbitali molecolari antileganti } orbitali molecolari leganti Erich ückel ( ) Teoria elaborata nel periodo Regola di ückel: Anelli monociclici planari, in cui tutti gli atomi dell'anello partecipano con un orbitale p alla formazione degli orbitali molecolari, sono aromatici se hanno negli orbitali p un numero di elettroni pari a (4n 2) dove n è un numero intero della serie naturale n = 1 4n2 = 6; n = 2 4n2 = 10; n = 3 4n2 = 14, ecc. 56

57 non può essere aromatico: 8 elettroni π ANNULENE: nome generale per composti monociclici con legami semplici e doppi alternati. Esempio: benzene [6-annulene] (n = 1) cicloottatetraene [8-annulene] Secondo la regola di ückel sono aromatici solo se hanno 4n2 elettroni p. [10-annulene] (n = 2) [14-annulene] (n = 3) [18-annulene] (n = 4) 57

58 Altri annuleni sono stati sintetizzati solo nel decennio NN sono aromatici [12]-annulene [16]-annulene [10]-annulene [14]-annulene [18]-annulene SN aromatici Regola di ückel: Anelli monociclici planari, in cui tutti gli atomi dell'anello partecipano con un orbitale p alla formazione degli orbitali molecolari, sono aromatici se hanno negli orbitali p un numero di elettroni pari a (4n2) Anione ciclopentadienato Tutti gli atomi partecipano con un orbitale p 6 elettroni negli orbitali p è aromatico si torna alla prima struttura 58

59 - : - catione cicloeptatrienilio Tutti gli atomi partecipano con un orbitale p 6 elettroni negli orbitali p vuoto è aromatico si torna alla prima struttura Regola di ückel: Anelli monociclici planari, in cui tutti gli atomi dell'anello partecipano con un orbitale p alla formazione degli orbitali molecolari, sono aromatici se hanno negli orbitali p un numero di elettroni pari a (4n2) PIRIDINA (azabenzene)..... Tutti gli atomi partecipano.... con un orbitale p. N.. N :.. 6 elettroni negli orbitali p è aromatica N N Ṅ N N 59

60 PIRRL.. N Tutti gli atomi partecipano N con un orbitale p 6 elettroni negli orbitali p è aromatico -.. N - - N N N N - Regola di ückel: Anelli monociclici planari, in cui tutti gli atomi dell'anello partecipano con un orbitale p alla formazione degli orbitali molecolari, sono aromatici se hanno negli orbitali p un numero di elettroni pari a (4n2) Per sistemi policiclici, con più ANELLI NDENSATI, vale sempre la regola di ückel e n prende il significato di NUMER DI ANELLI NDENSATI. naftalene Tutti gli atomi partecipano con un orbitale p 10 elettroni negli orbitali p è aromatico (n = 2) 60

61 azulene Tutti gli atomi partecipano con un orbitale p 10 elettroni negli orbitali p è aromatico (n = 2) ANTRAENE Tutti gli atomi partecipano con un orbitale p 14 elettroni negli orbitali p è aromatico (n = 3) A B FENANTRENE Tutti gli atomi partecipano con un orbitale p 14 elettroni negli orbitali p è aromatico (n = 3) B A 61

62 RISNANZA DI BENZENI SSTITUITI 1. Sostituente senza elettroni mobili 3 3 Si hanno solo le strutture di risonanza del benzene 2. Sostituente con elettroni π N N - - N N N 3. Sostituente legato attraverso un atomo con elettroni n : :l l l l l 62

63 RISNANZA DI NAFTALENI SSTITUITI :

64 LASSIFIAZINE DEI TIPI DI REATTIVITA' UNA REAZINE IMIA MPRTA LA RTTURA E/ LA FRMAZINE DI LEGAMI La scissione di un legame covalente può avvenire in due modi diversi: 1. LA PPIA DI ELETTRNI RESTA SU UN DEI DUE ATMI E ERAN IMPEGNATI NEL LEGAME. scissione eterolitica Se gli atomi nel legame di partenza sono neutri, si formano degli ioni. A-B A B: - A-B A: - B 2. GLI ELETTRNI DELLA PPIA STITUENTE IL LEGAME VALENTE RIMANGN UN SU IASUN ATM. scissione omolitica Se gli atomi nel legame di partenza sono neutri, rimangono tali, ma con un elettrone spaiato. A-B A. B. 64

65 Nella formazione di un nuovo legame covalente potranno reagire: due specie con un elettrone spaiato A.. B A-B oppure: un anione con un catione A :B - A-B AB A: - B A-B Le specie che intervengono in una reazione rientrano in una delle seguenti tre categorie: ELETTRFILI NULEFILI RADIALI specie a difetto elettronico, che partecipano alla formazione di un nuovo legame covalente con un orbitale vuoto. specie ricche di elettroni, che partecipano alla formazione di un nuovo legame covalente con un orbitale pieno (coppia di elettroni). specie con un elettrone spaiato, che può essere utilizzato nella formazione di un nuovo legame covalente. Un reagente elettrofilo è tanto più efficace (reattivo) quanto più è povero di elettroni. Un reagente nucleofilo è tanto più reattivo quanto più è ricco di elettroni. SUBSTRAT REAGENTE composto chimico che interessa far reagire specie che si aggiunge per far avvenire la trasformazione Anche nel caso del legami del carbonio si possono avere scissioni sia omolitiche che eterolitiche: Y Y carbanione : - Y Y: - Y.. Y carbocatione radicale al carbonio 65

66 LASSIFIAZINE DELLE REAZINI DELLA IMIA RGANIA 1. reazioni di SSTITUZINE tutte quelle reazioni in cui un atomo o un gruppo del substrato esce ed al suo posto subentra un gruppo proveniente dal reagente Y X X Y 2. reazioni di ADDIZINE tutte quelle reazioni in cui la molecola del prodotto contiene tutti gli atomi del substrato e del reagente X Y X Y 3. reazioni di ELIMINAZINE tutte quelle reazioni in cui la molecola del prodotto si forma dalla molecola di substrato per perdita di un certo numero di atomi, con formazione di un'altra molecola più piccola. X Y X Y 4. reazioni di SSIDAZINE tutte quelle reazioni in cui nel gruppo funzionale cambia il rapporto / a favore dell'ossigeno 5. reazioni di RIDUZINE tutte quelle reazioni in cui nel gruppo funzionale cambia il rapporto / a favore dell idrogeno 66

67 SSIDAZINE 2 3 RIDUZINE 6. TRASPSIZINI reazioni in cui cambia lo scheletro della molecola 7. PLIMERIZZAZINI reazioni di addizione ripetute, a partire da una unità di substrato (detta MNMER), che si trova ripetuta molte volte nel prodotto (PLIMER) n 2 2 ( 2 2 ) n INETIA IMIA La cinetica chimica si occupa di misurare la velocità con cui le reazioni avvengono e stabilire i fattori da cui dipende (concentrazione dei reagenti, temperatura, solvente, ecc.), allo scopo di ottenere informazioni utili alla definizione del meccanismo della reazione. ondizione preliminare per iniziare uno studio cinetico è la conoscenza della stechiometria della reazione, cioè il numero di specie (atomi, molecole o ioni) che compaiono nell'equazione chimica che rappresenta la reazione stessa. La stechiometria della reazione si ottiene da misure sperimentali. L'equazione chimica completa della generica reazione di A con B, che dà e D è: aa bb c dd dove a, b, c e d sono i coefficienti stechiometrici, che devono essere noti. La velocità di reazione, R (dall'inglese rate) si può esprimere come variazione in funzione del tempo della concentrazione dei reagenti o dei prodotti: R A = - d[a] dt R B = - d[b] dt R = d[] dt R = R A = R B = R = R D a b c d R D = d[d] dt 67

68 E' stato visto sperimentalmente che la velocità di reazione è sempre funzione della concentrazione iniziale dei reagenti secondo una relazione del tipo: m R = k [A] o [B] n o dove [A] 0 e [B] 0 sono le concentrazioni iniziali dei due reagenti. Questa relazione viene definita equazione della velocità e gli esponenti m e n sono numeri interi o frazionari, che possono valere anche zero e che vengono definiti ordini cinetici dei reagenti A e B. La somma (mn) è l'ordine cinetico della reazione. La costante k è la costante di velocità della reazione e le sue dimensioni dipendono dall'ordine della reazione. Quando m = n = 1, la reazione è del secondo ordine (primo ordine nel reagente A e primo ordine nel reagente B. I valori di m e n sono sperimentali e possono essere anche numeri frazionari. Non hanno un significato fisico preciso. Il numero di ioni, atomi o molecole che partecipano alla rottura od alla formazione di legami negli stati di transizione si definisce molecolarità della reazione. La molecolarità della reazione è determinata dal meccanismo. rdine e molecolarità coincidono per tutte le reazioni che sono processi elementari. Non necessariamente coincidono per le reazioni in più stadi. A B D (processo elementare) R = k[a][b] legge cinetica calcolata: molecolarità 2 R = k oss [A][B] legge cinetica determinata sperimentalmente: ordine 2 (k oss = costante di velocità osservata, sperimentale) Il meccanismo di reazione è la descrizione più dettagliata possibile delle varie e progressive trasformazioni che le molecole subiscono nel processo che porta alla formazione dei prodotti. 68

69 ASPETTI GENERALI DEL MEANISM DI REAZINE Nel corso delle trasformazioni, che implicano generalmente scissione di legami, precedute da variazioni delle distanze e degli angoli di legame e seguite da formazione di nuovi legami, è intuitivo supporre che l'energia interna dei reagenti cresca fino a raggiungere un valore massimo e poi diminuisca fino al valore di quella dei prodotti. Una reazione chimica, che preveda la trasformazione dei reagenti A e B nei prodotti e D, può essere rappresentata graficamente in modo semplice. A B D La coordinata di reazione rappresenta per convenzione il cammino a minore energia, che è il cammino effettivamente prescelto dalla reazione. Se il percorso per passare da AB a D è quello che implica il minore aumento di energia del sistema, lo stesso deve essere vero per la reazione opposta, che da D porta ad AB principio della reversibilità microscopica Quando i prodotti si trovano in un livello energetico superiore a quello dei reagenti, la reazione viene definita endoergonica o endotermica. Quando i prodotti si trovano in un livello energetico inferiore a quello dei reagenti, la reazione viene definita esoergonica o esotermica. 69

70 La velocità con cui AB si trasformano in D non dipende dalla variazione di energia libera standard ΔG tra reagenti e prodotti, ma dipende solo dalla differenza di energia libera che esiste tra i reagenti ed il massimo della curva che rappresenta il decorso energetico della reazione. ΔG è una misura diretta della posizione dell'equilibrio e quindi di quanto sia possibile convertire AB in D, indipendentemente dalla velocità con cui tale conversione avviene. [] [D] A B D K eq = [A] [B] -ΔG o = RT lnk eq R = costante dei gas T = temperatura assoluta ΔG o = - RT lnk eq = RT log K eq -ΔG o log K eq = 2303RT K = 10 -ΔGo /2.303 RT eq a 298 K (25 ) K eq = 10 -ΔGo /1.37 (2.303 RT = 1.37 kcal/mole) ΔG o più negativo K eq più grande più i prodotti prevalgono nella miscela di equilibrio A temperatura ambiente, una variazione di 1.37 kcal/mole (5.73 kj/mole) cambia K eq di un fattore 10 VALRI DI ΔG E K eq A 25 ΔG (kcal/mole) K eq % reagente % prodotto reazione completa ΔG (kjoule/mole) La variazione di energia libera di una reazione, a pressione costante, è determinata dalla variazione di altre due grandezze termodinamiche, l'entalpia () e l'entropia(s). ΔG = Δ - TΔS 70

71 La variazione di entalpia è legata sostanzialmente al bilancio energetico tra i legami che si rompono e quelli che si formano nella reazione. Un valore negativo di Δ significa che la reazione è entalpicamente favorita. Quando la reazione coinvolge il passaggio da un sistema ordinato ad un sistema meno ordinato, la variazione di entropia è positiva e contribuisce quindi a fornire valori di ΔG negativi e perciò valori di K elevati (equilibrio spostato a destra). Ad esempio, in una reazione con dissociazione di un reagente in due specie: A B A B - il sistema risultante è meno ordinato di quello di partenza e la reazione sarà entropicamente favorita. Per molte reazioni organiche (per esempio quelle che prevedono due specie come reagenti e due specie come prodotti) la variazione di entropia non è grande, per cui essa conta meno della variazione di entalpia. in una reazione chimica i reagenti subiscono una progressiva modificazione, accompagnata da una variazione della solvatazione e caratterizzata da un continuo aumento dell'energia, che raggiunge un valore massimo e poi decresce. Il massimo di energia viene definito stato di transizione la sua struttura NN può essere conosciuta sperimentalmente: si può solo misurare l'energia necessaria per passare dai reagenti allo stato di transizione, definita energia di attivazione. Postulato di ammond Lo stato di transizione assomiglia di più a quel minimo (stato iniziale o dei reagenti oppure stato finale o dei prodotti) che gli è più vicino energeticamente. Quando la reazione è endoergonica, la diminuzione di energia per passare dallo stato di transizione ai prodotti dovrebbe essere piccola: lo stato di transizione è più simile ai prodotti (stato di transizione "tardo", in inglese late, lungo la coordinata di reazione). Quando la reazione è esoergonica, la diminuzione di energia per passare dallo stato di transizione ai prodotti è grande: lo stato di transizione è più simile ai reagenti (stato di transizione "precoce", in inglese early, lungo la coordinata di reazione). 71

72 Le reazioni discusse finora appartengono alla classe dei processi elementari o reazioni monostadio. Non tutte le reazioni organiche sono processi elementari, caratterizzati da un profilo semplice del diagramma energia-coordinata di reazione e quindi da un meccanismo semplice. Si possono incontrare diagrammi di reazione più complessi, in cui esistono due o più stati di transizione: reazioni in più stadi. Una reazione in più stadi non è altro che la successione di più processi elementari, (stadi della reazione), ciascuno caratterizzato da un minimo di energia iniziale (reagenti), da un massimo (stato di transizione) e da un minimo finale (prodotti). Il prodotto di uno stadio, che non sia lo stadio finale, è il reagente dello stadio successivo e prende il nome di intermedio (I). Se il meccanismo della reazione comporta la formazione di un intermedio I, formato in un processo reversibile da A e B: A B k 1 k -1 I I k 2 D k 1, k -1 e k 2 sono costanti di velocità Secondo questo schema di meccanismo, il primo stadio della reazione è un processo bimolecolare, mentre il secondo stadio è un processo monomolecolare. Per uno schema di questo tipo sono possibili due diagrammi di reazione, corrispondenti alle due possibilità: la formazione dell'intermedio è il processo energeticamente più difficile la formazione dell'intermedio è il processo energeticamente più facile 72

73 La costante di velocità di una reazione varia con la temperatura k = A e -E a /RT equazione di Arrhenius in forma logaritmica ln k = ln A - E a RT dove: R = costante dei gas; T = temperatura assoluta Qualunque modello generale della reattività chimica deve tener conto di due osservazioni empiriche: 1. Le velocità delle reazioni dipendono dalla concentrazione dei reagenti 2. La velocità di reazione cresce, al crescere della temperatura, secondo l'equazione di Arrhenius Teoria delle ollisioni Un primo modello è quello fornito dalla Teoria delle ollisioni (limitato a reazioni in fase gassosa). i reagenti si considerano come sfere rigide, che devono collidere perché la reazione abbia luogo. Non tutte le collisioni sono efficaci, ma solo quelle la cui energia è superiore ad un determinato valore. La velocità di una reazione dipende: dalla frequenza della collisione, da un fattore di energia, da un fattore di probabilità. A B FREQUENZA DELLA LLISINE: NUMER di collisioni tra A e B che avvengono in ciascuna unità di volume per unità di tempo. FATTRE DI ENERGIA Frequenza degli urti che avvengono con energia sufficiente per provocare reazione tra le molecole che si urtano. 73

74 FATTRE DI PRBABILITA' Frazione di urti in cui l'orientamento reciproco delle molecole che si urtano è tale da permettere che la reazione avvenga Esempio:. l - -l l nessuna reazione nessuna reazione nessuna reazione.. l 4 3 l l. nessuna reazione 74

75 Teoria dello Stato di Transizione Secondo il modello dello stato di transizione i reagenti sono in equilibrio con una specie ad energia più elevata, che viene chiamata complesso attivato o stato di transizione =/ K =/ k R A B (AB) D I complessi attivati di qualunque reazione evolvono a prodotti con la stessa costante di velocità, k R, che è quindi una costante universale =/ =/ [(AB) ] K = k R = kt [A][B] h k = costante di Botlzmann h = costante di Planck T = temperatura assoluta La velocità della reazione in esame sarà data dall'espressione: =/ velocità = k R [(AB) ] = kt =/ [(AB) ] h esprimendo [(AB) =/ ] in funzione di [A] e [B] [(AB) =/ ] = K =/ [A][B] R = kt h =/ K [A][B] = k oss [A][B] dove: k oss = costante di velocità osservata sperimentalmente Poiché K è una costante di equilibrio, è possibile esprimerla in funzione di ΔG, la variazione di energia libera dell'equilibrio tra reagenti e stato di transizione, che è definita "energia g libera di attivazione". La velocità di una reazione è controllata dalla barriera di energia ΔG Per una reazione unimolecolare A Prodotti il tempo di dimezzamento, t 1/2, cioè il tempo in cui la concentrazione iniziale diventa la metà, è dato da: t 1/2 = ln 2/k = 0.693/k Una reazione si considera completa dopo 5 tempi di dimezzamento 75

