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Dipartimento di Farmacia – Scienze del FarmacoScienze e tecnologie erboristiche e dei

prodotti per la salute (STEPS)Chimica Organica - A.A. 2017-2018

3. Reazioni organiche

1.Terminologia, energie e velocità, classificazione

Prof. Giuseppe Gerardo Carbonara

Dipartimento di Farmacia – Scienze del FarmacoSTEPS - Chimica Organica

A.A. 2017-2018

3.0 Reazioni organiche

GGC_FA-STEPS_ORG 3.1_17-18 - 2

1. Terminologia, energie e velocità, classificazione

2. Reazioni Nucleofiliche:

I. al carbonio saturo (sostituzioni)

II. al carbonile (addizioni, sostituzioni)

III. aromatiche (sostituzioni)

3. Reazioni di Eliminazione

4. Reazioni Elettrofiliche

I. a legami multipli (addizioni)

II. a composti aromatici

5. Trasposizioni molecolari (cenni)

6. Reazioni radicaliche (cenni)

7. Sintesi organiche


A.A. 2017-2018

3.1 Reazioni organiche Terminologia

−Reazione chimica: una trasformazione che causa una variazione di composizione, costituzione e/o configurazione di un

composto (indicato come reagente o substrato).

−Reagente o Substrato(i): composto organico che subisce una variazione nella reazione chimica. In una reazione chimica

possono essere coinvolti altri composti e specie reattive comuni (Reattvi). Spesso il substrato (ma non sempre) è la molecola

più complessa o di dimensioni maggiori del sistema di reazione.

−Reattivo: in molte reazioni chimiche è la controparte reattiva del substrato. Può essere organico o inorganico, di piccole o

grandi dimensioni, gas, liquido o solido. Il reattivo può essere incorporato completamente, in parte o per niente nel prodotto

finale.

−Prodotto(i): è la forma finale che assume il substrato principale della reazione.

−Condizioni di reazione: sono le condizioni, quali temperatura, pressione, catalizzatori e solvente, dell’ambiente in cui la

reazione progredisce in modo ottimale.

I catalizzatori sono sostanze che accelerano la velocità di una reazione chimica senza essere consumati essi stessi o

diventare parte del prodotto di reazione; inoltre, non cambiano le posizioni dell’equilibrio.

−Le reazioni sono comunemente scritte sotto forma di equazione:

condizionidi reazione

+

substrato(i) + reattivo(i) prodotto(i)

A B F G



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− Reazione a più stadi: la trasformazione del substrato(i) nel prodotto(i) può avvenire in più stadi, attraverso la formazione di

intermedi labili che si distruggono per dare il prodotto(i).

−Reazioni competitive: gli intermedi labili possono trasformarsi in modi diversi mediante reazioni che competono con quella

principale e che portano a prodotti secondari o sottoprodotti.


+

int

substrato(i) + reattivo(i) prodotto(iermedio )

A B D F G


+

substrato(i) + reattivo(i) prodotto(i)intermedio

A B F G

D

+ sottoprodotto (i)

H I



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−Meccanismo: è la sequenza dettagliata dei singoli stadi delle reazioni elementari attraverso cui avviene la trasformazionechimica globale; tali stadi riguardano sia il flusso di elettroni tra il substrato e il reattivo sia il momento in cui si ha la rottura ela formazione dei legami.

−Poichè le reazioni chimiche comportano la rottura e la formazione di legami, per comprenderne il meccanismo è essenzialeevidenziare il movimento degli elettroni di valenza di legame e di non-legame.

−Tale movimento è evidenziato utilizzando frecce ricurve a punta per lo spostamento di un doppietto elettronico e,invece, frecce ad amo per lo spostamento di elettroni singoli.

−La scissione e la formazione dei legami può avvenire in stadi distinti e separati mediante la formazione di intermedi direazione (ioni, radicali), oppure la formazione progressiva di un nuovo legame avviene mentre si indebolisce il vecchio(meccanismo concertato, es. SN2).

−Velocità di reazione: alcune reazioni procedono molto rapidamente, mentre altre sono così lente che normalmente non siosservano. Le variabili che influenzano la velocità di reazione sono la temperatura (di solito le reazioni sono più veloci ad unatemperatura superiore), il solvente e la concentrazione del(i) substrato(i)/reattivo(i).

−Lo studio del modo in cui le concentrazioni di substrato e reattivo influenzano il meccanismo di reazione è chiamato cineticachimica e permette di determinare la costante di equilibrio K di una reazione A + BDC + D.


