REAZIONI ACIDO-BASE - scienze.uniroma2.it · acido base coniugata K a = [H 3 O +][A-] [HA] per...

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REAZIONI ACIDO-BASE

Le reazioni acido-base sono le reazioni più semplici: un H+ si trasferisce da

un acido ad una base

Secondo Brønsted:

un acido è una sostanza che si dissocia cedendo un protone

(cioè H+, una specie che non ha elettroni)

una base è una sostanza che lega un protone

Requisito necessario perché un composto sia un acido è avere almeno un

atomo di idrogeno

Requisito necessario perché un composto sia una base è avere almeno un

atomo con una coppia di elettroni non condivisi, per poter fare legame con

il protone (che non ha elettroni)

Naturalmente, non basta che un composto sia potenzialmente un acido o una base

Perché un composto possa funzionare da acido, è necessaria la

presenza di un partner che accetti il protone

Perché un composto possa funzionare da base, è necessaria la

presenza di un partner che ceda il protone

In altre parole, perché avvenga una reazione acido-base è necessaria la

presenza di un acido E di una base.

UNA REAZIONE TRA UN ACIDO E UNA BASE E' UNA REAZIONE DI

EQUILIBRIO, IN CUI L'ACIDO SI TRASFORMA IN UNA BASE (che si

chiama LA SUA BASE CONIUGATA) E LA BASE SI TRASFORMA IN

UN ACIDO (che si chiama IL SUO ACIDO CONIUGATO).

+ :B

acido base

H A A:- ++

baseconiugata

acidoconiugato

H B

2

Un composto che abbia almeno un atomo di idrogeno (e quindi è

potenzialmente un acido) ed un atomo con una coppia di elettroni non

condivisa (e quindi è potenzialmente una base) si comporterà da acido

o da base a seconda del partner.

Esempio: l'acqua

H2O: + HCl H3O+ + Cl-

si comporta da base

acido

H2O + :NH3 HO- + NH4+

base

si comporta da acido

Trattandosi di equilibri, le reazioni acido-base sono governate dalla legge d'azione di massa

Per gli acidi:

+ :B A:-+

+H A H B K =[HB+][A-]

[B][HA]

Se B: è H2O, si parla di costante termodinamica, che si indica con Ka

Nella costante termodinamica è inglobata la concentrazione dell'acqua che,

essendo il solvente, rimane praticamente costante

H A A:- H3O+++ H2O

acido base

coniugata

Ka =[H3O+][A-]

[HA]

per evitare di usare numeri con potenze negative di 10, si usano i logaritmi, cambiati

di segno

pKa = - log Ka

La costante di equilibrio, e quindi il pKa, ci permette di valutare la forza degli acidi

Un acido è tanto più forte quanto più è dissociato,

cioè quanto più l'equilibrio è spostato verso destra.

Più forte è un acido, più grande è il valore della sua costante di

equilibrio termodinamica Ka, più piccolo è il numero del suo pKa

3

forza acida crescente

Ka 10-10 10-5 10-2 10

pKa 10 5 2 -1

Per le basi:

+:B A:-+

+H BH A K =[HB+][A-]

[B][HA]

Se HA è H2O, si parla di costante termodinamica, che si indica con Kb

Nella costante termodinamica è inglobata la concentrazione dell'acqua che,

essendo il solvente, rimane praticamente costante

HO-BH+ ++ H2OB

base acido

coniugato

Kb =[BH+][HO-]

[B]

per evitare di usare numeri con potenze negative di 10, si usano i logaritmi, cambiati

di segno

pKb = - log Kb

Una base è tanto più forte quanto più è protonata, cioè quanto

più l'equilibrio è spostato verso destra.

Più forte è una base, più grande è il valore della sua costante di

equilibrio termodinamica Kb, più piccolo è il numero del suo pKb

forza basica crescente

Kb 10-10 10-7 10-5 10-2

pKb 10 7 5 2

La forza di una base può essere indicata dal pKa del suo acido coniugato.

Infatti, se si considera l'equilibrio dal punto di vista di BH+:

base acido

coniugato

H3O+BH+++ H2O B Ka =

[H3O+][B]

[BH+]

La costante di acidità termodinamica di una data base è proporzionale

all'inverso della costante termodinamica della base e la costante di

proporzionalità è il prodotto ionico dell'acqua

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Ka =[H3O+][OH-]

Kb

=Kb

Kw

La basicità di basi diverse si può confrontare guardando i valori di pKa dei

rispettivi acidi coniugati

Più forte è una base, più piccolo è il valore della costante di

equilibrio termodinamica Ka del suo acido coniugato, più grande

è il numero del pKa del suo acido coniugato

forza basica crescente

Kb 10-10 10-7 10-2 10

Ka 10-4 10-7 10-12 10-15

pKa 4 7 12 15

Misurare un pKa è abbastanza semplice, ma il chimico è interessato anche

alla possibilità di razionalizzare le differenze di forza acida a, se possibile,

di prevedere le relazioni di forza acida tra acidi diversi.

I valori di pKa possono servire per determinare in che direzione è spostato un

equilibrio acido-base

Un acido cederà il protone alla base coniugata di qualsiasi

acido che abbia un valore di pKa più alto.

esempi: CH C H CH C+ -NH2:- + NH3

pKa 25 pKa 38

CH3

CCH

2

O

HCH

3

CCH

2

O..-

+ -OH + H2O

pKa 20 pKa 15.7

CH3

CH CH3

NH2

CH3

COH

O

CH3

CO

O

..- CH3

CH CH3

NH

+ +

..-

pKa 10.6 pKa 4.7

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EFFETTI STRUTTURALI SULL'ACIDITA' DI BRØNSTED

E' importante razionalizzare le differenze di acidità che si osservano sperimentalmente.

Un acido è tanto più forte quanto più il suo equilibrio è spostato verso destra,

cioè quanto più è dissociato.

A spostare l'equilibrio verso destra concorrono sia la forza del legame che si

deve rompere, sia la stabilità della base coniugata che si forma.

Più forte è il legame che si deve dissociare, meno acido

è il composto.

Meglio ospitato è il doppietto elettronico che resta sulla

base dopo la dissociazione eterolitica, più la base è

stabile e quindi più forte è l'acido.

Se si vogliono fare previsioni sulla acidità di acidi che si stiano confrontando,

bisogna tener conto del tipo di differenze strutturali: a differenze strutturali

maggiori corrispondono differenze di acidità maggiori.

1. CARICA DELL'ACIDO

Gli acidi cationici (che danno una base coniugata neutra) sono in genere

fortissimi e comunque, a parità di altri fattori, sono più forti di acidi neutri

(che danno una base coniugata anionica).

Acido H3O+ H2O NH4

+ NH3 RSH2+ RSH

Base coniugata H2O OH- NH3 NH2- RSH RS-

pKa -1.74 15.74 9.24 38 -7 11

Un acido neutro è più acido di un acido anionico (la base coniugata con due

cariche negative è meno stabile).

Acido H2CO3 HCO3-

Base coniugata HCO3- CO3

2-

pKa 6.35 10.33

6

Dopo la differenza di carica, la variazione strutturale più significativa, che

di conseguenza comporta le variazioni maggiori di Ka, è la variazione

dell'atomo a cui è legato l'idrogeno acido.

2. ATOMO LEGATO ALL'IDROGENO ACIDO

Se si confrontano acidi in cui l'atomo legato all'idrogeno varia lungo la

stessa riga del sistema periodico, ai fini dell'acidità il fattore determinante

è l’elettronegatività dell'atomo.

quanto più elettronegativo è l'atomo legato all'idrogeno acido,

tanto più polarizzato è il legame, con parziale carica positiva

sull'idrogeno stesso, e tanto più facile è la scissione eterolitica,

con formazione di H+

la carica negativa che si sviluppa sulla base coniugata è ospitata

tanto meglio quanto più elettronegativo è l'atomo e quindi la

base coniugata è più stabile.

Gruppo 14 15 16 17

Acido CH4 NH3 H2O HF

Base coniugata CH3- NH2

- OH- F-

pKa 48 38 15.74 3.17

elettronegatività crescente

L'elettronegatività non è più il fattore determinante se l'atomo legato

all'idrogeno varia scendendo lungo una colonna del sistema periodico

Gruppo 16 Gruppo 17

Acido H2O H2S HF HCl HBr HI

Base coniugata OH- SH- F- Cl- Br- I-

pKa 15.74 7.00 3.17 -7 -9 -10

elettronegatività crescente elettronegatività crescente

l'elettronegatività diminuisce, ma l'acidità aumenta.

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gli orbitali (prima impegnati nel legame con l'idrogeno e poi ospitanti

la carica negativa) hanno geometria diversa e sono sempre più

grandi scendendo lungo il gruppo.

Le conseguenze sono: minore sovrapposizione con l'orbitale

dell'idrogeno e quindi legame più debole

maggiore dispersione della carica negativa

sulla base coniugatae quindi base più stabile

Se si confrontano acidi in cui l'atomo impegnato nel legame con l'idrogeno

cambia sia di colonna che di riga, non si possono fare previsioni, perché i

fattori elettronegatività e dimensione dell'orbitale agiscono in direzione

opposta ed il risultato globale dipenderà dalla loro importanza relativa.

Se si considerano gli acidi organici neutri, la natura dell'atomo legato

all'idrogeno acido determina l'effetto più forte sull'acidità.

Tra gli acidi organici si osserva il seguente ordine di acidità:

ACIDO RSO3H > RCO2H > ArOH > RCH2OH > RNH2 > RCH3

pKa -7 4-5 10-11 16 35 50

Se non ci sono altri fattori (ad esempio, la risonanza) l'ordine di acidità segue la

seguente scala:

O-H > N-H > C-H

Si osservi che tra RCH2OH e RCH3 la differenza di acidità è di ben 34 ordini di

grandezza (cioè l'acidità del legame C-H è minore di quella del legame O-H di

dieci milioni di miliardi di miliardi di miliardi di volte!)

Nel caso degli acidi al carbonio, anche l'ibridazione influenza l'acidità.

Infatti, nel passare da sp3 a sp2 a sp, l'acidità del legame varia nell'ordine:

Csp-H > Csp2-H > Csp3-H

Maggiore è il carattere s dell'orbitale ibrido, più gli elettroni sono

vicini al nucleo del carbonio e più ne sentono l'attrazione: il carbonio

risulta così più elettronegativo, il legame con l'idrogeno più acido e

la carica negativa della base coniugata più stabilizzata.

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3. GRUPPO FUNZIONALE

Si osservano forti differenze di acidità anche quando il legame interessato alla

dissociazione è lo stesso (O-H), ma è inserito in gruppi funzionali diversi.

RCO2H > ArOH > RCH2OH

pKa 4-5 10-11 16

Le differenze di acidità sono minori di quelle osservate cambiando atomo, ma sono

ancora notevoli

tra RCO2H e RCH2OH ci sono 12 ordini di grandezza

(cioè un fattore di "solo" mille miliardi)

la spiegazione sta nella delocalizzazione degli elettroni, che è diversa nei

diversi gruppi funzionali

Se si considera la ionizzazione di un alcool, non c'è possibilità di

delocalizzazione della carica negativa della base coniugata, così come

non c'è risonanza nell'acido indissociato.

RCH2OH RCH2O- + H+

Se si considera la ionizzazione di un acido carbossilico, si possono scrivere

strutture di risonanza sia prima che dopo la dissociazione, però con diversa

importanza ai fini della stabilizzazione.

+ H+

-R C

OH

O

R C

O

O

-

+R C

OH

O-

R C

O

O

A parità di base, il contributo della risonanza, essendo più importante

per il carbossilato (base coniugata) che per l'acido carbossilico (acido),

sposta l'equilibrio acido-base dell'acido carbossilico più a destra di

quello dell'alcool, in cui il contributo di risonanza non c'è.

9

ATTENZIONE !!!!! Il fatto che il carbossilato sia "più

stabilizzato per risonanza" dell'acido

carbossilico, non vuol dire che sia

"più stabile".

Infatti, l'equilibrio di dissociazione di un acido carbossilico è spostato verso sinistra

Ka = 10-4 ÷ 10-5

Tutte le considerazioni che sono state fatte finora e quelle che verranno fatte

in seguito permettono confronti di acidità. Si potrà perciò prevedere se un

acido sarà più forte di un altro, ma non se sarà un acido forte: per questo è

necessaria la determinazione sperimentale del pKa.

Tornando al confronto di acidità tra un acido carbossilico ed un alcool, tutto

quello che si può dire è che, a parità di legame che si dissocia (O-H), la

stabilizzazione per risonanza manca nell'alcool e nella sua base coniugata, è

modesta nell'acido carbossilico indissociato, è forte nell'anione carbossilato.

l'acido carbossilico è un acido PIU' FORTE dell'alcool

Lo stesso ragionamento serve per spiegare perché un fenolo è un acido più forte di

un alcool: anche nel caso di un fenolo si possono scrivere strutture di risonanza

sia per l'acido indissociato che per la sua base coniugata, ma per

quest'ultima la stabilizzazione è maggiore (formule senza separazione di carica)

: -

+ H+

OH O

+

-

OHOHOH OH ++

--

-

-

-

-O O O O

Resta da spiegare perché un acido carbossilico è un acido più forte di un fenolo

E' vero che l'anione fenato ha più strutture di risonanza dello ione

carbossilato, ma anche il fenolo ha più strutture di risonanza

dell'acido carbossilico.

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La situazione si può schematizzare dicendo che l'acido carbossilico indissociato è

POCO stabilizzato per risonanza (due sole strutture, di cui una a separazione di carica),

mentre l'anione carbossilato è MOLTO stabilizzato per risonanza (duestrutture

equivalenti).

Il fenolo è MOLTO stabilizzato per risonanza (due strutture di Kekulé + tre strutture a

separazione di carica), mentre l'anione fenato è MOLTO stabilizzato per risonanza (un

po' di più: due strutture con la carica negativa sull'O e tre sul C),

Quello che conta è come la posizione dell'EQUILIBRIO venga

influenzata dalla risonanza

Se c'è un fattore aggiuntivo e questo "pesa" in modo diverso prima e dopo la

dissociazione, l'equilibrio si sposta di più verso la situazione in cui questo fattore

conta di più.

In termini di energia di risonanza, guadagna

di più un acido carbossilico a diventare

carbossilato che un fenolo a diventare fenato.

Lo spettro di assorbimento UV-visibile del fenolo (e dei fenoli sostituiti)

varia notevolmente con il pH

A pH neutro o acido lmax (H2O) 210 nm (e = 6 000)

270 nm (e = 1 500)

A pH basico lmax (H2O) 235 nm (e = 9 400)

287 nm (e = 2 600)

OH

O-

La più efficace coniugazione dello ione fenato diminuisce la differenza HOMO-LUMO e

sposta verso il rosso (l maggiori) il massimo di assorbimento

spostamento BATOCROMICO

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4. EFFETTI ELETTRONICI DEL SOSTITUENTE

A parità di legame acido ed a parità di gruppo funzionale (perciò a parità di

contributi di risonanza) si possono avere acidità diverse, come conseguenza

di variazioni strutturali nella molecola, anche lontano dal centro acido.

Le differenze di acidità in gioco in questo caso sono più piccole che non nei casi

precedenti, ma sempre significative e vanno razionalizzate.

