" "2001 "
" "B.J.Kakos "
"MECANISMI di REAZIONE IN CHIMICA ORGANICA "
"PER GLI STUDENTI DI FARMACIA & CTF "
SOSTITUZIONE RADICALICA ALIFATICA
MECCANISMO DI REAZIONE
A. Alcano e alogeno non reagiscono a buio e a temperatura ambiente
B. La reazione avviene rapidamente a buio ma a temperature elevate (oltre
i 200°C)
C. La rezione avviene anche per azione di luce UV a temperatura ambiente.
D. Quando la reazione avviene per azione di luce UV molte migliaia di
molecole di R-X si formano per ogni fotone assorbito dal sistema
E. La presenza di piccole quantità di ossigeno fa rallentare la reazione
(inibitore di radicali)
Il meccanismo più probabile è il seguente:
(riferito all'esempio di metano e cloro)
1° stadio: scissione omolitica di una molecola di X2 in due atomi, il quale
significa che ogni atomi conserva uno dei due elettroni del legame. Un
atomo o gruppo di atomi con un elettrone spaiato si chiama radicale. Il Br2
si scinde più facilmente in radicali perchè ha più bassa energia di
dissociazione in confronto al Cl2. Nonostante questo il Cl( è più reattivo
e attacca indiscriminatamente, mentre il Br( è più selettivo (L
bromurazione è regioselettive).
2° stadio: Il radicale cloro è estremamente reattivo perchè cerca di
acquistare un elettrone e complettare così l'ottetto, dall'altra parte
questa particella è ricca di energia e tende di perderla per formare uno
nuovo legame. In questo modo entra in collisione con delle molecole di
alogeno o di alcano che si trovano in alta concentrazione. La collisione
con un atomo di alogeno è assai improbabile perchè il radicale è in numero
molto piccolo in soluzione, è molto reattivo ed ha vita media breve. Un
urto del genere si considera non produttivo anche perchè collisioni di
questo tipo non provocano nessun cambiamento importante per la reazione ma
solo scambio di atomi di cloro, uno con l'altro. In tutta la reazione di
propagazione si sviluppa energia il che significa che la reazione è
esoterica
La collisione invece di un atomo di alogeno con una molecola di alcano è
sia produttiva che probabile. Ora è il gruppo alchilico a rimanere con
sette elettroni (radicale). Si osserva aquesto punto che un radicale è
scomparso (Cl() mentre un altro si è formato (R()
3° stadio: La cosa più probabile che il radicale alchilico possa fare è di
perdere energia formando un nuovo legame. Perciò strappa un atomo di
alogeno, dalla molecola di alogeno, formando l'alogenuro alchilico, R-X ed
un sottoprodotto costituito dall'atomo di idrogeno precedentemente legato
al gruppo alchilico e dall'atomo di alogeno precedentemente legato alla
molecola di alogeno, cioè una molecola di HX gassosa.
Reazione a catena
L'alogenazione di un alcano è un esempio di reazione a catena che implica
una serie di passaggi ognuno dei quali genere una particella reattiva che
provoca il passaggio successivo.
Il 1° è il passaggio che inizia la catena, durante il quale viene assorbita
energia e si forma una particella reattiva, nell'esempio sopra considerato
è la scissione della molecola di cloro in atomi.
Esistono uno o più passaggi di propagazione della catena in ognuno dei
quali si consuma una particella e si forma una più reattiva. Nel caso
considerato si ha la reazione di atomi di cloro con il metano e dei
radicali metilici con il cloro.
Infine ci sono i passaggi di interruzione della catena in cui le particelle
reattive si consumano e si producono altre. Nella clorurazione del metano
questi consistono nell'unione di due particelle reattive o nella cattura di
una di esse da parte delle pareti del recipiente di reazione.
Scala di reattività degli alogeni
Un atomo di Br, in media, urta moltissime molecole di R-H prima di
provocare l'estrazione di un atomo di H, un atomo di Cl urta relativamente
poche molecole. In genere gli atomi di Br si formano più rapidamente degli
atomi di Cl in una data temperatura a causa della più bassa energia di
attivazione del 1° stadio, tuttavia la bromurazione è più lenta della
clorurazione.
Per quanto riguarsa l'I2, i suoi radicali hanno una vita assai breve e non
resistono così a lungo per ricombinarsi in molecole di iodio. L'iodurazione
quindi è una reazione assai lenta.