HH

H

BrOH

H

H

H

BrOH-

-

++

H

H

H

OH Br-+

Esempio: schema del meccanimo della reazione di Sostituzione Nucleofila Bimolecolare SN2

stato di transizioneA + B C + D

reagenti prodotti

DK

B

C

A

per K > 1 favoriti i prodottiper K < 1 favoriti i reagenti



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3.1 Reazioni organiche Fattori che influenzano le reazioni

‒ Variazioni di energia: l'energia potenziale E di un sistema reagente, in cui si scindono vecchi legami e se ne formano

nuovi, varia mentre la reazione procede. La variazione di energia (DE) complessiva può essere esotermica (se viene

rilasciata energia) o endotermica (se deve essere fornita energia);

‒ Di solito, per avviare una reazione bisogna anche fornire una certa quantità di energia di attivazione (DE‡), che corrisponde

all’energia necessaria per permettere ai reagenti di raggiungere lo stato di transizione.

‒ Lo stato di transizione di una reazione chimica è una configurazione (disposizione) spaziale particolare che i reagenti

assumono lungo le coordinate di reazione a cui corrisponde l’energia più alta: i reagenti sono orientati in modo ottimale

tra di loro.

‒ Per una reazione irreversibile le molecole dei reagenti procedono sempre verso la formazione dei prodotti.

reazione esotermica a singlo stadio

en

erg

ia

DE‡

coordinate di reazione

stato di transizione

prodotti

DE

reagenti

reazione endotermica a singlo stadio

en

erg

ia


stato di transizione

prodotti

DE‡

+DE

reagenti

reazione esotermica a doppio stadio

en

erg

ia


reagenti

intermedi

prodotti

DE1‡

DE2‡

DE‡

totale

DE



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3.1 Reazioni organiche Fattori che influenzano le reazioni: il postulato di Hammond (1921-2005)

‒ Stabilisce che la struttura (disposizione spaziale) dello stato di transizione di una reazione è più simile alla specie (reagente o

intermedio o prodotto) a cui è energeticamente più vicino.

‒ Se l’energia del reagente è più alta dell’energia del prodotto (o intermdio), la struttura dello stato di transizione è più

simile a quella del reagente invece che a quella del prodotto.

‒ Se l’energia del prodotto è più alta dell’energia del reagente, la struttura dello stato di transizione è più simile a

quella del prodotto (o intermedio) invece che a quella del reagente.

en

erg

ia

DE‡


stato di transizionepiù simile ai reagenti

prodotti

-DE

reagenti

en

erg

ia


stato di transizionepiù simile ai prodotti

prodotti

DE‡

+DE

reagenti

Es. Reazione esotermica in cui i reagenti hanno un’energia più alta deiprodotti: l’energia dello stato di transizione è più vicina a quella deireagenti invece che a quella dei prodotti.

La struttura dello stato di transizione più simile a quella dei reagentiche a quella dei prodotti.

Allo stato di transizione della reazione, se si sta formando un legame,quel legame sarà formato per meno della metà; se invece il legame sista rompendo, sarà scisso per meno della metà.

Es. Reazione endotermica in cui i prodotti hanno un’energia più altadei reagenti: l’energia dello stato di transizione è più vicina a quelladei reagenti

La struttura dello stato di transizione più simile a quella dei prodotti.

Se si sta formando un legame, quel legame sarà formato per più dellametà; se il legame si sta rompendo, sarà scisso per più della metà.

R2

R1

R

XNu ++

R2

R1

R

XNu

-

R2

R1

R

OH X+R

2

R1

R

XNu ++

R2

R1

R

XNu

-

R2

R1

R

OH X+



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‒ La variazione di energia di una reazione chimica può essere determinata in base ai valori standard delle energie di legame e,in generale, si può osservare che i composti più stabili hanno legami covalenti più forti, rispetto ai composti che includonolegami deboli.

‒ La termodinamica studia la trasformazione dell’energia da un sistema all’altro. L’energia termica o il contenuto di caloreche varia nel sistema è detto entalpia (simbolo H).

‒ La variazione di entalpia in una trasformazione chimica è indicata come ΔH ed è definita come la differenza tra Hprodotti – Hreagenti(cioè: Hlegami formati – Hlegami scissi).

‒ Pertanto le reazioni esotermiche hanno un ΔH negativo e le reazioni endotermiche hanno un ΔH positivo.