Si considerino i seguenti dati sperimentali:

Acido pKa

CH3CO2H 4.75

CH2ClCO2H 2.85

Acido pKa

CH3CH2CH2CO2H 4.81

CH3CH2CHClCO2H 2.86

CH3CHClCH2CO2H 4.52

CH2ClCH2CH2CO2H 4.75

Sono evidenti due osservazioni:

1. La presenza di un atomo di Cl al posto di un atomo di H

aumenta l'acidità del legame O-H

2. L'effetto del cloro diminuisce con la distanza dal centro acido

Qualunque teoria deve poter spiegare entrambe le osservazioni.

L'unica differenza strutturale tra acido acetico ed acido cloroacetico 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 acidità sia in

qualche modo la differente elettronegatività di H e Cl.

12 1 2

H CH2

C

O

O H

Cl CH2

C

O

O H

il legame H-C2 è non polare, mentre il legame Cl-C è polare, con la polarità (-) sul Cl e

(+) sul C

- +

Cl CH2

C

O

O H

H CH2

C

O

O H

il C2 dell'acido cloroacetico è più povero di elettroni del C2 dell'acido acetico e perciò

più elettronegativo: attirerà elettroni dagli altri legami s ed in particolare dal C1.

- +H CH

2C

O

O HCl CH

2C

O

O H

12

A differenza del C1 dell'acido acetico (non perturbato) il C1 dell'acido cloroacetico

risulterà impoverito di elettroni e si rifarà sugli altri legami s, tra cui quello con l'OH

H CH2

C

O

O H

Cl CH2

C

O

O H

L'O dell'acido cloroacetico, a seguito della perturbazione introdotta dal Cl, è più povero

di elettroni (e quindi più elettronegativo) del corrispondente O dell'acido acetico (non

perturbato) e perciò richiama più su di sè gli elettroni dell'altro legame s, quello con

l'H, cioè quelli del legame acido (che si deve rompere)

H CH2

C

O

O H

Cl CH2

C

O

O H

Il legame impoverito di elettroni è più debole e si rompe più facilmente

l'acido cloroacetico risulta più acido dell'acido acetico

In altre parole:

l'introduzione di un atomo più elettronegativo al posto di un H provoca unaperturbazione della distribuzione elettronica e della densità elettronica

di tutti i legami s della molecola, che però si "vede" solo nel legame che si scinde eteroliticamente, cioè nel legame acido.

Il fenomeno è di natura elettrostatica e, come tutti i fenomeni elettrostatici,

diminuisce con la distanza.

Negli acidi clorobutanoici 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 dell'atomo che si deve rompere diminuisce, man mano che aumenta il

numero di legami s interposti tra il "perturbatore" ed il sito della reazione.

EFFETTO INDUTTIVO

-I

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Sostituenti che respingono gli elettroni verso il C, aumentandone la

densità elettronica, si dicono SOSTITUENTI A RILASCIO ELETTRONICO

PER EFFETTO INDUTTIVO e questa proprietà si indica premettendo un

segno più alla lettera I

Aumentando la densità elettronica del C a cui sono legati e di conseguenza, attraver-

so i legami s, quella del centro di reazione (cioè del legame che si deve rompere) i so-

stituenti a rilascio elettronico per effetto induttivo rafforzano il legame che si deve

rompere e diminuiscono l'acidità

+I

Hanno effetto +I i gruppi alchilici. Questo effetto è piccolo (v. il confronto

di acidità acido acetico-acido butanoico) e di solito è trascurabile, a meno

che l'alchile non sia l'unico sostituente.

ATTENZIONE!

Se nella molecola ci sono elettroni p tra sostituente e centro di reazione ed il

sostituente ha elettroni mobili, la delocalizzazione elettronica provocata dal

sostituente PUO' modificare la densità elettronica del centro di reazione.

in questo caso si parla di EFFETTO CONIUGATIVO DEL SOSTITUENTE (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 -R

+R sostituenti a rilascio elettronico per

effetto coniugativo

Caratteristiche 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 C a

cui il centro di reazione è legato.

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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 CHE INTERESSA IL CENTRO DI REAZIONE.

ESEMPIO: Si debba confrontare l'acidità dei seguenti composti:

CO2H

NO2

CO2H CO

2H

NO2

Si deve procedere nel modo seguente.

1. Si scrivono gli equilibri acido-base in ciascun caso e si controlla il centro

di reazione

COO H

COO -

+ H+

COO H

NO2

COO

NO2

-

+ H++ H+

COO

NO2

COO H

NO2

-

In questo caso si verifica che:

il legame acido è lo stesso O H

fa parte dello stesso gruppo funzionale -CO2H

Le differenze di acidità verranno dalla presenza, rispetto all'acido non sostituito, di

un gruppo nitro al posto di un H, una volta in posizione meta ed una volta in

posizione para. (Ricordatevi che si devono sempre fare dei confronti)

2. Si considera l'effetto induttivo.

Il gruppo -NO2 è ad attrazione elettronica, -I

in prima approssimazione di considera che non ci sia una sostanziale

differenza di effetto tra le posizioni meta e para

-I -I

CO2H CO

2H

NO2

CO2H

NO2

15

3. Si cerca l'effetto coniugativo.

Si scrivono, tra le le strutture di risonanza degli acidi sostituiti, solo

quelle dovute a -NO2

(Le altre ci sono, ma non ci danno informazioni sulle

differenze di acidità; inoltre sono uguali per i tre composti)

-

+

-

+

-

+

+

-

-

+

-

+

-

+ -+

COO H

N

O

O

COO H

N

O

O

COO H

N

O

O

COO H

N

O

O

COO H

N

O

O

Nel caso dell'acido nitrobenzoico con il sostituente in meta, la delocalizzazio-

ne elettronica provocata da -NO2 attraverso i legami p, non interessa mai il

centro di reazione.

L’effetto coniugativo non c’è

- -+

+

+

-+ -

+

+ - + - -+-

COO H

NO O

COO H

NO O

NO O

COO H

COO H

NO O

COO H

NO O

Nel caso dell'acido nitrobenzoico con il sostituente in para, tra le strutture di

risonanza dovute a -NO2 ce ne è una in cui la densità elettronica del centro di

reazione è modificata e, più precisamente, diminuita.

+

-+- NO O

COO H

L’effetto coniugativo c’è

Notare che la delocalizzazione dovuta al sostituente

c'è sempre, ma l'effetto coniugativo viene esercitato

solo dal sostituente in para.

Inoltre, dal segno della carica provocata dal gruppo nitro sul centro di

reazione, si vede anche che l'effetto coniugativo del gruppo nitro è del

tipo -R, ad attrazione elettronica.

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4. Si traggono le conclusioni

CO2H

NO2

CO2H

NO2

CO2H

-I -I, -R

Rispetto all'acido benzoico non sostituito (il termine di confronto), il

gruppo nitro attira elettroni sempre (aumentando l'acidità), ma più in

posizione para (in cui effetto induttivo e coniugativo si sommano)

che in meta, dove si sente solo l'effetto induttivo (almeno in prima

approssimazione).

Questo ragionamento trova conferma nei valori sperimentali di pKa

pKa 4.2 3.5 3.4

CO2H

NO2

CO2H

NO2

CO2H

I sostituenti che, come il gruppo nitro, hanno effetto -I,-R, si comportano

alla stessa maniera, esercitando in posizione para un'attrazione elettronica

maggiore che in posizione meta (dove 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 acido risente di ENTRAMBI gli effetti (uno si trasmette attraverso i

legami s, l'altro attraverso i legami p) e la sua acidità risulterà modificata dalla

somma degli effetti stessi.

quando l'effetto coniugativo a rilascio elettronico è maggiore dell'effetto

induttivo ad attrazione elettronica, il centro acido risulterà più ricco di

elettroni (e quindi un acido più debole) dell'acido senza il sostituente

quando l'effetto induttivo ad attrazione elettronica è maggiore

dell'effetto coniugativo a rilascio elettronico, il centro acido risulterà

più povero di elettroni (e quindi un acido più forte) dell'acido senza il

sostituente

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Sperimentalmente:

quando l'atomo responsabile dell'effetto -I,+R è azoto o ossigeno

N:, O: |+R| > |-I| effetto complessivo a rilascio elettronico

quando l'atomo responsabile dell'effetto -I,+R è un alogeno

F:, Cl:, Br:, I: |+R| < |-I| effetto complessivo ad

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.

Esempio:

> >

OH

Cl

OHOH

Cl

rispetto all'acido non sostituito, un Cl in meta esercita un effetto

induttivo (-I) che aumenta l'acidità

+

-

-I > +R

OH

Cl

OH

Cl

rispetto all'acido non sostituito, un Cl in para esercita un effetto induttivo (-I)

più forte dell'effetto coniugativo (+R): aumenta l'acidità ma meno che in meta

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Per decidere quale è l’H più acido tra quelli di una molecola, i vari fattori

vanno considerati in questo ordine:

1. Su quale atomo va la carica dopo la dissociazione?

2. Ci sono strutture di risonanza che rendono una base coniugata più stabile

delle altre?

3. Ci sono effetti induttivi che stablizzano (-I) o destabilizzano (+I) la base

coniugata?

O

NH

H

..

..

..O

N

H

:-..

O

NH

:-

..

..

..

H più acido

CO

O

OH H

H più acido

CO

O

OH-

CO

O

OH C

O

O

OH

-

-

stabilizzata per risonanza

N

NH

H

H

..

..N

N

H

H

..

..

:-

N

NH

H

..

..:-

+I di metile: destabilizzata H più acido

4. In quale orbitale va a finire la carica negativa?

H

H

H più acido

H

..-

H

.. -

sp2 sp

più stabile perché più

vicino al nucleo

ECCEZIONE C CCH3

:- più stabile di -NH2

C CCH3

H più acido di NH3

C CCH3

H-NH2 C CCH

3:-+ + NH3

In questo caso prevale il fattore della natura dell’orbitale sul fattore dell’atomo

su cui va la carica

pKa 26 pKa 38

19

EFFETTI STRUTTURALI SULLA BASICITA' DI BRØNSTED

Una base di Brønsted deve avere una coppia di elettroni per poter legare il

protone: può perciò essere anionica o neutra.

1. CARICA DELLA BASE

Il primo fattore da considerare, perché è quello che provoca le differenze maggiori, è la

carica.

In assenza di altri fattori (per esempio, la risonanza), una

base anionica è sempre più forte di una base neutra

HO- > NH3

pKa 15.74 9.24

2. ATOMO BASICO

confrontando basi con la stessa carica (tutte basi anioniche o tutte basi

neutre), si deve considerare la natura dell'atomo basico

la basicità aumenta con il DIMINUIRE dell'elettronegatività

dell'atomo basico

Infatti la basicità è dovuta non tanto alla "presenza" di una densità elettronica,

quanto alla "utilizzazione" della coppia elettronica: gli elettroni su un atomo più

elettronegativo sono meno disponibili per il protone.

basi anioniche - - - -..

.. ....

..

..>> >N O: :X:C:

basi neutre

(X = F, Cl, Br, I)

NH OH.. ..

:XH..

..>> ..

3. RISONANZA

A parità di atomo basico, si deve controllare se c'è possibilità che questo

atomo prenda parte a delocalizzazione elettronica: cioè si deve considerare

il fattore risonanza.

Esempio

+ H+NH

3

+NH

2

l'N in questo caso non ha possibilità di delocalizzare gli elettroni

20

+ H+NH

2NH

3

+

--

-NH2

+

NH2

+NH

2

+NH

2

NH3

+

Nella coppia benzenammina/acido coniugato, la delocalizzazione elettronica (a parte

le due strutture di Kekulé) c'è solo nella base, perché nello ione anilinio la coppia di

elettroni è servita per legare il protone.

Rispetto alla cicloesanammina, l'anilina in seguito a protonazione

perde gran parte della stabilizzazione per risonanza: perciò tende

a protonarsi di meno (e quindi è meno basica) della ammina che

non ha risonanza.

Che l’anilina protonandosi perda il contributo alla risonanza del doppietto elettronico è

confermato dalla variazione dello spettro UV-visibile con il pH.

A pH acido lmax (H2O) 203 nm (e = 7 500)

254 nm (e = 180)

A pH basico o neutro lmax (H2O) 235 nm (e = 14 800)

285 nm (e = 2 800)

4. EFFETTO DEL SOSTITUENTE

A parità di carica, di atomo basico e di fattore risonanza, la basicità è

influenzata dalle variazioni strutturali (effetto del sostituente)

La mancata coniugazione dello ione anilinio aumenta la differenza HOMO-LUMO e

sposta verso il blu (l minori) il massimo di assorbimento

spostamento IPSOCROMICO

NH2

NH3

+

21

I sostituenti ad attrazione elettronica (-I; -I,-R; |-I|>|+R|) diminuiscono

la densità elettronica sul centro basico e quindi DIMINUISCONO la

basicità

I sostituenti a rilascio elettronico (+I; |+R|>|-I|) aumentano la

densità elettronica sul centro basico e quindi AUMENTANO la

basicità

SI FACCIA BENE ATTENZIONE: un qualsiasi sostituente si comporta sempreallo stesso modo, attraendo o rilasciando elettroni, a seconda della suanatura.

LE CONSEGUENZE DELL'AZIONE DEL SOSTITUENTE, invece, DIPENDONODAI REQUISITI ELETTRONICI DELLA REAZIONE.

Un sostituente a rilascio elettronico favorirà la basicità, ma anche TUTTE

quelle reazioni che, per avvenire, hanno bisogno di centri ricchi di elettroni.

Invece sfavorirà l'acidità ed anche tutte le reazioni che, per avvenire, hanno

bisogno di centri poveri di elettroni.

Analogamente un sostituente ad attrazione elettronica favorirà l'acidità e

tutte le reazioni che, per avvenire, hanno bisogno di centri poveri di

elettroni e sfavorirà la basicità e tutte quelle reazioni che, per avvenire,

hanno bisogno di centri ricchi di elettroni.

Esempio: Mettere i seguenti composti in ordine di basicità decrescente

--OCH

3

Br

OCH

3

Br

OCH

3 OCH

3NH2O NH

Si scrivono gli equilibri di protonazione, in modo da individuare i centri basici

H+

+

OCH

3

Br

OCH

3

Br

H

H+

-O

OH

H+

NH2

NH3

+

H+

OCH

3

O+ CH

3

H

H+

OCH

3

Br

O+ CH

3

Br

H

H+

-NH

NH2

H+

OCH

3

O+ CH

3

H

22

Primo fattore da considerare carica della base

Basicità:

basi anioniche > basi neutre

,

- -O NH

, , , ,>

OCH

3

Br

OCH

3

Br

OCH

3 OCH

3NH2

atomo basico Secondo fattore da considerare

Basi anioniche:

>

- -ONH

Basi neutre: O

CH3

Br

OCH

3

Br

OCH

3 OCH

3NH2

, , ,>

Terzo fattore da considerare risonanza

, ,>

OCH

3 OCH

3

Br

OCH

3

Br

OCH

3

Quarto fattore da considerare effetto del sostituente

Per stabilire la basicità relativa dei composti rimasti, bisogna considerare l'effetto

induttivo (per Br, -I) ed andare a cercare l'eventuale effetto coniugativo:

- -

-+ + +

OCH

3

Br

OCH

3

Br

OCH

3

Br

OCH

3

Br

OCH

3

Br

non c'è effetto coniugativo Br in meta ha solo -I

basicità minore di quella del composto non sostituito

23

-

-

-

+ + +

OCH

3

Br

OCH

3

Br

OCH

3

Br

OCH

3

Br

OCH

3

Br

c'è effetto coniugativo |-I|>|+R| basicità minore di quella

del composto non sostituito ma maggiore che in meta

La basicità relativa dei composti presi in esame varia perciò secondo il

seguente ordine decrescente:

> > > > > >

NH O NH2

OCH

3 OCH

3 OCH

3

Br

OCH

3

Br

- -

ACIDI AL CARBONIO

Le reazioni acido-base di Brønsted sono così veloci, da essere controllate

dalla diffusione, cioè da essere praticamente avvenute non appena sia stato

completato il mescolamento delle soluzioni dei reagenti.