76 ΔG =/ ΔG =/ kcal/mole kjoule/mole k 298, s -1 tempo di dimezzamento x x x x x x x x sec 0.06 sec 0.3 sec 1.7 sec 9.2 sec 49.6 sec 4.5 min 24 min 130 min 11.7 ore 63.2 ore completamento al 97% 0.05 sec 0.3 sec 1.6 sec 8.5 sec 45.9 sec 4.1 min 22.3 min 2 ore 10.8 ore 2.4 giorni 13.2 giorni la velocità di un processo multistadio è la velocità dello stadio lento Δ =/ =/ =/ =/ ΔG = Δ - TΔS barriera più elevata =/ ΔS : misura del grado di disordine nello stato di transizione Se si aumenta l'energia dell'intermedio, aumenta anche l'energia dello stato di transizione che porta all'intermedio. Qualsiasi fattore stabilizzi l'intermedio rispetto al reagente, abbassa la barriera di energia; qualsiasi fattore stabilizzi il reagente rispetto all'intermedio aumenta la barriera Se si confronta (a) con (b), il reagente R è stabilizzato rispetto all'intermedio I: la barriera aumenta. Se si confronta (c) con (b), l'intermedio è stabilizzato rispetto al reagente R: la barriera diminuisce. 76

77 La stabilità del prodotto ha grande influenza sull'energia dello stato di transizione di reazioni endotermiche (D che dà E e F) ma ha pochissima influenza sull'energia dello stato di transizione di reazioni esotermiche (A che dà B e ). in generale: più reattiva è una specie, meno è selettiva più stabile è un composto, meno è reattivo ontrollo termodinamico: reazione in cui si forma il prodotto più stabile ontrollo cinetico: reazione in cui si forma il composto che ha la barriera di energia più bassa La velocità relativa di formazione di G e F: G k 2 = e -ΔΔG =/ /RT F k 1 a temperatura ambiente, con ΔΔG = 1.37 kcal/mole, F si forma 10 volte più velocemente di G 77

78 EFFETT DEL SSTITUENTE La reattività di un composto non è altro che la velocità con cui si trasforma nel prodotto. A parità di reazione, concentrazione e temperatura, il composto più reattivo è quello che impiega meno tempo a diventare prodotto. In molti casi, in una data reazione, è importante prevedere come varia la reattività di un centro di reazione in seguito a variazioni strutturali in altre parti della molecola. centro di reazione Sost centro di reazione ome cambia la reattività di centro di reazione mettendo al posto di un sostituente Sost? EFFETT DEL SSTITUENTE Bisogna distinguere due casi: 1. tra sostituente e centro di reazione ci sono solo legami σ 2. tra sostituente e centro di reazione c è un sistema di legami π. 1. Tra sostituente e centro di reazione ci sono solo legami σ onsideriamo l esempio seguente: l 2 centro di reazione centro di reazione Il centro di reazione (qualunque sia) è lo stesso, ma i composti hanno reattività diversa. L'unica differenza strutturale tra le due specie è la presenza, nel secondo composto, di un atomo di cloro al posto di un atomo di idrogeno E' ragionevole dedurre che responsabile della differenza di reattività sia in qualche modo la differente elettronegatività di e l. il legame -2 è non polare, mentre il legame l- è polare, con la polarità (-) sul l e () sul δ- δ 2 l 2 centro di reazione centro di reazione 78

79 il 2 del composto con il cloro è più povero di elettroni del 2 del composto non sostituito e perciò è più elettronegativo: attirerà elettroni dagli altri legami σ ed in particolare dal 1. 2 centro di reazione δ- δ l 2 centro di reazione A differenza del 1 del composto non sostituito (non perturbato) il 1 del composto con il cloro risulterà impoverito di elettroni e si rifarà sugli altri legami σ, tra cui quello con il centro di reazione 2 centro di reazione l 2 centro di reazione ome effetto della variazione strutturale, il centro di reazione è impoverito di elettroni In altre parole: l'introduzione di un atomo più elettronegativo al posto di un provoca una perturbazione della distribuzione elettronica e della densità elettronica di tutti i legami σ della molecola, che però si "vede" solo sul centro di reazione Il fenomeno è di natura elettrostatica e, come tutti i fenomeni elettrostatici, diminuisce con la distanza. Se consideriamo il confronto di reattività nel caso seguente: centro di reazione l centro di reazione La perturbazione provocata dall'introduzione di un atomo di cloro al posto di un atomo di idrogeno è sempre la stessa, ma l'effetto sulla densità elettronica del centro di reazione diminuisce, man mano che aumenta il numero di legami σ interposti tra il "perturbatore" ed il sito della reazione. 79

80 Un effetto elettronico di questo tipo si chiama EFFETT INDUTTIV aratteristiche essenziali dell'effetto induttivo sono: 1. E' di natura elettrostatica e quindi diminuisce con l'aumentare della distanza (intesa come numero di legami sigma) del sostituente dal centro di reazione 2. Si trasmette attraverso i legami σ. 3. 'è è sempre. (c'è sempre una sequenza di legami σ che collega il sostituente al centro di reazione) Tutti gli atomi più elettronegativi dell' e tutti i gruppi contenenti almeno un atomo più elettronegativo dell' hanno lo stesso effetto dell'atomo di l, cioè attraggono verso di sè gli elettroni del legame σ con il. In questi casi si parla di SSTITUENTI AD ATTRAZINE ELETTRNIA PER EFFETT INDUTTIV e questa proprietà si indica premettendo un segno meno alla lettera I -I Sostituenti che respingono gli elettroni verso il, aumentandone la densità elettronica, si dicono SSTITUENTI A RILASI ELETTRNI PER EFFETT INDUTTIV e questa proprietà si indica premettendo un segno più alla lettera I I Aumentando la densità elettronica del a cui sono legati e di conseguenza, attraverso i legami σ, quella del centro di reazione (cioè del legame che si deve rompere) i sostituenti a rilascio elettronico per effetto induttivo rafforzano il legame che si deve rompere e diminuiscono l'acidità anno effetto I i gruppi alchilici. Questo effetto è piccolo e di solito è trascurabile, a meno che l'alchile non sia l'unico sostituente. 80

81 NSEGUENZE SULLA REATTIVITA : Se il centro di reazione deve essere PVER di elettroni (e quindi deve comportarsi da ELETTRFIL) diventa più reattivo con un sostituente -I, meno reattivo con un sostituente I Se il centro di reazione deve essere RI di elettroni (e quindi deve comportarsi da NULEFIL) diventa più reattivo con un sostituente I, meno reattivo con un sostituente -I ATTENZINE! Se nella molecola ci sono elettroni π tra sostituente e centro di reazione ed il sostituente ha elettroni mobili, la delocalizzazione elettronica provocata dal sostituente PU' modificare la densità elettronica del centro di reazione. in questo caso si parla di EFFETT NIUGATIV DEL SSTITUENTE (detto anche effetto mesomerico), che può essere sia ad attrazione elettronica (se il sostituente partecipa alla delocalizzazione richiamando su di sè elettroni), sia a rilascio elettronico (se il sostituente partecipa alla delocalizzazione mandando elettroni sul resto della molecola). sostituenti ad attrazione elettronica per effetto coniugativo sostituenti a rilascio elettronico per effetto coniugativo -R R aratteristiche essenziali dell'effetto coniugativo sono: 1. L'effetto coniugativo si aggiunge all'effetto induttivo (che perciò va sempre considerato). 2. La presenza di elettroni mobili non è, di per sè, sufficiente per avere effetto coniugativo: è necessario che la delocalizzazione elettronica interessi il centro di reazione o almeno l'atomo di a cui il centro di reazione e è legato. Per vedere se l'effetto coniugativo c'è e di che tipo è (se ad attrazione elettronica, -R, o a rilascio elettronico, R), si scrivono le strutture di risonanza dovute al sostituente e si va a vedere se tra esse se ne trova una E INTERESSA IL ENTR DI REAZINE. 81

82 - N - N - esempio: - N - N - centro di reazione centro di reazione centro di reazione centro di reazione centro di reazione N - N - N - - centro di reazione centro di reazione centro di reazione c è risonanza interessa il centro di reazione c è effetto coniugativo -R che si SMMA all effetto induttivo (-I) c è risonanza non interessa il centro di reazione non c è effetto coniugativo: l unico effetto è quello induttivo (-I) I sostituenti che, come il gruppo nitro, hanno effetto -I,-R, esercitano in un'attrazione elettronica maggiore rispetto a quando esercitano solo -I. I sostituenti legati attraverso un atomo che abbia elettroni mobili del tipo n, non legante, hanno effetto -I (atomo/i elettronegativo/i), ma nella coniugazione possono solo impegnare la coppia di elettroni e quindi esercitano un effetto R Il centro di reazione risente di ENTRAMBI gli effetti (uno si trasmette attraverso i legami σ, l'altro attraverso i legami π) e la sua reattività risulterà modificata dalla somma degli effetti stessi. quando l'effetto coniugativo a rilascio elettronico è maggiore dell'effetto induttivo ad attrazione elettronica, il centro di reazione risulterà più ricco di elettroni rispetto a quello del composto senza il sostituente quando l'effetto induttivo ad attrazione elettronica è maggiore dell'effetto coniugativo a rilascio elettronico, il centro di reazione risulterà più povero di elettroni rispetto a quello del composto senza il sostituente 82

83 Sperimentalmente: quando l'atomo responsabile dell'effetto -I,R è azoto o ossigeno N:, : R > -I effetto complessivo a rilascio elettronico quando l'atomo responsabile dell'effetto -I,R è un alogeno effetto complessivo ad R < -I attrazione elettronica Spiegazione: Passando dal gruppo 15 al gruppo 17, aumenta l'elettronegatività e quindi aumenta l'effetto induttivo, mentre diminuisce la tendenza ad impegnare la coppia di elettroni e quindi l'effetto coniugativo diminuisce. F:, l:, :, I: esempi: centro di reazione centro di reazione.... centro di reazione N N - - centro di reazione R > -I centro di reazione R > -I c.r più ricco c.r più ricco centro di reazione.. - centro di reazione R < -I c.r più povero L effetto del sostituente (induttivo e coniugativo) modifica: 1 la densità elettronica del centro di reazione influenza la REATTIVITA Se da un atomo di ad un altro cambia la distribuzione degli elettroni (la densità elettronica), cambia anche il campo magnetico locale e quindi la frequenza di risonanza (v. 13 NMR). 2 la densità elettronica del influenza il chemical shift del 13 3 la densità elettronica degli influenza il chemical shift del 1 Effetto elettronico Elettronegatività dell'atomo legato al composto δ( 3 ) 3 Li Si( 3 ) 3 0 rilascio r attrazione 3 N 2 3 R 3 3 F 18.5 ca

84 L effetto induttivo diminuisce con la distanza Nei casi semplici è possibile assegnare tutti i segnali Esempio: 1-esanolo

85 Regioni dello spettro del 13 sp ppm, ppm, sp 2 = ppm, = ppm, I sp 2 sono più deschermati dei sp 3, a causa del campo magnetico provocato dal movimento degli elettroni π. zona schermata B 0 Zona DESER MATA Zona DESE ERMATA I nuclei magneticamente attivi ( 1, 13 ) che si trovano nella zona in cui il campo magnetico provocato dagli elettroni p si SMMA al campo magnetico applicato sentono prima il campo magnetico efficace per la risonanza ANISTRPIA DIAMAGNETIA Maggiore è il numero di elettroni π, maggiore è il campo magnetico generato, maggiore è il deschermo, cioè lo spostamento verso sinistra nello spettro (frequenze più alte, δ più grandi). 85

86 Nel caso di ibridazione sp, la circolazione degli elettroni crea un campo magnetico indotto opposto al campo magnetico applicato (B 0 ) e perciò crea una zona di SERM nel piano del triplo legame ampo magnetico secondario (anisotropo) I valori tipici dei chemical shift dipendono: 1 2 dall ibridazione Dalla presenza di atomi elettronegativi aromatici l, sp 2 sp carbonile sp 3 86

87 RISNANZA MAGNETIA NULEARE DEL PRTNE L assegnazione della struttura di un composto mediante lo spettro 1 NMR è resa possibile da tre informazioni importanti: 1. La posizione dei segnali (chemical shift) L area dei segnali (integrazione) La forma dei segnali (costanti di accoppiamento) La posizione dei segnali nello spettro è determinata (come per il 13 ) dall intorno elettronico del nucleo: densità elettronica di elettroni σ, anisotropia diamagnetica di elettroni π. deschermato: niente elettroni (campi bassi, δ grande) schermato dagli elettroni (campi alti, δ piccolo) δ Il protone legato all risuona a δ che possono variare da 1 a circa 5 Segnali dovuti a più protoni sono più grandi di segnali dovuti a meno protoni 87

88 L area dei segnali è PRPRZINALE al numero di equivalenti che hanno dato quel segnale L area viene misurata per integrazione del picco, effettuata dallo strumento, che mostra il risultato come degli scalini, la cui altezza è proporzionale al n di. 3 TMS questa altezza corrisponde a 1 2 δ, ppm Il rapporto delle aree dà il rapporto MINIM con cui i diversi protoni si trovano in quella molecola. onoscendo la formula molecolare, si conosce il rapporto EFFETTIV TMS Le altezze degli scalini (cioè le aree dei segnali) sono in rapporto 1: 1.5 Si moltiplica per 2 (non esiste mezzo!) 2:3 rapporto tra gli Formula molecolare: 4 10 rapporto effettivo tra gli : 4:6 88

89 Importanti informazioni si ricavano quando i segnali risultano suddivisi: l 2 -( 2 3 ) TMS Il segnale di l 2 e quello di ( 2 3 ) 2 si presentano suddivisi in due DPPIETT Il segnale di 2 si presenta suddiviso in quattro Il segnale di 3 si presenta suddiviso in tre QUARTETT TRIPLETT In un campo magnetico esterno, tutti i nuclei di sono allineati con il campo, paralleli (α, ) o antiparalleli (β, ), le due popolazioni sono quasi uguali, perché la differenza di energia tra spin α espinβ è molto pccola I nuclei di si comportano da minuscoli magneti e contribuiscono al campo magnetico locale. a α a sente: B 0 - B σ ( B π )B locale(α) il piccolo campo magnetico provocato dai nuclei adiacenti α si SMMA al campo magnetico esterno a risuona a frequenze più alte Risonanza osservata per gli a che hanno l adiacente di spin α risonanza attesa per a, se non ci fosse b spostamento downfield 89

90 a β a sente: B 0 -B σ ( B π ) - B locale(β) il piccolo campo magnetico provocato dai nuclei adiacenti α si PPNE al campo magnetico esterno a risuona a frequenze più basse risonanza attesa per a, se non ci fosse b Risonanza osservata per gli a che hanno l adiacente di spin β spostamento upfield Spettro osservato Due righe in rapporto 1:1: DPPIETT La distanza tra le righe si chiama costante di accoppiamento, si misura in z e si indica con J a vede (attraverso il legame) due tipi di b adiacenti: b α e b β L influenza dei nuclei di 1 vicini (legati ad atomi adiacenti) è reciproca. Questo significa che anche l sul vicino risulterà suddiviso in due dal contributo al campo magnetico locale degli spin α e β dei nuclei di a L influenza reciproca porta alla stessa J è la stessa distanza tra le righe suddivise δ = 5.36 ppm l l a b δ = 4.39 ppm Il chemical shift di un doppietto è il valore medio tra le due righe 90

91 7 z stesso valore! spin di b α β α β spin di a Si dice che a e b si suddividono reciprocamente, con una costante di accoppiamento (J) di 7 z. αβ Il segnale si suddivide in DUE righe (DPPIETT) 1:1 Le due popolazioni sono praticamente uguali J è indipendente dal campo magnetico applicato. Questo significa che (a differenza della frequenza) non cambia cambiando strumento. J può variare tra 1 e 18 z l l 2 3 Gli dei 2 non influenzano il campo magnetico locale di b, perché non sono su un atomo adiacente (c è l ), però sono 2 3 adiacenti al dei 3. Quando sull atomo adiacente c è più di un, il nucleo che si prende in esame sente tutte le combinazioni di spin (α e β) degli vicini I protoni (equivalenti) del 3 sentono il campo locale provocato dai DUE protoni del 2 : p 2 αα, αβ, βα, ββ Il segnale si suddivide in TRE righe (TRIPLETT) 1:2:1:1 equivalenti: gli effetti si annullano probabilità doppia 91