DH = - [S(Hlegami prodotti) - S(Hlegami reagenti)] =

- [(384 + 444) - (396 + 238)] =

-194 kcal/mol

H-C 99 C-C 83 C=C 146 C≡C 200

H-N 93 C-N 73 C=N 147 C≡N 213

H-O 111 C-O 86 C=O 179 C=O192

in CO2

H-S 83 C-S 65 C=S 128

N-N 39 N=N 100

N-O 53 N=O 145

O-O 35 O=O 119

S-S 54

F–F 36,6 C-F 116

Cl–Cl 58 C-Cl 81

Br–Br 46 C-Br 68

I-I 36 C-I 51

Entalpie (energie) standard di legame (kcal/mol)

Es.: combustione del metano

CH4 + 2O2 g CO2 + 2H2O

en

talp

ia H


reagenti

prodotti

A + B

-DH

C, H, N, O, ecc. stato atomico

C + D

C + D

prodotti

+ O2

+DH

+ O2

CO2 + 2H2O

legami covalenti

scissi

4 C-H + 2 O=O

legami covalenti

formati

2 C=O + 4 O-H



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‒ Effetti elettronici: la distribuzione degli elettroni ai siti di reazione (gruppi funzionali) èun fattore particolarmente importante.

‒ Specie o gruppi carenti di elettroni, che possono o meno essere carichi positivamente,sono attaccate da specie o gruppi ricchi di elettroni, che possono o meno essere carichinegativamente. Queste specie sono indicate, rispettivamente, come elettrofili e nucleofili. Ingenerale, gli opposti si attraggono e i simili si respingono.

La distribuzione di carica in una molecola di solito è la risultante di due effetti cheinteragiscono:

- effetto induttivo (- I elettron-attrattore, + I elettron-donatore): dovuto allapolarizzazione della nuvola elettronica dei legami s, causata dalle differenze dielettronegatività che esistono tra gli atomi (o gruppi) che formano i legami in una molecola;si indebolisce rapidamente con la distanza;

- effetto mesomerico o di risonanza (- M elettron-attrattore, + M elettron-donatore):dovuto alla polarizzazione degli elettroni p nella molecola attraverso i legami pconiugati; è trasmesso anche a distanza.

F

F

F O H

OH

H

H O H

O

<<<<<

+++

<

++

+

<+

++

pKa = 0 pKa = 4,75

effetto induttivo

effetto mesomerico

CH2

H

OH

O

++

CH2 +

H

OH

O-

++

+

<<<

CH3

X<<<<<

+++

<

+

++

-I (gdecrescente) +I (gdecrescente)

-F > -OR > -NR2 -N- > R-O-

-O+R2 > -N+R3

-C(CH3)3 > -CH(CH3)2 > -CH2CH3 > -CH3

(piccole differenze)

-F > -Cl > -Br > -I

≡N > =NR > -NR2

-C≡C- > fenil- > C=C

-M (gdecrescente) +M (gdecrescente)

C=N+R2 > C=NR -O+R2 > -OR > -O-

C=O > C=NR > C=CR2 -NR2 > -OR > -F

-C≡C- > -C≡N -F > -Cl > -Br > -I



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‒ Effetti sterici: la nuvola elettronica degli atomi o di gruppi che si trovano vicini oall’interno di una molecola, causa un ingombro sterico sfavorevole, per le repulsionielettrostatiche di van der Waals. L’ingombro sterico può influenzare gli equilibriconformazionali o destabilizzare gli stati di transizione delle reazioni.

‒ Effetti stereoelettronici: in molte reazioni gli orbitali atomici o molecolari interagisconoin modo da presentare un allineamento configurazionale o geometrico ottimale. Lamancanza di tale allineamento inibisce la reazione.

Igombro sterico

H

H

H

Br+

H

H

H

SN Br-+S

-N

CH3

CH3

CH3

Br+

CH3

CH3

CH3

SN Br-+S

-N

Effetti stereoelettronici

CH3

H

ClH

H

H

CH3CH3

HH

Cl

H

H

2

1 Cl

CH3KOH

alcol(reaz. lenta)

(1R,2R)-1-cloro-2-metilcicloesano

trans diequatorialepiù stabile

CH3

Cl

HH

H

H

CH3CH3

HCl

H

H

H

2

1 Cl

CH3KOH

alcol(reaz. veloce)

(1R,2S)-1-cloro-2-metilcicloesano

isomero cis

CH3

+

trans diassialemeno stabile

trans diassiale prodottoprincipale

isomero trans

Ione tiocianato



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‒ Effetti del solvente: la maggior parte delle reazioni è condotta in soluzione e pertanto il solvente selezionato per una data reazione puòesercitare una forte influenza sul suo decorso.