Struttura e stabilità del radicale
Lo stato di transizione è caratteristico e fondamentale per qualsiasi tipo
di reazione chimica ed è quello che determina l'andamento della reazione.
Per quanto riguarda la S.R. Alifatica possiamo dire con sicurezza che nello
stato di transizioneil legame C-H è allungato ma non complettamente scisso
e che il legame X-H ha cominciato a formarsi ma non è ancora completo.
Questa situazione potrà essere rappresentata così:
L'alcano di partenza ha una ibridizzazione sp3, mentre il radicale nello
stato di transizione acquista una struttura planare vicina
all'ibridizzazione sp2, iniziandosi la formazione del nuovo legame
l'energia scende e il prodotto acquista una geometria tetraedrica tipica
dell'ibridizzazione sp3
Orientamento dell'alogenazione
L'orientamento viene determinato dala velocità di distacco dell'atomo di
idrogeno dal substrato alchilico, esso segue l'ordine 3°>2°>1°>metilico..
(Fare alcuni esempi con butano, isopropano e 2-metil propano per
evidenziare la stabilità dei rispettivi radicali. Per il butano si
ottengono due prodotti CH3CH2CH2CH2Cl 28%, CH3CH2CHClCH3 72%).
ADDIZIONE ELETTROFILA – MECCANISMO
E' la tipica reazione degli alcheni.
A causa del doppio legame π formato da due orbitale p, ciascuno proveniente
da un carbonio planare (sp2) il sistema si comporta da nucleofilo (base)
verso eventuali elettrofili (acidi).
Si pensa che la somma del reattivo acido di tipo HZ (HZ= HCl, HBr, HI,
H2SO4, H3O+ e.t.c.) avvenga in due passaggi:
Il 1° passaggio rappresenta il trasferimento di un idrogenione all'alchene
con la formazione di un carbocatione ed è quindi una tipica reazione acido
– base. Il 2° passaggio invece è l'unione del carbocatione con la base
coniugata :Z ed è anch'essa una reazione acido – base.
Lo schema generale dell'addizione elettrofila può essere rappresentato nel
modo seguente:
Nel 1° passaggio l'idrogeno si trasferisce come protone, cioè senza i suoi
elettroni, lasciati alla base :Z. Per formare il legame con l'idrogeno il
carbonio utilizza gli elettroni π già condivisi con l'altro carbonio.
Questo fatto lascia l'altro carbonio con un sestetto di elettroni e perciò
esso diventa il carbocatione, carente di elettroni. Il 1° passaggio è
quello difficile perciò è lento e determina la velocità totale della
reazione.
Come in qualsiasi tipo di reazione si forma sempre l'intermedio più
stabile, ed in questo sono incluse anche le trasposizioni di –H e/o –R..
I seguenti esempi di alogenazione illustrano il fenomeno
Osserviamo che la somma del protone avviene al carbonio partecipante al
doppio legame che è più sostituito di idrogeni. Questo si chiama regola di
Marcovnikov.
Reazioni Anti-Markovnikov. Addizione Radicalica in presenza di perossidi
Il 1° passaggio consiste nella formazione del radicale alcossido ad opera
del peracido.
Il 2° passaggio è un'altra scissione omolitica questa volta dell'HBr con la
formazione dei rispettivi radicali.
I 3° passaggio è l'addizione da parte dell'alchene del Br( con la
conseguente formazione di un radicale carbonio esclusivamente.
Infine il 4° passaggio è l'addizione din un radicale H (cioè un atomo di H)
proveniente da un altra scissione di una molecola di HBr con la formazione
del prodotto, cioè un alogenuro alchilico formato da una addizione anti-
Markovnikov. Il Br( rimasta continua la reazione a catena. Εδώ κάνε
παράδειγμα με Idroborazione-Ossidazione
Fare esempi con H2SO4, H2O, H2O/Br2,
Addizione Elettrofila nei sistemi α,β insaturi
Le addizioni di questo tipo seguono esattamente lo stesso andamento
dell'addizione degli alcheni ma siccome avvengono in sistemi α,β insaturi
(p.es. 1,3-butadiene) entra in gioco anche l'effetto di risonanza.
La reazione segue l'addizione via Markovnikov.
