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MECCANISMI DI REAZIONEIN
CHIMICA ORGANICACorso di Laurea in Chimica (Laurea Magistrale) A. A. 2009-2010
Che cosa si intende per MECCANISMO DI REAZIONE ?Descrizione, istante per istante, del cammino degli atomi (e dei loroelettroni) da prima che le specie in reazione si avvicinino a dopo chesi è formato il prodotto.
.....impossibile!
Ottenimento di informazioni ci possano fornire un quadro delle specieche partecipano alla reazione in uno o più istanti cruciali, nel coso della reazione stessa.
in pratica un insieme di esperimenti può portare all'esclusione di certi meccanismi, lasciando però possibile un certo numero di altri meccanismi.
Gi esperimenti si possono sudividere in:- metodi cinetici- metodi non cinetici
Prima di iniziare a studiare il meccanismo, è necessario conoscere la stechiometria.
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1. STECHIOMETRIA
REAGENTI PRODOTTI
aA + bB + cC + ....A X
xX + yY + zZ + ....
(a, b, c, ..., x, y, z, ... = numero di moli di A, B, C, ..., X, Y, Z)
2. PROCESSO ELEMENTARE o NO?
A XSe la trasformazione ha luogo attraverso una sequenza di intermedi (Ik):
I1 I2 InIn-1...........
Con nessun intermedio UNO STADIOcon n intermedi n+1 STADI
Studiare il meccanismo di una reazione significa studiare gli STADI della reazione stessa.
Informazioni che si cercano nello studio del meccanismo di una reazione:
1. numero di stadi elementari (numero di intermedi)
2. struttura degli intermedi
3. sequenza degli intermedi (degli stadi elementari)
4. velocità degli stadi elementari e velocità globale
5. requisiti stereochimici
6. sequenze e modi di rottura e formazione di legami
7. eventuale ruolo di sostituenti, solventi e catalizzatori
3
1. ANALISI DEI PRODOTTI
L'identificazione dei prodotti di reazione è il primo passo nellostudio di un meccanismo
METODI NON CINETICI PER LA DETERMINAZIONE DEI MECCANISMI DI REAZIONE
CH3
CH3Cl
CH2Cl
CH3
Cl
Cl2
FeCl3
esempi:
+
+
+
a) Clorurazione del metilbenzene
hν HCl
+ HCl
qualunque sia, dall'analisi dei prodotti è evidente che il meccanismonelle due condizioni di reazione è diverso
CH2 C NCH2Cl
O CH2Cl O CH3CN
+
b) Reazione con cianuro di potassio di cloruri primari di tipo benzilico
qualunque sia, dall'analisi dei prodotti è evidente che il meccanismocon i due substrati è diverso
+
+
CN-
CN- + Cl-
Cl-
c) Reazione di tosilati alchilici con nucleofili
CH3
SOO
O CH2 CCH3
CH3CH3
CH3
SOO
O
ICH2CCH3
CH3CH3+ I-
-
+
4
CH3
SOO
O CH2 C
CH3
SOO
OCH CH O CH3+ CH3O-
-
qualunque sia, il meccanismo con i due reagenti deve essere diverso
+
Ipotesi di meccanismo accettabile spiega la formazione di tutti i prodotti
isolamento, identificazione ed analisi quantitativa dei prodotti
E’ importante assicurarsi che il bilancio di massa della reazione sia completo
E pericoloso trarre conclusioni sul meccanismo basandosi su un prodotto presente in resa bassa, se non si conoscono gli altri prodotti d reazione
Ad una prima osservazione, la distribuzione dei prodotti sembrerebbeanaloga (anche se l'elevata percentuale di prodotto 1,3- dovrebbemettere in guardia)
FATTI SPERIMENTALI:
CH3 CH3NO2
CH3
NO2
CH3
NO256.5% 3.5% 40.0%
+ +HNO3
CH3CO2H
CH3CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3COO
CH3 C OO
56.5% 26.5% 17.0%
+ +
esempio
5
Il meccanismo della nitrazione aromatica è noto: si tratta di un processoin due stadi, con formazione, nello stadio lento, dell'addotto σ.
La distribuzione dei prodotti dipende dall'effetto del sostituente sullastabilità dell'addotto σ.