‒ Poiché i solventi sono sostanze chimiche, in condizioni adeguate possono anch’essi reagire chimicamente.

‒ Proprietà dei solventi.‒ Macroscopiche: costante dielettrica e (capacità di separare due cariche di segno opposto per solvatazione) g dipende dalla

presenza di un dipolo molecolare permanente o dalla polarizzabilità della nuvola elettronica molecolare.

‒ Microscopiche: hanno effetto sull’energia dei reagenti e degli stati di transizione.a) se solvatano fortemente lo stato di transizione g aumentano la reattivitàb) se solvatano fortemente lo stato fondamentale g diminuiscono la reattivitàc) solventi polari aprotici g aumentano la nucleofilicità degli anioni (favoriscono la dissoluzione)d) solventi apolari aprotici g diminuiscono la nucleofilicità degli anioni (favoriscono l’aggregazione delle coppie ioniche)e) solventi polari protici g diminuiscono la nucleofilicità degli anioni (favoriscono la dissoluzione per formazione di legami

idrogeno)

Tipo di reazione Effetto del solvente

A- + B+g A---B +

g A-B Favorita da solventi non polari

A-B g A---B + g A- + B+ Favorita da solventi polari

A + B g A-Bg A-B Abbastanza insensibile alla polarità del solvente

A-B+g A--+--Bg A + B+ Leggermente favorita da solventi polari

A + B+g A--+--Bg A-B+ Leggermente favorita da solventi non polari



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Variazioni strutturali e caratteristiche stereochimiche

−Regioselettività

Una reazione è regioselettiva quando un prodotto si ottiene preferenzialmente rispetto a un altro o a piu’ prodotti.

Es. addizione di HBr al but-1-ene.

−Stereoselettività

Una reazione si dice stereoselettiva quando uno stereoisomero si forma preferenzialmente rispetto ad altri stereoisomeri

possibili. Es. addizione di bromo al cicloesene.


prodotto principale

o

cis transBr

Br

BrBr

CH3CH2CH=CH2 + HBr CH3CH2CHBrCH3

non

CH3CH2CH2CH2Br

addizione

regioselettiva

H

H

addizione

stereoselettivaBr

Br

H

HBr2



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Br

CH3

CH3

CH3 HH

cis-1-bromo-4-tert-butilcicloesano

KOH, alcol

veloce CH3

CH3

CH3

(4R,S)-4-tert-butilcicloesene

CH3

CH3

CH3

Br

HH

trans-1-bromo-4-tert-butilcicloesano

KOH, alcol

lenta

3.1 Reazioni organiche Variazioni strutturali e caratteristiche stereochimiche−StereospecificitàUna reazione si dice stereospecifica quando substrati stereoisomerici reagiscono in modo diverso.

Es. reazione degli enantiomeri del 2-bromobutano con sodio metiolato NaSCH3.

Es. prodotti che si formano con velocità diverse (1)

Es. reazioni che portano a prodotti diversi per vie diverse (2)

H5C2

H

CH3

BrS-

CH3 +

C2H5

H

CH3

SCH3 Br-+

(2R)-2-bromobutano

alcol

(2S)-2-(metilsolfanil)butanoo (2S)-2-(metiltio)butano

CH3

H

H5C2

BrS-

CH3 +

CH3

H

C2H5

SCH3 Br-+

(2S)-2-bromobutano

alcol

(2R)-2-(metilsolfanil)butanoo (2R)-2-(metiltio)butano

sostituzioni

stereospecifiche

(1)

(2) Br

CH3

HH

Br

CH3

H

H

(1R,2S)-1-bromo-2-metilcicloesano

KOH

alcolCH3

1-metilcicloesene

cis

eliminazioni

stereospecifiche

H

CH3

BrH

HH

CH3

H

Br

H

(1S,2S)-1-bromo-2-metilcicloesano

KOH

alcolCH3

trans(3R)-3-metilcicloesene



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➢ Per le conseguenze stereochimiche che derivano dalla loro trasformazione chimica, i composti organici possono essere

classificati in non prochirali e prochirali.

➢ Sono non prochirali i composti che hanno un piano di simmetria s e un asse C2: per reazione con un reattivo achirale

danno composti achirali.


