Reazioni Chimica Organica

AO

2

Reattività degli alcani

Gli alcani possiedono solo due tipi di legami: C-H (98

Kcal/mole) e C-C (88 Kcal/mole). Sono legami poco

reattivi e reagiscono generalmente in modo non

selettivo. Le reazioni tipiche degli alcani sono:

1. Combustione per reazione con ossigeno molecolare

CnH2n+2 + (3n+1/2)O2 -> nCO2+(n+1)H2O

1. Alogenazione radicalica non selettiva

R-H+A-B -> R-A+H-B (R-H è un alcano, A-B è un alogeno)

Alogenazione radicalica

Cl2 2Cl

CH4 + Cl CH3 + HCl

CH4 + Cl CH3 + HCl

CH3 + Cl2 CH3Cl + Cl

CH3 + Cl CH3ClFase di terminazione: X-X oppure R-R oppure R-X (X=Cl, Br)

Fase di propagazione

Fase di iniziazione

La reazione di alogenazione avviene in presenza di luce (Rad.UV) o fornendo calore. Si ottiene un ALOGENURO ALCHILICO e ACIDO ALOGENIDRICO

CLOROMETANO

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Radicali (I)

Sono specie non ioniche contenenti un elettrone

spaiato in un orbitale.

Hanno preferenzialmente geometria planare, con il

carbonio ibridizzato sp2 e sono tanto più stabili quanto

più i sostituenti sono numerosi e ricchi di densità

elettronica (terziario > secondario > primario).

R'"

"R

'R

5

Radicali (II)

• I radicali possono essere prodotti per rottura

omolitica (in due parti in cui ognuna conserva un

elettrone) di un legame oppure per addizione di un

radicale a un legame multiplo.

• La rottura omolitica può essere provocata fornendo

l’esatta quantità di energia (scaldando oppure

irradiando alla giusta lunghezza d’onda) a un legame

non particolarmente stabile (iniziatori radicalici): questa

è detta fase di iniziazione.

6

Radicali (III)

• La rottura omolitica si può ottenere anche con

interazione di un radicale con un legame che provoca

la formazione di un composto covalente e di un

nuovo radicale (fase di propagazione).

• L’incontro di due radicali può provocare la

ricombinazione a dare un legame covalente (fase di

terminazione).

7

Gli alcheni: reattività (addizione elettrofila)Il doppio legame è un sito ad alta densità elettronica (sito nucleofilo). La tipica reattività è quella di addizione al doppio legame da parte di elettrofili (atomi o porzioni molecolari elettronpovere a bassa densità elettronica).

E

E Nu E

Nu

E+

Nu

+

Sin Anti

La reazione produce un carbocatione intermedio che viene attaccato da un nucleofilo.

Si rompe il doppio legame p-greco dell’alchene e il legame sigma del reagente ma si formano due legami sigma (più forti di p-greco) e un prodotto saturo più stabile

8

Gli alcheni: carbocationi

Sono specie ioniche cariche positivamente prodotte per rottura eterolitica (in due parti una carica positivamente e l’altra negativamente) di un legame C-X (C = C, H, O, Cl, Br, etc.) oppure per addizione di una specie carica positivamente ad un doppio legame.Hanno geometria planare, con il carbonio ibridizzato sp2 e sono tanto più stabili quanto più i sostituenti sul carbocatione sono numerosi e ricchi di densità elettronica.

R'"

"R

'R

9

Gli alcheni: la regola di Markovnikov

(addizione di reagenti asimmetrici ad alcheni asimmetrici)

H3C CH

CH2

H Cl+

H3C CH2

CH2

H3C CH

CH3

Cl

H3C CH

CH3

H3C CH2

H2C Cl

Cl

100 %

Addizione di acidi alogenidrici (HCl, HBr, HI) ad alcheni

Regola di Markovnikov: nelle addizioni di HX agli alcheni asimmetrici , H si va a legare al C meno sostituito mentre X si lega al più sostituito.