NO2+
lento
+
+
+
veloce
H+
veloce
H+
veloce
H+
CH3
NO2
H
CH3
NO2
H
CH3
NO2H
CH3NO2
CH3
NO2CH3
NO2
CH3
e la reazione con perossido di acetile?
CH2CH3
CO2
CH4
CH3CH3
prodotti secondari:
reazione radicalica!
CH3COO
CH3 C OO
2 CO2 + 2 .CH3
Ad un esame più attento sono stati trovati in piccola quantità altri prodotti:
6
CH3 .CH3lento
CH3
CH3
H
CH3
CH3H
CH3
CH3CH3
CH3
CH3
CH3
H.
.
.
CH3CH3
veloce
veloce
veloce
.CH3
.CH3
.CH3
+
+
+
CH4
CH4
CH4
CH4 +
CH2.
.CH3
CH2 CH3
CH2.
+
CH2.
CH3CH3.CH3 + .CH3
CH2Cl CHOesempio:
+ (CH2)6N4
H2O
meccanismo proposto:H2O
+CHO
CH2 N CH2
C
CH3 NH2
mai trovata
Altre volte un prodotto inatteso mette in evidenza l’esistenza di un meccanismo alternativo:
Talvolta è l'assenza di un prodotto che porta ad escludere un meccanismo
esempio
Cl
O2N
OH
O2N+ -OH SN2
però.....
7
tra i prodotti è stato trovato l’1,2-di(4-nitrofenil)etene, che non si può formare con l’SN2!
NO2O2N
Cl
O2N
Cl
O2NCl
O2N
-OH
H2O
-
NO2
Cl
O2N
NO2
O2N
-OH
H2O,Cl-
intermedi isolati: N-bromoammide (RCONHBr) ed isocianato (RNCO)
R-CO-NH2 + NaOBr R-NH2 + CO2 + NaBr
Esempio: trasposizione di Hofmann:
..
.. ....
--OH
R-CO-NH2
Br2
HBr
R-CO-NH-BrH2O
R-CO-N-Br
..R-CO-NH-Br
..
..- ..
:
..:
R-CO-N-Br R-CO-N
R-CO-N..
-
O=C=N-R
Br
..O=C=N-R
H2O R-NH2 + CO2
2. ISOLAMENTO DEGLI INTERMEDI
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si tratta di unintermedio
NON è un intermedioA X
reazione
I
A X
reazione
reazione
I
Se si isola un composto che si pensa sia un intermedio, si mette nellestesse condizioni di reazione: per essere un intermedio si deve trasformare negli stessi prodotti, con una velocità non inferiore aquella della reazione a partire dai reagenti.
esempi:a) Reazione di Reissert
HCl
H2O+N
CO
CH
NCHO
N CO
NH2
si osserva la formazione di un intermedio di colore arancione-rossiccio
intermedi proposti:e
N C NNC
O
CH O
NH2
però
+ HCl + H2O
+ HCl + H2O
NC
O
CH O
NH2CHO
C NN
composto arancione-rossiccio NNO
+Cl-
9
C
O H H
COH
b) Reazione di ClemmensenZn
HCl
possibile intermedio:
peròZn
HClnon è un intermedioCH
OH
c) Reazione dell'urea con alcooli
R OH + NH2C
NH2
Oveloce
possibile intermedio:
NH
O O
O ORR
NH2O
OR
2
però NH2O
OR
R OH NH
O O
O ORR
lento
non è un intermedio
Nell’idrogenazione catalitica degli alcheni (catalizzatore di Wilkinson) sono statiisolati due composti
RhCl
HPPh3
Ph3PH
PPh3
RhCl
Ph3PPh3P Rh
ClPPh3
PPh3
Messi nelle condizioni di reazionesono risultati poco efficaci
RhCl
PPh3
PPh3
Ph3P RhCl
HPPh3
Ph3PH
PPh3
RhCl
SolvPPh3
Ph3P RhCl
HPPh3
Ph3PH
SolvRh
ClHPPh3
Ph3PH
H
RhCl PPh3
Ph3PH
SolvHH
RhCl
Ph3PPh3P Rh
ClPPh3
PPh3
H2
Solv Solv
H2
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Raramente gli intermedi sono abbastanza stabili da essere isolati.Negli altri casi bisogna ricorrere a metodi indiretti
rilevamento mediante metodi fisiciintrappolamento mediante metodi chimici
intermedi instabili non isolabili
Possono essere "visti" con metodi spettroscopici UVIR (RAMAN)NMRESR
3. RIVELAZIONE DI INTERMEDI E DETERMINAZIONE DELLA LORO STRUTTURA
L’intermedio deve avere una vita sufficientemente lunga per essere compatibile con iltempo di risposta della tecnica spettroscopica e formarsi in quantità sufficientementealta per la sensibilità della tecnica stessa.
