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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.

2

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

8

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

10

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

11

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

12

+ 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

13

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

15

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)

18

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 -

19

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

20

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

24

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