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Gli alcheni: addizione elettrofila

La reazione di alcheni (con catalizzatori acidi H2SO4, HNO3 etc.) può portare alla somma di H2O in quanto dopo l’addizione di H+ come elettrofilo si può avere attacco di H2O come nucleofilo (l’acqua si comporta da nucleofilo per la presenza di doppietti liberi su O). Segue

Markovnicov. Si forma un alcol. Avviene in due stadi (1° formazione carbocatione; 2°addizione acqua (alcol protonato) da cui si libera H+ e si forma alcol.

IDRATAZIONE ALCHENI in presenza di un catalizzatore acido. L’acqua infatti non è così «acida» da fornire i protoni per innescare il processo

Gli alcheni: addizione elettrofila✓ Alogenazione (Br, Cl) di alcheni

Alchene + alogeno (Br2 o Cl2) in solvente inerte come CCl4. Si forma un alogenuro alchilico chiamato dialogenuro vicinale poiché ha due alogeni legati a due carboni adiacenti

ETENE (sp2)

DIBROMOETANO (sp3)

Gli alcheni: idrogenazione

L’addizione di idrogeno molecolare necessita di un catalizzatore, ovvero un composto (normalmente Pd, Pt, Ni metallici, finemente suddiviso) che velocizza (abbassando l’energia di attivazione) la reazione. Il catalizzatore favorisce la rottura del legame H-H. La reazione avviene sulla superficie del metallo e l’addizione dei due atomi di idrogeno avviene sulla stessa faccia del doppio legame.

L’idrogenazione dei doppi legami viene impiegata nell’industria per trasformare gli oli vegetali (acidi grassi insaturi) in margarina.

Reazioni alchini

• la reattività è data dalla presenza del triplo legame (alta densità elettronica)

• Attacco per H2 e per agenti elettrofili (reazioni di addizione)

• Le reazioni di addizione possono sviluppare sino ad ottenere composti saturi oppure essere controllate facendo in modo che si abbia un'addizione parziale al triplo legame, trasformandolo in un doppio legame.

• 2 stadi: rottura di un legame p-greco e successiva rottura del secondo: risultato =alcano

• IDROGENAZIONE• ADDIZIONE ELETTROFILA

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Gli alchini: idrogenazione

Come per gli alcheni, è possibile idrogenare cataliticamente anche gli alchini. Il primo prodotto della reazione è un alcheneche può essere ulteriormente idrogenato ad alcano. Serve un catalizzatore metallico (Pd,Ni,Pt). È possibile evitare questa seconda idrogenazione usando catalizzatori modificati quali il palladio Lindlar (Palladio e carbonato di calcio).In tal caso la reazione si ferma all’alchene poiché viene addizionata solo 1 mole di Idrogeno.

Gli alchini: addizione elettrofila (con alogeni, acidi alogenidrici o H2O)

Idratazione

La reazione di alchini con catalizzatori acidi (H2SO4, HNO3 etc…) porta alla somma di H2O. In presenza di catalizzatori acidi. Intermedio instabile: ENOLO che isomerizza a chetone o a aldeide. (tautomeria cheto-enolica)

Gli alchini: addizione elettrofila (con alogeni, acidi alogenidrici o H2O)

ALOGENAZIONE E ACIDI ALOGENIDRICI

La reazione porta a prodotti diversi a seconda che l’alchino reagisca con 1 mole o 2 moli di reagente

Se l’alchino è asimmetrico l’addizione di H-X segue Markovnikov

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Reattività dei composti aromatici

✓ Il benzene risulta inerte in reazioni di addizione che

comporterebbero perdita di aromaticità del sistema.

✓ Il benzene reagisce tipicamente mediante reazioni di sostituzione

elettrofila, i cui prodotti risultano ancora aromatici.