OHOH

H H

Composti non-prochirali

piano di simmetria s + asse C2

Prodotti achirali

HX

C2

XOH

H H

CH3 CH3

O

H2

C2

CH3 CH3

OH H

ss

HH

H H

R-C(O)OOH

C2

O

s



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➢ Sono pro-chirali i composti che hanno solo un piano di simmetria s e che per reazione:

➢ con un reattivo achirale danno composti chirali racemici;

➢ con un reattivo chirale danno un eccesso di uno dei due antipodi (sintesi asimmetrica).

OHOH

OH H

Composti prochiralipiano di simmetria s

Prodotti chirali

HX

CH3

O

CH3

H2

OH H

OH X

ss

HCH3

H H

R-C(O)OOH

O

CH3

s

OH H

X OH

O

CH3CH3

CH3

OH H

CH3

CH3

OHH




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➢ Se il substrato della reazione è chirale, anche se reagisce con un reattivo achirale per formare un nuovo centro di

asimmetria, nel prodotto della reazione vi sarà un eccesso delle due configurazioni indotto dall’ingombro sterico dei gruppi

legati allo stereocentro già presente (induzione asimmetrica) [regola di Cram (1919–2001), premio Nobel 1987].

➢ Se il reattivo chirale è un sistema biologico (es. un enzima) si ha una stereoselettività molto alta che porta ad un solo

antipodo.

H

O

CH3

H5C6

H

(2S)-2-fenilpropanale

CH3-Mg+Br-

ATP-Mg (coenzima)+ ADP-Mg

OHH

OH OH

glicerolo

OHH

OHP

O

OHOH

O

S

(2S)-2,3-diidrossipropil diidrogeno fosfato

Reattivo di

Grignard

Diversi

passaggi

CH3

OH

CH3

H5C6

H

H

(2R,3S)-3-fenilbutan-2-olo

+-

+

-

Prodotto principale

Reazione

stereoselettiva

glicerolo chinasi

(enzima)

CH3

H5C6

H

PiccoloMedio

Grande

re face

attacco favorito

si face

NuH

O

Proiezione di Newman

Unico prodotto – Reazione stereoselettiva



../8-CHIM_ORG_TE_MOLECOLE DIAPOSITIVE/3H3N.pdb


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Specie cariche Specie neutre

Intermedi di reazione

− In una reazione organica la trasformazione del substrato(i) nel prodotto(i) può avvenire in più stadi, attraverso la formazione di

intermedi labili o instabili che si distruggono per dare il prodotto(i).

− Gli intermedi, eccetto casi particolari, non possono essere facilmente isolati in quanto sono rappresentati da specie reattive

transitorie, presenti in molte reazioni, indicate come intermedi reattivi.



+

substrato(i) + reattivo(i) prodotto(intermedi i)o

A B D F G

Elettrofilo: un atomo, ione o molecola poveri di

elettroni che hanno affinità per una coppia di elettroni

e che si legano a una base o a un nucleofilo (base di

Lewis).

Nucleofilo: un atomo, ione o molecola che ha una

coppia di elettroni che può essere donata a un

elettrofilo (o acido di Lewis).

carbocatione, planare

es. catione metile CH3+

carbanione, piramidale

es. anione metile CH3:-

radicale libero,

forma intermedia

planare/piramidale

es. radicale metile CH3●

carbene

stato di singoletto/tripletto

forma planare

es. metilene CH2:

elettrofilo nucleofilo

specie elettron-deficiente,

non subisce attacco

nucleofilo

specie elettron-deficiente,

prevalente carattere

elettrofilo


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Tipi di processi

−Un legame covalente può essere scisso:

− omoliticamente, quando gli elettroni del legame vengono acquisiti dai due frammenti molecolari derivanti dalla scissione

− eteroliticamente, quando il legame si scinde in modo che il doppietto elettronico è acquisito da uno solo dei due

frammenti molecolari che formano il legame

3.1 I Reazioni organiche

X—Y X. + .Y Radicali (reazioni radicaliche)

X—Y X+ + -:Y Ioni (reazioni ioniche)



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Reazioni radicaliche

− Le specie radicaliche hanno un numero dispari di elettroni, per cui la

regola dell'ottetto non è più soddisfatta per l’atomo che ha l’elettrone

spaiato.

− Come altri intermedi reattivi (es. carbocationi) i radicali hanno una

emivita breve, che però è relativamente più lunga dei carbocationi in

quanto hanno una minore carenza elettronica (maggiore stabilità).