Non è così quando si tratta di acidi al carbonio, cioè di acidi in cui

si scinde eteroliticamente il legame C-H

Il benzene è un acido più forte del butano, ma se si tratta il benzene con il

carbanione derivato dal butano, la reazione è così lenta, da non poter

essere misurabile

ai fini pratici, la reazione non avviene, anche se termodinamicamente

l'equilibrio sarebbe spostato verso destra:

+ CH3CH2CH2CH2- :-

+ CH3CH2CH2CH3

così lenta, che la velocità non è misurabile

pKa 50pKa 43

H

Nel caso di acidi al carbonio, oltre all'acidità termodinamica (Go),

è necessario tener conto anche della acidità cinetica (G=)./

24

L'acidità del legame C-H può aumentare, anche notevolmente, in presenza

di uno o più sostituenti in grado di stabilizzare il carbanione base

coniugata, soprattutto per risonanza.

b-dichetoni

..-

- - pKa 9

C

O

CH3

CH2

CCH

3

OC

O

CH3

CHC

CH3

O

C

O

CH3

CH

CCH

3

O

C

O

CH3 C

H

CCH

3

O

b-diesteri

..-

pKa 13

C

O

O CH2

CO

O

CH2

CH3 CH

2CH

3 CH2

CH3

OC

O

CHC

O

CH2CH

3O

L'acidità è minore, perché la delocalizzazione della carica negativa

del'anione è meno efficace:

..-

..-

-

-

-

+

CH2

CH3

OC

O

CHC

O

CH2CH

3O CH

2CH

3O

C

O

CH

C

O

CH2CH

3O

CH2

CH3

OC

O

CH

C

O

CH2CH

3O CH

2CH

3O

C

O

CHC

O

CH2CH

3O

b-chetoesteri

l'acidità è intermedia tra quella dei b-dichetoni e quella dei b-diesteri

..-

pKa 11

C

O

CH3

CH2

CO

O

CH2CH

3CH

3

C

O

CHC

O

CH2CH

3O

25

Con un numero elevato di sostituenti in grado di stabilizzare la

carica negativa della base coniugata, gli acidi al carbonio possono

essere anche acidi "forti", cioè completamente dissociati in acqua:

-:

-

-

-

pKa -5

C CH

C

C

N

N

N

C C

C

C

N

N

N

C C

C

C

N

N

N

C C

C

C

N

N

N

C C

C

C

N

N

N

ACIDI E BASI DI LEWIS - TEORIA HSAB

Un acido di Lewis è una specie a difetto elettronico, con orbitali

molecolari vuoti di energia accessibile,in grado di accettare

coppie di elettroni.

Una base di Lewis è una specie in grado di donare una coppia

di elettroni.

Una base di Brønsted è anche una base di Lewis.

Gli acidi di Brønsted non sono acidi di Lewis, ma, dissociandosi, generano il più

semplice acido di Lewis, cioè H+.

La definizione di Lewis è più ampia di quella di Brønsted e permette di

inserire nella categoria degli acidi altre specie, come i cationi (sia

carbocationi che cationi metallici) e specie neutre con l'ottetto incompleto.

BF3, AlCl3

Inoltre sono acidi di Lewis anche quei composti con atomi in grado di

espandere l'ottetto di valenza. SnCl4, ZnCl2, FeCl3, SO3

26

Una reazione tra un acido ed una base di Lewis porta al cosiddetto

complesso di Lewis, in seguito alla formazione di legame tra il donatore e

l'accettore della coppia di elettroni.

Un complesso di Lewis può essere negativo, se viene per reazione di un acido neutro

con una base anionica complesso "ato"

BF3 + F- BF4-

complesso "ato"

acido di

Lewis

base di

Lewis

Un complesso di Lewis può essere positivo, se viene per reazione di un acido cationico

con una base neutra complesso "onio"

acido di

Lewis

base di

Lewis

Ag+ + 2 NH3 Ag(NH3)2+

complesso "onio"

Un complesso di Lewis è neutro, se viene dalla reazione di un acido cationico con

una base anionica

R3C+ + I- R3CI

acido di

Lewis

base di

Lewis

Un complesso di Lewis è neutro complessivamente, ma anfiionico (cioè con

entrambe le cariche, positiva e negativa), se viene dalla reazione di un acido neutro

con una base neutra

F3B NH

3

acido di

Lewis

base di

Lewis

BF3 + NH3

- +

Non è possibile determinare per gli acidi di Lewis una scala di acidità analoga a

quella ottenuta con gli acidi di Brønsted: la reattività di un acido di Lewis dipende

dalla elettronegatività e dalla polarizzabilità dell'atomo accettore della base di

Lewis, così come la reattività di una base di Lewis dipende dalla elettronegatività

e dalla polarizzabilità dell'atomo donatore.

Sulla base di queste considerazioni è stata costruita la teoria degli acidi e

delle basi "hard" e "soft"

HSAB (Hard and Soft Acids and Bases)

Gli acidi di Lewis sono stati suddivisi in due gruppi

1. Acidi hardcon atomi accettori

- di piccole dimensioni

- di solito con alta densità di carica positiva

- senza coppie di elettroni non condivise nel guscio di valenza

- di bassa polarizzabilità

27

H+, i cationi dei metalli alcalini, Mg2+, Ca2+, Al3+, BF3, AlCl3, RCO+, CO2

2. Acidi softcon atomi accettori

- di dimensioni relativamente grande

- di bassa densità di carica positiva

- di elevata polarizzabilità

Inoltre ci possono essere acidi di Lewis con caratteristiche intermedie, che non

sipossono considerare né hard né soft

Acidi borderline

R-X, BH3, Cu+, Ag+, Hg2+, Tl3+, I+, Br+, RO+, I2, Br2, CH2 e carbeni

al confine tra gli hard ed i soft

Fe2+, Cu2+, Zn2+, R3C+, SO2

1. Basi hard con atomi donatori

-di alta densità di negativa

-di elevata elettronegatività

-di bassa polarizzabilità

- difficili da ossidare

H2O, ROH, R2O, OH- e RO-, F-, CO32-, SO4

2-, Cl-, NH3 e RNH2

2. Basi soft con atomi donatori

- di bassa densità di negativa

- di bassa elettronegatività

- di elevata polarizzabilità

- facili da ossidare

R2S, RSH e RS-, I-, R3P, CN-, CO, CH2=CH2, H- e R-

Anche tra le basi di Lewis ci sono quelle con caratteristiche intermedie, che non si

possono considerare né hard né soft

Basi borderline al confine tra le hard e le soft

N3-, Br-, SO3

2-

Secondo la teoria HSAB, che nasce dalle osservazioni sperimentali,

gli acidi hard reagiscono meglio con le basi hard

gli acidi soft reagiscono meglio con le basi soft

Il complesso di Lewis è più stabile se gli atomi donatore ed accettore sono ugualmente

"rigidi" o ugualmente "polarizzabili"

28

L'interazione soft-soft è un legame covalente.

E' favorita da una buona sovrapposizione di orbitali, che siano di

energia relativamente simile

Le specie soft hanno l'HOMO ad elevata energia ed una piccola differenza di

energia tra HOMO e LUMO

E

LUMO

HOMO

acidosoft

basesoft

L'interazione soft-soft è favorita da una buona

interazione tra l'HOMO della base e il LUMO

dell'acido. Più sono vicini come energia,

maggiore è l'interazione, più stabile è il

legame covalente che si forma

L'interazione hard-hard è un legame ionico.

E' favorita da specie con carica elevata, che hanno raggi piccoli, in modo

da potersi avvicinare e formare un legame ionico forte

LUMO

HOMOacido hard base hard

E L'interazione hard-hard è dovuta

all'attrazione di cariche opposte.

L'interazione soft-hard è relativamente debole.

L'interazione soft-hard soffre di due problemi:

La carica diffusa della specie soft la rende inadatta per un legame

ionico

La grande differenza di energia che c'è tra il LUMO della specie hard

e l'HOMO della specie soft diminuisce in modo significativo la loro

interazione e dà come risultato un legame covalente debole

E

acido soft base soft

interazione soft-soft

guadagno

di energia

interazione soft-hard

base soft acido hard

29

ALCANI C(sp3)-H Legami presenti in un alcano: e C(sp3)-C(sp3)

Caratteristiche Spettrali

stretching C - H (2850-3000 cm-1)

bending C - H (1450-1470 cm-1)

(1350 cm-1)

Solo legami s: le transizioni s s*

richiedono l = 150 nm (lontano UV):

assorbe anche l’aria UV-visibile

IR

metilbutano pentano

tetrametilbutano 3-etilesano

13C NMR sp3 C 0-40

CH3

CH2

CH

, ppm

5 - 22

15 - 33

25 - 35

metano

30

metilbutano

31.87 CH2

30.02 CH

22.32 CH3 (legati a CH)

11.83 CH3

attribuzione

2,2-dimetilbutano

36.49 CH2

30.42 C

28.96 CH3 (legati a C)

8.88 CH3

attribuzione

3-metilpentano

36.35 CH

29.27 CH2

18.83 CH3 (legati a CH)

11.48 CH3

attribuzione

1H NMR CH

3

CH2

CH

, ppm

0.8 - 1.0

1.2 - 1.4

1.4 - 1.7

2,2-dimetilbutano

C CH3

CH2

CH3

CH3

CH3

a b c

Jab=7.57 Hz

s, 9H

t, 3 H

q, 2 H

1.22 q CH2

0.855 t CH3 (legati a C)

0.84 s CH3

attribuzione

31

legami NON polari

OMOLISI Reazioni di

C H C + H. .

oppure

CC CC.+

.

Se la reazione di un idrocarburo introduce atomi diversi da C e H si parla di

FUNZIONALIZZAZIONE

Il H0 per l'omolisi del legame C-H è l'energia di dissociazione del legame

stesso

La scissione di un legame vecchio deve precedere qualunque formazione di legame nuovo!

Basta fornire l’energia necessaria

energia di legame (kcal/mole)

105 98 94.5 93

FORZA DEL LEGAME C-H CRESCENTE

CH3. RCH2

. R2CH

. R3C

.

STABILITA' DEL RADICALE CRESCENTE

CH3

H RCH2

H R2CH H R

3C H

Effetto +I degli alchili (i radicali sono specie a difetto

elettronico, perché l'ottetto del C non è completo)

L’effetto induttivo è additivo: maggiore è il numero di alchili legati al C.,

più il difetto elettronico viene compensato e più il radicale è stabile

32

CLORURAZIONE DEL METANO

+ +

oppure

hCH

3ClCl ClCH

3H ClH

kcal/mole 105 58 85 103

H0 = - 25 kcal/mole REAZIONE ESOTERMICA

FATTI SPERIMENTALI:

A temperatura ambiente e al buio, metano e cloro (molecola) non

reagiscono

La resa quantica è elevata

La temperatura a cui avviene al reazione è la temperatura di

dissociazione della molecola di 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.

A. Reazioni con alogeno molecolare

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

Cl Cl Cl

(h)2: :

..

..

..

..:

..

...

INIZIO

PROPAGAZIONE (due stadi)

1.Cl Cl+ H : CH3 + CH3:..

...

:..

.... H

.

: HC

H

H H

Cl

.

sp3 s p

Cl

H: .::

lobo increscita

Ea= 4 kcal/mole

STATO DI TRANSIZIONE

C

H

H H=/

33

.C

H

H H

:H

Cl

psp2

p

s

+

Diagramma dell'energia per il PRIMO STADIO:

E

COORDINATA DI REAZIONE

CH4 + .Cl

.CH3 + HCl

Ea= 4

kcal/mole

Ho= +2 kcal/mole

[ H3C.....H....Cl ]=/

2.

ClCl Cl Cl+ +H3C

H3C:.: :

..

..

..

..:..

... specie reattiva nel

primo stadio

In questi casi si parla di REAZIONE A CATENA (CHAIN REACTION)

circa 1000 cicli

.C

H

H H

psp2 STATO DI TRANSIZIONE

+

Cl Cl

:

p

lobo indiminuzione

Ea < 1 kcal/mole

Cl ClC

H

H H

:.=/

psp3

: + .Cl Cl

C

H

H H

Spiega perché la resa quantica è elevata

34

Diagramma dell'energia per il SECONDO STADIO:

E


Ea< 1

kcal/mole

Ho= -27 kcal/mole

.CH3 + Cl2

CH3Cl + Cl.

[ H3C.....Cl....Cl ].= /

Diagramma dell'energia per il PROCESSO DI PROPAGAZIONE:

E

Ho= -27 kcal/mole CH3Cl + Cl

.

CH4 + .Cl

Ho= +2 kcal/mole

Ho= -25 kcal/mole


[ H3C.....H....Cl ]

.=/[H3C.....Cl.......Cl]

.=

Ea< 1

kcal/mole

.CH3

Ea= 4

kcal/mole

. /=

SOSTITUZIONE RADICALICA

35

ARRESTO o TERMINE

Qualunque urto tra due specie radicaliche

Cl ClCl Cl+ : :..

..

..

..:..

...

:..

...

CH3

ClCl+H3C :..

...

:..

...

CH3

CH3+H3C

. .CH3

arresta due catene e dà uno dei reagenti

dà il prodotto, maarresta due catene

arresta due catene e dà un prodotto secondario

:..

..Cl.

+ CH3Cl.CH2Cl + HCl

+ Cl-Cl CH2Cl2+ :

..

..Cl.

:..

..Cl.

:..

..Cl.

+ CH2Cl2+ HCl

+ CHCl3+

.CHCl2

.CHCl2 Cl-Cl

:..

..Cl.

Cl-Cl:

..

..Cl.

+ + HCl

+ CCl4 +

CHCl3

.CCl3

.CCl3

COME SI SPIEGA, SULLA BASE DEL MECCANISMO, LA FORMAZIONE

DEI PRODOTTI DI POLICLORURAZIONE?

36

CHE COSA SUCCEDE CON GLI ALTRI ALOGENI?

Fatti sperimentali:

La reazione avviene anche con Br2, mentre I2 non reagisce e F2 è

troppo reattivo per dare reazioni controllabili (reazione esplosiva).

COME SI SPIEGA, CON IL MECCANISMO, QUESTO FATTO SPERIMENTALE ?

REATTIVITA' CRESCENTE COME RADICALI

I2 Br2 Cl2 F2

36 46 58 37 energia di

dissociazione del

legame alogeno-

alogeno (kcal/mole)

La diversa reattività osservata NON dipende dalla facilità

con cui si dissocia la molecola di alogeno.