92 l l c d d J = 8 z J cd J cd rientamento degli spin dei due c αα αβ βα ββ δ = 1.23 ppm Il chemical shift del segnale è quello della riga di mezzo (i campi locali si annullano) I protoni (equivalenti) del 2 sentono il campo locale provocato dai TRE protoni del 4 : equivalenti equivalenti ααα, ααβ, αβα, βαα, αββ, βαβ, ββα, βββ 1:3:3:1:1 Il segnale si suddivide in QUATTR righe (QUARTETT) probabilità tripla c l l c d δ = 3.36 ppm J = 8 z J cd J cd J cd rientamento degli spin dei ααα ααβ αββ βββ αβα tre βαβ d βαα ββα 92

93 n protoni EQUIVALENTI suddividono il segnale di un protone adiacente in n1 righe 1. Protoni equivalenti danno un unico segnale. 2. Protoni non adiacenti hanno J 0 X no accoppiamento 3. J è indipendente dal campo magnetico applicato 4. L accoppiamento è reciproco: se c è un picco suddiviso ce ne deve essere almeno un altro. 5. La suddivisione segue la regola (n1). Il rapporto delle righe corrisponde al triangolo di Tartaglia. singoletto (s) doppietto (d) tripletto (t) quartetto (q) quintetto (quin) sestetto (sex) eptupletto (sep) 1 1 : 1 1 : 2 : 1 1 : 3 : 3 : 1 1 : 4 : 6 : 4 : 1 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1 J = 7z J = 7z 2 TMS δ, ppm 93

94 I J = 7.5 z 6 J = 7.5 z TMS δ, ppm Quando i segnali multipli hanno δ abbastanza diverso, si dice che lo spettro è del primo ordine. Se i δ sono simili, i segnali suddivisi possono in parte sovrapporsi e lo spettro non è del primo ordine esempio: l l Spettro ottenuto con uno strumento a 90 Mz TMS δ, ppm Lo spettro può diventare del primo ordine usando uno strumento con un campo magnetico maggiore 94

95 A 500 Mz: l l TMS δ, ppm Se i protoni adiacenti non sono equivalenti, le costanti di accoppiamento sono diverse l l l c b a J ab = 3.6 z J bc = 6.8 z bc la suddivisione si applica in sequenza Il segnale di un protone adiacente a n protoni equivalenti e m protoni equivalenti diversi dai precedenti viene suddiviso in (n1) x (m1) righe 95

96 Quartetto di tripletti o tripletto di quartetti? J 1 > J 2 : J 1 J 2 J 1 < J 2 : J 2 J1 l l l c b a J bc J bc J ab 1 J ab TMS δ, ppm 96

97 ALANI Legami presenti in un alcano: (sp 3 )- e (sp 3 )-(sp 3 ) aratteristiche Spettrali UV-visibile Solo legami σ: le transizioni σ σ* richiedono λ = 150 nm (lontano UV): assorbe anche l aria IR stretching - ( cm -1 ) bending - ( cm -1 ) (1350 cm -1 ) metilbutano pentano tetrametilbutano 3-etilesano 13 NMR sp δ 3 2 δ, ppm metano

98 metilbutano δ attribuzione (legati a ) ,2-dimetilbutano δ attribuzione (legati a ) metilpentano δ attribuzione (legati a ) NMR 3 2 δ, ppm ,2-dimetilbutano a b c 3 J ab =7.57 z s, 9 t, 3 q, 2 δ attribuzione 1.22 q t 3 (legati a ) 0.84 s 3 98

99 legami NN polari Reazioni di MLISI.. oppure.. Se la reazione di un idrocarburo introduce atomi diversi da e si parla di FUNZINALIZZAZINE Il Δ 0 per l'omolisi del legame - è l'energia di dissociazione del legame stesso energia di legame (kcal/mole) 3 R 2 R 2 R FRZA DEL LEGAME - RESENTE.. 3 R 2 R 2. R 3. STABILITA' DEL RADIALE RESENTE Effetto I degli alchili (i radicali sono specie a difetto elettronico, perché l'ottetto del non è completo) 99

100 A. Reazioni con alogeno molecolare LRURAZINE DEL METAN 3 Δ l l oppure 3 l hν kcal/mole Δ 0 = - 25 kcal/mole l REAZINE ESTERMIA FATTI SPERIMENTALI: A temperatura ambiente e al buio, metano e cloro non reagiscono La resa quantica è elevata La temperatura a cui avviene al reazione è la temperatura di dissociazione del cloro Anche partendo da quantità equimolari dei reagenti, si ottengono prodotti di policlorurazione Il meccanismo di reazione, per essere una ipotesi valida, deve spiegare tutti i dati sperimentali. Se la temperatura a cui avviene al reazione è la temperatura di dissociazione del cloro, significa che per prima cosa la molecola di cloro si deve dissociare INIZI.... Δ l l 2 : l (hν).. : : PRPAGAZINE (due stadi) : l.. :.. : 3 : l l E a = 4 kcal/mole :. l =/ sp 3 s p lobo in crescita STAT DI TRANSIZINE 100

101 p. sp 2 s : l p Diagramma dell'energia per il PRIM STADI: [ l ] =/ E a = 4 E kcal/mole. 3 l 4. l Δ o = 2 kcal/mole RDINATA DI REAZINE l l l l 3 : : 3 : : specie reattiva nel primo stadio In questi casi si parla di REAZINE A ATENA (AIN REATIN) circa 1000 cicli Spiega perché la resa quantica è elevata p. sp 2 p l : l E a < 1 kcal/mole lobo in diminuzione. l : l STAT DI TRANSIZINE =/ :. sp 3 l l p 101

102 Diagramma dell'energia per il SEND STADI: E a < 1 kcal/mole [ 3... l... l ]. = / E. 3 l 2 Δ o = -27 kcal/mole 3 l l. RDINATA DI REAZINE Diagramma dell'energia per il PRESS DI PRPAGAZINE: [ l ]. /= [ / 3... l... l]. = E a = 4 a kcal/mole. 3 E a < 1 a kcal/mole E 4. l Δ o = -25 kcal/mole Δ o = 2 kcal/mole Δ o = -27 kcal/mole l l. 3 RDINATA DI REAZINE SSTITUZINE RADIALIA 102

103 ARREST o TERMINE Qualunque urto tra due specie radicaliche : l l : :.... l l : l: 3 l :..... arresta due catene e dà uno dei reagenti dà il prodotto, ma arresta due catene arresta due catene e dà un prodotto secondario ME SI SPIEGA, SULLA BASE DEL MEANISM, LA FRMAZINE DEI PRDTTI DI PLILRURAZINE? :....l.. 3 l 2 l l l-l l :.. l :....l.. 2 l l2 l 2. :....l. l2 l-l l 3 :....l.. l l3 l 3. l3 l-l l 4 :....l. 103

104 E SA SUEDE N GLI ALTRI ALGENI? Fatti sperimentali: La reazione avviene anche con 2, mentre I 2 non reagisce e F 2 è troppo reattivo per dare reazioni controllabili (reazione esplosiva). ME SI SPIEGA, N IL MEANISM, QUEST FATT SPERIMENTALE? REATTIVITA' RESENTE ME RADIALI I 2 2 l 2 F 2 energia di dissociazione del legame alogenoalogeno (kcal/mole) La diversa reattività osservata NN dipende dalla facilità con cui si dissocia la molecola di alogeno. onsideriamo il bilancio dell energia di reazione l. 4 1 kcal/mole l. 3 Δ = 1. 3 l 2 3 l l kcal/mole Δ = l 2 3 l l 24.5 kcal/mole Δ tot = kcal/mole. 3 Δ = B k kcal/mole l Δ = kcal/mole Δ tot = -7 F. 4 F kcal/mole Δ = F 2 3 F F. 71 kcal/mole Δ = F 2 3 FF102k kcal/mole l Δ tot =-102 I kcal/mole I. 3 Δ = I 2 3 I I. 20 kcal/mole Δ = I 2 13 kcal/mole 3 I I Δ tot =

105 SELETTIVITA Fatto sperimentale: Se si trattano etano e metano in quantità equimolare con un equivalente di l 2, reagisce quasi solo l etano hν l l 3 l l > 99% < 1% Fatto sperimentale: Se nell alcano ci sono di tipo diverso, vengono sostituiti con reattività diversa l 2 hν l 3 3 l l RAPPRT STATISTI ATTES 3 : 1 REATTIVITA' di - ATTESA minore maggiore RAPPRT SPERIMENTALE (a 25 ) 43 : 57 RAPPRT SPERIMENTALE (a 600 ) 3 : 1 E a = 3 kcal/mole E a = 2 kcal/mole E l Δ o = -5 kcal/mole Δ o = -8.5 kcal/mole RDINATA DI REAZINE 105

106 3 hν 3 3 l l 3 3 l l RAPPRT STATISTI ATTES 9 : 1 REATTIVITA' di - ATTESA minore maggiore RAPPRT SPERIMENTALE (a 25 ) 64 : 36 RAPPRT SPERIMENTALE (a 600 ) 80 : 20 E R kcal/mole 2.5 kcal/mole. 3 R kcal/mole. R 3 2 R 98.5 kcal/mole kcal/mole 2 2 R 2 3 R 2 R 3 2 R onfronto di selettività tra cloro e bromo l 2 hν hν l l % 43% % 2% l on 2 la preferenza per la sostituzione i dell secondario rispetto al primario è ancora più marcata. L'unica differenza sta nel fatto che. è più stabile di l. 106

107 E R l. R. l E R. coordinata di reazione Rl l. R. R. coordinata di reazione.. Stadio lento R X R X stato di transizione δ. δ. [R X] Lo stato di transizione è early con il cloro, late con il bromo. 3 3 l. 3 δ. δ. # l. l δ. δ. # Lo stato di transizione ha scarso carattere di radicale con il cloro; è invece un radicale quasi completo con il bromo la differenza di stabilità tra radicale secondario e radicale primario si riflette quasi completamente sulla differenza di energia degli stati di transizione. 107

108 A 25 Reattività relativa - (terz.) : - (sec) : - (prim.) 5 : 4 : 1 con l : 100 : 1 con. 3 R 2 R 2 R 3 2 R, metile primario secondario terziario allilico, benzilico < < < < R REATTIVITA' RESENTE DI - VERSX. < < < < 3. R 2. R 2. R 3. ALLILI, BENZILI STABILITA' RESENTE DEI RADIALI ANDAMENT STEREIMI he cosa succede, dal punto di vista stereochimico, quando, in seguito alla alogenazione, si forma un chirale? Se nella molecola non ci sono altri centri chirali: (S) (R) oppie di che, quando vengono sostituti, formano due enantiomeri si dicono enantiotopici idrogeni enantiotopici 108

109 FAE ENANTITPIE 3 le due facce sono uguali, ma l'attacco su una di esse dà un prodotto enantiomero rispetto a quello formato per attacco sull'altra faccia. 3 Ċ (S) (R) specchio # # STATI DI TRANSIZINE ENANTIMERII Stati di transizione enantiomerici (tutte le proprietà identiche, compresa l energia) portano ad una MISELA RAEMIA 109

110 Se è GIA' PRESENTE UN ENTR IRALE e la reazione avviene su un diverso: l 2 3 (2S,3S) 3 3 (S) (2S,3R) 3 3 l 3 3 Il chirale preesistente resta invariato, il nuovo centro chirale si forma con le due configurazioni possibili (S) 3 3 idrogeni diastereotopici oppie di che, quando vengono sostituti, formano due diasteromeri si dicono diastereotopici 3 3 l. l 3. FAE DIASTERETPIE 3 LE DUE FAE NN SN UGUALI 3 l l (2S,3S) l (2S,3R) l l 3 l 3 110

111 l. # l. l 3. l l # l. l 3 3 l l. (2S,3S) (2S,3R) STATI DI TRANSIZINE DIASTEREMERII Gli stati di transizione diastereomerici hanno energie diverse: i prodotti (diastereomeri) si formano IN QUANTITA' DIVERSE Esempio: LRURAZINE DELL' (S)-2-bromobutano * S l 2, hν l 2 l l R 4-4 2S 3 l 2, hν 2 3 l l l 2S 111

112 -2 2S 3 l 2, hν 2 l 2 3 l 2S l : 50 2R S l.. 3 AIRALE l 3 2 l l l 2S 50% 50% 2R -3 2S l l l l S,3R l 3 1 2S,3S IN QUANTITA' DIVERSE 112

113 Altre specie alogenanti N IMMIDE Meccanismo: PRPAGAZINE N l NS N-clorosuccinimmide N NBS N-bromosuccinimmide formato nello stadio di inizio R t di di i i i. R- R. N N 2 R. 2 R-. NBS ha la funzione di formare 2 in concentrazione bassa e costante e di usare l' liberato nel primo passaggio della propagazione. In solventi in cui NBS è più solubile ( 2 l 2, l 3, 3 N) interviene anche un altro meccanismo formato nello stadio di inizio N. R- R. N R. N R- N. 113

114 Invece di usare calore o radiazione ultravioletta, si può dare inizio ad una reazione radicalica servendosi di INIZIATRI RADIALII, specie che si scindono facilmente in modo omolitico 3 N N N.... N N Δ. : N N : 3 3 azo-bis-2-metilpropanonitrile Δ perossido di benzoile Per interrompere una reazione radicalica a catena si possono usare INIBITRI di RADIALI, specie che danno radicali stabili, che perciò, non essendo reattivi, bloccano la propagazione della catena 3. I 2 3 I I. più reattivo più stabile più reattivo più stabile : R R antiossidanti Vitamina E (α-tocoferolo) metil-2,6-di(terz-butil)fenolo 3 BT (tert-butylydroxytoluene)

115 B. Reazioni con ossigeno molecolare MBUSTINE Δ 2 n 2n2 n 2 (n1) 2 SSIDAZINE ATALIZZATA DA ENZIMI MNSSIGENASI da Methylococcus apsulatus ALANI (1-8) 2 R- In laboratorio, per la stessa reazione, servono temperature e pressioni elevate 2, catalizzatore di o , atm. AUTSSIDAZINE INIZI R.. :.. :.. R : PRPAGAZINE R. R.... R R. R R alchilidroperossido prosegue la catena esplode se riscaldato ARREST qualunque urto tra radicali 115

116 . Pirolisi DEMPSIZINE TERMIA IN ASSENZA DI SSIGEN INIZI Δ omolisi indotta termicamente PRPAGAZINE.. a) b) scissione β ARREST (o TERMINE) b) Disproporzione a) Accoppiamento di radicali.. prosegue la catena (ridotto) (ossidato) La reazione avviene su qualsiasi legame -: NN E' SELETTIVA ILALANI Il ciclopropano tende ad APRIRE l'anello (legami - "a banana", più deboli dei normali legami σ 2 hν l 2 l l ADDIZINE RADIALIA Se c'è un sostituente, l'anello si apre in più modi 3 l 3 1 hν l 2 l l 2 2 l 3 2 rottura 1-2 rottura

117 Il ciclopropano è talmente reattivo, che dà reazioni di addizione radicalica anche con altri reagenti 2, Pt, X (X = l,, I) X Il ciclobutano ha una tendenza ad aprire l'anello (tensione angolare) minore di quella del ciclopropano 2, Pt, 250 X X NESSUNA APERTURA D'ANELL NESSUNA APERTURA D'ANELL ILPENTAN e ILESAN reagiscono come gli alcani, dando SSTITUZINE RADIALIA: questi anelli non hanno tensione e perciò non si aprono 2 hν l 2 hν l l 117

118 ALGENURI ALILII anno molti impieghi: l l 2 l l l solvente per lavaggio a secco insetticida l 3 DDT lacrimogeno Si trovano raramente in natura: I I N 2 N 2 2 N I I tirossina porpora di Tiro aratteristica strutturale degli alogenuri ALGEN Proprietà fisiche 3 F 3 l 3 3 I μ(d) p.e ( ) densità (g/ml a 20 ) gas gas gas 2.28 aratteristiche Spettrali UV-visibile Solo legami σ: le transizioni n σ* richiedono λ = 190 nm (lontano UV): fuori dal comune intervallo IR stretching - X X = F cm -1 X = l cm -1 X = < 667 cm } -1 X = I < 667 cm -1 Fuori del comune intervallo di numeri d onda bending 2 -X (X = l, cm -1 ; X =, cm -1, X = I, cm -1 ) 118

119 F 3 F 2 F 2 F 2 F 2 F 3 l F F F l l

120 I 13 NMR L effetto -I degli alogeni diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 13 : deschermato 1 NMR L effetto -I degli alogeni diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 1 : deschermato Lo spettro 1 NMR dei composti contenenti F presenta accoppiamento con 19 F (suddivisione del segnale) l l ppm 60 ppm iodoetano 1.85 ppm F F ppm 3.19 ppm J = 7.6 z 120