Bisogna dimostrare che:
-l’intermedio osservato spettroscopicamente è effettivamente un intermedio del meccanismo studiato
- la risposta spettrale sia proprio dell’intermedio proposto e non diqualche altra specie sconosciuta.
NO2+ è isoelettronico con CO2. La frequenza Raman caratteristica di CO2 è
ν = 1332 cm-1.
ESEMPI
Nella nitrazione aromatica:H2SO4 +
..
HO NO2
HO NO2
H+ + HSO4
-
HO NO2
H+ +H2O NO2
+ ν = 1400 cm-1
+ NO2+ +
HSO4-
H2SO4
H NO2H NO2
UVL'idrolisi dell'acetato di p-nitrofenile è catalizzata da imidazolo
Quale è il ruolo dell'imidazolo? Sono stati proposti due meccanismi
+ H2ON
N
H
..
+CH3 OH
O
CH3 O
O NO2NO2
OH
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Meccanismo A (Catalisi basica generale)
+ OH
H:
++ -OH
N
N
HN
N
H
H
+ -OH CH3 C OO
NO2
OH
- + -
- ++ +
NO2
OCH3 O
O NO2
CH3 OH
O
NO2
O N
N
H
HNO2
OHN
N
H
Meccanismo B (Catalisi nucleofila)
++
.. -
N
N
H
CH3 C OO
NO2
N
N
HCH3C O
O NO2
OH
H: CH3
C OH
O
NO2
O+
-NO2
OH
+
N
N
H
+ CH3CO
N N
CH3CO
N N + +
CH3CO
N N H
composto noto, preparabile in modo indipendente
UV, λmax= 245 nmCH3
CO
N N
SPERIMENTALMENTE si osserva un massimo a 245 nm, che aumenta conil tempo e poi scompare
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+ 2 -OH
2 H2O
:
: -
-
e : -
.
e
OH
OH
O
O
O
O
O
O
O
O: -
.
dà all'ESR un quintetto (accoppiamento con 4 H, resi equivalentidalla delocalizzazione elettronica)
ESRIn grado di rivelare specie radicaliche con vita 1 secondo e concentrazione 10-7M
a bassa temperatura si può prolungare la vita dei radicali fino a 10 minuti
NMRVengono rivelate solo specie con tempo di vita superiore al tempo di rispostadello strumento
esempio:SbF5+
F-
+ +CH3 CH2 CH CH3
FCH3 CH2 CH CH3
FCH3 C CH3
CH3
Spettri NMR dicarbocationi,registrati inSbF5-SO2ClF, a -60°C
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Spettro NMR di
CH+
in SO2
Spettro NMR del catione1-adamantile
+
NMR CIDNP (Chemically Induced Dynamic Nuclear Polarization)
Se nel corso della reazione si formano specie radicaliche, alcune righe dello spettro presentano un aumento di intensità (assorbimento stimolato, A), mentre altre righepresentano un'emissione (emissione stimolata, E).
Riscaldando il perossido di dipropanoile in un tubo NMR in presenza di benzentiolo,si forma radicale etile, che reagisce con il benzentiolo, formando etil fenil solfuro.
Δ2 .
2 CO2
2.
.+
CH3 CH2 CO
O
S CH2 CH3
CH3 CH2CH3 CH2 CO
OCH3CH2C
O
O
SHCH3 CH2
14
Gli spin nucleari dell'etil fenil solfuro subiscono polarizzazione dinamica acausa della reazione chimica che sta producendo la molecola.
Il meccanismo della polarizzazione CIDNP è complesso e l'effetto osservato(E o A) dipende dal modo con cui gli stati di spin nucleare interagiscono congli spin elettronici dei radicali.
Se si registra lo spettro NMR dell'etil fenil solfuro durante la reazione, l'etile è:
spettro CIDNP
spettro normale
CO
OC
O
O
F
F
F F
F F F
F
FF
CO
O
F
F
F F
F
L'osservazione di effetto CIDNP durante una reazione costituisce una provadi meccanismo radicalico (ma la mancata osservazione, da sola, non per-mette di escluderlo).