Consideriamo il bilancio dell’energia di reazione

F. + CH4 HF + .CH3 + 31 kcal/mole H = -31

.CH3 + F2 CH3F + F. + 71 kcal/mole H = -71

CH4 + F2 CH3F + HF + 102 kcal/mole Htot=-102

Cl. + CH4 + 1 kcal/mole HCl + .CH3 H = +1

.CH3 + Cl2 CH3Cl + Cl. + 25.5 kcal/mole H = -25.5

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl + 24.5 kcal/mole Htot= -24.5

Br. + CH4 + 17 kcal/mole HBr + .CH3 H = +17

.CH3 + Br2 CH3Br + Br. + 24 kcal/mole H = -24

CH4 + Br2 CH3Br + HBr + 7 kcal/mole Htot= -7

I. + CH4 + 33 kcal/mole HI + .CH3 H = +33

.CH3 + I2 CH3I + I. + 20 kcal/mole H = -20

CH4 + I2 + 13 kcal/mole CH3I + HI Htot= +13

37

Fatto sperimentale:

Se si trattano etano e metano in quantità equimolare con un

equivalente di Cl2, reagisce quasi solo l’etano

+ ++ Cl2

HCl > 99% < 1%

hCH

3CH

3CH

4 CH3

CH3

CH3

ClCl

Fatto sperimentale:

Se nell’alcano ci sono H di tipo diverso, vengono sostituiti con

reattività diversa

+ Cl2

h

HCl

+CH3

CH3

CH2

CH3

CH2

CH2

Cl CH3

CH3

CH

Cl

RAPPORTO STATISTICO ATTESO 3 : 1

REATTIVITA' di C-H ATTESA minore maggiore

RAPPORTO SPERIMENTALE (a 25°C) 43 : 57


SELETTIVITA’


E

CH3

CH2

CH3

CH3

CH2

CH2

.Ho= -5

kcal/mole

Ho= -8.5 kcal/mole

Ea= 3 kcal/mole

Ea= 2 kcal/mole

CH3

CHCH

3

.

+.Cl

38

+ Cl2h

HCl

+CH3

CH3

CH

CH3

CH3

CH2

CH Cl

CH3

CH3

CH3

C

Cl

CH3

RAPPORTO STATISTICO ATTESO 9 : 1

REATTIVITA' di C-H ATTESA minore maggiore



CH2CH

2CHR

2

H

CH3CH CHR

2

H

CH3CH

2C

H

RR

CH3CH CHR

2H. +

CH2

CH2

CHR2

+H.

CH3CH

2C

R

RH. +

2.5 kcal/mole

2.0 kcal/mole

101 kcal/mole

98.5 kcal/mole96.5 kcal/mole

E

.

.

.

Confronto di selettività tra cloro e bromo

CH3

CH3

CH2

Cl2 h

HCl

CH3

CH2

CH2

Cl+CH3

CH3

CH

Cl

HBr

Br2 hCH

3CH

3CH

Br

CH3

CH2

CH2

Br+

57% 43%

98% 2%

Con Br2 la preferenza per la sostituzione dell’H secondario rispetto al

primario è ancora più marcata.

L'unica differenza sta nel fatto che Br. è più stabile di Cl.

39

RH + Br.

R. + HBr

RBr + Br.

E E

coordinata di reazione coordinata di reazione

RH + Cl. R

. + HCl

RCl + Cl.

R H RStadio lento + X + HX. .

stato ditransizione

[R----H----X].

.

Lo stato di transizione è early con l’atomo di cloro, late con l’atomo di bromo.

Cl.

.....H...................Cl. .

. + HCl

#

C H

CH3

CH3

HC

CH3

CH3

HC

CH3

CH3

H

Br.

...................H.....Br.

.. + HBr

#

C H

CH3

CH3

HC

CH3

CH3

HC

CH3

CH3

H

Lo stato di transizione ha scarso carattere di radicale con il

reagente “atomo di cloro”cloro; è invece un radicale quasi

completo con il reagente “atomo di bromo”

con il radicale bromo (Br.) la differenza di stabilità tra

radicale secondario e radicale primario si riflette quasi completa-

mente sulla differenza di energia degli stati di transizione.

poco carattere radicalico e perciò con poco difetto elettronico:

il numero di alchili è poco importante: le differenze di energia

tra i vari stati di transizione sono piccole: selettività <

elevato carattere radicalico e perciò con elevato difetto elettronico:

il numero di alchili è molto importante: le differenze di energia tra i

vari stati di transizione sono grandi: selettività>

40

A 25°C

C-H (terz.) : C-H (sec) : C-H (prim.)Reattività relativa

5 : 4 : 1 con Cl .

2000 : 100 : 1 con Br .

H

CH3

H

CH2

R

H

CHR2

H

CR3< < < < C

H

RCH2

CH C

H

R ,

metile primario secondario terziario allilico, benzilico

H3C. RCH2. R2CH. R3C. ALLILICO, BENZILICO< < < <

STABILITA' CRESCENTE DEI RADICALI

REATTIVITA' CRESCENTE DI C-H VERSO X.

SELETTIVITA’: L’ATOMO DI ALOGENO STRAPPA DI PREFERENZA L’ATOMO

DI H CHE LASCIA IL RADICALE AL C PIU’ STABILE. La preferenza è tanto

più marcata quanto più selettivo è l’atomo di alogeno.

ANDAMENTO STEREOCHIMICO

Che cosa succede, dal punto di vista stereochimico, quando, in seguito alla

alogenazione, si forma un C chirale?

(S)

(R)

C

CH3

H CH2CH

3H

C

CH3

Br CH2CH

3H

C

CH3

H CH2CH

3Br

idrogeni enantiotopici

C

CH3

H CH2CH

3H

Coppie di H che, quando vengono

sostituti, formano due enantiomeri

si dicono enantiotopici

Se nella molecola non ci sono altri centri chirali:

41

Br.

HBrC

CH3

H CH2CH

3H

.C

CH3

CH2CH

3

H FACCEENANTIOTOPICHE

.

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

(S)

(R)

Br .

HBr

.C

CH3

CH2CH

3

H

C

CH3

CH2CH

3

H

BrBr

C

CH3

H CH2CH

3H

Br

C CH3

CH2CH

3

H

BrBr

Br

Br2

Br

.

.

Br

C CH3

CH2CH

3

H

.

.

CCH

3

CH2CH

3

H

.

.

Br

Br

----------------------------- specchio

#

#

+ Br.

+ Br.

STATI DI TRANSIZIONE ENANTIOMERICI

C CH3

CH2CH

3

H

Br

C CH3

CH2CH

3H

Br

.C

CH3

CH2CH

3

H

Stati di transizione enantiomerici (tutte le proprietà identiche, compresa

l’energia) portano ad una MISCELA RACEMICA

42

Se è GIA' PRESENTE UN CENTRO CHIRALE e la reazione avviene su un C

diverso:

C

CH3 H

C

Br H

CH3

H

(S)

(2S,3R)

C

CH3 H

C

Br Cl

CH3

H

C

CH3 H

C

Br H

CH3

Cl

(2S,3S)

2 3

Il C chirale preesistente resta invariato, il nuovo centro chirale si forma

con le due configurazioni possibili

(S)

idrogenidiastereotopici

C

CH3 H

C

Br H

CH3

HCoppie di H che, quando vengono sostituti,

formano due diasteromeri si dicono

diastereotopici

Cl.

HCl

.C

CH3 H

C

Br H

CH3

H

C

CH3 H

C

Br

CH3

H FACCEDIASTEREOTOPICHE

LE DUE FACCE NON SONO UGUALI

(2S,3R)

(2S,3S)

.

C

CH3 H

C

Br Cl

CH3

HCl

Cl

C

CH3 H

C

Br

CH3

H

Cl

Cl

C

CH3 H

C

Br H

CH3

Cl

43

Gli stati di transizione diastereomerici hanno energie diverse: i prodotti

(diastereomeri) si formano IN QUANTITA' DIVERSE

Cl2

#

#

+ Cl.

+ Cl.

STATI DI TRANSIZIONE DIASTEREOMERICI

.

Cl

Cl.

.

C

CH3 H

C

Br

CH3

H

Cl

Cl

.

.

.

C

CH3 H

C

Br Cl

CH3

H

C

CH3 H

C

Br

Cl

CH3

H

(2S,3S)

(2S,3R)

C

CH3 H

C

Br

CH3

H.

C

CH3 H

C

Br

CH3

H

Esempio: CLORURAZIONE DELL' (S)-2-bromobutano

BrCH3

H

CH2CH

3

CH3

CH CH2

CH3

Br

*

1

2

3Br

CH3

H

CH2CH

3

C-1

HCl

Cl2, h

2S

Br

CH3

H

CH2CH

3

Br

CH2

H

CH2CH

3

Cl

Br

CH2

H

CH2CH

3

Cl1

2

3

2R

2S

C-4

HCl

Cl2, h

Br

CH3

H

CH2CH

3

Br

CH3

H

CH2

CH2

Cl

1 2

3

2S

Br

CH3

H

CH2

CH2

Cl

44

Cl2, h

2S2R

HCl

C-2

+1 1

3 3

22

50 : 50

Br

CH3

H

CH2CH

3

Br

CH3

Cl

CH2CH

3

Br

CH3

Cl

CH2CH

3

2S

2S

2R

HCl

Cl..

ACHIRALE

Cl2

+

50% 50%

C BrCH

3

CH2

CH3

CBrCH

3

H

CH2CH

3

2S

CBrCH

3

CH2

CH3

Cl

C

BrCH

3

CH2

CH3

Cl

Br

CH3

H

H H

CH3

Br

CH3

H

H Cl

CH3

H

Br

CH3

H

Cl

CH32S

C-3

HCl

+

Br

CH3

H

H

Cl CH3

1

2

3

2S,3R

Br

CH3

H

Cl

H

CH3

1

2

3

2S,3S

IN QUANTITA' DIVERSE

45

IMMIDEN

O O

H

Altre specie alogenanti N

O

O

Cl

N

O

O

BrNCS

NBS

N-clorosuccinimmide

N-bromosuccinimmide

Meccanismo:

PROPAGAZIONE

Br. + R-H R

. + HBr

+ HBr + Br2

R. + Br2 R-Br + Br

.

formato nellostadio di inizio

N

O

O

Br N

O

O

H

NBS ha la funzione di formare Br2 in concentrazione bassa e costante e di

usare l'HBr liberato nel primo passaggio della propagazione.

In solventi in cui NBS è più solubile (CH2Cl2, CHCl3, CH3CN) interviene anche

un altro meccanismo

formato nellostadio di inizio

.+ R-H R. +

R. + R-Br +.

N

O

O

N

O

O

N

O

O

H

N

O

O

Br

46

Invece di usare calore o radiazione ultravioletta, si può dare inizio ad una

reazione radicalica servendosi di INIZIATORI RADICALICI, specie che si

scindono facilmente in modo omolitico

. + :N N:

azo-bis-2-metilpropanonitrile

.. .... C

C

CH3

CH3

N

C

C

CH3

CH3

NC

C

CH3

CH3

N

N N

.. ..

.. ..

perossido di benzoile

2

..

... 2

.+ 2 CO2

CO

O

CO

O

CO

O

Per interrompere una reazione radicalica a catena si possono usare

INIBITORI di RADICALI, specie che danno radicali stabili, che perciò,

non essendo reattivi, bloccano la propagazione della catena

H3C.

+ I2 CH3I + I.

più reattivo più stabile

più reattivo più stabile

H3C . + . O-O . CH3O-O .

O HO O O O O

.

+.OR ROH +

:..

.

.

.

.

antiossidanti

O

CH3

CH3

CH3

OH

CH3

CH2

CH2

CH2

CH

CH3

CH2

CH2

CH2

CH

CH3

CH2

CH2

CH2

CH CH3

CH3

Vitamina E (-tocoferolo)

CH3

C

C

OH

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

4-metil-2,6-di(terz-butil)fenolo

BHT (tert-ButylHydroxyToluene)

47

B. Reazioni con ossigeno molecolare

COMBUSTIONE

CH4 + 2 O2 CO2 + H2O + H

O2

CnH2n+2 n CO2 + (n+1) H2O

OSSIDAZIONE CATALIZZATA DA ENZIMI

ALCANI (C1-C8)MONOOSSIGENASI da Methylococcus Capsulatus

R-OHO2

In laboratorio, per la stessa reazione, servono temperature e pressioni elevate

O2, catalizzatore di Co

150°-160°C, 10-11 atm.

OH

AUTOOSSIDAZIONE

INIZIO+ O O:: ....

..O OH :....

...+R

.R H

PROPAGAZIONER

. + .O O

. O OR.

O OR.

+ + R.

alchilidroperossido

RH O OR H

proseguela catena

ARRESTO qualunque urto tra radicali

esplode se riscaldato

NB Reazione non utile come tale,

ma importante da sapere!

Con il tempo, in solventi vecchi, l’aria al di sopra del liquido può formare abbastanza

alchilidroperossidi da costituire un pericolo quando si distilla il solvente

ATTENZIONE: mai portare a secco quando si distilla un solvente!

48

C. Pirolisi DECOMPOSIZIONE TERMICA IN ASSENZA DI OSSIGENO

INIZIO ..

+CH3CH

2CH

2CH

2CH

3CH

3CH

2CH

2CH

2CH

3

omolisi indotta termicamente

PROPAGAZIONE

a) CH2

CH3

.CH

3CH

2CH CH

2CH

3

H

+ CH3

CH3

+ CH3CH

2CH CH

2CH

3

.