✓ La reazione procede in due stadi:

1) l’elettrofilo si lega a un carbonio dell’anello (sp3) con carica

+ delocalizzata in orto e para e transitoria perdita

dell’aromaticità

2) L’atomo di idrogeno legato al carbonio sp3 viene allontanato

come H+. Si ricostituisce l’aromaticità e si forma il derivato del

benzene

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Sostituzione elettrofila aromatica

Il meccanismo di sostituzione elettrofila è lo stesso per tutte

le reazioni ed è indipendente dal tipo di elettrofilo.

La reazione ha inizio con l’agente elettrofilo (specie che presenta una carica

positiva o una lacuna elettronica) che va alla ricerca di elettroni sull’anello

benzenico, legandosi ad esso e dando luogo ad un intermedio carico positivamente

privo di aromaticità e rappresentabile con più formule limiti di risonanza (carica + in

orto e in para).

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Sostituzione elettrofila aromatica (2)

L’intermedio è una specie instabile che libera uno ione H+. In questo

passaggio si ha formazione del prodotto finale di sostituzione con il

recupero di aromaticità.

Diagramma dell’energia di reazione

Prodotto finale

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Sostituzione elettrofila nel benzene

Le principali reazioni di sostituzione elettrofila del Benzene sono :NITRAZIONE (HNO3) con

catalizzatore acido per formare ione nitronio - NO2 che è l’elettrofilo forte)ALOGENAZIONE (Cl2 oBr2),con

FeCl3 per formare Cl+ che si comporta da elettrofilo forte ALCHILAZIONE (Alogenuro alchilico R-X dove X=Cl o Br), SOLFONAZIONE (H2SO4)

Reazioni di sostituzione elettrofila aromatica

• Il decorso delle reazioni di sostituzione elettrofila è

fortemente dipendente dai gruppi funzionali già presenti

sull’anello.

• Un sostituente sull’anello può facilitare o impedire la

reazione, può comportarsi cioè da attivante o disattivante

per la sostituzione.

• Il tipo di sostituente sull’anello, in termini di disponibilità

elettronica, è determinante nell’indirizzare la posizione di

attacco dell’elettrofilo.

22

Reattività dell’anello: gruppi attivanti

Un gruppo sostituente è definito attivante se è in

grado di fornire elettroni all’anello benzenico,

rendendolo quindi più incline ad interagire con un

elettrofilo. Questo comportamento è tipico ad esempio

del gruppo amminico, ben visualizzabile nell’anilina.

23

Reattività dell’anello: gruppi disattivantiUn gruppo sostituente è definito disattivante se

sottrae elettroni all’anello benzenico, rendendolo

quindi meno incline ad interagire con un elettrofilo.

Questo comportamento è tipico ad esempio del

gruppo nitro, ben visualizzabile nel nitrobenzene.

24

Reattività dell’anello: orientazione deisostituenti• Gruppi fortemente attivanti hanno un effetto orto-

para orientante, giustificato dal fatto che queste

posizioni risultano elettronicamente più arricchite,

come si evince dall’analisi delle formule limiti di

risonanza dell’anilina (slide precedente).

• Gruppi fortemente disattivanti hanno un effetto meta

orientante, giustificato dal fatto che queste posizioni

risultano elettronicamente meno impoverite, come si

evince dall’analisi delle formule limiti di risonanza del

nitrobenzene (slide precedente).

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Reattività dell’anello: orientazione deisostituenti (2)

Formazione dello ione nitronio:

1. l’acido solforico concentrato (catalizzatore) protona

il gruppo OH dell’acido nitrico;

2. la perdita di H2O genera lo ione nitronio.

26

Sostituzione elettrofila: la nitrazione

27

Sostituzione elettrofila: la nitrazione

Alogeno derivati: reattività

Il legame carbonio-alogeno è molto polarizzato:

• reattività elettrofila del carbonio

• rottura del legame con uscita di X-

• reazioni di sostituzione nucleofila.