Δ2 .
esempio:
CO
O
F
F
F F
F
. +Cl
OH
CO
FF F
FFCl Cl
OH CO
F
F
F
F
F
..
+
segnale con effetto CIDNP
effetto CIDNP negli spettri 1H e 13C NMRsperimentalmente
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IRmetodi criogenici (matrice di argon solido, a bassa temperatura)
esempio:nella sostituzione nucleofila aromatica con meccanismo eliminazione-addizione siforma un intermedioPossibili strutture:
HH
HH
HH
HH
HH
HH
.
.
cicloalchino cumulene biradicale ciclico
O
OOO
O
O
hν (λ > 340nm)
CO2
8 K
CO2
IR
Una strategia per caratterizzare intermedi a vita troppo breve è generarliin un mezzo in cui non siano possibili reazioni
persistenza
Mezzo stabile per ioni
Per esempio, generare carbocationi in assenza di qualsiasi nucleofilo
metodo praticabile solo se l’intermedio non reagisce con se stesso
per esempio, non va bene per i radicali
Isolamento in matrice
L’intermedio viene generato in un solvente solido (congelato)
O CH32-metiltetraidrofurano Forma un vetro a bassa
temperatura
La matrice sopprime tutte le reazioni bimolecolari (ma non i processi unimolecolari)
CH3. in vetro stabile indefinitamente a temperatura ambiente
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a) irradiazione con un raggio laser intenso per alcuni picosecondireazione fotochimica
b) irradiazione con laser più debole per alcuni picosecondiregistrazione dell'assorbimento della luce in funzione del tempovelocità di decomposizione dell'intermedio
esempio:I2
hν (λ=530nm), CCl42 I
la concentrazione di I raggiunge il massimo dopo 20 ps e diventa il 25% dopo 140 ps
il 75% di I torna a I2 nella gabbia del solvente
LASER spettroscopia picosecondi
Permette di rilevare specie transienti
esempio
CH2 CH2
CH2 CH2Br ONO2
CH2 CH2Br Br
CH2 CH2Br Cl
Intermedi elettrofili possono essere intrappolati con specie nucleofile (e viceversa).
Br-
Br2C2H4Br+
Br-
Cl-
NO3-
questo però non chiarisce la struttura dell'intermedio:
?ione bromonio ciclico o carbocatione a catena apertaCH2 CH2
Br+
CH2 CH2
Br +
4. INTRAPPOLAMENTO DI INTERMEDIUn metodo per identificare un intermedio è quello di intrappolarlo aggiungendo un altro reagente
Gli intermedi reattivi hanno vita breve e perciò la “trappola” deve essere MOLTO REATTIVA, per competere con la reazione in esame.
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hν
Br.
..
radicale nitrossido ESR
N
O
O
Br N
O
O
C NCH3
CH3
CH3 O
CNCH3
CH3
CH3N
O
O
O
reagenti di spin trappingPer intermedi radicali
R'.O
NR
ON
R R'
. + -R'N
R
OR
R
N
R
OR
RR'
..
Cl NH2Cl
NH2
Anche intermedi neutri possono venire intrappolati
KNH2
NH3+ KCl
intermedio:
Esempi
- NO?
KNH2
HCl benzinoNH3
Cl
H NH2
diazo composto
hν o Δ
N2
:
carbene ciclopropano
+ -C N N
R
RC
R
R CH CH2R'R
HH
R'H
R
intermedi neutri facilmente intrappolabili sono quelli con l'ottetto incompleto
R N N N+ -
azide
hν o Δ
N2
R N.. ..
:
nitrene
CH CH2R'N
R
HH
R'H
aziridina(azaciclopropano)
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OH2
C C OH C C O
Risposta intrappolamento dell'intermedio
Problema:
MgBrC C O+
l'addizione avviene al C=O o al C=C?