.b) scissione b +

.CH

3CH

2CH CH

2CH3CH

2CH CH

2CH

3

H

CH3

proseguela catena

ARRESTO (o TERMINE)

a) Accoppiamento di radicali

.+

.CH

2CH

3 CH2CH

3CH

3CH

2CH

2CH

3b) Disproporzione

CH2

CH3

. .CH

2CH

2

H

+ CH3

CH3 + CH

2CH

2

(ridotto) (ossidato)

La reazione avviene su qualsiasi legame C-C: NON E' SELETTIVA

La temperatura è così elevata che c’è abbastanza energia per rompere qualsiasi

legame: la scissione è del tutto casuale

CICLOALCANI Il ciclopropano tende ad APRIRE l'anello (legami C-C "a banana", più deboli

dei normali legami s

Br2

Cl2

hCH

2CH

2CH

2Br Br

CH2 CH

2CH

2Cl Cl

ADDIZIONE RADICALICA

Se c'è un sostituente, l'anello si apre in più modi

+ Cl2

1

23 rottura C1-C2 rottura C2-C3

+CH2

CHCH2Cl

Cl

CH3

CH2

CH2

CHCl Cl

CH3

CH3

h

49

Il ciclopropano è talmente reattivo, che dà reazioni di addizione radicalica

anche con altri reagenti

H2, Pt, 50°C

HX

(X = Cl, Br, I)CH

2CH

2CH

2H X

CH2

CH2

CH2

H H

Il ciclobutano ha una tendenza ad aprire l'anello (tensione angolare) minore

di quella del ciclopropano

H2, Pt, 250°C

HX

X2

NESSUNA APERTURA D'ANELLO

NESSUNA APERTURA D'ANELLO

CH2

H CH2

HCH2

CH2

CICLOPENTANO e CICLOESANO reagiscono come gli alcani, dando

SOSTITUZIONE RADICALICA: questi anelli non hanno tensione e perciò

non si aprono

Br2

h+ HBr

Br

Cl2

h+ HCl

Cl

50

ALOGENURI ALCHILICI

Hanno molti impieghi:

Cl

CH

CCl3

Cl

CH CCl2Cl C

Cl

O

DDTsolvente per

lavaggio a secco

insetticidalacrimogeno

Si trovano raramente in natura:

tirossina porpora di Tiro

I

I

I

I

CH2

O CH

NH2

CO2H N

N

Br

BrO

OH

H

Proprietà fisiche CH3F CH3Cl CH3Br CH3I

(D) 1.81 1.86 1.78 1.64p.e (°C) -78.4 -24 5 43densità (g/ml a 20°C) gas gas gas 2.28

Caratteristica strutturale degli alogenuri ALOGENO


stretching C - X X = F 1400-1000 cm-1

X = Cl 800-600 cm-1

X = Br < 667 cm-1

X = I < 667 cm-1

bending CH2 - X (X = Cl, 1300-1200 cm-1; X = Br, 1250-1150 cm-1, X = I, 1200-1150 cm-1)

Solo legami s: le transizioni n s*

richiedono l = 190 nm (lontano UV):

fuori dal comune intervallo UV-visibile

IR

Fuori del comune

intervallo di

numeri d’onda

}

51

CF3CF2CF2CF2CF2CF3

F

Br

F

Cl F

Br

CH3

CH3

Cl Cl

CH3

CH3

Br Br

52

I

13C NMR L’effetto -I degli alogeni diminuisce la densità

elettronica attorno al nucleo del 13C: deschermato

1H NMR L’effetto -I degli alogeni diminuisce la densità

elettronica attorno al nucleo del 1H: deschermato

Lo spettro 1H NMR dei composti contenenti F presenta accoppiamento

con 19F (suddivisione del segnale)

CH3

CH3

Cl Cl

86.23 ppm

CH3

CH3

Br Br

60 ppm

iodoetano

3.19 ppm

1.85 ppm

J = 7.6 Hz

CH3

CH3

F F1.61 ppm

53

Importanti informazioni si ottengono dallo spettro di massa dei cloruri e dei

bromuri alchilici

Cl ha due isotopi di massa 35 e 37, in rapporto 72:25

Br 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

Cl 112, 114 m/z

Br 156, 158 m/z

È la presenza dell’alogeno che conferisce alla molecola la reattività

caratteristica

+ -

CH2CH

2BrCH

3 elettronegativo, con

parziale carica negativa

questo C ha una parziale carica POSITIVA

ed è attaccato dai NUCLEOFILI

questo C NON ha carica

parziale positivae NON è

attaccato dai nucleofili

Il C, ibridato sp3, ha tutte le valenze soddisfatte: può dare un legame

diverso (e quindi reagire), solo se si rompe uno dei legami presenti

Caratteristica strutturale degli alogenuri ALOGENO

54

SOSTITUZIONE NUCLEOFILA

-OH + CH3CH2Br CH3CH2OH + Br-

CH3O- + (CH3)2CH-Cl (CH3)2CH-OCH3 + Cl-

atomo nucleofilo

NUCLEOFILO

questi elettroni s escono con Br

GRUPPO USCENTE

+ Br: :.. -..

..

+..:-

CH3

CH2

Br CH3

CH2

OHH O

Reazione caratteristica: SOSTITUZIONE NUCLEOFILA al C saturo

La reazione comporta la rottura di un legame (C-gruppo uscente) e la

formazione di un legame (C-atomo nucleofilo).

Questi processi possono avvenire contemporaneamente o in successione.

MECCANISMO IN UN SOLO STADIO

R-X + Y- R-Y + X-

E

coordinata di reazione

R-X + Y-R-Y + X-

Y----R----X- -

SN2

Sostituzione

Nucleofila

BImolecolare

Bimolecolare = due specie molecolari

prendono parte allo stato di transizione

sn2 01.swf

55

Y : C X: Y : : XC

#

:XY C: +

MECCANISMO IN DUE STADI

R-X

R+ + Y-

R+ + X-

R-Y

lento

E


--R----X

R----Y

++

R-X R-Y

R+SN1

Sostituzione

Nucleofila

Unimolecolare

Unimolecolare = una sola specie molecolare

prende parte allo stato di transizione

56

C X:

Y C:Y

X:+

+

orbitale vuoto

+

:

C

C

MECCANISMO 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 C questo non è possibile)

+HO:

..

..-

::..

+

-- -

P

O

OCH3

O

OCH3

CH3

P

O

OO

CH3OH

CH3

P

O

O CH3

OOCH3 CH

3

OH:

57

Per distinguere tra i due meccanismi delle sostituzioni nucleofile al C saturo

si devono considerare vari fattori.

1. CINETICA DI REAZIONE

2. GRUPPO USCENTE

3. NUCLEOFILO

4. NATURA DEL GRUPPO ALCHILICO

5. ANDAMENTO STEREOCHIMICO

6. SOLVENTE, TEMPERATURA

1 CINETICA DI REAZIONE

processo bimolecolare

processo unimolecolare

velocità = k[R-X][Y-]

velocità = k[R-X]

2. GRUPPO USCENTE

Il legame C-gruppo uscente si rompe nello stadio lento di entrambi i meccanismi

È comunque importante avere un buon gruppo uscente

R-F < R-Cl < R-Br < R-I

REATTIVITA' CRESCENTE

CAPACITA' COME

GRUPPO USCENTE

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).

Le sostituzioni nucleofile possono avvenire anche con gruppi uscenti

diversi da alogeno

La CAPACITA' COME GRUPPO USCENTE (leaving group ability)

di un gruppo è inversa alla sua BASICITA'

58

C-ALOGENO > C-O- >> C-N-

CAPACITA' CRESCENTE COME GRUPPO USCENTE

HO-, RO- (per es., CH3O-) CATTIVI gruppi uscenti

H2O, ROH (per es., CH3OH) BUONI gruppi uscenti

Si può avere un buon gruppo uscente con carica negativa sull'ossigeno se la

carica è delocalizzata (basicità minore):

carbossilato

-

-

COR

O

COR

O

monoalchil solfato

--

-

S OO

O

R

O

S OO

O

R

O

S OO

O

R

O

solfonato

-

-

-

S OR

O

O

S OR

O

O

S OR

O

O

Solfonati più comunemente usati come gruppi uscenti:

- - -

metansolfonato trifluorometansolfonato 4-metilbenzensolfonato

(tosilato)

S OCH3

O

O

S OCF3

O

O

S O

O

O

CH3

DERIVATI ALCHILICI CLASSE DI COMPOSTI GRUPO USCENTE

R-X X

R-F, R-Cl, R-Br, R-I alogenuri alchilici F-, Cl-, Br-, I-

esteri di acidisolfonici

-S

CH3

O

O

O

R S

CH3

O

O

O

-

esteri di acidicarbossilici

(solo per R = terziario, allile, benzile)

R' C

O

O

R

R' C

O

O

59

DERIVATI ALCHILICI CLASSE DI COMPOSTI GRUPO USCENTE

R-X X

alcooli -OHR OH

+alcooli in ambiente acido :OH2R OH

2

eteri-O-R'R O R'

+eteri in ambiente acido :R O R'

HO R'

H

ossaciclopropani -OO

+sali di trialchilsolfonio :R SR'

2 SR'2

ammine-NH2R NH

2

+ammine in ambiente acido :NH3R NH

3

+sali di tetraalchilammonio :NR'3R NR'

3

3. NUCLEOFILO

Il nucleofilo entra nello stato di transizione di un processo BIMOLECOLARE,

ma NON partecipa allo stadio lento di un processo UNIMOLECOLARE

Si ha SOSTITUZIONE BIMOLECOLARE SOLO IN

PRESENZA di un NUCLEOFILO FORTE

Si ha SOSTITUZIONE UNIMOLECOLARE in ASSENZA

di un nucleofilo forte

Un processo bimolecolare avviene tanto più facilmente (a parità di altre

condizioni) quanto più nucleofilo è il reagente.

60

FATTORI CHE INFLUENZANO LA NUCLEOFILICITA'

1. Per nucleofili con lo STESSO ATOMO NUCLEOFILO, la nucleofilicità è tanto

maggiore quanto più negativo è l'atomo nucleofilo

HO- > H2O:

H2N- > H3N

:

HS- > H2S:

2. Per nucleofili con ATOMI NUCLEOFILI DIVERSI, appartenenti alla STESSA

RIGA del sistema periodico, la nucleofilicità è parallela alla basicità

BASICITA' MAGGIORE NUCLEOFILICITA' MAGGIORE

H2N- > HO- > NH3 > F- > H2O

3. Per nucleofili con ATOMI NUCLEOFILI DIVERSI, appartenenti allo stesso

gruppo, ma a righe diverse, la nucleofilicità aumenta con la

POLARIZZABILITA' dell'atomo nucleofilo.

CH3SH > CH3OH

HS- > HO-

Cl- > F-

(CH3CH2)3P > (CH3CH2)3N

ORDINE DI NUCLEOFILICITA' DEI NUCLEOFILI PIU' COMUNI

> I- > ->

-OH, > -OR > Br-- - >S C N O

Cl- >N

, AMMINE > CH3CO2-, RCO2

- >

Nu

cle

ofili

FO

RT

I

più debole dei nucleofili forti

> H2O , R-OH, RCO2H

Nu

cle

ofil

DE

BO

LI

LA NUCLEOFILICITA' DIPENDE DAL SOLVENTE.

E' perciò possibile, in certi solventi, trovare ordini di nucleofilicità diversi.

61

4. NATURA DEL GRUPPO ALCHILICO

SN2

HO:-

C Br

H H

CH3

COH

HH

CH3-

H H

CH3

HO- - - -C- - - -Br

legami

parziali

Nello stato di transizione il C è pentacoordinato

nel passare dallo stato iniziale allo stato di transizione AUMENTA

l'affollamento sul C centro di reazione

VELOCITA' RELATIVE DI ALCUNI ALOGENURI ALCHILICI IN SN2

Alogenuro

alchilicoVelocità

relativa

Alogenuro

alchilicoVelocità

relativa

CH3X 30

CH3CH2X 1

CH3CH2CH2X 0.4

CH3CH2CH2CH2X 0.4

(CH3)2CHX 0.03

(CH3)3CX 0 (nessuna reazione)

VELOCITA' CRESCENTE PER UNA SN2

RX terziario << RX secondario < RX primario < CH3X

C Br

H

HH

CH3O-

molto veloce

C Br

H

H

CH

H

H

CH3O-

moderatamente

veloce

E


3°

2°

1°

CH3X

C Br

H

C

C

HHH

H

H

H

CH3O-

molto lenta

CH3O-

NON AVVIENE

C Br

C

C

C

HHH

H

H

H

H

HH

62

L'affollamento nello stato di transizione si sente anche quando la

ramificazione è in b al centro di reazione:

R-CH2-CH2-X > R2CH-CH2-X >> R3C-CH2X

b b b

E' sempre più difficile per il gruppo alchilico raggiungere la coplanarità

con gli H, richiesta dalla pentacoordinazione.

SN1 stadio lento

FORMAZIONE DELL'INTERMEDIO (CARBOCATIONE)

C Br

H H

CH3

+-

C

H H

CH3

- - - - -Br +C

H H

CH3

VELOCITA' RELATIVE DI ALCUNI BROMURI ALCHILICI IN una tipica SN1

Bromuro

alchilico

Velocità

relativa

CH3Br 0.1

CH3CH2Br 1

Bromuro

alchilico

Velocità

relativa

(CH3)2CHBr 11.6

(CH3)3CBr 1.2 x 106

63

RX terziario >> RX secondario > RX primario > CH3X

VELOCITA' CRESCENTE PER UNA REAZIONE SN1

Nello stato di transizione il C è tricoordinato

nel passare dallo stato iniziale allo stato di transizione

DIMINUISCE l'affollamento sul C centro di reazione

C

X

CH3

CH3

CH3

X- +C

CH3

CH3

CH3

120°

109° 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' CRESCENTE DEI CARBOCATIONI+CH3 < CH3CH2

+ < (CH3)2CH+ < (CH3)3C+

Effetto induttivo +I degli alchili

Quando si formano carbocationi ci possono essere prodotti non attesi:

(CH3)3CCH(Cl)CH3 + Br- (CH3)2C(Br)CH(CH3)2

prodotto atteso prodotto inatteso

(CH3)3CCH(Br)CH3 +

SN1

CH CH3

Cl

CH3

C

CH3

CH3

+CH CH

3

CH3

C

CH3

CH3

CH CH3

Br

CH3

C

CH3

CH3

prodotto atteso

Br-

+CH

3

CH3

CCH3

CH3

CH

Br-

CH3

CH3

CCH3

CH3

CH

Br

prodotto inatteso

TRASPOSIZIONE (REARRANGEMENT)

64

Un CARBOCATIONE dà TRASPOSIZIONE tutte le volte che si può trasformare

in un carbocatione più stabile, per migrazione 1,2 di H3C: (o di H:)

Il metile migra più facilmente di H

+

+CH

3C CH

CH3

CH3

H

CH3C CH

H

CH3

CH3

STABILITA' CRESCENTE DEI CARBOCATIONI

+CH3 < CH3CH2+ < (CH3)2CH+ < (CH3)3C

+ < allilico, benzilico

CH2

+CH

2 CH2

CH2

+ +

+

CH2

+

i carbocationi allilico e benzilico sono stabilizzati per risonanza

CH2=CH-CH

2

+CH

2-CH=CH

2

+

ATTENZIONE !!!!

Carbocationi sul C sp2 (VINILICI, ARILICI) NON sono stabili: l'orbitale

vuoto (sp2) è PERPENDICOLARE agli orbitali p e quindi NON PUO'

PARTECIPARE ALLA RISONANZA

non si formano++

65

Se il C centro di reazione è legato ad un sistema di elettroni p

(doppi legami o anelli benzenici), la reattività è maggiore a quella

del corrispondente composto saturo

Alogenuro alchilico velocità relativa velocità relativa

SN1 SN2

1

33

380

ca.105

1

40

120

CH3CH

2X

CH2=CHCH

2X

C6H

5CH

2X

(C6H

5)2CHX

SN1 i carbocationi allilico e benzilico sono stabilizzati per risonanza

PIU' STABILE E' IL CARBOCATIONE, MINORE E' L'ENERGIA DELLO

STATO DI TRANSIZIONE DELLO STADIO IN CUI IL CARBOCATIONE SI

FORMA. più veloce è la reazione

SN2 Lo stato di transizione è stabilizzato dall'interazione con il

sistema p

-

HO- Cl-- - - - -ClCH

CH2

C

H H

CH

CH2

CH2-Cl

HO- - - -+ CH

CH2

CH2-OH

+

-

HO-Cl-+

CH2-Cl CH

2-OH

+C

H H

-------ClHO------

66

CC

C

Cl

OH

sta uscendo

si sta avvicinando

parzialesovrapposizione

nello stato di transizione

Un legame p più distante dal centro di reazione non ha effetto

CH2=CH-CH

2CH

2Cl

CH2CH

2CH

2Cl

il legame p è troppo lontano per

dare sovrapposizione nello stato di

transizione

Reagiscono come gli

altri alogenuri primari

5. ANDAMENTO STEREOCHIMICO

SN2 Nello stato di transizione nucleofilo e gruppo uscente

condividono i due lobi dello stesso orbitale

#

..

..

Nu

..

..X

X

-

-

(-)

(-)

X

..