− La struttura è incerta tra un radicale al carbonio ibridato sp2

(trigonale planare) con l’elettrone spaiato in un OA p o un Csp3

(tetraedrica) con l’elettrone sapiato in un OA sp3 in rapida inversione.


CH

H

HCH3 O+

HH Cl

Atomo Atomo Radicale Radicale catione

di Idrogeno di Cloro Metile Metanolo

R—H R. + .H

Legame C-HEnergie di

dissociazione kcal/mol

Benzene H5C6-H 110

Etilene H2C=C(H)-H 108

Metano H3C-H 104

Etano H3C-C(H2)-H 98

Propano (H3C)2C(H)-H 95

2-metilpropano (H3C)3C-H 92

Propene H2C=CH-C(H2)-H 89

Toluene H5C6-C(H2)-H 85

Un confronto per determinare la stabilità di differenti radicali al

carbonio è fornito dalle energie di dissociazione dei legami C-H.

Poiché in ogni reazione si produce un atomo di H, la differenza tra le

energie di dissociazione di due legami C-H riflette la differente

stabilità di due radicali al carbonio.



A.A. 2017-2018


− Stabilità di radicali al carbonio.

− Un radicale primario è più stabile di un radicale metile: la sovrapposizione dell’OM sigma del legame adiacente C-C con

l’OA che contiene l’elettrone spaiato fornisce una via per gli elettroni sigma del legame C-C per essere delocalizzati sul

carbonio radicalico elettron-povero, stabilizzandolo.

− I radicali secondari e terziari sono più stabili, per la presenza di più legami s C-C adiacenti che danno effetti stabilizzanti

aggiuntivi del tipo precedente.

− I radicali allilici e benzilici sono stabilizzati per risonanza.


s s

s

s

ss

p

p

p

p

C

H

H

C

H

H

allilico

benzilico

>CR

R

RC

H

R

RC

H

H

RC

H

H

H

>>>

terziariosecondarioprimariometile

stabilità crescente del radicale



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− Es.: Clorurazione del metano

− La clorurazione del metano in fase gassosa, per esposizione alla

luce solare, è una reazione esplosiva che produce una miscela di

prodotti clorurati e acido cloridrico: procede attraverso la

formazione di specie neutre radicaliche.

− La reazione avviene mediante un processo a catena costituito da

diverse fasi:

1) Inizio catena: la reazione è iniziata fornendo energia sotto forma di

calore o di luce. Il debole legame Cl-Cl si scinde omoliticamente per

dare due atomi di cloro.

2) Propagazione della catena: in queste due reazioni gli intermedi

radicalici estraggono un atomo delle molecole dei reagenti. Se un

atomo di cloro estrae un atomo di idrogeno dal metano nella prima fase,

il risultante radicale metile causa la scissione di una molecola di Cl2rigenerando un atomo di cloro.

3) Terminazione: una reazione a catena può continuare fino a quando uno

o entrambi i reagenti vengono consumati. La reazione si ferma quando

due intermedi radicalici si combinano per dare una molecola

stabile, e quando non sono più presenti specie radicaliche reattive.


X—Y X. + .Y

CH4 + Cl2 CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4 + HClhn (<180nm) [DT (440°) o Dt + perossidi ]

Cl ClT o h

Cl+CH3 H

Cl+

ClHCH3 H+

CH3 H Cl Cl+ CH3 Cl + Cl

Cl

Cl+Cl Cl Cl

CH3 H CH3 ClCl+

CH3 H CH3 CH3+ CH3H

inizio catena

p

r

o

p

a

g

a

-

z

i

o

n

e

t

e

r

m

i

n

a

z

i

o

n

e

O

O

O

O

benzoil perossido odifenilperossianidride (IUPAC)

20% 22% 10% 1%



A.A. 2017-2018


−Es.: Bromurazione del p-nitrotoluene

−Es.: Bromurazione del toluene con NBS (N-bromosuccinimmide)


hnBr

N+O

-

O59%

CH3

N+O

-

O

+ Br Br

AIBN / DT Br

+ NH

O

O

CH3

N

O

O

Br+

66%

NN

N

N

Azobis(isobutanonitrile)



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Tipi di processi➢Reazioni ioniche

− Sostituzione. La reazione di sostituzione può essere distinta in tre

fasi.