121 Importanti informazioni si ottengono dallo spettro di massa dei cloruri e dei bromuri alchilici l ha due isotopi di massa 35 e 37, in rapporto 72:25 ha due isotopi di massa 79 e 81, in rapporto circa 50:50 Lo ione molecolare presenta due picchi con valore m/z pari a M e M 2 l 112, 114 m/z 156, 158 m/z aratteristica strutturale degli alogenuri ALGEN È la presenza dell alogeno che conferisce alla molecola la reattività caratteristica questo NN ha carica parziale positivae NN è attaccato dai nucleofili δ δ elettronegativo, con parziale carica negativa questo ha una parziale carica PSITIVA ed è attaccato dai NULEFILI Il, ibridato sp 3, ha tutte le valenze soddisfatte: può dare un legame diverso (e quindi reagire), solo se si rompe uno dei legami presenti 121

122 SSTITUZINE NULEFILA ( 3 ) 2 -l ( 3 ) 2-3 l atomo nucleofilo GRUPP USENTE.... : :.. : NULEFIL questi elettroni σ escono con Reazione caratteristica: SSTITUZINE NULEFILA al saturo La reazione comporta la rottura di un legame (-gruppo uscente) e la formazione di un legame (-atomo nucleofilo). Questi processi possono avvenire contemporaneamente o in successione. MEANISM IN UN SL STADI R-X Y - R-Y X - S N 2 Sostituzione Nucleofila BImolecolare Bimolecolare = due specie molecolari prendono parte allo stato di transizione E δ- δ- Y----R----X R-X Y - R-Y X - coordinata di reazione 122

123 # Y : : X Y : : X Y : X : MEANISM IN DUE STADI lento R-X R X - R Y - RY R-Y δ δ- R----X δ δ- R----Y S N 1 E R Sostituzione Nucleofila Unimolecolare R-X R-Y coordinata di reazione Unimolecolare = una sola specie molecolare prende parte allo stato di transizione 123

124 : X : X orbitale vuoto Y : Y : MEANISM IN DUE STADI Quando il centro di reazione è un atomo in grado di espandere l'ottetto, è possibile anche un meccanismo in due stadi in cui prima si forma il nuovo legame e poi si rompe quello vecchio, passando attraverso un intermedio pentacoordinato (con il questo non è possibile) :.. - : - - Ȯ. - P.. : 3 P 3 P

125 Per distinguere tra i due meccanismi delle sostituzioni nucleofile al saturo si devono considerare vari fattori. 1. INETIA DI REAZINE 2. GRUPP USENTE 3. NULEFIL 4. NATURA DEL GRUPP ALILI 5. ANDAMENT STEREIMI 6. SLVENTE, TEMPERATURA 1 INETIA DI REAZINE processo bimolecolare velocità = k[r-x][y - ] processo unimolecolare velocità = k[r-x] 2. GRUPP USENTE Il legame -gruppo uscente si rompe nello stadio lento di entrambi i meccanismi È comunque importante avere un buon gruppo uscente R-F < R-l < R- < R-I REATTIVITA' RESENTE APAITA' ME GRUPP USENTE Facilità con cui un gruppo può venire sostituito da un nucleofilo. Dipende dalla capacità che ha il gruppo di ospitare gli elettroni del legame (e perciò, spesso, una carica negativa). a) Le sostituzioni nucleofile possono avvenire anche con gruppi uscenti diversi da alogeno La APAITA' ME GRUPP USENTE (leaving group ability) di un gruppo è inversa alla sua BASIITA' 125

126 -ALGEN > -- >> -N- APAITA' RESENTE ME GRUPP USENTE -, R - (per es., 3 - ) 2, R (per es., 3 ) ATTIVI gruppi uscenti BUNI gruppi uscenti Si può avere un buon gruppo uscente con carica negativa sull'ossigeno se la carica è delocalizzata (basicità minore): R - R carbossilato - R S - - R S R monoalchil solfato S - R S - - R S solfonato R S - Solfonati più comunemente usati come gruppi uscenti: S F 3 S 3 S metansolfonato trifluorometansolfonato 4-metilbenzensolfonato (tosilato) DERIVATI ALILII LASSE DI MPSTI GRUP USENTE R-X X R-F, R-l, R-, R-I alogenuri alchilici F -, l -, -, I - 3 S R esteri di acidi S - solfonici 3 R' R esteri di acidi carbossilici (solo per R = terziario, allile, benzile) R' - 126

127 DERIVATI ALILII LASSE DI MPSTI GRUP USENTE R-X X R alcooli - R 2 alcooli in ambiente acido : 2 - R R' eteri - -R' R R' eteri in ambiente acido : R' ossaciclopropani - R SR' 2 sali di trialchilsolfonio : SR' 2 R N2 R N 3 R NR' 3 ammine - N2 ammine in ambiente acido :N 3 sali di tetraalchilammonio :NR' 3 3. NULEFIL Il nucleofilo entra nello stato di transizione di un processo BIMLELARE, ma NN partecipa allo stadio lento di un processo UNIMLELARE Si ha SSTITUZINE BIMLELARE SL IN PRESENZA di un NULEFIL FRTE Si ha SSTITUZINE UNIMLELARE in ASSENZA di un nucleofilo forte Un processo bimolecolare avviene tanto più facilmente (a parità di altre condizioni) quanto più nucleofilo è il reagente. 127

128 FATTRI E INFLUENZAN LA NULEFILIITA' 1. Per nucleofili con lo STESS ATM NULEFIL, la nucleofilicità è tanto maggiore quanto più negativo è l'atomo nucleofilo - > 2 : 2 N - > 3 N : S - > 2 S: 2. Per nucleofili con ATMI NULEFILI DIVERSI, appartenenti alla STESSA RIGA del sistema periodico, la nucleofilicità è parallela alla basicità BASIITA' MAGGIRE NULEFILIITA' MAGGIRE 2 N - > - > N 3 > F - > 2 3. Per nucleofili con ATMI NULEFILI DIVERSI, appartenenti allo stesso gruppo, ma a righe diverse, la nucleofilicità aumenta con la PLARIZZABILITA' dell'atomo nucleofilo. 3 S > 3 S - > - l - > F - ( 3 2 ) 3 P > ( 3 2 ) 3 N RDINE DI NULEFILIITA' DEI NULEFILI PIU' MUNI - > I - > - > -, - S N R > - > - > l - > N, AMMINE > 3 2 -, R2 - > Nucleo ofili FRTI più debole dei nucleofili forti > 2, R-, R 2 Nucleofil DEBLI LA NULEFILIITA' DIPENDE DAL SLVENTE. E' perciò possibile, in certi solventi, trovare ordini di nucleofilicità diversi. 128

129 4. NATURA DEL GRUPP ALILI S N 2 : legami parziali Nello stato di transizione il è pentacoordinato - 3 nel passare dallo stato iniziale allo stato di transizione AUMENTA l'affollamento sul centro di reazione VELITA' RELATIVE DI ALUNI ALGENURI ALILII IN S N 2 Alogenuro alchilico Velocità relativa Alogenuro alchilico Velocità relativa 3 X X X X 0.4 ( 3 ) 2 X 0.03 ( 3 ) 3 X 0 (nessuna reazione) VELITA' RESENTE PER UNA S N 2 RX terziario << RX secondario < RX primario < 3 X - 3 molto veloce moderatamente - 3 molto lenta 3 - veloce NN AVVIENE E X coordinata di reazione 129

130 L'affollamento nello stato di transizione si sente anche quando la ramificazione è in β al centro di reazione: β α β α β α R X > R 2-2 -X >> R 3-2 X E' sempre più difficile per il gruppo alchilico raggiungere la coplanarità con gli, richiesta dalla pentacoordinazione. S N 1 stadio lento FRMAZINE DELL'INTERMEDI (ARBATINE) δ- δ VELITA' RELATIVE DI ALUNI BRMURI ALILII IN una tipica S N 1 omuro alchilico Velocità relativa omuro alchilico Velocità relativa ( 3 ) ( 3 ) x

131 RX terziario >> RX secondario > RX primario > 3 X VELITA' RESENTE PER UNA REAZINE S N 1 Nello stato di transizione il è tricoordinato nel passare dallo stato iniziale allo stato di transizione DIMINUISE l'affollamento sul centro di reazione X X repulsione repulsione minore La velocità della reazione dipende dalla stabilità del carbocatione che si forma più stabile è il carbocatione, più stabile è lo stato di transizione corrispondente. STABILITA' RESENTE DEI ARBATINI 3 < 3 2 < (3 ) 2 < ( 3 ) 3 Effetto induttivo I degli alchili Quando si formano carbocationi ci possono essere prodotti non attesi: ( 3 ) 3 (l) 3 - ( 3 ) 3 () 3 ( 3 ) 2 ()( 3 ) 2 prodotto atteso prodotto inatteso 3 SN 1 3 l prodotto atteso prodotto inatteso TRASPSIZINE (REARRANGEMENT) 131

132 Un ARBATINE dà TRASPSIZINE tutte le volte che si può trasformare in un carbocatione più stabile, per migrazione 1,2 di 3 : (o di :) Il metile migra più facilmente di STABILITA' RESENTE DEI ARBATINI 3 < 3 2 < ( 3 ) 2 < ( 3 ) 3 < allilico, benzilico i carbocationi allilico e benzilico sono stabilizzati per risonanza 2 2 = = ATTENZINE!!!! arbocationi sul sp 2 (VINILII, ARILII) NN sono stabili: l'orbitale vuoto (sp 2 ) è PERPENDILARE agli orbitali p e quindi NN PU' PARTEIPARE ALLA RISNANZA non si formano 132

133 Se il centro di reazione è legato ad un sistema di elettroni π (doppi legami o anelli benzenici), la reattività è maggiore a quella del corrispondente composto saturo Alogenuro alchilico velocità relativa velocità relativa S N 1 S N X 2 = 2 X X ( 6 5 ) 2 X ca S N 1 i carbocationi allilico e benzilico sono stabilizzati per risonanza PIU' STABILE E' IL ARBATINE, MINRE E' L'ENERGIA DELL STAT DI TRANSIZINE DELL STADI IN UI IL ARBATINE SI FRMA. più veloce è la reazione S N 2 Lo stato di transizione è stabilizzato dall'interazione con il sistema π l l - 2 -l l l - 2 -l 2-133

134 nello stato di transizione si sta avvicinando l parziale sovrapposizione sta uscendo Un legame π più distante dal centro di reazione non ha effetto 2 =- 2 2 l il legame π è troppo lontano per dare sovrapposizione nello stato di transizione l Reagiscono come gli altri alogenuri primari 5. ANDAMENT STEREIMI S N 2 X.. Nello stato di transizione nucleofilo e gruppo uscente condividono i due lobi dello stesso orbitale X.. δ Nu (-) δ- #.. X Nu (-) 2 3 INVERSINE DELLA NFIGURAZINE REAZINE STERESPEIFIA 134

135 Una reazione è STERESPEIFIA se si forma UN SL di più stereoisomeri possibili. Una reazione si dice STERESELETTIVA quando uno dei possibili stereoisomeri si forma in prevalenza (S) I - δ- # I δ- 3 3 I (R) S N 1 Il carbocatione è planare X.. (-).. X FAE ENANTITPIE.. Nu (-) Nu Nu RAEMIZZAZINE 135

136 3 2 - sp : : % 50% - 3 (R) 3 (S) LA SSTITUZINE NULEFILA E' (QUASI) SEMPRE AMPAGNATA DALLA REAZINE DI ELIMINAZINE Quando si forma un carbocatione, questo può evolvere in modo diverso dalla sostituzione nucleofila, perdendo un protone in posizione β e dando un ALENE. 3 3 lento 3 3 δ δ =/ :B B =/ La sostituzione S N 1 è accompagnata SEMPRE da una reazione di ELIMINAZINE, che avviene con meccanismo E1 Eliminazione Unimolecolare 136

137 Quando un nucleofilo forte è anche una BASE FRTE, la sostituzione S N 2 è accompagnata da una reazione di ELIMINAZINE, che avviene con un meccanismo E2 Eliminazione Bimolecolare 3 2 S N E

138 E R E1 S N 1 alchene R-X R-Y E2 coordinata di reazione E S N 2 alchene R-X R-Y coordinata di reazione Quando c'è una base forte ed un idrogeno sufficientemente acido (cioè si forma un carbanione sufficientemente stabile) si può avere un altro R R :B 2 δ B /= I I - R 2 R 2 B δ-δ lento δ R /= R 2 - E1cB Eliminazione Unimolecolare sulla Base coniugata 138

139 6. SLVENTE, TEMPERATURA In assenza di nucleofili forti, i solventi PLARI PRTII ( 2, R, R 2 ) favoriscono i processi UNIMLELARI, perché favoriscono la formazione del carbocatione, mediante interazione di legame idrogeno IN TUTTI GLI ALTRI SLVENTI, I PRESSI UNIMLELARI NN ANN LUG I processi BIMLELARI sono abbastanza indipendenti dal solvente. E' invece influenzata dal solvente la NULEFILIITA' del nucleofilo. I solventi polari protici solvatano bene gli ioni, mediante legame idrogeno, diminuendo la nucleofilicità degli anioni F I I solventi polari APRTII solvatano bene i cationi, ma non gli anioni e perciò ne aumentano la nucleofilicità Solventi dipolari aprotici più comuni: N DMF N( 3 ) 2 N,N-dimetilformammide S 3 3 DMS S solfolano P 3 MPT N N 3 (MPA) N 3 3 esametilfosforotriammide

140 Un aumento di TEMPERATURA favorisce il processo con energia di attivazione più alta e quindi aumenta la percentuale di ELIMINAZINE. E2 E S N 2 alchene R-X RY R-Y coordinata di reazione E E1 S N 1 R alchene R-X R-Y coordinata di reazione Reazione di ELIMINAZINE he cosa succede quando nella molecola di alogenoalcano ci sono diversi in β? 3 3 S N E metil-2-butene 2-metil-1-butene β' 2 3 β 3 I due alcheni NN si formano in quantità uguali RIENTAMENT Tutte le volte che uno dei possibili prodotti di una reazione si forma in quantità maggiori rispetto agli altri, si parla di RIENTAMENT Se in una molecola ci sono NN EQUIVALENTI in β al gruppo uscente, quale alchene si forma in una reazione di eliminazione? 140

141 Fatto sperimentale: "Nelle reazioni di eliminazione prevale l'alchene con il maggior numero di gruppo alchilici sugli atomi del doppio legame carbonio-carbonio" (Saytzeff, 1875) E % 20% ome si spiega? Fatto sperimentale: Gli alcheni sono tanto più stabili quanto più il doppio legame è sostituito < < < < STABILITA' RESENTE DEGLI ALENI 3 Vediamo nel corso della reazione a che punto inizia a formarsi il doppio legame E1 1 Stato di Transizione (determina la velocità) 2 Stato di Transizione (determina i prodotti) δ δ 3 parziale doppio legame E R R-X E2 B: coordinata di reazione δ- B- - - alchene MEN sostituito alchene PIU' sostituito δ- /= 2 3 Lo stato di transizione che determina la formazione dei prodotti ha un PARZIALE ARATTERE DI DPPI LEGAME in entrambi i meccanismi. 141

142 l'orientamento (secondo Saytzeff) PRTA ALLA FRMAZINE di PREFERENZA dell'alene PIU' SSTITUIT (PIU' STABILE) - SEMPRE in caso di E1, - GENERALMENTE in caso di E2. Quando di due diverse regioni di una molecola, entrambe reattive, solo una reagisce, si dice che la reazione è REGISPEIFIA. Se una reagisce di preferenza rispetto all altra, si dice che la reazione è REGISELETTIVA. La β-eliminazione è REGISELETTIVA cis o trans? ANDAMENT STEREIMI E2 Nello stato di transizione si sta formando il doppio legame e perciò gli orbitali che si stanno liberando devono essere coplanari (PARALLELI), per potersi sovrapporre. La coplanarità può essere raggiunta in una conformazione eclissata (poco popolata) o nella conformazione alternata in cui gruppo uscente e in β sono in anti tra loro.. δ- - /= :l:.. l 3 l : δ

143 l δ- δ- l.. 3 /=.. -l 3 3 = 3 3 ELIMINAZINE "ANTI" Se si parte da uno stereoisomero puro: 3 = 3 3 = δ- δ- 3 /= δ- /= 3 3 δ E cis REAZINE STERESPEIFIA E1 Il doppio legame si forma a partire dal carbocatione 3 3 la possibilità della rotazione permette la formazione di entrambi gli isomeri Per vedere se ci sono preferenze, scriviamo lo stato di transizione dal carbocatione all alchene, 143

144 STAT DI TRANSIZINE E PRTA AL trans: 3 δ- B δ = Bδ- 3 δ = 3 B 3 STAT DI TRANSIZINE E PRTA AL cis: 3 B δ- δ 3 = δ B δ- B 3 3 = 3 SI FRMAN TUTTI GLI ALENI, N PREVALENZA DI QUELL E SI E' FRMAT ATTRAVERS L STAT DI TRANSIZINE PIU' STABILE E2 N ALGENILESANI Non tutte le conformazioni sono reattive l con l assiale, 2 β in anti conformero meno stabile, reattivo nella E2 Si possono avere anche risultati "inattesi": E2 l veloce % 75% prevale l'alchene più stabile però l conformero più stabile, non reattivo nella E2 con l equatoriale, nessun β in anti lenta E2 l % Si forma SL l'alchene MEN stabile 144