Sostituzioni Nucleofile Meccanismo di reazione e fattori.
SN1
Avviene in due stadi e la velocità di reazione dipende solo dal substrato e
non dal nucleofilo e ciò perchè dipende dalla formazione dell'intermedio
della reazione che è il carbocatione il quale si forma nel passaggio lento
della reazione. La reazione segue una cinetica del 1° ordine.
Reattività del substrato: 3°>2°>1°>(CH3-). X:- è il gruppo uscente, il
quale dev'essere stabile e non deve aver tendenza ad assumere il protone,
quindi dev'essere una base debole (che usualmente è anche un nucleofilo
debole), perciò in genere come substrati si usano gli alogenuri alchilici
(provengono da HX, cioè acidi forti).
Reattività degli alogeni: F
Solventi: Si usano solventi polari perchè devono allentare il legame R-X e
protici perchè si forma X:-. Se l'anione è ben solvatatpo l'equilibrio è
spostato verso destra. Questo tipo di solventi forma legami idrogeno.
L'acqua è il solvente polare protico per eccelenza. Altri solventi
frequentemente usati sono l'ammoniaca e gli alcooli.
I cattivi gruppi uscenti si possono trasformare in buoni gruppi uscenti
attraverso catalisi acida, p.es.:
R-OH + H+ ( R-OH2+ ( R+ + OH2
R-NH2 + H+ ( R-NH3+ ( R+ + NH3
Stereochimica della reazione: Un substrato otticamente attivo porta alla
formazione di una miscela racemica. La spiegazione di tutto questo si trova
al cabocatione intermedio che si forma dopo l'espulsione del gruppo
uscente. A causa del fatto che un cabocatione è ibridizzato sp2, cioè
planare con la carica positiva situata in un orbitale atomico p, il
nucleofilo ha uguali probabilità di attaccare sia sopra che sotto il piano
dell'intermedio formando così una coppia di enantiomeri di uguale quantità
(50%-50%) che costituiscono una miscela racemica otticamente inattiva.
Esempio:
Stabilità dei carbocationi: 3°> 2°>1°>CH3+ I gruppi elettrondonatori (a
rilascio elettronico) stabilizzano la carica positiva, mentre gli
elettronattrattori la destabilizzano.
SN2
Avviene attraverso un unico stadio senza la formazione di un intermedio
carbocationico. La velocità di reazione dipende sia dalla concentrazione
del nucleofilo che del substrato. Si dice bimolecolare perchè nello stato
di transizione sono presenti entrambi i reagenti.
Nela SN2 l'attacco del nucleofilo avviene dalla parte opposta del gruppo
uscente a causa di effetti sterici che si risentono anche nello stato di
transizione. Questo rende la SN2 una reazione stereospecifica e
stereoselettiva il che significa che da un preciso reagente enantiomero si
ottiene un preciso prodotto enantiomero al contrario della SN1 che si
ottiene una miscela racemica, questo significa che la SN1 non è
stereoselettiva e stereospecifica.
Lo stato di transizione richiede molto energia per essere formato e ciò
perchè è uno stato pentavalente molto instabile.
Velocità di reazione: CH3->1°>2°>3°
Poichè la reazione dipende anche dal nucleofilo, esoo più forte è tanto più
facilmente avviene la reazione (OH-,SH-)
Confronto SN1-SN2
EFFETTO sulla VELOCITA' dell' AUMENTO del CONTENUTO di ACQUA nel SOLVENTE
SN2: rallenta la reazione
SN1: accelera la reazione che procede meglio in una miscela di
H2O/EtOH:80%/20%
EFFETTO sulla VELOCITA' del CONTENUTO dell' ALCOOL sul SOLVENTE
SN2: favorisce la reazione
SN1: sfavorisce la reazione perchè i legami ione-dipolo sono meno forti di
quelli con acqua.
POSSIBILITA' di TRASPOSIZIONE
SN2: nessuna (perchè avviene tramite stato di trans. e non carbocatione)
SN1: formazione del carbocatione più stabile
Eliminazione – Meccanismo di reazione
Gli stessi substrati che subiscono sostituzione nucleofila possono subire
anche l'eliminazione.