C

CH3

HCH

2CH

3

CCH

3

HCH

2CH

3

Nu

..C

CH3

HCH

2CH

3

INVERSIONE DELLA CONFIGURAZIONE REAZIONE

STEREOSPECIFICA

67

(S)

I--

-

(R)

#

I- - - - - - - - -Br C

CH3

CH2CH

3

HIC

CH3

CH2CH

3

H

C

CH3

CH2CH

3

HBr

Una reazione è STEREOSPECIFICA se si forma UNO SOLO di più

stereoisomeri possibili.

Una reazione si dice STEREOSELETTIVA quando uno dei possibili

stereoisomeri si forma in prevalenza.

SN1 Il carbocatione è planare

.. X

..(-)

+

X

..

C

CH3

HCH

2CH

3

CH3

CH2CH

3

HC

+Nu

(-)..

Nu

....

C

CH3

HCH

2CH

3

+

..

Nu

..

CCH

3

HCH

2CH

3

RACEMIZZAZIONE

FACCE

ENANTIOTOPICHE

68

Br-C sp2

OH

CH3.. ..

C

H

CH2

CH3 CH

3

OH

CH3

. ...

C Br

H

CH2

CH3

CH3

++

:C O

H

CH2

CH3

CH3

H

CH3

:+

CO

H

CH2

CH3

CH3

H

CH3

50% 50%

- H+

(R) (S)

CO

H

CH2

CH3

CH3

CH3

C O

H

CH2

CH3

CH3

CH3

LA SOSTITUZIONE NUCLEOFILA E' (QUASI) SEMPRE ACCOMPAGNATA

DALLA REAZIONE DI ELIMINAZIONE

Quando si forma un carbocatione, questo può evolvere in modo

diverso dalla sostituzione nucleofila, perdendo un protone in

posizione b e dando un ALCHENE.

C Br

CH3

CH3

CH3

lento

C

CH3

CH3

CH3

---------Br+ -

C

CH3

CH3

CH3

+ + Br-=/

+

:B =/

-----

B-------H

C

CH3

CH3

CH2

H

C

CH3

CH3

CH2

C

CH3

CH3

CH2

La sostituzione SN1 è accompagnata SEMPRE da una reazione di

ELIMINAZIONE, che avviene con meccanismo

E1 Eliminazione

Unimolecolare

69

-+

SN2

E2 +

CH2

CH

BrH

CH3

CH3

CH

OCH2-CH

3

CH3

CH3

CH2

O

CH2

CH CH3

CH3

CH2OH

Quando un nucleofilo forte è anche una BASE FORTE, la sostituzione

SN2 è accompagnata da una reazione di ELIMINAZIONE, che avviene

con un meccanismo

E2 Eliminazione

Bimolecolare

70

R-X

R+

E1

SN1

alchene

R-Y

E


R-XR-Y

alchene

E2

SN2E


Quando c'è una base forte ed un idrogeno sufficientemente acido (cioè si

forma un carbanione sufficientemente stabile) si può avere un altro

lento -+ Br-

/=CH

2BrCHR

----- -------BrCH2

CHR CHR CH2

:B+

BH

-

II

H-------B /=

- +

+CH2

BrCHR

H

CHR CH2

Br CH2

BrCHR

E1cB Eliminazione

Unimolecolare

sulla Base

coniugata

71

6. SOLVENTE, TEMPERATURA

In assenza di nucleofili forti, i solventi POLARI PROTICI (H2O,

ROH, RCO2H) favoriscono i processi UNIMOLECOLARI, perché

favoriscono la formazione del carbocatione, mediante interazione

di legame idrogeno

IN TUTTI GLI ALTRI SOLVENTI, I PROCESSI UNIMOLECOLARI NON HANNO

LUOGO

I processi BIMOLECOLARI sono abbastanza indipendenti dal

solvente. E' invece influenzata dal solvente la NUCLEOFILICITA'

del nucleofilo.

I solventi polari protici solvatano bene gli ioni, mediante legame

idrogeno, diminuendo la nucleofilicità degli anioni.

F-O H

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OHCH

3

....

....

... .........

I-OH

CH3

OH

CH3

OH CH

3

... ...

....

. .

I solventi polari APROTICI solvatano bene i cationi, ma non gli anioni e

perciò ne aumentano la nucleofilicità

Solventi dipolari aprotici più comuni:

CH3COCH3 C NCH3

DMF

CN(CH

3)2H

O

DMSO

SCH

3CH

3

O

solfolano

S

O O

esametilfosforotriammide

P

O

N N

N CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

HMPT(HMPA)

N,N-dimetilformammide

72

Un aumento di TEMPERATURA favorisce il processo con energia di

attivazione più alta e quindi aumenta la percentuale di ELIMINAZIONE.

R-XR-Y

alchene

E2

SN2E

coordinata di reazioneR-X

R+

E1

SN1

alchene

R-Y

E


Reazione di ELIMINAZIONE

Che cosa succede quando nella molecola di alogenoalcano ci sono H diversi in b?

CH3OHCH

3CH

2C

CH3

CH3

Br +CH3CH

2C

CH3

CH3

SN1 CH3

CH2

C

CH3

CH3

O CH3

H

+CH

3CH

2C

CH3

CH3

O CH3

H+

E1

H+

CH3CH C

CH3

CH3

CH3CH

2C

CH2

CH3

+

2-metil-2-butene 2-metil-1-butene

+CH3

CH C

CH2

CH3

HH

b

b'I due alcheni NON si formano in quantità uguali

ORIENTAMENTO

Tutte le volte che uno dei possibili prodotti di una reazione si forma in quantità

maggiori rispetto agli altri, si parla di ORIENTAMENTO

Se in una molecola ci sono H NON EQUIVALENTI in b al gruppo uscente, quale

alchene si forma in una reazione di eliminazione?

73

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).

Fatto sperimentale:

CH3CH

2CH CH

3

Br

E1

HBr

CH3CH CH CH

3CH

3CH

2CH CH

2+

80% 20%

Come si spiega?

Gli alcheni sono tanto più stabili quanto più il doppio legame è sostituito

CH2

CH2 CH CH

2CH3

CH CHCH3

CH3 C CHCH

3CH

3

CH3

C CCH3

CH3

CH3

CH3

< < < <

STABILITA' CRESCENTE DEGLI ALCHENI

Vediamo nel corso della reazione a che punto inizia a formarsi il doppio legame

E1

R-X

R+

alchene MENO sostituito


E

1° Stato di Transizione

(determina la velocità)2° Stato di Transizione

(determina i prodotti)

alchene PIU' sostituito

parziale doppiolegame

- - - -

H +

+CH3

CH C

CH3

CH3

E2 B:- +

B- - -

-

- - -

/=H

CH2

CH CH3

Br

CH2

CH CH3

-

CH2

CH CH3

BrH

Lo stato di transizione che determina la formazione dei prodotti ha un

PARZIALE CARATTERE DI DOPPIO LEGAME in entrambi i meccanismi.

74

l'orientamento (secondo Saytzeff) PORTA ALLA

FORMAZIONE di PREFERENZA dell'ALCHENE PIU'

SOSTITUITO (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 REGIOSPECIFICA.

Se una reagisce di preferenza rispetto all’altra, si dice che la reazione è

REGIOSELETTIVA.

La b-eliminazione è REGIOSELETTIVA


+

HBr

CH3CH

2CH CH

3

Br

CH3CH CH CH

3CH

3CH

2CH CH

2

cis o trans ?

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 H in b

sono in anti tra loro

:OH..

..-

.. -:Cl:..

....-

-

----

/=

C C

H

CH3

CH3

ClH

H

C C

CH3

CH3

Cl

H

H

OH

HO H

H

C CCH

3CH

3

H H

75

O H

H

= C CCH

3CH

3

H H

/=

O H-

H

Cl..

..

-

-

H

..

..

..

C C

CH3

CH3

H

H

C C

CH3

CH3

H

H

O H

Cl

C CCH

3 CH3

H H

Cl

..-

ELIMINAZIONE "ANTI"

Se si parte da uno stereoisomero puro:

BrH

H Br

CH3

CH3

=

BrHH Br

CH3

CH3

=

Br

HH

Br CH3

CH3

/=

-

-Br

H

CH3Br

H

CH3

OH

E

cis

/=

-

-

HBr

CH3

CH3

Br

H

CH3Br

H

CH3

OH

REAZIONE

STEREOSPECIFICA

E1 Il doppio legame si forma a partire dal carbocatione

+CCH

CH3

H

H

CH3

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,

76

STATO DI TRANSIZIONE CHE PORTA AL trans:

+

-

-----CC

CH3

H

H

CH3

HB

HCH3

=

+

-

H CH3

HB

HBHCH

3

H CH3 = CC

CH3

H

H

CH3

STATO DI TRANSIZIONE CHE PORTA AL cis:

HCH3

HCH3

+ =

HBHCH

3

CH3 H CC

CH3

H

CH3

H

=

-

CC

CH3

H

CH3

H

HB

-----

HB-

+

SI FORMANO TUTTI GLI ALCHENI, CON PREVALENZA DI QUELLO CHE SI

E' FORMATO ATTRAVERSO LO STATO DI TRANSIZIONE PIU' STABILE

E2 CON ALOGENOCICLOESANI

Non tutte le conformazioni sono reattive

HH

Cl

Cl

con Cl assiale,

2 H b in anti

con Cl equatoriale,

nessun H b in anti

conformero meno stabile,

reattivo nella E2

conformero più stabile,

non reattivo nella E2

Si possono avere anche risultati "inattesi":

CH3

CHCl

CH3

CH3

E2

veloce

CH3

CH

CH3

CH3

CH3

CH

CH3

CH3

25% 75%

prevale l'alchene più stabile

però E2

lenta

100%

CH3

CH

Cl

CH3

CH3

CH3

CH

CH3

CH3

Si forma SOLO l'alchene MENO stabile

77

(2-cis,5-trans)-1-cloro-2-isopropil-4-metilcicloesano

HH

Cl

CH3

CH(CH3)2

CH(CH3)2

CH3

Cl

conformazione più stabile,

reattiva nella E2

conformazione meno stabile,

non reattiva nella E2 può dare entrambi

gli alcheni, prevale

il più stabile

(2-trans,5-cis)-1-cloro-2-isopropil-4-metilcicloesano

CH3

CH(CH3)2

H

Cl

CH(CH3)2

CH3

Cl

conformazione più stabile,

non reattiva nella E2

conformazione

meno stabile un solo H b, può dare

un solo l'alchene,

quello meno stabile

Quando si forma in prevalenza l'alchene meno stabile, si parla di

orientamento secondo HOFMANN; questo tipo di orientamento si

ha solo con il meccanismo E2, in casi particolari.

Fattori che favoriscono l'orientamento secondo Hofmann:

1. VOLUMINOSITA' DELLA BASE

E2+CH

3CH

2CH CH

3

Br

CH3CH CH CH

3CH

3CH

2CH CH

2

con B- = CH3CH2O- (piccola) 81% 19%

con B- = (CH3)3CO- (voluminosa) 47% 53%

OC

C

C

C

HH

H

H

H

H

HH

H

-

CH3CH CH CH

2

BrH H-O C

C

C

C

HH

H

H

H

H

HH

H

repulsione repulsione minore

78

2. VOLUMINOSITA' DI RX

E2C CH

2C CH

2

CH3

CH3

CH3

CH3C CH

2C CH

3

Br

CH3

CH3

CH3

CH3

86%

meno affollato

3. VOLUMINOSITA' DEL GRUPPO USCENTE

-OH

+

96%

+ H2O

+

CH2CH CH

2CH

3CH

2N CH

3CH

3

CH3

CH2CH CH

3

N CH3

CH3

CH3

CH3

CH2

difficilmenteaccessibile più facilmente

accessibile

L'ORIENTAMENTO DI TIPO HOFMANN SI OSSERVA SOLO NEL

MECCANISMO E2

+ Nu: con quale meccanismo?R XSN1, E1 o SN2, E2 ?

1. C'è il Nu: forte?

NO SI

BIMOLECOLARE 2. SOLVENTE

POLARE PROTICO

(H2O, ROH, RCO2H)

UNIMOLECOLARE

polare NON protico;

APOLARE

NESSUNA

REAZIONE

79

UNIMOLECOLARE

+C

SN1 E1

BIMOLECOLARE

3.Natura di R

R 1°, 2° R 3°

E2 SN2 + E2

REAZIONI CON 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 C-metallo si chiamano composti

organometallici

Il Mg° ha due elettroni sul guscio di valenza, con i quali può formare legame

con il C cedendo elettroni, il Mg si OSSIDA

..:

.. Mg° +- +

:X:..

.. -R X + R Mg

alogenuro di alchilmagnesio

Il C è il polo negativo del dipolo è un C NUCLEOFILO

I composti organometallici del magnesio (reattivi di Grignard) si possono

ottenere anche dagli alogenoalcheni e dagli alogenuri aromatici

80

esempi:CH3I + Mg CH3MgI ioduro di metilmagnesio

+ Mg

MgBrBrbromuro di fenilmagnesio

+ MgCl MgCl cloruro di vinilmagnesio

Il Li° ha un elettrone sul guscio di valenza; per formare legame con il C

servono DUE elettroni e quindi DUE atomi di Li°

Li°, cedendo l'elettrone, si ossida a Li+

R X :.. + 2 Li° R Li..

+ Li+Br-- +

alchillitio

esempio:CH2CH2CH2CH2Br + 2 Li CH3CH2CH2CH2Li

LiBr butillitio

E’ uno dei metodi migliori per cambiare la polarità del C, da elettrofilo

(nell’alogenoalcano) a nucleofilo (nel magnesio- o litioorganico)

I composti litioorganici reagiscono con alogenuri di rame(I) dando composti

organometallici del rame, che si chiamano cuprati.

R Li2 + CuI [R2Cu]-Li+ + LiI

dialchilcuprato

esempio:2 CH3Li + CuI

LiI

[(CH3)2Cu]Li

dimetilcuprato di litio

Il C dei composti organometallici, carico negativamente, è FORTEMENTE

basico e reagisce con gli H acidi

R MgX H O R H

R Li H O R H

+ + XMgOH

+ + LiOH

I gruppi funzionali contenenti un H sufficientemente acido

O H N H C C H, ,

sono incompatibili con i composti organometallici, perché sono

abbastanza acidi per reagire con essi

81

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.

PRINCIPI DELLA SPETTROMETRIA DI MASSA

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) su104 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’HOMO, 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.

82

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 C2H6 e

consideriamo possibili percorsi

di frammentazione dello ione

molecolare che comportino solo

scissione del legame C-H, ma

con formazione di un atomo

neutro, di un radicale neutro e

di una molecola neutra

CH2

CH2 H

H

CH2

CH2 H

CH

2

CH2 H

CH2

CH2

HH

CH2

CH2

HH

+.

+

.

H.+

+ H+

+ +.

+.+

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.

M+.

A+ + N1

.

step Ia step Ib

B+. + N2

N3+C+

step IIa step IIb

D+ + N4

.

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.

83

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.

Attorno ai picchi grandi ci possono essere picchi di abbondanza relativa

bassa. Per esempio, una piccola parte di molecole di metanolo avrà 13C

(1.08% di abbondanza naturale) invece di 12C e qualche atomo di idrogeno

sarà 2H (D) (0.015%) invece di 1H.

LO SPETTRO DI MASSA SEMPLICE

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.