145 (2-cis,5-trans)-1-cloro-2-isopropil-4-metilcicloesano 3 3 ( 3 ) 2 l (3 l )2 conformazione più stabile, reattiva nella E2 può dare entrambi gli alcheni, prevale il più stabile conformazione meno stabile, non reattiva nella E2 (2-trans,5-cis)-1-cloro-2-isopropil-4-metilcicloesano conformazione meno stabile 3 l ( 3 ) 2 3 un solo β, può dare un solo l'alchene, quello meno stabile l ( 3 ) 2 conformazione più stabile, non reattiva nella E2 Quando si forma in prevalenza l'alchene meno stabile, si parla di orientamento secondo FMANN; questo tipo di orientamento si ha solo con il meccanismo E2, in casi particolari. Fattori che favoriscono l'orientamento secondo ofmann: 1. VLUMINSITA' DELLA BASE E con B - = (piccola) 81% 19% con B - = ( 3 ) 3 - (voluminosa) 47% 53% repulsione repulsione minore 145

146 2. VLUMINSITA' DI RX 3 E % meno affollato 3. VLUMINSITA' DEL GRUPP USENTE 3-3 N Δ N 3 2 difficilmenteil 96% accessibile più facilmente accessibile L'RIENTAMENT DI TIP FMANN SI SSERVA SL NEL MEANISM E2 R X Nu: con quale meccanismo? S N 1, E1 o S N 2, E2? 1. 'è il Nu: forte? N SI 2. SLVENTE BIMLELARE PLARE PRTI ( 2, R, R 2 ) polare NN protico; APLARE UNIMLELARE NESSUNA REAZINE 146

147 UNIMLELARE BIMLELARE 3. Natura di R S N 1 E1 R 1, 2 R 3 S N 2 E2 E2 REAZINI N METALLI (alcalini e alcalino-terrosi) gli alogenoalcani reagiscono con i metalli del gruppo 1 (Li) e del gruppo 2 (Mg) I composti che contengono un legame -metallo si chiamano composti organometallici Il Mg ha due elettroni sul guscio di valenza, con i quali può formare legame con il cedendo elettroni, il Mg si SSIDA.. δ- δ.. :.. Mg - R X R Mg :X:.. alogenuro di alchilmagnesio Il è il polo negativo del dipolo è un NULEFIL I composti organometallici del magnesio (reattivi di Grignard) si possono ottenere anche dagli alogenoalcheni e dagli alogenuri aromatici 147

148 esempi: 3 I Mg 3 MgI ioduro di metilmagnesio Mg Mg bromuro di fenilmagnesio l Mg Mgl cloruro di vinilmagnesio Il Li ha un elettrone sul guscio di valenza; per formare legame con il servono DUE elettroni e quindi DUE atomi di Li Li, cedendo l'elettrone, si ossida a Li.. δ- δ R.. X: 2 Li R Li alchillitio Li - esempio: Li Li Li butillitio I composti litioorganici reagiscono con alogenuri di rame(i) dando composti organometallici del rame, che si chiamano cuprati. 2 ui [R 2 u] - Li LiI R Li dialchilcuprato esempio: 2 3 Li ui LiI [( 3 ) 2 u]li dimetilcuprato di litio Il dei composti organometallici, carico negativamente, è FRTEMENTE basico e reagisce con gli acidi R MgX R XMg R Li R Li I gruppi funzionali contenenti un sufficientemente acido (, N, ) sono incompatibili con i composti organometallici, perché sono abbastanza acidi per reagire con essi 148

149 PRINIPI DELLA SPETTRMETRIA DI MASSA A differenza delle altre tecniche analitiche (IR, UV-vis, NMR) in cui il campione rimane intatto dopo l analisi, la spettrometria di massa, che forma ed utilizza ioni invece di molecole, è un metodo di analisi distruttivo. In uno spettrometro di massa usato per analisi organica, di solito abbiamo a che fare con l analisi di ioni positivi derivati da molecole. La ionizzazione semplice di una molecola si rappresenta con l equazione: M: M. e Lo ione M. si chiama ione molecolare. La massa (m) e la carica (z) dello ione vengono misurate dallo spettrometro di massa e quello che è importante è il loro rapporto. Spesso si formano ioni con una sola carica positiva è quindi il rapporto è uguale alla massa dello ione che, a sua volta, è legata alla massa della molecola (dato che l elettrone ha una massa piccolissima, 5.49 x 10-4 rispetto alla massa di un protone). La risoluzione di un buon spettrometro di massa è 1 amu (atomic mass number) su10 4 amu. Lo ione molecolare ha una configurazione elettronica con un numero dispari di elettroni. Frammentazione Se stiamo formando uno ione molecolare con una carica positiva, significa che dobbiamo raggiungere il potenziale di ionizzazione della molecola. Questo valore dipende dalla natura dell M, dato che è da questo orbitale molecolare che l elettrone sarà rimosso. I primi potenziali di ionizzazione della maggior parte delle molecole organiche cadono nell intervallo 8-15 ev Il processo di ionizzazione spesso usa energie molto maggiori di quella necessaria per la ionizzazione. Questo eccesso di energia può essere trasferito allo ione molecolare quando si forma, sotto forma di energia rotazionale, vibrazionale o elettronica. Le ultime due sono le più importanti per la spettrometria di massa, perché la frammentazione di questi stati eccitati produce un nuovo ione ed una particella neutra. 149

150 Lo ione molecolare può seguire due percorsi di frammentazione: M. A N. M. B. N Nel primo caso si ha la frammentazione a un catione con numero pari di elettroni ed una specie neutra con un elettrone dispari. Nel secondo caso si ha frammentazione a uno ione con numero dispari di elettroni ed una specie neutra con numero pari di elettroni. In questo caso la specie neutra può essere una molecola stabile Prendiamo una molecola semplice come 2 6 e consideriamo possibili percorsi di frammentazione dello ione molecolare che comportino solo scissione del legame -, ma con formazione di un atomo neutro, di un radicale neutro e di una molecola neutra La frammentazione non si ferma qui, perché gli ioni frammento possono a loro volta frammentarsi, subendo anch essi perdita di specie neutre con numero pari o dispari di elettroni. step Ia M. step Ib A N 1. B. N 2 step IIa step IIb D. N 4 N 3 Tutte queste frammentazioni formano un insieme di ioni che a loro volta danno luogo allo spettro di massa del composto in questione. La conoscenza dei percorsi tipici di frammentazione permette la ricostruzione di un andamento di frammentazione (fragmentation pattern) caratteristico. 150

151 Il cammino di frammentazione dipende da quattro fattori principali: - la forza dei legami che si devono rompere - la stabilità dei prodotti di frammentazione, sia ioni che specie neutre - le energie interne degli ioni che si frammentano - l intervallo di tempo tra la formazione degli ioni e la loro rivelazione. L SPETTR DI MASSA SEMPLIE Analizziamo uno spettro di massa semplice. Un modo comune di mostrare uno spettro di massa è quello di una traccia che si può ottenere direttamente dal registratore della maggior parte degli spettrometri. onsideriamo il metanolo: 3, Peso Molecolare = 32 i si aspetta che il valore più grande m/z sia 32. Invece, osservando bene lo spettro, si osserva un segnale di intensità piccola (abbondanza relativa bassa), a M 1. isotopi Attorno ai picchi grandi ci possono essere picchi di abbondanza relativa bassa. Per esempio, una piccola parte di molecole di metanolo avrà 13 (1.08% di abbondanza naturale) invece di 12 e qualche atomo di idrogeno sarà 2 (D) (0.015%) invece di 1. due tracce dello spettro di massa del metanolo, una registrata con una sensibilità dieci volte maggiore dell altra. Questo permette di vedere anche i picchi meno ab- bondanti. m/z attribuzione Lo ione con m/z 32 è lo ione molecolare: a parte un picolissimo picco a m/z 33, è lo ione di massa più elevata nello spettro Il picco più intenso viene chiamato picco base dello spettro. Ad esso si assegna l abbondanza relativa 100%: le abbondanze relative degli altri picchi si misurano rispetto a questo. 151

152 La frammentazione sarà tanto più facile quanto più stabile è il catione che si forma. Se sono possibili più frammentazioni che formano cationi di stabilità analoga, sarà preferita la frammentazione che dà il radicale più stabile. e e m/z = 57 m/z = 43. m/z = e m/z = 57 e m/z = 43 3 m/z =

153 M -29 M -15 M M -29 M -15 M ASPETTI PRATII PER EFFETTUARE UNA REAZINE IMIA Per effettuare una reazione chimica correttamente, si deve eseguire un certo numero di operazioni: 1. Si purificano (se necessario) reagenti e solventi. 2. Si mescolano i reagenti nelle opportune condizioni di reazione. 3. Si segue l andamento della reazione. 4. Si lavora la reazione. 5. Si analizza il grezzo della reazione. 6. Si separano i prodotti. 7. Si controlla la purezza dei prodotti. 8. Si purificano (se necessario) i prodotti. 9. Tutti le operazioni vanno descritte SUBIT in un QUADERN DI LABRATRI, insieme alle eventuali osservazioni che si ritengano importanti, in caso di ripetizione della reazione (ad es., variazione di colore, formazione di precipitato, sviluppo di gas, ecc.) 153

154 TENIE DI PURIFIAZINE I liquidi (sia reagenti che solventi) si purificano per DISTILLAZINE, un processo che porta il liquido in fase vapore vapore e poi condensa nuovamente il vapore a liquido Un liquido bolle quando la sua pressione di vapore è uguale alla pressione esterna (equazione di lausius-lapeyron) lapeyron) il liquido bolle Pressione atmosferica normale omposti con calori di vaporizzazione più alti hanno pressioni di vapore più basse e quindi serve più energia per vaporizzarli (p.e. maggiore) I liquidi basso-bollenti (p.e. < 150 ) contenenti impurezze non volatili si possono purificare per distillazione semplice a pressione ambiente - Il liquido viene portato all ebollizione con un opportuna fonte di calore (EVITARE FIAMME LIBERE: i composti organici sono di solito infiammabili!!!) - il vapore viene fatto passare attraverso un tubo freddo (refrigerante), dove condensa e viene raccolto in un pallone. E importante asscurare una buona agitazione del liquido in ebollizione (ancoretta magnetica, oppure pietruzze da ebollizione) per evitare bumping, che può mandare nel pallone di raccolta del liquido non purificato. 154

155 Apparecchiatura per la distillazione semplice a pressione atmosferica 2 esce 2 entra 155

156 tubo a cloruro di calcio (se bisogna evitare l umidità) I liquidi alto-bollenti (p.e. > 150 ) contenenti impurezze non volatili si possono purificare per distillazione semplice sotto vuoto, per evitare che il riscaldamento eccessivo provochi decomposizione termica 156

157 Apparecchiatura per la distillazione semplice a pressione ridotta Se non si conosce la pressione (e non si può misurare), si può ricavare con l aiuto del grafico: 30 torr onoscendo il p.e. a 760 torr, si collega il p.e. sperimentale (prima scala) con quello a pressione atmosferica (seconda scala) e si prolunga la retta fino a leggere la pressione (terza scala). 157

158 Se il liquido ha un punto di ebollizione molto alto (anche a pressione ridotta) ed è immiscibile con l acqua, si può ricorrere alla DISTILLAZINE IN RRENTE DI VAPRE. Alla temperatura di ebollizione dell acqua, il vapore di questo liquido in equilibrio con esso contribuisce al raggiungimento della pressione esterna e viene trascinato via dall acqua che bolle. Al termine della distillazione, il liquido e l acqua formano due fasi separate. 158

159 TENIE DI PURIFIAZINE dei solidi I solidi volatili si possono purificare per sublimazione, processo che comporta il passaggio dalla fase solida a quella vapore e la condensazione dalla fase vapore alla fase solida Il campione si scalda sotto vuoto ed il vapore incontra una superficie fredda, dove solidifica. dito freddo 159

160 I solidi si purificano per RISTALLIZZAZINE, un processo che permette di ottenere selettivamente da una soluzione il composto solido, separandolo dalle impurezze (che non devono superare il 10%). Si basa sul fatto che sostanze diverse hanno solubilità diverse. Passaggi necessari per la purificazione per cristallizzazione 1. Scelta del solvente 2. Dissoluzione del campione 3. Decolorazione della soluzione non sempre necessario 4. Filtrazione a caldo 5. Raffreddamento della soluzione passaggio più critico 6. Filtrazione a freddo 7. Lavaggio dei cristalli 8. Essiccamento dei cristalli sempre importante; non sempre facile 1. Scelta del solvente Un solvente adatto è quello che scioglie il campione a caldo, ma non a freddo, che scioglie le impurezze anche a freddo o non le scioglie neppure a caldo. 3 2 Il solvente 1 scioglie poco sia a freddo che a caldo: non va bene Il solvente 2 scioglie molto sia a freddo che a caldo: non va bene 1 Il solvente 3 è quello giusto: scioglie bene a caldo e poco a freddo Il solvente deve avere un punto di ebollizione tra 50 e 150 Solventi con p.e. basso evaporano e possono separarsi anche le impurezze Solventi con p.e. alto si allontanano difficilmente dai cristalli 160

161 Il solvente deve avere un punto di ebollizione inferiore a quello del composto da cristallizzare Il composto può separarsi come olio e non come solido Se ci sono più solventi con le caratteristiche adatte, va scelto il MEN TSSI Per trovare un buon solvente di cristallizzazione si effettua una prova in piccolo, aggiungendo in una tubo da saggio circa 3 ml di solvente a circa 10 mg di composto ed agitando. Se tutto il solido si scioglie a temperatura ambiente, il solvente non è adatto. Se il solido si scioglie in parte, si scalda. Se il solido NN si scioglie tutto a caldo, il solvente non è adatto. Se tutto il solido si scoglie a caldo, raffreddare il tubicino: se si forma precipitato, il solvente è ADATT. Se dopo il raffreddamento non si forma precipitato, provare a sfregare all interno con una bacchetta di vetro. Se continua a non formarsi precipitato, il solvente non è adatto Se non si trovassse un solvente adatto, si può provare con una miscela di solventi. Passaggi necessari per la purificazione per cristallizzazione 1. Scelta del solvente 2. Dissoluzione del campione 3. Decolorazione della soluzione 4. Filtrazione a caldo 5. Raffreddamento della soluzione 6. Filtrazione a freddo 7. Lavaggio dei cristalli 8. Essiccamento dei cristalli non sempre necessario passaggio più critico sempre importante; non sempre facile 2. Dissoluzione del campione Il solido da cristallizzare si mette in una beuta delle dimensioni giuste (il campione non deve occupare più di 1/5-1/4 del volume) beute becker beacker In un beker il solvente evapora più in fretta ed solido sale lungo le pareti e può traboccare (Erlenmeyer flask) 161

162 In un altra beuta si scalda del solvente che poi si aggiunge lentamente alla beuta con il solido da cristallizzare. LENTAMENTE!!! Si deve aggiungere la quantità sufficiente di solvente per sciogliere tutto il composto, più qualche cosa, per tener conto dell evaporazione aperto!! Se il solvente è molto volatile, si può usare una beuta con smeriglio ed un refrigerante 3. Decolorazione della soluzione Se la soluzione è colorata (e si è sicuri che il composto sia incolore!) la colorazione è dovuta ad impurezze, che si possono eliminare aggiungendo polvere di carbone (dopo ave raffeddato un po!) Il carbone attivo ingloba di preferenza le impurezze colorate. Se ne aggiunge una quantità piccola (1-2% in peso rispetto al campione o 1 mg per ml di soluzione), si riporta all ebollizione per qualche tempo. 4. Filtrazione a caldo La presenza di impurezze insolubili a caldo (o l aver usato il carbone attivo) rende necessaria la filtrazione a caldo. Si effettua una filtrazione per gravità, usando un imbuto ed un filtro di carta spazio per l aria soluzione senza impurezze insolubili 162

163 E meglio usare un imbuto a gambo corto, perché l evaporazione del solvente caldo potrebbe far cristallizzare del composto lungo il gambo La carta da filtro va piegata, in modo da favorre la filtrazione a metà ancora a metà ancora a metà Si riapre fino ad avere un semicerchio con pieghe: verso l alto verso il basso verso il basso in su in giù in su in giù a ventaglio Per adattare bene il filtro all imbuto si piegano le due facce opposte a metà: 163