C C OBrMg C C OMgBr
oppure
prima del trattamento con acqua si aggiunge alla miscela di reazione un elettrofilomolto reattivo, che si lega al sito nucleofilo
INTERMEDIO
CCl
O
C CO C
O l'addizione avvieneal C=O
(purché il prodotto non subisca trasposizione durante l'isolamento)
La natura di un intermedio può essere messa in evidenza sintetizzando un substrato simile a quello in esame, ma con una variazione strutturale che permetta all’eventuale intermedio di reagire in modo nuovo, ma prevedibile.
esempio
L’enzima mandelato racemasi interconverte gli enantiomeri dell’anione dell’acido 2-idrossifenilacetico (acido mandelico).
HOH
CO2
H
OH
CO2-Mandelato racemasi -
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OH
CO2-
-intermedio proposto:
Per verificare la formazione del carbanione, è stato preparato l’acido p-bromometil-mandelico, che è stato trattato con l’enzima.
Br
HOH
CO2-
Mandelato racemasi
O
CO2-
Br
OH
CO2
OH
CO2-
H+
- -
Il risultato conferma l’ipotesi della formazione del carbanione
5. REAZIONI DI COMPETIZIONEUn esperimento di competizione comporta l’aggiunta di due o più reagenti, che competono per uno o più intermedi.
Il rapporto dei prodotti derivati dai diversi tipi di intrappolatori dàil rapporto delle costanti di velocità corrispondenti
esperimento fattibile solo quando la reazione di intrappolamento è sotto controllo cinetico
Prodotto 1
Prodotto 2
Trap 1
Trap 2
SUBSTRATO INTERMEDIO
esempio
Nell’idrolisi di RNA e DNA è stata proposta la formazione come intermedi di specie pentacoordinate (fosforani)
Per verificare l’ipotesi, è stata studiata la chimica di sistemi modello, come il fosfoestere
OHO O
O
OP
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Il fosfoestere può ciclizzare per dare un fosforano
OO OH
OOP
OHO O
O
OP
fosforano (pentacoordinato)
mai visto a temperatura ambiente
però, aggiungendo cloruro di acetile all'estere:
OHO O
O
OP
Cl
OO
O OO
OP
O
OO
OOPO
O
+ +
L’esperimento ha dimostrato che
– Il fosforano è presente in una soluzione di fosfoestere– i fosforani sono intermedi ragionevoli
Per verificare se l’intermedio è lo stesso, si può effettuare un esperimento di competizione: i prodotti risultanti si devono formare nello stesso rapporto.
Reazioni simili possono procedere attraverso lo stesso intermedio:
Br
I
OH
H2O
H2O
+
esempio
Controllo dell’eventuale intermedio comune nelle alchilazioni alliliche catalizzate da Rh
MComplesso π η3-allile, struttura molto comune nelle reazioni organometalliche (ibrido di risonanza)
M M
I complessi π-allile possono essere attaccati da nucleofili al C, con formazione disistemi allilici estesi.
Con esperimenti di competizione è stato dimostrato che, nel casodell’alchilazione di Rh allile, l’intermedio non è simmetrico
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Carbonati allilici non simmetrici, fatti reagire con una quantità catalitica diRh(PPh3)3Cl, darebbero prodotti con lo stesso rapporto se l’intermedio fosse simmetrico:
O
O
OO
OO
ONa+ -
Rh(PPh3)3Cl cat.
O
O
OO
OO
ONa+ -
Rh(PPh3)3Cl cat.