Consideriamo il metanolo: CH3OH, Peso Molecolare = 32

Ci 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

due tracce dello spettro di massa

del metanolo, una registrata con

una sensibilità dieci volte maggio-

re dell’altra. Questo permette di

vedere anche i picchi meno ab-

bondanti.

m/z attribuzione

32 CH3OH+.

31 CH2OH+

29 CHO+

15 CH3+

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.

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

84

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.

CH2

CH3

CH2

CH2

CH3

CH2

CH3

CH2

CH2

CH3

CH2

CH3

CH2

CH2

CH2

CH3

CH3

.CH

2CH

2CH

3

e

2 e

+.

+ +.+

+

m/z = 57

m/z = 72

m/z = 43

CH3

CH2

CH3

CH3

CH

CH2

CH3

CHCH2

CH3

CH3

CH3

.

CH3

CH2

CH3

CH3

CH

CH3

CH3

CH+

e

2 e

+.

+.

+ +

m/z = 72

m/z = 57 m/z = 43

85

M+

M+ M+ - 15

M+ - 15

M+ - 29

M+ - 29

ALCOOLI

Caratteristica strutturale degli alcooli O-H legato a C sp3


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 C all’OH ed il C b

(carbocatione stabile)

C OH

R'

R''

R

+.+

R.

++

C OHR'

R''

C OHR'

R''

Il gruppo alchilico più grande viene perso più facilmente (radicale

più stabile).

86

1-esanolo, P.M. 102

M+-H2O

C4H9+

C3H7+

CH2OH+

2-esanolo, P.M. 102

M+-H2O

M+-CH3

M+-C4H9

2-metil-2-pentanolo

P.M. 102

M+-C3H7

M+-CH3

CH2

CH2

CH2

CH3

CH CH3

OH

CH2

CH3

CH2

CH3

OH

CH3

C

87

stretching O-H

picco stretto, 3650-3600 cm-1 (OH libero)

picco largo, 3500-3200 cm-1 (OH in legame H)


richiedono l = 185-195 nm (lontano

UV): fuori dal comune intervallo

UV-visibile

IR

stretching C-O 1250-1000 cm-1

Negli spettri di film liquido si vede solo la banda dell’OH impegnato in legame

idrogeno; in soluzione si vedono entrambe.

CH3

CH2

OHCH2

(liquido puro)

CH3

CH2

OHCH2

(in CCl4)

1-esanolo in CCl4

1-esanolo film liquido

88

13C NMR L’effetto -I dell’O diminuisce la densità elettronica

attorno al nucleo del 13C: deschermato

1H NMR L’effetto -I dell’O diminuisce la densità elettronica

attorno al nucleo del 1H: deschermato a 3.5

Il nucleo 1H dell’OH può risuonare in un intervallo ampio di chemical shift,

tra 0.5 e 5.0 ; la posizione dipende da vari fattori (concentrazione, temperatura,

solvente, legame idrogeno, ecc.)

R O

HR O

RO

H -R OH

2++

L’H dell’OH è sufficientemente acido (H mobile) per dare equilibrio

acido-base veloce rispetto al tempo di risposta dell’NMR

Questo significa che, di solito, l’H non si ferma sull’O abbastanza a

lungo per influenzare il campo magnetico di un H su un C adiacente,

né per esserne influenzato.

l’H dell’OH è un singoletto, un po’ allargato, a meno di rallentare lo scambio,

per esempio abbassando la temperatura, eliminando le impurezze acide,

usando soluzioni diluite.

es.: metanolo

+ 37°C

OH

CH3 + 10°C

- 10°C - 65°C

89

Se si vuole confermare che un segnale nello spettro 1H NMR sia dovuto a OH, si

aggiunge alla soluzione qualche goccia di D2O

+ +R OD D O HR OH D O D

Il protone mobile scambia con D ed il segnale diminuisce o scompare del tutto

CH3CH

2CH

2OH

ABCA B

C

A C

B OH

esempio: 1-propanolo

..

..

d

c

b a

C H

CH O H

alcossidoBASE

a

C H

CH O-

..

..R-O-H

ACIDO

+

C H

CH OH

Hb,c

b

alcheni

C H

CH X

C

C

Ha,d

ossidazione

aldeidi e chetoni

C H

C

O

90

Rottura del legame C-O

SOSTITUZIONE NUCLEOFILA + HBr + H2OCH3CH

2OH CH

3CH

2Br

ELIMINAZIONE H2SO4

+ H2OCH

2CH

2CH2CH

2OH

H

-OH è un cattivo gruppo uscente: può essere trasformato in un buon

gruppo uscente per protonazione reazioni in ambiente acido

CH3CH

2OH

2Br-

+

..

.. + H+ +

buon gruppouscente

Nu:-+ H2O

Nu:- = I-, Br-, Cl-, F-

R OH R O

H

H

R Nu

esempi: CH3CH2CH2OH + HBr CH3CH2CH2Br + H2O

(CH3)2CHOH + HI (CH3)2CH-I + H2O

(CH3)3COH + HCl (CH3)3C-Cl + H2O

A parità di alcool, la reattività dipende dalla forza dell'acido

HF HCl HBr HI3.2 -7 -9 -9.5pKa

reattività crescente verso gli alcooli

forza acida crescente

A parità di acido, la reattività dipende dal tipo dell'alcool

metile < primario < secondario < terziario

reattività crescente degli alcooli con HX

Su questa diversa reattività si basa il saggio di riconoscimento degli alcooli

(saggio di Lucas)

alcool terziario (CH3)3C-OH + HCl 25°C

(CH3)3C-Cl + H2O

91

alcool secondario (CH3)2CH-OH + HClZnCl2 (CH3)2CH-Cl + H2O

alcool primario CH3CH2CH2-OH + HClZnCl2

CH3CH2CH2-Cl + H2O

Il cloruro che si forma è immiscibile con la fase acquosa e si deposita

sul fondo (ha densità maggiore dell'acqua).

stesso ordine di reattività

terziario (CH3)3C-OH + H2O H2SO4

60°CC CH

2

CH3

CH3

secondario (CH3)2CH-OH + H2O H2SO4

100°CCH CH

2CH

3

CH2

CH2

primario CH3CH2-OH + H2O H2SO4

180°C

Con H2SO4

Con H2SO4 si riesce ad isolare il prodotto di sostituzione solo a

temperatura molto bassa

R-CH2CH2-OH + H2SO4 R-CH2CH2-OH2

++ HSO4

-

- H2O H2OH+, H2O

H2SO4

CH2O S OH

O

O

CH2

RCH CH2

CH2

R

nucleofilo debole

ottimo gruppo uscente

Meccanismo:

H2SO4+

++

+ OH2

lento

+ veloce

veloce

H+

CH3CH CH

3

OH

CH3

CH CH3

OH2

CH3CH CH

3

CH3CH CH

2

H

CH3

CH CH2

92

Orientamento:

H2SO4

prevalente

+

H2O

CH2CH CH

3

OH

CH3

CH CH CH3

CH3

CH2CH CH

2CH

3

Saytzeff

H2SO4

H2Ounico prodotto

CH2CH CH

3

OHCH CH CH

3

Come sempre, quando si formano carbocationi, c’è possibilità di trasposizione

C CH CH3

OH

CH3

CH3

CH3

H2SO4

95°CC C

CH3CH

3

CH3

CH3

H+

+

C CH CH3

OH2

CH3

CH3

CH3

H2O

+ +

C CH CH3

CH3

CH3

CH3

C CH CH3

CH3

CH3

CH3

H+

Se con H2SO4 si trattano 1,2-dioli:

H+

+ H2OCH3 C

CH3

CH3

CH3

C

O

CH3 C

CH3

OH

CH3

C

CH3

OH

2,3-dimetil-2,3-butandiolo (pinacolo) 3,3-dimetilbutanone (pinacolone)

TRASPOSIZIONE PINACOLICA

CH3 C

CH3

OH

CH3

C

CH3

OH H+

CH3 C

CH3

OH2

CH3

C

CH3

OH+

H2O

CH3 C

CH3

CH3

C

CH3

OH+

- H+

CH3 C

CH3

CH3

CH3

C

OH

+

:

CH3

C

CH3

CH3

CH3

C

OH+

CH3

C

CH3

CH3

CH3

C

O

93

Può migrare anche un H:

H+

+ H2OCH3 C

H

OH

CH3

C

H

OH

CH3 CH

2CH

3C

O

+H+

H2O

+CH

3C

H

OH2

CH3

C

H

OH

CH3C

H

OH

CH3

C

H

OH

CH3

C

H

CH3

C

H

OH

- H+

+

:+

CH3 C

H

H

CH3

C

OH

CH3

C

H

H

CH3

C

OH

CH3

CH2

CH3

C

O

Se i sostituenti del diolo sono diversi:

viene protonato l'OH più basico

migra il gruppo che lascia il carbocatione più stabile

MECCANISMO della SOSTITUZIONE degli alcooli in ambiente acido

Sostituzione di -OH2+ SN1 o SN2 ?

con metanolo ed alcooli primari SN2

H++ X

- -

stato di transizione

CH3

CH2

OH2CH

3CH

2OH

CH3

CH2

OH2

X X-CH2CH3

+ H2O

con alcooli secondari e terziari SN1

+H+

H2O+

X-

CH3

CH OH

CH3

CH3

CH OH2

CH3

CH3

CH

CH3

CH3

CH

CH3

X

94

La sostituzione dell'OH può avvenire anche in ambiente non acido

Il gruppo -OH può essere sostituito SOLO DOPO TRASFORMAZIONE

IN UN BUON GRUPPO USCENTE

però…..

Gli alcooli si possono trasformare in alogenuri alchilici usando cloruri di P e S

PCl3 PCl5 SOCl2

tricloruro di fosforo pentacloruro di fosforo cloruro di tionile

3 R-OH + PCl3 3 R-Cl + H3PO3

R-OH + PCl5 R-Cl + POCl3 + HCl

R-OH + SOCl2 R-Cl + SO2 + HCl

Questi composti trasformano l’OH in un buon gruppo uscente, che viene

sostituito con un meccanismo SN2 (e quindi gli alcooli terziari non reagiscono)

P e S hanno un buon gruppo uscente (Cl), che

viene sostituito dall’alcool (O nucleofilo)

Con PCl5

+

Cl-+ HCl +..

.. ..R O H R O PCl

4Cl PCl4

R O H

PCl4 buon gruppo uscente

buon gruppo uscente

+R Cl HOPCl4 POCl3 + HCl

Con SOCl2

+

Cl-

R O H + Cl S Cl

O

..

..R O H

SCl

O

..

buon gruppo uscente

HCl + S Cl

O

R O

R-Cl + SO2 + HCl

buon gruppo uscente

95

++ HCl +

buon gruppo uscente

R ClR O H Cl PCl2

R O PCl2 OH PCl

2

+ HCl + +

buon gruppo uscente

R Cl

OH

P ClR O

OH

P ClClR O H

OH

P ClOH

+ HCl + +

buon gruppo uscente

OH

P OHR O

OH

PCl OHR O H R Cl

OH

P OHOH

Con PCl3


Con PCl3

1.+

+

- H+

(S)-2-butanolo clorofosfito di (S)-2-butile

H C OH

CH2

CH3

CH3

P Cl

Cl

Cl

P

Cl

ClH C O

CH2

CH3

CH3

H

P

Cl

Cl

H C O

CH2

CH3

CH3

Nessuno dei legami del C* è

stato interessato dalla reazione

2.

Cl-

SN2

(R)-2-clorobutano

+ -OPCl2P

Cl

Cl

H C O

CH2

CH3

CH3

Cl C H

CH2

CH3

CH3

Inversione di configurazione

analogamente con PCl5

96

Con SOCl2 L’andamento stereochimico dipende dalle condizioni di reazione

(S)-2-butanolo

1.+ +

- H+

clorosolfito di (S)-2-butile

+ HClH C OH

CH2

CH3

CH3

S Cl

O

Cl S Cl

O

H C O

CH2

CH3

CH3

H

S ClH C O

CH2

CH3

CH3

O

In presenza di base (ammina terziaria):

R3N: + HCl R3NH+ + Cl-

Nu-

S ClH C O

CH2

CH3

CH3

O2.

Cl-

SN2Cl C H

CH2

CH3

CH3

(R)-2-clorobutano

S OO+ + Cl-

Inversione di configurazione

In assenza di base, nel solvente poco polare (dietil etere) HCl è indissociato

manca il nucleofilo forte

gabbia del solvente

2.

Cl-

SNi+ +

(S)-2-clorobutanocoppia ionica

H

C

CH2

CH3

CH3

S ClH C O

CH2

CH3

CH3

O

H C Cl

CH2

CH3

CH3

SNi: il nucleofilo entra dalla stessa parte: “ritenzione” della configurazione

S OO

97

ALTRE REAZIONI DEGLI ALCOOLI

+ H2O + H3O- +CH

3OH CH

3O

+ OH + H2OCH3

OH CH3

O

Per avere formazione completa di alcossido:

CH3

O H

CH3

O

+ Na°

- + 1/2 H2Na+

ALCOOLI COME ACIDI

REAZIONI CON GLI ACIDI

a) Acidi carbossilici

+ + H2OCH3

C OH

O

O CH2

H CH3

CH2

CH3

OCH3

C

O

Formazione di esteri

+ + H2OC OH

O

O CH2

H CH3

CH2

CH3

OC

O

b) Acidi inorganici

+ 3 H2O

OCH2

H

CH

OCH2

H

O H

OH NO2

OH NO2

OH NO2

+

NO2

OCH2

CH

OCH2

O NO2

NO2

1,2,3-propantriolo

Meccanismo: v. reazioni acidi carbossilici

Formazione di esteri carbossilici

Formazione di esteri degli acidi inorganici

nome corrente: glicerolo trinitroglicerina

triestere dell’acido nitrico

98

Meccanismo:

1. formazione di NO2+

+-

OH NO2

O NO2OH

2

+NO

2

(reazione acido-base)

++

OH2

+NO

2H

2O NO

2ione NITRONIO (elettrofilo)

2. reazione di NO2+

++:.. +

- H+

nitrato di metileNO

2OCH3

H

OCH3

H

NO2

OCH3

NO2

+ +

solfato acido di metile

OCH3

H H2OOCH

3S OH

O

O

OH S OH

O

O

+

solfato dimetilico

+OH S O

O

O

CH3 OCH

3 S O

O

O

CH3

OCH3

H H2O

ROH + H2SO4

0°C

ROSO2OH + ROSO2OR + H2O

alcheni + H2O

c) Acidi solfonici

+

H2O

acido p-toluensolfonico p-toluensolfonato di R (tosilato)

OR H OH S

O

O

CH3

O S

O

O

CH3

R

Per avere completamente il solfonato, l’alcool si fa reagire con il cloruro di p-metil

benzensolfonile

+

HCl

OR H Cl S

O

O

CH3

O S

O

O

CH3

R

tosilato di R

S

O

O

CH3

Ts

Formare il tosilato è un altro modo di trasformare l’OH in un buon gruppo uscente

Cl- SN2

+ -

+ CH2

CH3

O Ts CH2

CH3

Cl O Ts

CH3OH

SN2+

-+

..+

- H+

CH2

CH3

O Ts CH2

CH3

O

H

CH3

O Ts CH2

CH3

O

CH3

99

REAZIONI DI OSSIDAZIONE degli Alcooli

Ossidazione biologica dell'etanolo

alcool deidrogenasiCH

3C H

O

CH3CH

2OH

Ossidazione chimica

[O] - HSCoA

acetilcoenzima A

trigliceridi, ecc.