164 Passaggi necessari per la purificazione per cristallizzazione 1. Scelta del solvente 2. Dissoluzione del campione 3. Decolorazione della soluzione 4. Filtrazione a caldo 5. Raffreddamento della soluzione 6. Filtrazione a freddo 7. Lavaggio dei cristalli 8. Essiccamento dei cristalli non sempre necessario passaggio più critico sempre importante; non sempre facile ristallizzazione rescita lenta dei cristalli, con un processo di equilibrio cristalli puri Precipitazione Formazione veloce dei cristalli cristalli impuri (le impurezze rimangono inglobate nei cristalli) Non bisogna raffreddare troppo in fretta. La velocità del riscaldamento determina le dimensioni dei cristalli. ristalli molto grandi vanno evitati, perché spesso inglobano il solvente e le impurezze in esso disciolte. ristalli troppo piccoli sono da evitare, perché è difficile lavarli bene dal solvente e dalle impurezze solubili e ci vuole più tempo ad asciugarli. Il compromesso migliore tra rapidità, convenienza e qualità dei cristalli si raggiunge lasciando raffreddare la soluzione a temperatura ambiente. NN BISGNA AVERE FRETTA! Se I cristalli si raccolgono troppo presto, si può perdere del prodotto che ancora non è cristallizzato. Il tempo minimo per la cristallizzazione varia da minuti a giorni. Si determina solo facendo delle prove 6. Filtrazione a freddo ompletata la cristallizzazione, il solido si rccoglie per filtrazione sotto vuoto, usando un imbuto Büchner o un imbuto irsch serve una beuta da vuoto Büchner irsch 164

165 i fori del Büchner sono coperti con carta da filtro Se il solvente è molto, se ne può decantare un po sull imbuto di solito bisogna agitare la beuta prima di versare Dopo che tutto il solvente è stato versato, spesso rimangono dei cristalli nella beuta. Si possono riprendere con del solvente fresco o con un po del filtrato. 7. Lavaggio dei cristalli Dopo aver raccolto I cristalli sul filtro, bisogna lavarli con la minima quantità di solvente fresco, per togliere il liquido che contiene le impurezze solubili. Se I cristalli sono relativamente solubile, il solvente di lavaggio deve esssere freddo Attenzione: durante il lavaggio non spostare o rompere il filtro di carta. 8. Essiccamento dei cristalli Facendo passare aria attraverso il filtro, con l aiuto del vuoto bisogna rimuovere quanto più solvente è possibile PSSIBILI INNVENIENTI 1. Si separa un olio: la soluzione prima diventa opalescente e poi si separano le goccioline Le impurezze restano sciolte nell olio 2. Non si ha cristallizzazione dopo raffreddamento soluzione sovrassatura: la cristallizzazione si innesca sfregando con una bacchetta o mettendo un cristallo di composto puro (germe di cristallizzazione) 165

166 PER EFFETTUARE UNA REAZINE IMIA 1. Si purificano (se necessario) reagenti e solventi. 2. Si mescolano i reagenti nelle opportune condizioni di reazione. 3. Si segue l andamento della reazione. 4. Si lavora la reazione. 5. Si analizza il grezzo della reazione. 6. Si separano i prodotti. 7. Si controlla la purezza dei prodotti. 8. Si purificano (se necessario) i prodotti. 2. Mescolamento dei reagenti I reagenti vanno mescolati in soluzione, in un pallone, munito di piastra magnetica riscaldante. Generalmente uno dei reagenti si aggiunge all altro (mediante imbuto di gocciolamento autoequilibrante). Se necessario, si mantiene l atmosfera inerte e/o anidra. tubo a al 2 refrigerante a bolle imbuto di gocciolamento autoequilibrante bagno esterno (riscaldante o refrigerante) piastra magnetica 166

167 ALLI aratteristica strutturale degli alcooli - legato a sp 3 aratteristiche Spettrali Spettrometria di massa Lo ione molecolare ha intensità piuttosto bassa per gli alcooli primari e secondari, è di solito assente negli spettri degli alcooli terziari La frammentazione più importante avviene tra il α all ed il β (carbocatione stabile) R'' R R'. R. R'' R' R'' R' Il gruppo alchilico più grande viene perso più facilmente (radicale più stabile). 1-esanolo, P.M M

168 2-esanolo, P.M. 102 M M - 2 M - 3 M metil-2-pentanolo P.M. 102 M IR UV-visibile stretching - Solo legami σ: le transizioni n σ* richiedono λ = nm (lontano UV): fuori dal comune intervallo picco stretto, cm -1 ( libero) picco largo, cm -1 ( in legame ) stretching cm -1 Negli spettri di film liquido si vede solo la banda dell impegnato in legame idrogeno; in soluzione si vedono entrambe (liquido puro) 168

169 3 2 2 (in l 4 ) 1-esanolo in l 4 1-esanolo film liquido 13 NMR 1 NMR L effetto -I dell diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 13 : deschermato L effetto -I dell diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 1 : deschermato a 3.5δ Il nucleo 1 dell può risuonare in un intervallo ampio di chemical shift, tra 0.5 e 5.0 δ; la posizione dipende da vari fattori (concentrazione, temperatura, solvente, legame idrogeno, ecc.) R - R R R 2 L dell è sufficientemente acido ( mobile) per dare equilibrio acido-base veloce rispetto al tempo di risposta dell NMR Questo significa che, di solito, l non si ferma sull abbastanza a lungo per influenzare il campo magnetico di un su un adiacente, né per esserne influenzato. l dell è un singoletto, un po allargato, a meno di rallentare lo scambio, per esempio abbassando la temperatura, eliminando le impurezze acide, usando soluzioni diluite. 169

170 es.: metanolo Se si vuole confermare che un segnale nello spettro 1 NMR sia dovuto a, si aggiunge alla soluzione qualche goccia di D 2 R D D R D D Il protone mobile scambia con D ed il segnale diminuisce o scompare del tutto esempio: 1-propanolo A B B A A B 170

171 .. R--.. BASE a - alcossido c.... d b a AID a,d ossidazione aldeidi e chetoni b b,c X alcheni Rottura del legame - SSTITUZINE NULEFILA ELIMINAZINE 2 S Δ è un cattivo gruppo uscente: può essere trasformato in un buon gruppo uscente per protonazione reazioni in ambiente acido.... R R Nu: - R buon gruppo uscente Nu 2 Nu: - = I -, -, l -, F - 171

172 esempi: ( 3 ) 2 I ( 3 ) 3 l ( 3 ) 2 -I 2 ( 3 ) 3 -l 2 A parità di alcool, la reattività dipende dalla forza dell'acido F l I pk a forza acida crescente reattività crescente verso gli alcooli A parità di acido, la reattività dipende dal tipo dell'alcool metile < primario < secondario < terziario reattività crescente degli alcooli con X Su questa diversa reattività si basa il saggio di riconoscimento degli alcooli (saggio di Lucas) 25 alcool terziario ( 3 ) 3 - l ( 3 ) 3 -l 2 alcool secondario ( 3 ) 2 - l Znl 2 ( 3 ) 2 -l 2 Znl alcool terziario l Δ l 2 Il cloruro che si forma è immiscibile con la fase acquosa e si deposita sul fondo (ha densità maggiore dell'acqua). on 2 S 4 stesso ordine di reattività 2 S 4 3 terziario ( 3 ) S 4 secondario ( 3 ) terziario 2 S

173 on 2 S 4 si riesce ad isolare il prodotto di sostituzione solo a temperatura molto bassa R S 4 R S - 4 R, S 4 - nucleofilo debole 2 2 R 2 2 S ottimo gruppo uscente Meccanismo: veloce 2 lento 3 2 S veloce rientamento: 2 S prevalente S 4 3 Saytzeff 2 unico prodotto ome sempre, quando si formano carbocationi, c è possibilità di trasposizione 3 2 S

174 Se con 2 S 4 si trattano 1,2-dioli: ,3-dimetil-2,3-butandiolo (pinacolo) 3,3-dimetilbutanone (pinacolone) TRASPSIZINE PINALIA : Può migrare anche un : : Se i sostituenti del diolo sono diversi: 3 2 viene protonato l' più basico migra il gruppo che lascia il carbocatione più stabile 174

175 MEANISM della SSTITUZINE degli alcooli in ambiente acido Sostituzione di - 2 S N 1 o S N 2? con metanolo ed alcooli primari S N X - δ- X 2 δ 2 X stato di transizione con alcooli secondari e terziari S N 1 N X X però.. La sostituzione dell' può avvenire anche in ambiente non acido Il gruppo - può essere sostituito SL DP TRASFRMAZINE IN UN BUN GRUPP USENTE Gli alcooli si possono trasformare in alogenuri alchilici usando cloruri di P e S Pl 3 Pl 5 Sl 2 tricloruro di fosforo pentacloruro di fosforo cloruro di tionile 3 R- Pl 3 3 R-l 3 P 3 R- Pl 5 R-l Pl 3 l R- Sl 2 R-l S 2 l Questi composti trasformano l in un buon gruppo uscente, che viene sostituito con un meccanismo S N 2 (e quindi gli alcooli terziari non reagiscono) P e S hanno un buon gruppo uscente (l), che viene sostituito dall alcool ( nucleofilo) 175

176 R on Pl l Pl 4 R l R Pl 4 l - Pl 4 buon gruppo uscente buon gruppo uscente R l Pl 4 Pl 3 l on Sl R.. l S l R l - S l buon gruppo uscente l R S l buon gruppo uscente R-l S 2 l on Pl 3 R l Pl l R l 2 R Pl 2 Pl 2 buon gruppo uscente R l P l l R P l R l buon gruppo uscente P l R l P l R P R l P buon gruppo uscente 176

177 ANDAMENT STEREIMI 1. on Pl 3 3 l P l 2 3 (S)-2-butanolo l 3 P 2 3 l l - 3 l P l 2 3 clorofosfito di (S)-2-butile Nessuno dei legami del * è stato interessato dalla reazione S l N l P l - l (R)-2-clorobutano - Pl2 Inversione di configurazione analogamente con Pl 5 on Sl 2 L andamento stereochimico dipende dalle condizioni di reazione 1. S l 3 3 l S l (S)-2-butanolo - 3 S l l 2 3 clorosolfito di (S)-2-butile In presenza di base (ammina terziaria): R 3 N: l R 3 N l - Nu S N 2 S l l l 2 3 (R)-2-clorobutano S l - Inversione di configurazione 177

178 2. In assenza di base, nel solvente poco polare (dietil etere) l è indissociato manca il nucleofilo forte gabbia del solvente S 3 3 S N i S l l - 3 l coppia ionica 2 3 (S)-2-clorobutano S N i: il nucleofilo entra dalla stessa parte: ritenzione della configurazione ALTRE REAZINI DEGLI ALLI ALLI ME AIDI Per avere formazione completa di alcossido: 3 Na 3 - Na 1/

179 REAZINI N GLI AIDI Formazione di esteri a) Acidi carbossilici b) Acidi inorganici 2 N 2 2 N 2 2 N 2 N 2 N 2 2 N Meccanismo: 1. formazione di N 2 - (reazione acido-base) N N2 2 2 N 2 2 N2 2 N ione NITRNI (elettrofilo) 2 2. reazione di N 2 : 3 N N 2-3 N 2 nitrato di metile 3 S 3 S 2 solfato acido di metile 3 S 3 3 S 3 2 solfato dimetilico 0 RS 2 RS 2 R 2 R 2 S 4 Δ alcheni 2 179

180 c) Acidi solfonici R S acido p-toluensolfonico R S p-toluensolfonato di R (tosilato) Per avere completamente il solfonato, l alcool si fa reagire con il cloruro di p-metil benzensolfonile R l S 3 R S 3 S 3 l tosilato di R Ts Formare il tosilato è un altro modo di trasformare l in un buon gruppo uscente l - 3 S N 2-2 Ts l 2 3 Ts.. 3 S N Ts Ts REAZINI DI SSIDAZINE ssidazione biologica dell'etanolo alcool deidrogenasi [] trigliceridi, ecc. - SoA SoA acetilcoenzima A 2 2 ssidazione chimica alcool 1 o [- 2] [] R 2 R R alcool 2 o R [- 2] [] 2 R R X alcool 3 o [- 2] R 3 X ossidanti tipici KMn 4, - 2 r 4 N 3 conc. Na 2 r 4 K 2 r

181 ATTENZINE! R 3 [] - Gli alcooli terziari non vengono ossidati; però alcuni ossidanti sono acidi e come tali possono reagire con gli alcooli terziari NESSUNA REAZINE alchene prodotti di ossidazione dell'alchene Meccanismo (semplificato) R 2-2 r - R 4 R r r r(vi) R R r(iv) ESEMPI KMn 4, 2, tampone basico % N 3 ( 2 ) 5 2 ( 2 ) 5 75% Per ossidare gli alcooli primari ad aldeide è necessario usare reagenti speciali, particolarmente blandi (mild) in condizioni controllate. Reattivo di Jones K 2 r 2 7, 2 S 4 diluito, ( 3 ) 2 = R 2 R eccesso di reattivo R Reattivo di ollins r 3. 2 N 3 ( 2 ) ( 2 ) 5 181

182 clorocromato di piridinio (P) N. r. 3 l 2-etil-1-esanolo 2-etilesanale 87% ssidazione dei DILI reagente caratteristico I 4 acido periodico R scissione R R I 3 R perché la reazione avvenga è necessario che i due - siano su adiacenti La scissione del legame - avviene anche se sono adiacenti un - ed un = I 4 R R I R R 3 La scissione del legame - non avviene se sono adiacenti un - ed una funzione -R I 4 R 2 R nessuna reazione R 2 I 4 R nessuna reazione R 3 R I 4 nessuna reazione Se ci sono più di due - su adiacenti, TUTTI i legami - si rompono 182

183 2 I 4 3 Meccanismo: R R R R.... I 2 R R R R I R R R R I 3 ETERI aratteristica strutturale degli eteri - - aratteristiche Spettrali Spettrometria di massa La frammentazione più importante avviene tra il α all ed il β (carbocatione stabile). R. R 2 R' 2 2 M diisopropil etere, P.M. 102 M

184 UV-visibile Solo legami σ: le transizioni n σ* richiedono λ = nm (lontano UV): fuori dal comune intervallo IR stretching cm dipropil etere 13 NMR 1 NMR L effetto -I dell diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 13 : deschermato L effetto -I dell diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 1 : deschermato a 3.5δ 184

185 A B B A A B P REATTIVI USATI SPESS ME SLVENTI.. R--R'.. Fra gli eteri, quelli più usati come solvente, oltre al dietil etere, sono quelli ciclici ossaciclopentano (tetraidrofurano) 1,4-diossacicloesano (diossano) Danno reazione solo con I, a caldo.. R.. R' I.. I - Δ R'I RI R R' R R' reazione acido-base sostituzione nucleofila esempio: I 3 Δ 3 2 I I

186 se c'è un eccesso di I e si lascia il tempo, anche gli alcooli reagiscono con I I 2 2 I I 2 = 2 2 = 2 3 però 3 I Δ 3 I Viene attaccato da I - SL il sp ecc. legame (aromatico- più forte di (alifatico)- Gli eteri ciclici con anelli tesi sono più reattivi perché, con l'apertura dell'anello, hanno sollievo dalla tensione d'anello SSAILBUTANI reagiscono anche con, a caldo APERTURA DELL'ANELL Δ meccanismo: - SSAILPRPANI MLT REATTIVI APERTURA DELL'ANELL a) con NULEFILI FRTI S N Nu: Nu 2 2 Nu esempio: :S S S 3 186

187 Se l'ossaciclopropano è sostituito, la reazione ha un orientamento dovuto al meccanismo (S N 2) REGISPEIFIITA' REGISELETTIVITA' Di due "regioni" del substrato possibili e simili una sola viene attaccata Di due "regioni" del substrato possibili e simili una viene attaccata di preferenza 3-3 S 3 3 S 3 Reazione regiospecifica; reazione stereospecifica S N 2: più reattivo meno sostituito S N 2: attacco di Nu da parte opposta al gruppo uscente b) in assenza di NULEFILI FRTI Bisogna rendere -- un miglior gruppo uscente apertura dell'anello acido-catalizzata : Il processo è S N 1, ma non si forma un vero carbocatione, per l'interazione con il doppietto elettronico dell'ossigeno S δ δ δ δ parziale carbocatione primario parziale carbocatione secondario (se ne forma di più) 187

188 δ δ δ δ S prodotto principale R prodotto secondario Reazione regioselettiva; reazione stereospecifica Si forma più (ma non solo) parziale carbocatione secondario PLIETERI ILII (ETERI RNA) attacco di Nu da parte opposta al gruppo uscente 18-orona-6 18-rown-6 K 12-rown-4 15-rown-5 N N N N N N 188

189 N N n catione N N n RIPTAND complesso RIPTAT AMMINE aratteristica strutturale delle ammine N: aratteristiche Spettrali Spettrometria di massa Lo ione molecolare è quasi sempre presente La frammentazione più importante avviene tra il α all N ed il β (carbocatione stabile) R'' R R' N. R. R'' R' Per le ammine vale la regola dell azoto N R'' R' N 189