29

Alogeno derivati: la sostituzione nucleofilaNella reazione di sostituzione nucleofila si ha l’uscita di

un alogenuro con il suo doppietto elettronico e l’ingresso di

una specie neutra o anionica che possiede un doppietto

elettronico (base di Lewis).

La scala di nucleofilicità dipende dalla basicità ma anche

dalla polarizzabilità degli elettroni (I > Br > Cl > F):

SH- > CN- > I- > RNH2 > OH- > Br- > PhO- > CH3COO- > Cl-

> F- > NO3- > H2O.

2 meccanismi:

• Sostituzione nucleofila bimolecolare SN2.

• Sostituzione nucleofila unimolecolare SN1.

La sostituzione nucleofila SN2 (I)

Reazione bimolecolare in cui il Nu: entra dal retro della

molecola lungo il legame C-X che si rompe; Stato di

transizione bipiramidale trigonale:

• Inversione di disposizione dei sostituenti intorno all’atomo

di carbonio.

• È detta bimolecolare perché nello stadio cineticamente

determinante partecipano sia il substrato che il nucleofilo.

C XNu + C XNu Nu C + X

Velocità = k[alogenoalcano][nucleofilo]

La sostituzione nucleofila SN2 (II)

Un esempio: formazione di un alcol primario per

sostituzione nucleofila di secondo ordine in un alogenuro

primario.

32

La sostituzione nucleofila SN1(I)

Reazione unimolecolare in cui l’entrata del Nu: è

preceduta dallo stadio di ionizzazione in cui si forma un

carbocatione:

È detta unimolecolare perché lo stadio cineticamente

determinante è costituito dalla ionizzazione.

SN2 vs SN1:

• SN2 favorita su substrati Iari > IIari > IIIari.

• SN1 favorita su substrati IIIari > IIari > Iari

C X Nu CNu

+ XC

Velocità = k[alogenoalcano]

33

La sostituzione nucleofila SN1(II)

Un esempio: formazione di un alcol terziario per nucleofila

di primo ordine in un alogenuro terziario.

Velocità = k[alogenoalcano]

Alcoli: acidità (I)

© Zanichelli editore, 2014

Gli alcoli sonoacidi deboli(pKa = 15.5-18.0)e l’acidità diminuisceall’aumentare del gruppo alchilico.

Equilibrio di ionizzazione:

Alcol Struttura Ka pKa

Metanolo CH3OH 3.2x10-

1615.5

Etanolo CH3CH2OH 1.3x10-

1615.5

2-Cloroetanolo ClCH2CH2OH 5.0x10-

1514.3

2,2,2-Tricloroetanolo Cl3CCH2OH 6.3x10-

1312.2

t-Butanolo (CH3)3COH 1.0x10-

1818.0

Cicloesanolo C6H11OH 1.0x10-

1818.0

Fenolo C6H5OH 1.0x10-

1010.0

Paragone con altri acidi

Acqua H2O 1.8x10-

1615.7

Acido Acetico CH3COOH 1.6x10-5 4.8

Acido Cloridrico HCl 1.6x102 -2.2

Alcoli: acidità (II)

Gli alcoli con un gruppo elettron-attrattore (per

esempio contenenti un alogeno come il fluoro)

risultano più acidi a causa dell’effetto induttivo,

per il quale sul carbonio dello ione alcossido (la base

coniugata) si crea una parziale carica negativa che

neutralizza in parte la carica positiva sull’ossigeno,

rendendola meno propensa a riacquistare il protone.

Ione 2, 2, 2 – difluoroetossido, base coniugata del 2, 2, 2 - difluoroetanolo

Alcoli: ossidazione (I)• Gli alcoli possono essere ossidati per reazione con salidi metalli in alto stato di ossidazione, come Cr(VI), Mn(IV), Ru(VIII) ecc.

• Gli alcoli primari portano ad aldeidi o acidi carbossilici, quelli secondari a chetoni.

• Il meccanismo di questa reazione prevede l’attivazione del legame C-H e la formazione di un doppio legameC=O.