1) equilibrio acido-base, in cui HCl protona l'atomo di ossigeno

dell’alcol;

2) l'acido coniugato derivante perde acqua per dare un carbocatione

intermedio;

3) il carbocatione elettrofilo si combina col nucleofilo (anione cloruro)

per dare il prodotto finale di sostituzione del gruppo –OH con -Cl.

− Addizione. La reazione di addizione può essere distinta in due fasi.

1)equilibrio acido-base, gli elettroni p del doppio legame C=C

funzionano come una base;

2) l'acido coniugato risultante è un carbocatione elettrofilo chesi combina con l'anione nucleofilo bromuro.

3.1 I Reazioni organiche

X—Y X+ + -:Y Ioni (reazioni ioniche)

acido

coniugato

base

coniugataelettrofilo nucleofilo

elettrofilonucleofilo



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Tipi di processi

➢ Reazioni ioniche

− Eliminazione. La reazione avviene in un solo stadio. L’attacco

iniziale può essere visto come una reazione acido-base, in cui lo ione

idrossido funziona da base e l’idrogeno in posizione beta del

cloruro alchilico si comporta da acido.

− Riarrangiamento o Trasposizione. Gli esempi riportati rappresentano

una classe importante di riarrangiamento chiamata tautomeria, e in

modo specifico la tautomeria cheto-enolica.

La tautomeria puè essere considerata come una reazione acido-base

intramolecolare.

I tautomeri sono isomeri costituzionali che si interconvertono

rapidamente, distinguibili per la diversa posizione dell’atomo labile di

idrogeno (colorato in rosso) e del doppio legame.

L’equilibrio tra i tautomeri spesso favorisce in modo prevalente uno

degli isomeri (per l’acetone, il tautomero cheto è il 99.999%).

Gli equilibri tautomerici sono catalizzati da tracce di acidi o di basi.

‒Trasposizioni dello scheletro.


X—Y X+ + -:Y Ioni

acidobase

tautomero

cheto

tautomero

enolo

tautomero

immina

tautomero

enammina

tautomero

nitroso

tautomero

ossima

+ ClH

+

Cl-

+ Cl- + ClH



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Aumenta il numero di gruppi legati alcarbonio, aumentano i legami s a scapitodi quelli p. La saturazione aumenta.

Si ha una diminuzione del numero digruppi legati al carbonio, aumentano ilegami p e si riducono quelli s.L’insaturazione aumenta.

Lo scheletro subisce una modificazioneinterna producendo un isomero.Il numero di legami non cambia.

3.1 Reazioni organiche Classificazione: variazioni strutturali

Classi di reazione

Un atomo o un gruppo legato a un atomodi carbonio è allontanato ed è sostituitoda un altro atomo o gruppo.Il numero di legami non cambia.

SOSTITUZIONE ADDIZIONE

ELIMINAZIONETRASPOSIZIONE

CH3CH2OH + HBr CH3CH2Br + HOH CH2=CH2 + Br2 BrCH2CH2Br

HCH2CH2Br + NaOH CH2=CH2 + HOH + NaBr(CH3)3CCH=CH2 + HCl (CH3)2C=C(CH3)2 + HCl



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3.1 Reazioni organiche Classificazione: variazioni strutturali− I tipi di reazione visti si verificano sia in sistemi alchilici o alchenici, sia i sistemi insaturi contenenti ossigeno (C=O), azoto

(C≡N), sistemi aromatici, ecc..

− Alcune reazioni possono derivare dalla combinazione di più reazioni.

Sostituzione al C=O

Es.: La reazione di un estere R-C(=O)OR’ con ammoniaca NH3 produce un’ammide R-C(=O)NH2. Il prodotto finale è un prodotto

di sostituzione al carbonile, che in realtà si ottiene a seguito di due reazioni sequenziali di addizione/eliminazione, mediante

la formazione di intermedi labili tetravalenti.

Addizione al C≡N

Es.: La reazione di addizione di H2O a un nitrile R-C≡N per dare un’ammide R-C(=O)NH2 è una reazione a due stadi costituita da

una reazione lenta di addizione di acqua al triplo legame, seguita da un rapido riarrangiamento o trasposizione di H (tautomeria)

dall’atomo di ossigeno all’azoto.

O

R OCH3 addizione

+ NH3

O

R O CH3

H

NH2

eliminazione

- CH3OH

O

R NH2

estere ammide

NRaddizione

+ H2OO

R

H

N Htautomeria

veloce

O

R NH2

nitrile ammide



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Per tipo di reazione: Ossidazione e Riduzione

3.1 Classificazione delle reazioni organiche

Gli atomi di cabonio possono avere uno stato di ossidazione compresotra – 4 (es. CH4) e + 4 (es. CO2) in base al tipo di sostituenti.