190 La regola dell azoto E una regola universale che riguarda sia gli ioni molecolari che i frammenti con una singola carica. tutti gli ioni con numero dispari di elettroni hanno valori m/z pari, tranne quando contengono un numero dispari i di atomi di azoto Questa regola viene dal fatto che l azoto ha massa atomica pari e valenza dispari. 30 ( 2 =N 2 ) 1-butanammina, P.M. 73 M dietilammina, P.M. 73 M - 3 M Solo legami σ: le transizioni n σ* richiedono λ = nm (lontano UV): fuori dal comune intervallo UV-visibile ( IR stretching N cm -1 DUE bande per le ammine primarie; una banda per le ammine secondarie (debole se alifatiche, forte se aromatiche). Le amine terziarie non hanno assorbimento 190

191 bending N- nelle ammine primarie, banda larga cm -1 nelle ammine secondarie verso 1500 cm -1 stretching -N cm -1 1-butanammina %T 2-butanammina cm -1 dietilammina 191

192 13 NMR L effetto -I dell N diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 13 : deschermato 1-butanammina A B 3 2 D 2 2 N 2 A B D 1 NMR L effetto -I dell N diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 1 : deschermato a δ Anche l sull N è mobile: scambia abbastanza rapidamente da non dare accoppiamento con nuclei adiacenti terz-butilammina 192

193 N: atomo basico, atomo nucleofilo cattivo gruppo uscente, anche in seguito a protonazione RN 2 R N 3 NESSUNA REAZINE 1. N come atomo basico o nucleofilo con acidi RN 2 R N 3 con come elettrofilo SL con ammine terziarie ( 3 ) 3 N ( 3 ) 3 N N 3 N % invece di 2 2 si possono usare peracidi R con alogenuri alchilici i : N R R - N La reazione dà miscele di prodotti, perché anche il prodotto della sostituzione è nucleofilo.. R N R N R N R N R N R N R N R N Quando l alchilazione dell ammina si esegue fino al sale di ammonio si parla di METILAZINE ESAURIENTE 193

194 con acido nitroso N 2 La reazione con N 2 è la reazione più caratteristica delle ammine, che permette di distinguere tra ammine primarie, secondarie e terziarie. Fatti sperimentali: N 2 ammine primarie RN 2 alcooli, alcheni, N 2 sviluppo di gas ammine secondarie R 2 N N 2 R 2 N-N nitrosammina precipitato giallo ammine terziarie R 3 N N 2 NESSUNA REAZINE L'acido nitroso si genera in situ NaN 2 l N 2 Nal MEANISM N N 2 N catione nitrosonio ammine primarie.. R N 2 N R N 2 N R N N 2 N 2 R 2 E alcool alchene i sali di diazonio si possono isolare solo con le ammine aromatiche N 2 NaN 2 N N 0-5 isolabile N N N - N N - N N - N N N 194

195 ammine secondarie.. R N N R N N R R R R N N ammine terziarie R R N : R N R R N R N i sali di ammonio quaternari possono essere usati come catalizzatori di trasferimento di fase l Na - N NESSUNA REAZINE (neanche a caldo) solubile in solvente idrocarburico (solvente non polare) solubile in acqua R 4 N se R contiene almeno 4 atomi di, è solubile sia in acqua (per l'n positivo) che in solventi non polari (per R) - R 4 N l - Na N R 4 N N Na l - - porta in fase organica il reagente nucleofilo - R 4 N N R' l R 4 N l - R' N - R N N Na l R 4 N l Na N - R 3 N- pessimo gruppo uscente 195

196 i sali di ammonio quaternario reagiscono con - solo a temperatura elevata e danno SL eliminazione (orientamento di ofmann) Fa eccezione il sale di tetrametilammonio, perché non può dare β-eliminazione ( 3 ) 4 N X - - Δ 3 ( 3 ) 3 N X - meccanismo: : - δ- δ 3 N( 3 ) N( 3 ) 3 3 N( 3 ) 3 il tetrametilammonio non ha in β β β N( 3 ) 3 Ag Ag % 95% N( 3 ) 3 - L orientamento di ofmann NN si ha se il sale ditetraalchilammonio si fa reagire in condizioni di E1. Metilazione esauriente - Degradazione di ofmann Reazione utilizzata per la determinazione della struttura di ammine Esempi: N 3 3 I 2 I N 3 3 I - metilazione esauriente 3 I - Ag β N N 3 AgI 3 3 Δ 3 3 : 2 N : - β-eliminazione 196

197 N 2 3 I I - Ag N I AgI 3 3 : - N β N 3 3 Δ 3 I 2 N 3 3 I - N Ag AgI - N β N Δ.. N N 1) 3 I 2) Ag N 3 - Δ N 3 1) 3 I - Δ 2) Ag N 3 3 N ) 3 I N 3 Δ 2) Ag - 3 N

198 Applicazione: sintesi del cicloottatetraene (Wilstätter) 3 N Na, 3 2 omposto naturale estratto dalla corteccia del melograno 3 I Ag 2 / 2 Δ 3 3 N I - 96% 2 3 Ag 2 / 2 Δ N 84% 2 S N N 90% 3 I 3 N 3 3 ( 3 ) 2 N N 84% I - 94,5% 3 3 N N 3 I 3 I - 97,5% 72% I - N non isolato Ag 2 / 2 Δ 2 ( 3 ) 2 N AgI Resa complessiva: 3% N( 3 ) 2 68% (per i due passaggi) 10-20% Gli N-ossidi delle ammine terziarie danno β-eliminazione Eliminazione di ope - R N( ) R' [] R N( ) R' ([] = reagente ossidante, per esempio 2 2 ) meccanismo: -.. :.. N( 3 ) 2 R R' R δ- δ N( 3 ) R' R R' -N( 3 ) 3 reazione stereospecifica eliminazione sin 198

199 Per effettuare una reazione chimica correttamente: 1. Si purificano (se necessario) reagenti e solventi. 2. Si mescolano i reagenti nelle opportune condizioni di reazione. 3. Si segue l andamento della reazione. 4. Si lavora la reazione. 5. Si analizza il grezzo della reazione. 6. Si separano i prodotti. 7. Si controlla la purezza dei prodotti. 8. Si purificano (se necessario) i prodotti. TENIE PER SEGUIRE L ANDAMENT DI UNA REAZINE E importante poter verificare se il substrato stia reagendo (e quindi scomparendo) ed il prodotto/i si stia formando (e quindi comparendo). TENIE SPETTRALI Sono utili quando reagenti e prodotti hanno caratteristiche spettrali diverse (per es. un picco IR o un segnale 1 NMR o il massimo di assorbimento UV-vis. TENIE RMATGRAFIE Le separazioni cromatografiche si basano sul fatto che sostanze diverse si ripartiscono diversamente tra due fasi (fase stazionaria e fase mobile), generalmente sulla base della diversa polarità. romatografia di ADSRBIMENT romatografia di RIPARTIZINE Fase stazionaria Fase mobile tecnica Sostanze separate SLID LIQUID ADSRBIMENT ampia gamma di molecole alifatiche ed aromatiche Fase inversa molecole organiche polari gel permeation macromolecole a scambio ionico molecole cariche (amminoacidi) LIQUID LIQUID RIPARTIZINE molecole organiche termicamente labili LIQUID GAS RIPARTIZINE molecole organiche volatili Nella cromatografia di ADSRBIMENT le sostanze vengono adsorbite sulla fase stazionaria, di solito un solido polare. 199

200 L adsorbimento è un processo fisico, con interazioni polari (legame idrogeno, interazioni dipolo-dipolo, forze di van der Waals) La fase stazionaria (l adsorbente) è un solido poroso, molto puro, in granelli di piccole dimensioni, in grado di interagire sia con solventi che con soluti Silice (gel di silice) Si 2 Allumina Al 2 3 Una volta che la miscela da separare è stata caricata sull adsorbente, si eluisce con uno o più solventi (si fa passare il solvente, detto eluente, attraverso la fase stazionaria). L eluizione può essere fatta per gravità (discendente) o per capillarità (ascendente). L eluente compete con le sostanze adsorbite per i siti di interazione della fase stazionaria e di conseguenza sposta le sostanze adsorbite. Eluenti di polarità diversa hanno capacità diversa di spostare un dato soluto dal sito attivo del supporto su cui è stato adsorbito. Maggiore è la polarità del solvente, più efficientemente questo compete per l interazione con l adsorbente è più rapidamente il soluto verrà spostato Sostanze adsorbite con interazioni più deboli (composti meno polari) verranno spostati più facilmente di sostanze con interazioni più forti con la fase stazionaria (composti più polari) separazione Le proprietà eluenti del solvente hanno permesso di costruire la serie eluotropica, che li ordina dal meno polare al più polare. L ordine può variare cambiando adsorbente. 200

201 Serie eluotropiche dei più comuni solventi silice allumina cicloesano pentano tetracloruro di carbonio toluene (metilbenzene) cloroformio dietil etere acetato di etile acido acetico metanolo pentano cicloesano tetracloruro di carbonio toluene (metilbenzene) dietil etere cloroformio acetato di etile metanolo acido acetico PLARITA - romatografia su Strato Sottile, TL (Thin Layer hromatography) La cromatografia su strato sottile è una cromatografia di adsorbimento La fase stazionaria è stesa su un supporto solido e l eluente sale per capillarità 2 Diversi fattori determinano l efficienza di una separazione cromatografica ADSRBENTE 1 Non deve adsorbire troppo fortemente Dovrebbe essere molto selettivo verso le sostanze da separare Altrimenti tutti I composti restano vicino al punto di applicazione e non si ha separazione. Non deve adsorbire troppo debolmente Altrimenti tutti i composti si muovono con il fronte del solvente e non si ha separazione. ELUENTE Dovrebbe essere molto selettivo nella capacità di desorbire le sostanze da separare. Una proprietà importante del solvente è quella di venire adsorbito sulla fase stazionaria. Se il solvente viene adsorbito più fortemente dei composti da separare, ne prende il posto sulla fase stazionaria ed I composti verranno eluiti insieme Tutti i composti si muovono con il fronte del solvente e non si ha separazione. Se il solvente viene adsorbito meno fortemente di tutti i composti da separare, non riesce a desorbirli Tutti I composti restano vicino al punto di applicazione e non si ha separazione. 201

202 Se il solvente è adsorbito più fortemente di qualche composto della miscela e meno fortemente di altri, faciliterà il desorbimento dei composti che può sostituire sulla fase stazionaria, senza favorire il desorbimento degli altri si ha separazione. fronte del solvente linea di applicazione La particolare combinazione di adsorbente ed eluente che darà una buona separazione dei composti di una miscela si può determinare SL PER TENTATIVI Per indicare quanto abbia camminato un composto su TL con un dato eluente, si definisce il rapporto frontale, R f distanza percorsa dal composto R f = distanza percorsa dal fronte del solvente IvaloridiR R f dipendono molto dalla natura dell adsorbente e da quella dell eluente. eluente. Per verificare se un composto incognito corrisponda o no ad un composto noto, si devono far correre affiancati, sulla stessa lastrina, mello stesso cromatogramma: se i percorsi sono identici, ci sono buone possibilità che anche i composti lo siano. TENIA DELLA TL 1. Si prende una lastrina: la fase stazionaria è depositata su un supporto solido (per es., vetro o alluminio) Non toccate la fase stazionaria, ma tenete la lastrina sui lati, se non volete cromatografare quello che avete sulle dita o sui guanti! 2. Si segna una riga con la matita a circa 1 cm di altezza Non usate penna, se non volete eluire l inchiostro. Non premete con la matita: il segno deve essere leggero: se fate un solco, impedite la corretta eluizione. 202

203 3. Si immerge un capillare in una soluzione della miscela da esaminare, con un solvente che eapori facilmente. Il liquido sale per capillarità. 4. Si appoggia il capillare sulla linea tracciata, avendo cura di toccare appena la superficie. Soffiare leggermente sulla macchia, per fare evaporare il solvente. Appoggiare il capillare sullo stesso punto. In questo modo si aumenta la quantità della sostanza applicata, senza allargare troppo la macchia. 5. Si prepara la camera di sviluppo : un recipiente che si possa chiudere, in cui si versa il solvente adatto per la miscela in esame (trovato in precedenza per tentativi). Si inserisce un rettangolo di carta da fltro, che si bagna con il solvente. Si inserisce la lastrina e si chiude il recipiente. Per avere risultati riproducibili l atmosfera nella camera di sviluppo deve essere saturata con il solvente di eluizone. Rettangolo di carta da filtro imbevuto di solvente Il livello del solvente non deve superare il punto di applicazione delle sostanze sulla lastrina: altrimenti la sostanza si scioglie nel solvente e non viene eluita. 6. Il solvente sale per capillarità. Si interrompe quando il fronte del solvente è arrivato a circa 1 cm dalla fine della lastrina. Non lasciate che l eluente salga oltre il bordo della lastrina! Potreste perdervi una sostanza che cammina con il fronte del solvente. 7. Si toglie la lastrina, si lascia asciugare il solvente e si visualizzano le macchie sulla lastrina. a on lampada UV Se i composti sono colorati, si vedono direttamente. Se non sono colorati vanno visualizzati Molti tipi di lastrine contenengono una sostanza fluorescente che brilla quando si mette sotto una lampada UV. La lastrina brilla e i composti si vedono come macchie scure (spengono la fluorescenza) o come macchie fluorescenti di colore diverso. b on iodio NN guardate MAI direttamente la luce UV!!! Si inserisce la lastrina in un recipiente contenente vapori di iodio, che dà interazioni deboli con molti composti (ma non con tutti) 203

204 c Le macchie scompaiono lentamente, una volta tolta la lastrina dal recipiente. Visualizzazione distruttiva Si spruzza acido solforido sulla lastrina, che poi si mette in stufa a 110. In corrispondenza dei composti si ha una macchia carbonizzata. Dopo la visualizzazione: 1. Si misura la distanza tra il fronte del solvente ed il punto di applicazione 2. Si misura la distanza tra la macchia (centro della macchia) ed il punto di applicazione 3. Si fa il rapporto tra i due valori, ottenendo il rapporto frontale, R f, che può andare da 0,0 a 1,0 L analisi TL permette di determinare rapidamente: -se un grezzo di reazione è una miscela di composti - l identità di un composto se è disponibile uno standard. Errori da evitare Troppa sostanza. Le macchie diffondono e non si vede separazione troppa sostanza quantità minore oppure scodano fronte del solvente troppa sostanza: lastrina sovraccarica linea di applicazione Ripetere l analisi usando una quantità minore 204

205 Le sostanze sono state applicate troppo vicino. La diffusione impedisce di capire di quale campione si tratta era in A o in B? Le macchie incominciano a sovrapporsi A B Macchia troppo vicina al bordo la macchia non è ben circondata da adsorbente e solvente Gli R f non sono accurati; si ha perdita di campione Talvolta le macchie non hanno l aspetto rotondo giusto, anche se applicate nella quantità corretta a b omposti con gruppi funzionali fortemente acidi o basici (es. acidi carbossilici o ammine) vengono fortemente adsorbiti e perciò sono eluiti con difficoltà Nel momento dell applicazione si è appoggiato il capillare con troppa forza e parte dell adsorbente si è staccato nel punto di applicazione: il solvente passa intorno e questo provoca uno sviluppo irregolare, con formazione di una mezzaluna c Si è usato un solvente troppo polare per applicare il campione sulla lastrina: ha provocato spostamento di parte del campione già prima dell inizio dell eluizione a b c 205

206 2 Diversi fattori determinano l efficienza di una separazione cromatografica ADSRBENTE 1 Non deve adsorbire troppo fortemente Dovrebbe essere molto selettivo verso le sostanze da separare Altrimenti tutti I composti restano vicino al punto di applicazione e non si ha separazione. Non deve adsorbire troppo debolmente Altrimenti tutti i composti si muovono con il fronte del solvente e non si ha separazione. ELUENTE Dovrebbe essere molto selettivo nella capacità di desorbire le sostanze da separare. Una proprietà importante del solvente è quella di venire adsorbito sulla fase stazionaria. Se il solvente viene adsorbito più fortemente dei composti da separare, ne prende il posto sulla fase stazionaria ed I composti verranno eluiti insieme Tutti i composti si muovono con il fronte del solvente e non si ha separazione. Se il solvente viene adsorbito meno fortemente di tutti i composti da separare, non riesce a desorbirli Tutti I composti restano vicino al punto di applicazione e non si ha separazione. Se il solvente è adsorbito più fortemente di qualche composto della miscela e meno fortemente di altri, faciliterà il desorbimento dei composti che può sostituire sulla fase stazionaria, senza favorire il desorbimento degli altri si ha separazione. fronte del solvente linea di applicazione La particolare combinazione di adsorbente ed eluente che darà una buona separazione dei composti di una miscela si può determinare SL PER TENTATIVI 206