• La reazione di alcoli primari procede a dare, come primo stadio della reazione, l’aldeide R—CHO che viene poi ossidata ad acido carbossilico R—COOH. È possibile fermarsi ad aldeide usando ossidanti più blandi.

Alcoli: ossidazione (II)

37© Zanichelli editore, 2014

38

Struttura e proprietà del gruppo

carbonilico

• Doppio legame C=O e varia sostituzione al C

(H, alchili, alogeni, OR, SR etc…).

• C ibridizzato sp2 e quindi planare.

• Forte momento di dipolo CO.

• Ossigeno nucleofilo reagisce con acidi di Lewis.

• Carbonio elettrofilo reagisce con nucleofili.

C O

O

C d+

d- reattività nucleofila

reattività elettrofilaOC OC

39

I composti che contengono il

gruppo carbonilico

R

C

O

H

Aldeidi

R

C

O

R

Chetoni

R

C

O

OH

Acidi Carbossilici

R

C

O

Cl

Cloruri acilici

R

C

O

OR

Esteri

R

C

O

NR2

Ammidi

R

C

O

O

O

R

Anidridi

Reazioni al gruppo carbonile

• ADDIZIONE NUCLEOFILA : formazione emiacetali/acetali (v.slideseguente)

• RIDUZIONE• Aldeide -> alcol 1°• Chetone -> alcol 2°

• OSSIDAZIONE• Aldeidi -> acidi carbossilici Ricorda Reazione

Fehling Zuccheri

41

Addizione di nucleofili al carbonile

Anche nucleofili con eteroatomi sono in grado di

addizionarsi al carbonile. Queste reazioni sono in generale

degli equilibri dove il prodotto non è sempre favorito.

R

C

R'

O H

O R"

R

C

OR"HO

R' R

C

OR"R"O

R'

EmiacetaleEmichetale

AcetaleChetale

R

C

R'

O H

N

R" R

C

NHR"HO

R' R

C

R'

Emiamminale Immina

H N

R"

Ricorda! Ciclizzazione del Glucosio!

42

Reattività degli acidi carbossilici (I)

La reattività degli acidi carbossilici è legata al gruppo O-H che in presenza di una base forte può cedere H (SALIFICAZIONE) o in presenza di un nucleofilo (es. –OR o –NH2) può essere sostituito (sostituzione nucleofila)

43

Reattività degli acidi carbossilici (II)La caratteristica di tutti i derivati degli

acidi carbossilici

è la reazione di sostituzione nucleofila

acilica in cui

il passaggio iniziale è quello di addizione

al carbonile con formazione di un

intermedio tetraedrico. Questo

intermedio evolve a formare nuovamente

il carbonile.

Il risultato netto è una sostituzione.

44

SaponificazioneLa reazione inversa alla formazione di un estere è la

cosiddetta idrolisi alcalina o saponificazione.

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I saponi (I)

In natura gli acidi grassi (acidi carbossilici a lunga

catena, C16-C20) si trovano prevalentemente sotto forma di

esteri del glicerolo: trigliceridi.

Ammidi (I)La condensazione tra un acido carbossilico

e un’ammina con eliminazione (formale) di una molecola

di acqua dà luogo a un’ammide. Il legame ammidico

è molto forte a causa della presenza di due forme

di risonanza:

Quando il legame ammidico si trova nelle proteine viene chiamato LEGAME PEPTIDICO. Una AMMIDE molto importante è l’UREA che rappresenta il prodotto finale del metabolismo proteico ed è eliminata con i RENI

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Il legame ammidicoIl legame ammidico è molto stabile e difficilmente

idrolizzabile. Le proteine sono costituite da a-amminoacidi

legati uno all’altro da serie di legami ammidici (legami

peptidici) e hanno una struttura poliammidica.

La rigidità del gruppo ammidico determina la struttura

tridimensionale delle proteine e la loro funzione.