Rh
CH(CO2Me)2CH(CO2Me)2
+
97 : 3
CH(CO2Me)2CH(CO2Me)2
+
3 : 97
Questo risultato si interpreta con un complesso del Rh σ+π
IR, NMR, CD, ORDtecniche
PROBLEMA: natura dell'intermedio cationico della bromurazione CH2 CH2
Br+
CH2 CH2
Br +o
6. ESPERIMENTI STEREOCHIMICI
C CCH3
H H
CH3C C
CH3
H HCH3
Br
C C
CH3
H
HCH3
Br
Br
C CCH3H
HCBr
Br
cis-2-butene
Br2
Br- +
Br-
(R,R)-2,3-dibromobutano
(S,S)-2,3-dibromobutano
22
C CH
CH3 H
CH3
trans-2-butene
Br2
Br-C CCH3
HH
CH3
Br+
Br-
C CCH3
HH
CH3Br
Br(R,S)-2,3-dibromobutano
C C
Br
CH3
H+ Br- reazione non stereospecifica
I risultati dello studio stereochimico confermano l'assenza di processo sincrono
Br Br
// (R,S)-2,3-dibromobutanoC CCH3
H H
CH3
C C
CH3
H H
CH3
Br Br
infatti con sostituenti che stabilizzano il carbocatione si perde la specificità
X
Altri esempi:CO2HH
H CO2H
CO2H
HH
CO2H
O
OOs
O
OOsO4 NaClO3
CO2H
HH
CO2H
OHOH
acido cis-butendioico(acido maleico) acido (R,S)-2,3-diidrossibutandioico
acido meso-2,3-diidrossibutandioico,acido meso-tartarico
Br OH
OH-
MeCN
Br
OH OH
+
H2O
Metodo molto usato per distinguere tra SN1 e SN2
23
(R)Cl-
+
intermediocarbocatione planare
CH3OH
H++
(S)(R)miscela racemica
(R)
CH3O-
C
HCH3
.................... ClCH3Oδ-δ-
=/
Cl- (S)
C Cl
HCH3
C
HCH3
C OCH3
HCH3
CO
HCH3
CH3
C Cl
HCH3
CO
HCH3
CH3
CH3-I* + I- CH3-I + I*-
isotopi radioattivi 3H, 14C, 35S marcatura parziale
isotopi stabili 2H, 13C, 15N, 18O marcatura parziale ocompleta
7. ESPERIMENTI DI MARCATURA ISOTOPICA
tecniche utilizzate IR
SPETTROMETRIA DI MASSA
ν = 12π
kμ
Esempio: idrolisi basica degli esteri con l'aiuto di 18O sono stati dimostrati vari meccanismi
BAc2
+ 18OH--
18
-18
+-18
+
CH3 C OO
CH2CH2CH2CH2CH3
OH
O CH2CH2CH2CH2CH3
CH3C O
O
CH2CH2CH2CH2CH3
CH3 CO
OH
OH CH2CH2CH2CH2CH3CH3 CO
O
Questo è il meccanismo più comune sensibile agli effetti stericiSe il C acilico è ingombrato stericamente, l'attacco del nucleofilo può avveniresull'alchile
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BAl2+ 18OH-
-
18+
-18 +
18OH- +C CO
O
C
C
CH3
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3CH3
CH3
C CO
O
C
C
CH3
CH3
CH3 CH3
CH3CH3
CH3 CO
O
CH3
CH3
CH3
CH3 CO
O
CH3
CH3
OH CH3
OH CH3
La marcatura isotopica sull'alcool permette di escludere il meccanismo BAc2, ma non permette di distinguere tra BAl2 e BAl1
-
BAl1
+ +CO
OC
O
O
CCH3
CH3
CH3
C
CH3
CH3
CH3
C
CH3
CH3
CH3
+ 18OH-+18
OCCH3
CH3
CH3H
Esempio: trasposizione di Claisen
O OH
Δ
hν
Reazione termica:
O
D
D
OH
DDΔ
O
25
hν+
OH
D
DO
D
D
OH
DD
Si deve formare un frammento allilico libero
50 : 50
Esempio: idrolisi dei piranosidi
OHOR'OOR
NH
OH
O
R'OOH
O
NH
OH
O
OHOHR'OOR
NH
OH
O
acido
acido
++ ROH
Path A
Path B +
SCISSIONE ESOCICLICA
SCISSIONE ENDOCICLICA
Calcoli di dinamica molecolare hannosuggerito che nei processi catalizzati daenzimi sia operativo il percorso endociclico
Reazione fotochimica:
OO
D OHD
H+
H+
+
+
+
O
D OHD HO
OOH
O
D
D
CD3OD +O
D OHD
OCD3
O
D OHD OCD3
CD3OD +OD
DOCD3
OD
DOCD3
OO
OH
D
D
Con questo metodo si è trovato che circa il 15% della reazione procedeattraverso il percorso endociclico
26
si utilizzano per determinare se la reazione è INTERMOLECOLARE oINTRAMOLECOLARE
NH NHH+
EtOH/H2Odifenilidrazina
NH2 NH2NH2
NH2
+
70% 30%4,4'-diamminobifenile benzidina
2,4'-diamminobifenile difenilina
8. ESPERIMENTI DI CROSSOVER
Per effettuare questo tipo di esperimenti si usano due substrati simili, uno dei quali“etichettato” per distinguerlo dall’altro
La variazione strutturale deve essere la più piccola possibile
Esempio: trasposizione benzidinica
A B A* B* C D C* D*
A B A* B* C D C* D* C* D C D*
+ +
+ + ++
intramolecolare
intermolecolare
in solventi aprotici si formano anche altri prodotti:
NH2
NH2
NH
NH2
NHNH2
2,2'-diamminobifenile orto-benzidina
N-fenil-1,2-diamminobenzene orto-semidina
N-fenil-1,4-diamminobenzene para-semidina
processo intramolecolare o intermolecolare?