CO2 + H2OCH

3C O

O

CH3

C H

O

CH3

C SCoA

O

alcool 1oRCH2OH

[- 2H] [O]R C H

O

R C OH

O

alcool 2oR2CHOH

[- 2H] [O]R C R

O

Xalcool 3o R3COH

[- 2H]

Xossidanti tipici

KMnO4, OH-

HNO3 conc.

H2CrO4

Na2CrO4 + H+ K2Cr2O7 + H+

ATTENZIONE! Gli alcooli terziari non vengono ossidati; però alcuni

ossidanti sono acidi e come tali possono reagire con

gli alcooli terziari

R3COH + [O]

OH-

H+

NESSUNA REAZIONE

alchene prodotti di ossidazione dell'alchene

Meccanismo (semplificato)

R2CHOH- H2O

R C R

O

+ HCrO4- R

CR

H

O Cr O

O

O

.. - +

Cr(VI) Cr(IV)

Cr

O

O

OH

-

ESEMPI

KMnO4, H2O, tampone basicoCH

OH

CH3

CO

CH3

72%

100

HNO3 Br (CH2)5

CH2

OH Br (CH2)5

COH

O

75%

Per ossidare gli alcooli primari ad aldeide è necessario usare reagenti

speciali, particolarmente blandi (mild) in condizioni controllate.

Reattivo di Jones K2Cr2O7, H2SO4 diluito, (CH3)2C=O

RCH2OH R C H

Oeccesso di reattivo

R C OH

O

Reattivo di Collins CrO3 2.

N

CH3(CH

2)5CH

2OH CH

3(CH

2)5 C H

O

clorocromato di piridinio (PCC)CrO3 . . HCl

N

2-etil-1-esanolo 2-etilesanale87%

H

O

OH

Ossidazione dei DIOLI

HIO4 acido periodico

scissione + + HIO3CH

CH OH

OHR

RC

O

R H C

O

RH

reagente caratteristico

perché la reazione avvenga è necessario che i due -OH siano su C adiacenti

101

La scissione del legame C-C avviene anche se sono adiacenti un -OH

ed un C=O

La scissione del legame C-C non avviene se sono adiacenti un -OH ed

una funzione -OR

HIO4+ + HIO3

O OH

RR CHC C

O

R OH C

O

RH

HIO4nessuna reazione



CH

OH

R CH

OH

RCH2

C

O

R CH

OH

RCH2

OH OCH3

RR CHCH

Se ci sono più di due -OH su C adiacenti, TUTTI i legami C-C si rompono

HIO4+ 3CH

2

OH

CH

OH

CCH

OH O

H C

O

H H C

O

H OH

Meccanismo:

C

C OH

OHR

R

R

RH2O

C

C O

OR

R

R

R

I O

O

OH

I OO

O

OH..

..

C

R

R

O + C

R

R

O HIO3+

102

ETERI


Caratteristica strutturale degli eteri - O -


La frammentazione più importante avviene tra il C all’OH ed il C b

(carbocatione stabile) +. +

R.

++

CH2

OHCH2

OHCH2

OR R'

diisopropil etere, P.M. 102

CH3

CH3

O

CH3

CH

CH3

CH

M+-C3H7

M+-CH3

UV-visibile Solo legami s: le transizioni n s*



IR stretching C-O 1300-1000 cm-1

CH3

CH3

O

CH3

CH

CH3

CH

103

13C NMR L’effetto -I dell’O diminuisce la densità elettronica


1H NMR L’effetto -I dell’O diminuisce la densità elettronica

attorno al nucleo del 1H: deschermato a 3.5

dipropil etere

CH3

CH3

O

CH3

CH

CH3

CH

CH

CH

CH3 CH3

OCH2

CH2

CH3

CH2

CH3

CH2

A B C

A B

C

A

B

C

104

POCO REATTIVI

USATI SPESSO COME SOLVENTI

Fra gli eteri, quelli più usati come

solvente, oltre al dietil etere, sono

quelli ciclici O O

O

ossaciclopentano

(tetraidrofurano)

1,4-diossacicloesano

(diossano)

Danno reazione solo con HI, a caldo

+ HI..+

+ I-

+ R'I + + RI..

..R O R'

H

R OH R' OHR O R'

reazione acido-base sostituzione nucleofila

esempio: CH3CH2OCH2CH2CH2CH3

+ HI

CH3CH2OH + I-CH2CH2CH2CH3+

CH3CH2-I + HOCH2CH2CH2CH3

..

..R-O-R'

se c'è un eccesso di HI e si lascia il tempo, anche gli alcooli reagiscono con HI

CH3CH2OH + CH3CH2CH2CH2OHHI

CH2CH2I + CH3CH2CH2CH2I

+ CH2=CH2 + CH2=CHCH2CH3

però

+ HI

+ CH3I

OHO CH3

Viene attaccato da I- SOLO il C sp3

+

- ecc.O CH

3O CH

3

legame C(aromatico-O più

forte di C(alifatico)-O

Gli eteri ciclici con anelli tesi sono più reattivi perché, con l'apertura

dell'anello, hanno sollievo dalla tensione d'anello

OSSACICLOBUTANI reagiscono anche con HBr, a caldo

APERTURA DELL'ANELLO

105

HBr

OHOCH2CH2CH2Br

meccanismo:

HBr + Br-O O

H

OSSACICLOPROPANI MOLTO REATTIVI APERTURA DELL'ANELLO

a) con NUCLEOFILI FORTI SN2

+ Nu:--

H+

CH2

CH2

O

Nu CH2

CH2

O

Nu

H

CH2

CH2

O

esempio:

+-:SCH3

-H+

CH2

CH2

O

CH2

CH2

O

SCH3 CH

2CH

2OH SCH3

Se l'ossaciclopropano è sostituito, la reazione ha un orientamento dovuto al

meccanismo (SN2)

REGIOSPECIFICITA'

REGIOSELETTIVITA'

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

-OCH3

S

CH3OH

S

C C

OH

H

CH3

H

H

OCH3

C C

O

H

H

CH3

H

Reazione regiospecifica; reazione stereospecifica

SN2: più reattivo C

meno sostituito

SN2: attacco di Nu da parte

opposta al gruppo uscente

106

b) in assenza di NUCLEOFILI FORTI

apertura dell'anello acido-catalizzata

Bisogna rendere -O- un miglior gruppo uscente

H+..

.. +

..

..H OCH3

..:

..+

H+

CH2

CH2

O

HO

CH2

CH2

OH

CH3

O

CH2

CH2

OH

CH3

CH2

CH2

O

H

Il processo è SN1, ma non si forma un vero carbocatione, per l'interazione

con il doppietto elettronico dell'ossigeno

SH+

+

+

+ +

+C C

O

H

H

CH3

H C C

O

H

H

CH3

H

H

C C

O

H

H

CH3

H

H

C C

O

H

H

CH3

H

H

parziale

carbocatione

primario

parziale carbocatione

secondario

(se ne forma di più)

C C

O

H

H

CH3

H

H

C C

O

H

H

CH3

H

H

+

+ +

+

..H O

CH3

H+

C C

OHHH

CH3

H

OCH3

C C

OH

H

H

CH3

H

O CH3

+

S R

Reazione regioselettiva; reazione stereospecifica

prodotto principale prodotto secondario

Si forma più (ma non solo)

“parziale” carbocatione

secondario

attacco di Nu da parte

opposta al gruppo uscente

POLIETERI CICLICI (ETERI CORONA)

18-Crown-6

18-Corona-6

OO

O

OO

O

107

+

OO

O

OO

O

K

12-Crown-4

OO

O O

15-Crown-5

O

OO

OO OO

O

OO

O

OO

O

OO

O

NH

O

NH

NH

NH

NH

O

NH

CRIPTANDO

catione

+n+

complesso CRIPTATO

n+

OO

O O

OO

NN

OO

O O

OO

NN

AMMINE

:NCaratteristica strutturale delle ammine



Lo ione molecolare è quasi sempre presente

La frammentazione più importante avviene tra il C all’N ed il C b

(carbocatione stabile)

+.+

R.

++

CR'

R''

C NR'

R''C N

R'

R''

RN

Per le ammine vale la “regola dell’azoto”

108

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 di atomi di azoto”

Questa regola viene dal fatto che l’azoto ha massa atomica pari e valenza dispari.

1-butanammina, P.M. 73

M+

30 (CH2=NH2+)

dietilammina, P.M. 73

M+

M+-CH3




UV-visibile

IR stretching N-H 3500-3300 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

109

stretching C-N 1350-1000 cm-1

bending N-H nelle ammine primarie, banda larga 1640-1560 cm-1

nelle ammine secondarie verso 1500 cm-1

1-butanammina

2-butanammina

cm-1

%T

dietilammina

110

13C NMR L’effetto -I dell’N diminuisce la densità elettronica


1H NMR L’effetto -I dell’N diminuisce la densità elettronica

attorno al nucleo del 1H: deschermato a 2.5-3

1-butanammina

CH2

CH2

NH2

ABC

CH3CH

2

DA B C

D

Anche l’H sull’N è mobile: scambia abbastanza rapidamente da non dare

accoppiamento con nuclei adiacenti

terz-butilammina

111

atomo basico, atomo nucleofilo

cattivo gruppo uscente, anche in seguito a

protonazione

RNH2 + H+ +

NESSUNA REAZIONER NH3

1. N come atomo basico o nucleofilo

con acidi RNH2 + H+ +R NH

3

con O come elettrofilo SOLO con ammine terziarie

(CH3)3NH2O2

H2O

+ -(CH

3)3N O

H2O2

H2O

CHN

CH3

CH3

CH3

.. CHN

CH3

CH3

CH3

O -+ 98%

:N

invece di H2O2 si possono usare peracidi R CO

O

OH

: +- +

R C

O

OH

NONR C

O

O

O

H

con alogenuri alchilici

La reazione dà miscele di prodotti, perché anche il prodotto della sostituzione

è nucleofilo ..

++

Br-++ HBr

R NH2

CH2

CH3

R NH2

R NH CH2

CH3

CH3

CH2

Br

..+

+Br-R

CH2

CH3

NH R NH

CH2

CH3

CH2

CH3

CH3

CH2

Br R N

CH2

CH3

CH2

CH3

+ HBr

..+

+Br-R

CH2

CH3

CH2

CH3

N R N

CH2

CH3

CH2

CH3

CH2

CH3

CH3

CH2

Br

Quando l’alchilazione dell’ammina si esegue fino al sale di ammonio si parla di

METILAZIONE ESAURIENTE

112

con acido nitroso

La reazione con HNO2 è la reazione più caratteristica delle ammine, che

permette di distinguere tra ammine primarie, secondarie e terziarie.

HNO2

Fatti sperimentali:

ammine primarie RNH2

HNO2

H+alcooli, alcheni, N2 sviluppo di gas

R2NHHNO2

H+R2N-NO

nitrosammina

ammine secondarie precipitato giallo

R3NHNO2

H+NESSUNA REAZIONEammine terziarie

L'acido nitroso si genera in situ

NaNO2 + HCl HNO2 + NaCl

MECCANISMO

+ H+ + + +NOO NO

H

H

H2OOH NO

catione

nitrosonio

E+

ammine primarie

H2O

..+ +NO

+ +

N2

R+R NH

2R NH

2NO R N N

H2O

H+

alcool

alchene

i sali di diazonio si possono isolare solo con le ammine aromatiche

NH2 N N

+NaNO2

H+

0°-5°C

isolabile

-+ +

+

-+

+

-++N NN N

+N NN NN N

in c

om

un

e a

i d

ivers

i

tip

i d

i am

min

a

113

ammine secondarie

..+ +NO

+

H+

RN

R

NOR NH R N NO

R R

H

ammine terziarie

+NO: +

+R N

R

R

R N

R

R

NO

i sali di ammonio quaternari possono essere usati come

catalizzatori di trasferimento di fase

+ Na+C N-

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

Cl

solubile in solvente idrocarburico

(solvente non polare)solubile in acqua

NESSUNA REAZIONE

(neanche a caldo)

R4N+ se R contiene almeno 4 atomi di C, è solubile sia in

acqua (per l'N positivo) che in solventi non polari (per R)

R4N+Cl- Na+ C N-

+ R4N+C N-

+ Na+ Cl-

porta in fase organica il reagente nucleofilo

R4N+C N-

+ R4N+ Cl- +

R4N+C N- Na+

C N-

+R4N+ Cl-+ Na+ Cl-

R' Cl C NR'

R3N-+

pessimo gruppo uscente

114

Metilazione esauriente - Degradazione di Hofmann

Reazione utilizzata per la determinazione della struttura di ammine

Esempi:

..3 CH3I

2 HI

+I-CH

3CH

2CH

2N CH

3

CH3

CH3

CH3

CH2

CH2

N H

H

metilazione esauriente

+I-

AgOH+

HO:-

b

+ + H2O:

AgI

CH3

CH2

CH2

N CH3

CH3

CH3

CH3

CH CH2

N CH3

CH3

CH3

H

CH3

CH CH2

N CH3

CH3

CH3

b-eliminazione

N

H

2 CH3I

HIN

CH3

CH3

+ I-

AgI

AgOH

N

CH3

CH3

+ HO:-

+

b

HO-

CH3II-+

AgI

AgOH

+ HO-

N

CH3

CH3

H

H

N

CH3

CH3CH

3

N

CH3

CH3CH

3

CH2 N

CH3

CH3

H

+

b

-OH

..

+ + H2ON

CH3

CH3CH

3N

CH3

CH3CH

3

H

H

115

CH3I

+

1)

2) AgOH

-OH

N

CH3

N N

CH3

CH3I1)

2) AgOH+

-OH

N

CH3

CH3

NCH

3CH

3

CH3I1)

2) AgOH -OH

+ + + H2O

N

CH3

CH3

CH3 N

CH3

CH3 CH

3

NCH3

O

Composto naturale estratto

dalla corteccia del melograno

NCH3

OHNa, CH3CH2OHNCH

3

H2SO4

H2O

NCH

3

CH3

CH3I + I-

N

CH3

CH3

Ag2O/H2O

CH3CH

3

CH3

N

CH3I

+

I-

N

CH3

CH3CH

3

Ag2O/H2O

Br

Br

Br2 (CH3)2N

N(CH3)2

NCH

3CH3

H

HBrCH

3

CH3

CH3

N

CH3

CH3

CH3

N

CH3I

+

I-

+I-

Ag2O/H2O

+ 2 (CH3)2N + 2 H2O + 2 AgI

84% 84%

90%

94,5%

72%

96%

68% (per i due passaggi) non isolato

97,5%

10-20%

Resa complessiva: 3%

Applicazione: sintesi del cicloottatetraene (Wilstätter)

116

Gli N-ossidi delle ammine terziarie danno b-eliminazione

Eliminazione di Cope

[O]CH

2CH R'

N(CH3)2

R

O +-

CH2CH R'

N(CH3)2

R

([O] = reagente ossidante, per esempio H2O2)

meccanismo: =/

C C

R

H H

R'

+ HO-N(CH3)3C C R'

N(CH3)2

R

O

H

H H

+-..

..:

C C R'R

H H

+-

HO

N(CH3)2

------

reazione stereospecifica eliminazione sin

REAZIONI ACIDO-BASE - scienze.uniroma2.it · acido base coniugata K a = [H 3 O +][A-] [HA] per...

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