207 Per indicare quanto abbia camminato un composto su TL con un dato eluente, si definisce il rapporto frontale, R f distanza percorsa dal composto R f = distanza percorsa dal fronte del solvente IvaloridiR R f dipendono molto dalla natura dell adsorbente e da quella dell eluente. eluente. Per verificare se un composto incognito corrisponda o no ad un composto noto, si devono far correre affiancati, sulla stessa lastrina, mello stesso cromatogramma: se i percorsi sono identici, ci sono buone possibilità che anche i composti lo siano. TENIA DELLA TL 1. Si prende una lastrina: la fase stazionaria è depositata su un supporto solido (per es., vetro o alluminio) Non toccate la fase stazionaria, ma tenete la lastrina sui lati, se non volete cromatografare quello che avete sulle dita o sui guanti! 2. Si segna una riga con la matita a circa 1 cm di altezza Non usate penna, se non volete eluire l inchiostro. Non premete con la matita: il segno deve essere leggero: se fate un solco, impedite la corretta eluizione. 3. Si immerge un capillare in una soluzione della miscela da esaminare, con un solvente che eapori facilmente. Il liquido sale per capillarità. 4. Si appoggia il capillare sulla linea tracciata, avendo cura di toccare appena la superficie. Soffiare leggermente sulla macchia, per fare evaporare il solvente. Appoggiare il capillare sullo stesso punto. In questo modo si aumenta la quantità della sostanza applicata, senza allargare troppo la macchia. 5. Si prepara la camera di sviluppo : un recipiente che si possa chiudere, in cui si versa il solvente adatto per la miscela in esame (trovato in precedenza per tentativi). Si inserisce un rettangolo di carta da fltro, che si bagna con il solvente. Si inserisce la lastrina e si chiude il recipiente. Per avere risultati riproducibili l atmosfera nella camera di sviluppo deve essere saturata con il solvente di eluizone. Rettangolo di carta da filtro imbevuto di solvente Il livello del solvente non deve superare il punto di applicazione delle sostanze sulla lastrina: altrimenti la sostanza si scioglie nel solvente e non viene eluita. 207

208 6. Il solvente sale per capillarità. Si interrompe quando il fronte del solvente è arrivato a circa 1 cm dalla fine della lastrina. Non lasciate che l eluente salga oltre il bordo della lastrina! Potreste perdervi una sostanza che cammina con il fronte del solvente. 7. Si toglie la lastrina, si lscia asciugare il solvente e si visualizzano le macchie sulla lastrina. a on lampada UV Se i composti sono colorati, si vedono direttamente. Se non sono colorati vanno visualizzati Molti tipi di lastrine contenengono una sostanza fluorescente che brilla quando si mette sotto una lampada UV. La lastrina brilla e i composti si vedono come macchie scure (spengono la fluorescenza) o come macchie fluorescenti di colore diverso. b on iodio NN guardate MAI direttamente la luce UV!!! Si inserisce la lastrina in un recipiente contenente vapori di iodio, che dà interazioni deboli con molti composti (ma non con tutti) Le macchie scompaiono lentamente, una volta tolta la lastrina dal recipiente. c Visualizzazione distruttiva Si spruzza acido solforido sulla lastrina, che poi si mette in stufa a 110. In corrispondenza dei composti si ha una macchia carbonizzata. Dopo la visualizzazione: 1. Si misura la distanza tra il fronte del solvente ed il punto di applicazione 2. Si misura la distanza tra la macchia (centro della macchia) ed il punto di applicazione 3. Si fa il rapporto tra i due valori, ottenendo il rapporto frontale, R f, che può andare da 0,0 a 1,0 L analisi TL permette di determinare rapidamente: -se un grezzo di reazione è una miscela di composti - l identità di un composto se è disponibile uno standard. 208

209 Errori da evitare Troppa sostanza. Le macchie diffondono e non si vede separazione troppa sostanza quantità minore oppure scodano fronte del solvente troppa sostanza: lastrina sovraccarica linea di applicazione Ripetere l analisi usando una quantità minore Le sostanze sono state applicate troppo vicino. La diffusione impedisce di capire di quale campione si tratta era in A o in B? Le macchie incominciano a sovrapporsi A B Macchia troppo vicina al bordo la macchia non è ben circondata da adsorbente e solvente Gli R f non sono accurati; si ha perdita di campione 209

210 Talvolta le macchie non hanno l aspetto rotondo giusto, anche se applicate nella quantità corretta a b omposti con gruppi funzionali fortemente acidi o basici (es. acidi carbossilici o ammine) vengono fortemente adsorbiti e perciò sono eluiti con difficoltà Nel momento dell applicazione si è appoggiato il capillare con troppa forza e parte dell adsorbente si è staccato nel punto di applicazione: il solvente passa intorno e questo provoca uno sviluppo irregolare, con formazione di una mezzaluna c Si è usato un solvente troppo polare per applicare il campione sulla lastrina: ha provocato spostamento di parte del campione già prima dell inizio dell eluizione a b c Alla fine della reazione: miscela di reazione 1.Si tratta con acqua o acqua e ghiaccio 2.Si aggiunge un solvente organico immiscibile e si agita soluzione organica con prodotto neutro fase acquosa (si scarta) Si lava (estrae) con una base soluzione organica con prodotto neutro Si lava (estrae) con un acido fase acquosa con impurezze acide (si scarta) soluzione organica con prodotto neutro Si lava (estrae) con acqua fase acquosa con impurezze basiche (si scarta) soluzione organica con prodotto neutro 1.Si secca 2.Si evapora il solvente organico fase acquosa (si scarta) prodotto neutro 210

211 Se il prodotto è acido: miscela di reazione 1.Si tratta con acqua o acqua e ghiaccio 2.Si aggiunge un solvente organico immiscibile e si agita soluzione organica con prodotto acido fase acquosa (si scarta) Si estrae con una base fase organica (si scarta) fase acquosa basica con prodotto acido 1.Si acidifica 2.Si estrae un solvente organico soluzione organica con prodotto acido Si lava (estrae) con acqua fase acquosa (si scarta) soluzione organica con prodotto acido 1.Si secca 2.Si evapora il solvente organico fase acquosa (si scarta) prodotto acido Se il prodotto è basico: miscela di reazione 1.Si tratta con acqua o acqua e ghiaccio 2.Si aggiunge un solvente organico immiscibile e si agita soluzione organica con prodotto basico fase acquosa (si scarta) Si estrae con un acido fase organica (si scarta) fase acquosa acida con prodotto basico 1.Si alcalinizza 2.Si estrae un solvente organico soluzione organica con prodotto basico Si lava (estrae) con acqua fase acquosa (si scarta) soluzione organica con prodotto basico 1.Si secca 2.Si evapora il solvente organico fase acquosa (si scarta) prodotto acido 211

212 ESTRAZINE IN NTINU Se si deve estrarre da un solido un composto relativamente poco solubile, l estrazione con solventi si può effettuare in modo efficiente con un apparecchio Soxhlet. SEPARAZINE MEDIANTE DISTILLAZINE FRAZINATA Se il grezzo di reazione è costituito di composti liquidi miscibili, questi si possono separare per distillazione Una coppia di liquidi miscibili, A e B, ha comportamento ideale se segue la legge di Raoult, contribuendo alla pressione di vapore totale in funzione della composizione della miscela P totale = P A P B = x A P 0 A x B P 0 B x A e x B = frazione molare di A e B nella miscela P 0 A e P 0 B = pressione di vapore di A e B puri ad una data temperatura Se la differenza di temperatura di ebollizione dei due liquidi è > 50, si può effettuare una distillazione semplice, raccogliendo prima il liquido che bolle a temperatura più bassa e poi quello che bolle a temperatura più alta (se necessario, diminuendo la pressione) Per separare liquidi con punti di ebollizione più vicini: distillazione frazionata. 212

213 Mescolando quantità diverse di A e B, misurando la temperatura a cui la miscela bolle (a pressione atmosferica) ed esaminando la composizione del vapore, si ricava il diagramma dei punti di ebollizione in funzione della composizione Man mano che la distillazione procede, il punto di ebollizione sale gradualmente ed il distillato contiene una quantità minore del composto più volatile Questo significa salire nel diagramma da XY a, per esempio, X Y aratteristico della distillazione di una miscela di liquidi è: La composizione del liquido e del vapore non uguali Il p.e. del liquido sale gradualmente durante la distillazione. 213

214 p.e. Una miscela con, frazione molare di B L 1 si scalda e raggiunge la temperatura t di ebollizio- i ne. Il vapore ha composizione V 1. Se il vapore condensa, dà un liquido di composizione L 2. Se L 2 viene scaldato, raggiunge una temperatura di ebollizione (inferiore alla precedente), da cui si ottiene un vapore V 2, più ricco nel composto a p.e. più basso. Ripetendo più volte la serie distillazione-condensazionedistillazione si arriva ad A puro Le distillazioni successive necessarie per la separazione costituiscono i piatti teorici In pratica le distillazioni successive si realizzano interponendo tra pallone e testa di distillazione una colonna di frazionamento olonna di Vigreux Denti di vetro r rientranti o olonna di Widmer Riempimento a spirale Riempimento con palline di vetro Un piatto teorico è l equivalente di una distillazione semplice. 214

215 Miscele non ideali possono non essere separabili se c è una composizione della micela in cui la composizione del vapore è uguale a quella del liquido (miscele azeotropiche). SEPARAZINE MEDIANTE RMATGRAFIA SU LNNA I composti organici si possono separare con la cromatografia di adsorbimento, in quantità di grammi. La separazione si basa sullo stesso primcipio della TL Una colonna di vetro, con rubinetto, si riempie con la fase stazionaria bagnata con il solvente (per evitare la formazione di bolle d aria) In testa alla colonna si pone una soluzione dei composti da separare (minimo volume), che si fa adsorbire, facendola scendere (rubinetto aperto) Si eluisce con il solvente opportuno e si raccolgono le frazioni (attraverso il rubinetto) 215

216 Il solvente può evaporare, depositando cristalli sul gambo: lavare con solvente fresco 1. Si purificano (se necessario) reagenti e solventi. 2. Si mescolano i reagenti nelle opportune condizioni di reazione. 3. Si segue l andamento della reazione. 4. Si lavora la reazione. 5. Si analizza il grezzo della reazione. 6. Si separano i prodotti. 7. Si controlla la purezza dei prodotti. 8. Si purificano (se necessario) i prodotti. 7. La purezza dei prodotti si verifica con tecniche cromatografiche (TL, G) o spettrali ( 1 NMR) 8. La purificazione dei prodotti si effettua con le stesse tecniche usate per I reagenti. 216

217 GASRMATGRAFIA (G) Sostanze volatili possono essere analizzate (qualitativamente e quantitativamente) mediante cromatografia in fase vapore (vapour phase chromatography, VP) detta anche cromatografia gas-liquido (gas-liquid chromatography, GL) o, comunemente, gascromatografia (G). è una cromatografia di ripartizione La fase stazionaria è un liquido altobollente che riveste come film sottile una colonna di vetro cava (colonna capillare) oppure impregna della silice e viene inserito in una colonna di vetro o di metallo (colonna impaccata) pillare colonna cap colonne impaccate metallo vetro 217

218 La fase stazionaria deve essere stabile termicamente, non reattiva e non volatile nell intervallo di temperatura a cui lavora la colonna. La fase stazionaria può essere non polare o polare. Le fasi non polari separano i composti sulla base del punto di ebollizione Le fasi polari hanno anche interazioni dipolo-dipolo di vario grado con i composti che passano sopra Non polari: idrocarburi a catena lunga non vanno bene con gli alcooli Polare: polietilen glicol va bene con composti polari (esteri, chetoni, alcooli) Mediamente polari: oli di silicone R R R R R R R R R R R R R R R R Si Si R R R R Si Si R R R R Si Si Si Si Si Si Si Si Utili per molte sostanze. Separano sulla base della volatilità La fase mobile è un gas inerte: azoto o elio, migliore, ma più costoso 218

219 INTRDUZINE DEL AMPINE NEL G Il campione da analizzare (composto puro o miscela) viene diluito in un opportuno solvente e iniettato con una microsiringa, attraverso un setto di gomma teflonata, nell iniettore La siringa solitamente è da 10 μl; si inietta 1 μl della soluzione Lavare MLT bene la siringa, sia prima che dopo l iniezione! L ago è molto sottile e si rompe facilmente: guidarlo con entrambe le mani toccare il setto l ago deve essere vuoto 219

220 forare il setto senza iniettare iniettare Si inietta con un movimento morbido e rapido RIVELAZINE DEL AMPINE Il detector più usato è il rivelatore a ionizzazione di fiamma, FID (flame ionization detector) Nel detector arrivano: idrogeno, aria e una porzione del gas di trasporto. La fiamma, ottenuta bruciando 2 in aria, è posta in un campo elettrico. Quando passa solo il gas di trasporto, si ha una fiamma che produce pochi ioni. Quando il gas di traporto contiene un composto organico, questo brucia e forma ioni, che aumentano la conducibilità elettrica. La variazione di potenziale si traduce in un segnale che viene inviato ad un registratore o ad un computer Il risultato è un gascromatogramma I picchi diventano più larghi con l aumentare del tempo di ritenzione. Il picco del solvente va fuori scala. Il tempo di ritenzione si misura tra il tempo dell iniezione e quello del picco 220

221 Il tempo di ritenzione permette di identificare un composto in confronto con un campione noto di quel composto: i tempi di ritenzione devono essere identici nelle stesse condizioni di analisi La forma ideale del picco dovrebbe essere una gaussiana. Picchi irregolari possono essere dovuti a cause diverse. picco scodato La fase stazionaria della colonna non è adatta per quel composto picco a pinna di pescecane con crescita irregolare seguita da diminuzione improvvisa La colonna è stata sovraccaricata: bisogna iniettare molto meno campione picco allargato A causa della diffusione laterale (presente in tutti i processi cromatografici) i picchi diventano sempre più larghi e bassi: con tempi di ritenzione molto lunghi si possono confondere con la linea di base Si può rimediare aumentando la temperatura della colonna in modo programmato ANALISI QUANTITATIVA L area dei picchi è proporzionale alla quantità di sostanza, ma le sostanze NN bruciano tutte alla stessa maniera e perciò non producono la stessa quantità di ioni. E perciò necessario fare delle rette di taratura con concentrazioni note e con un composto standard di elevata purezza e di concentrazione nota. 221

222 Riportando in grafico il rapporto delle aree misurato in funzione del rapporto delle concentrazioni si ottiene una retta il cui coefficiente angolare è il fattore di risposta Area campione [campione] = f Area R x standard [standard] Quando si ha una concentrazione icognita del composto, basta fare l analisi con una concentrazione nota di standard Area campione [standard] [campione]incognita = x Area standard f R RMATGRAFIA LIQUIDA AD ELEVATA PRESTAZINE (PL) igh Performance Liquid hromatography Si usa in alternativa alla G, quando le sostanze non sono volatili, oppure non sono stabili alle temperature dell iniettore del gas cromatografo. Fase stazionaria: solido finemente suddiviso (particelle anche di 5 μ) Fase mobile: liquido pompato sotto pressione attraverso la fase stazionaria L equilibrio tra l adsorbente e la fase mobile si stabilisce molto rapidamente 1. Si purificano (se necessario) reagenti e solventi. 2. Si mescolano i reagenti nelle opportune condizioni di reazione. 3. Si segue l andamento della reazione. 4. Si lavora la reazione. 5. Si analizza il grezzo della reazione. 6. Si separano i prodotti. 7. Si controlla la purezza dei prodotti. 8. Si purificano (se necessario) i prodotti. Finita la reazione, il prodotto (o i prodotti) deve essere separato dalla miscela di reazione con tecniche di separazione. gni reazione può presentare problemi diversi di separazione, ma la maggior parte delle reazioni si può lavorare ( work-up ) secondo alcuni schemi generali. Dalla miscela di reazione si separa un solido FILTRAZINE Si forma un liquido DISTILLAZINE Se i liquidi sono più di uno, si deve ricorrere alla distillazione frazionata. 222

223 Lavorazione acquosa standard metodo più comune Al termine della reazione, la miscela si versa AUTAMENTE in acqua (o acqua e ghiaccio se il processo è esotermico): di solito il solvente organico usato per la reazione non è miscibile con l acqua e si formano due fasi, che vanno separate. 1. Lavorazione acquosa ed isolamento di un composto (solido o liquido) neutro Se il prodotto è neutro, si aggiunge un solvente organico (immiscibile con l acqua) che lo scioglie. Le due fasi si separano con un imbuto separatore aprendo il rubinetto si raccoglie la fase inferiore Etere dietilico: più leggero dell acqua: sta sopra 2 l 2 o l 3 : più pesanti dell acqua: stanno sotto In acqua restano sali ed eventuali altri composti inorganici (acidi e basi compresi). La fase organica, separata, si lava (sempre con l aiuto dell imbuto separatore) con porzioni di acqua distillata, per allontanare tutti I composti solubili in

224 Alla fine, per togliere le tracce d acqua, alla fase organica si aggiunge un essiccante. 2 Na 2 S 4 anidro Na 2 S Si filtra (per gravità su carta) e si allontana il solvente distillandolo (evaporatore rotante o rotavapor) 224