▪ In una molecola non è necessario determinare lo stato di ossidazionedi tutti gli atomi di carbonio presenti, ma solo dei carboni coinvoltinella trasformazione.

▪ In una reazione, per stabilire se un atomo di carbonio subisce lavariazione del suo stato di ossidazione basta verificare la variazionedel numero di legami con gli idrogeni C-H e con gli atomi piùelettronegativi quali O, N, F, Cl, Br, I, e S. I legami con altri atomi dicarbonio sono tralasciati.

▪ Se aumenta il numero di legami C-H e/o se diminuisce il numerodei legami C-atomi elettronegativi, il carbonio considerato si è ridotto(è in uno stato di ossidazione più basso).

▪ Se diminuisce il numero di legami C-H e/o se aumenta il numero deilegami C-atomi elettronegativi, il carbonio considerato si è ossidato(è in uno stato di ossidazione più alto).

▪ Se non si verifica alcuna variazione lo stato di ossidazione non cambia(es. idrolisi dei nitrili).

▪ Nei composti organo-litio (R-Li) e organo-magnesio (R-MgX, reattividi Grignard), in cui il legame è polarizzato verso il carbonio piùelettronegativo, il carbonio più negativo è ridotto mentre il metallo piùpositivo è ossidato.

NRaddizione

+ H2O

O

R NH2

nitrile ammide



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Per Gruppo Funzionale‒ I gruppi funzionali sono atomi o gruppi di atomi che mostrano una reattività caratteristica quando vengono trattati con alcuni

reattivi.

‒ Un particolare gruppo funzionale quando è presente in un composto mostrerà quasi sempre il suo comportamento chimicocaratteristico. Pertanto, le reazioni organiche sono spesso organizzate in base ai gruppi funzionali.


Classe Funzionale Formula Reazioni Caratteristiche

Alcani C–C, C–HSostituzione (di H, in genere con Cl o Br, reazioneradicalica)Combustione-ossidazione (conversione a CO2 e H2O)

Alcheni C=C–HAddizioneSostituzione (di H)

Alchini C≡C–HAddizioneSostituzione (di H)

Alogenuri Alchilici H–C–C–XSostituzione (di X)Eliminazione (of HX)

Alcoli H–C–C–O–HSostituzione (di H); Sostituzione (di OH)Eliminazione (di H2O); Ossidazione (eliminazione di 2H)

Eteri (alfa)C–O–R Sostituzione (di OR); Sostituzione (di H in alfa)

Ammine C–NRHSostituzione (di H); Eliminazione (di N)Addizione (all’N); Ossidazione (di N)

Anello benzenico C6H6 Sostituzione (di H o di X)

Aldeidi (alfa)C–CH=OAddizione (riduzione con H2)Sostituzione (di H o di H in alfa)

Chetoni (alfa)C–CR=OAddizione (riduzione con H2)Sostituzione (di H in alfa)

Acidi carbossilici (alfa)C–CO2HSostituzione (di H); Sostituzione (di OH)Sostituzione (di H in alfa); Addizione (al C=O)

Derivati carbossilici(alfa)C–CZ=O(Z = OR, Cl, NHR, ecc.)

Sostituzione (di Z); Sostituzione (di H in alfa)Addizione (al C=O)


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Per meccanismo di reazione

‒ Le reazioni dei diversi gruppi funzionali possono quindi essere classificate in base alla variazione del numero di legami, al

tipo di scissione del legame, alla natura elettrofilica o nucleofilica del substrato, al numero di molecole che prendono

parte allo stadio che determina la velocità di reazione [monomolecolari (1), bimolecolari (2), ecc.]


Reazioni organicheMeccanismo

Omolotico Eterolitico (ionico)

Tipo Radicalico Nucleofilico Elettrofilico

Sostituzione (S)AB + C g AC + B

Alogenazione al C saturo

SN1SN2

SN acilicaSN aromatica

SE aromatica

Addizione (A)A + B g C

Addizione racicalica al doppio legame C=C

AN carbonilicaAN C=CAN C≡C

AE C=CAE C≡C

Eliminazione (E)A g B + C

E 1E 2

Reazioni acido-baseTrasposizioniCicloaddizioniOssido-riduzioni (idrogenazioni e deidrogenazioni)

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