esperimenti con miscele di reagenti che differiscono per i sostituenti
H+
EtOH/H2O+ +
dato sperimentale:
NH NH
O OMe Me
NH NH
O OEt Et
NH2 NH2
O OEt Et
NH2 NH2
O OMe Me
NON OSSERVATO
La formazione dei bifenili deve avvenire con un processo intramolecolare
NH2 NH2
O OMe Et
27
dato sperimentale:
+
15
1. H+
2. Ac2O+
15NHOCH3 NH
ONH NHOCH3
NH NHOCD3 NHOCD3 NH
O
Anche la formazione delle difenilammine deve avvenire con un processo intramolecolare
MECCANISMOPROPOSTO
formazione di un intermedio doppiamente protonatoformazione di legame C-C sincrona alla rottura di legameN-Nperdita di protoni con riaromatizzazione
+ +H+
+=/............
..............+δ-primo intermediodiprotonato stato di transizione
sincrono
N NH H
H H
NH NH
NH2
H
NH2
H
H+
+ + +
H+
ultimo intermediodiprotonato
intermedio monoprotonato
H2N NH2
H
HH2N NH2
H
H2N NH2
Questo meccanismo spiega la formazione (intramolecolare) della benzidina, ma non quella degli altri isomeri
secondo intermedio protonato+
complesso πrotazione 0°
+
i rotameri del complesso π portano agli altri prodotti:
NH2NH2
28
2 H+NH2 NH2
NH2
NH2
2 H+
2 H+
2 H+
NH
NH2
++NH2
NH2
2 H+NH2
NH2
NH2
NH2NH NH
NH2NH2
+
+
.....
NH2
+
+NH2
....
NH2NH2
+
+
.....
++NH2
NH2
....
.....
2 H+
0°
0°
60°
120°
120°
2 H+//
+
+
NH2
NH2.. ...
2 H+
180°
altre evidenze sperimentali indicano che la p-semidina si ottiene attraverso unintermedio monoprotonato
.. ++
=/
NN
HH
H....:
.....
+
NHNH2NH NH
NH NH2NH NH2
H
Le conclusioni che si possono trarre dall'indagine sperimentale, basata soprattuttosugli esperimenti di crossover sono:
1. la benzidina (4,4,'-diamminobifenile) si forma con un meccanismo sincrono2. l'o-semidina (N-fenil-1,2-diamminobenzene) e la difenilina (2,4'-diammi- nobifenile) si formano per scissione del legame N-N e rotazione del complesso π risultante3. la p-semidina si forma probabilmente con un meccanismo (sincrono) che comporta trasposizione sigmatropica [1,5].
29
Talvolta un meccanismo può essere intermolecolare o intramolecolare, aseconda dei sostituenti
Esempio Trasposizione di Beckmansubstrato ossima
catalizzatore H2SO4 conc.acido polifosforicoPCl5alogenuri aciliciC
N
CH3
OH
NH
COCH3
H2SO4 conc.
H2O
Di solito migra il gruppo in posizione trans all'OH, dal C all'N.
NC
CH3.......... ......
.
.... .
.
.....OSO3H
δ+
δ-
=/
+ + HSO4-
C
N
CH3
O SO3H
C
N
CH3
OH
C NCH3
+
+
H2O
catione nitrilio
+
H+
C NCH3
C NCH3
NC
OCH3 H
H
NC
OCH3
H
rivelato con 1H NMR; intrappolato (con alcool)
con H218O:
+ H218O:
18
ione nitrilio
N+
CCH3 CH3 CN
OEt+ EtOH
N+
CCH3 CH3 CNH
O
immino estere
quando si può formare carbocatione stabile reazione intermolecolare
30
} }{ +
++
+ +{ }+{ }
N+
CCH3 C(CH3)3
CH3
CH3
N+
C C
CH3
CH3
C+
C C(CH3)3N+
NC
OH
CH3
CH3
NC
CH3 OH
CH3
CH3CH3
NCCH3 NCC(CH3)3
N+
CCH3
CH3
CH3
C
++
+ CO
NH C(CH3)3
CO CH3
CH3
CNH
CH3 CO CH3
CH3
CNHCH3 CNH
O
C(CH3)3
La trasposizione di Beckmann è stata investigata con studi computazionali, usando tre substrati e due gruppi di solventi, H+(AcOH) e H3O+(H2O)6. Calcolando le energie dei possibili intermedi e stati di transizione, gli autori hanno concluso che il meccanismo dipende dal tipo di ossima:
+ H++
+ C NOH
CH3
CH3
HH2O
H+
+ C NO
CH3
CH3
HC N
CH3
CH3 OHCCH3 CH3N
+ H+ +
H+
+CH3 CH3C N
+CCH3C N
CH3 OHNH2O
C NO
CH3 H
+ H2O
C NOH
CH3 H
+ H+
H+
+
NOH
N
OH
H N
O
H
L’ossima dell’acetone dà un intermedio carbocationico, che nel caso dell’ossimadell’acetofenone è preceduto da un intermedio in cui c’è partecipazione del fenile; invece l’ossima del cicloesanone dà la migrazione senza formazione di intermedi.
(J. Org. Chem. 2005)
31
esempio
PtPh3P CH3
HPh3P PtPh3P PPh3 + CH4
Eliminazione riduttiva di metano dal complesso planare quadrato del Pt
Rottura del legame C-Pt con formazione di CH3.?
Esperimento di crossover:
+
+ + +CH3 DCH4
PtPh3P CH3
HPh3P PtPh3P CD3
DPh3P
CD4CD3 H40% 1% 1% 40% intramolecolare
Viene esclusa anche la formazione di specie bimetalliche Pt-Pt meccanismo sincrono
PtPh3P CH3
HPh3P
=/
UN RISULTATO NEGATIVO VA INTERPRETATO CON CAUTELA: l’assenza dirimescolamento (scrambling) non esclude la frammentazione, se la ricombinazionedei frammenti avviene più velocemente della diffusione.
9. “RADICAL CLOCKS”E’ difficile ottenere informazioni su quello che succede dopo lo stadio rate-determining
Nel caso di reazioni radicaliche, è possibile ottenere informazioni, incorporando nel substrato in esame dei gruppi funzionali che diano radicali che possono riarrangiarsi, con una velocità nota.
O
O. .
Sono disponibili gruppi la cui velocità di riarrangiamento varia in un intervallo di 10 ordini di grandezza
k (25°C) = 10 s-1
. .
k (25°C) = 59 s-1
N N + ..
k (25°C) = 71 s-1
N N. .
k (25°C) = 7.8 x 102 s-1
32
OO
. .
. .
O+ CO
. . ..
.
. O
OR
O
OR
.
ArAr
.
k (25°C) = 9.8 x 103 s-1
k (25°C) = 3.3 x 104 s-1 k (25°C) = 1.3 x 105 s-1
k (25°C) = 5.2 x 107 s-1
k (25°C) = 1.3 x 108 s-1
k (25°C) = 2 x 109 s-1k (25°C) = 5÷8 x 109 s-1
O
O
. + CO2.
O
O
O
O.
.
k (25°C) = 1.3 x 103 s-1
k (25°C) = 1÷4 x 1011 s-1
esempio Fotolisi dei chetoni:
R
O
R
O OHRhν
+ +
E’ stato proposto che si formi un 1,4-biradicale
R
O OHR
R
OH+
SCISSIONE CHIUSURA
R
O
R
OH
R
OHhν.
.
αβ
γ
..
Si sa che l’introduzione di CO, sotto forma di estere, accelera il decadimento dell’1,4-biradicale risultante, attraverso frammentazione
nel chetone è stato inserito un “radical clock” che si apre con una costante di circa 108 s-1
O O
O
O
33
O
O
O
OH
O
O
O
O
OH
O
O
.
.
OH
O
O ..
O
O
OH
O
O
OH
hν ..
senzariarrangiamento
+ CO +
Il risultato dice che la framentazionedel radicale ha una velocitàconfrontabile con quella del riarrangiamento del radical clock
tempo di vita dell’1,4-biradicale formato per fotolisi: 1÷4 ns