E1: Avviene in due stadi e la velocità di reazione dipende solo dal
substrato e non dal nucleofilo e ciò perchè dipende dalla formazione
dell'intermedio della reazione che è il carbocatione il quale si forma nel
passaggio lento della reazione. La reattività dipende dalla velocità di
formazione del carbocatione: 3o>2o>1o>CH3+
I 2° passaggio di reazione è una tipica reazione acido-base, dove l'acido è
il carbocatione e base il nucleofilo che lo attacca. La E1 nota
l'orientamento secondo Saytzeff, cioè si forma sempre l'alchene più
sostituito, cioè quello più stabile. Generalmente E1 si ha con substrati 2°
e 3° in soluzione dove la base è debole e di bassa concentrazione cioè è il
solvente.
Da notare che il carbonio al reagente cambia ibridizzazione da sp3 a sp2
nel prodotto.
Durante una eliminazione E1 sono possibili delle trasposizioni:
Ε2: Le sue caratteristiche sono quelle di non dare trasposizioni, mostrano
un forte effetto isotopico, non dà scambio di idrogeni e mostra un notevole
effetto elemento.
Effetto Isotopico: Un legame con H si rompe più facilmente da un legame con
il Deuterio (isotopo di H che contiene un neutrone nel suo nucleo).
Sostituendo quindi un H con un D legato in un C si può studiare meglio
l'orientamento della E2.
Reattività di alogenuri verso la E2: RI>RBr>RCl>RF. L'RI è più reattivo
dell'RCl e ciò perchè la velocità di reazione che dipende dall'alogenuro
vuole che l'I- si espelle più facilmente come gruppo uscente dal Cl- perchè
è più voluminoso.
Meccanismo anti: Il gruppo uscente è probabile che esca dalla parte opposta
del nucleofilo e ciò perchè le due cariche negative (dipolo) si
respingerrebero altrimenti,
il che indica che la reazione è stereospecifica.
Come solvente è meglio utilizzare un ROH invece che dell'acqua e ciò perchè
la base forte sarà RO- che è più forte di OH-. Se la reazione avviene in un
R-X 2°, l'eliminazione compette con la SN. La reazione non avviene a
temperatura ambiente ma a 40-50° e si produce in maniera esclussiva
l'isomero geometrico E (oppure trans).
Se invece l'eliminazione fosse stata sin si produrrebbe l'isomero
geometrico Z (oppure cis).
Fare esempi con i seguenti reattivi:
1. alcool 1o o 2o + H2SO4 ( alchene (prodotto princ.Eliminazione + etere
(prodotto sec.Sostituzione)
2. Effetto del gruppo vicinale
Aloidrina eritro + HBr ( dialogenuro MESO
Aloidrina treo + HBr ( dialogenuro RACEMO
* nel primo caso abbiamo inversione – ritenzione di configurazionecasi ;
nel secondo caso abbiamo inversione su tutti e due gli atomi di C
SOSTITUZIONE ELETTROFILA AROMATICA
Le sostituzioni elettrofile aromatiche sono sostituzioni che avvengono
nell'anello aromatico.
Sembra che le reazioni procedano con un unico meccanismo qualunque sia il
reattivo impiegato
I passagi essenziali sono due, nel primo avviene l'attacco dell'elettrofilo
all'anello aromatico che perde momentaneamente la sua aromaticità
trasformandosi in un addotto. Esso è un passaggio lento che determina la
velocità della reazione.
Il secondo passaggio invece è veloce a causa della tendenza del sistema di
riacquistare la sua aromaticità. In esso avviene il distacco da parte di
una base, di uno ione idrogeno (protone).
Tutto è rappresentato nello schema seguente:
Questo meccanismo si regge principalmente sulla natura della particella
attaccante, cioè sulla prova che la sostituzione è elettrofila.
Una ulteriore prova del meccanismo è il fatto che non esiste un effetto
isotopico, cioè la velocità di sostituzione del deuterio e del trizio è la
stessa del pròzio.
Un esempio classico di S.E.Ar. è la nitrazione del benzene
La dissociazione della miscela HNO3-H2SO4 porta alla formazione dello ione
nitronio (nucleofilo)
HONO2 + 2H2SO4 ( H3O+ + 2HSO4- + NO2+ ione nitronio
Da sottolineare che il catione arenio formato dallo stato di transizione
viene stabilito per risonanza
Effetti dei sostituenti:
I gruppi elettrondonatori (a rilascio elettronico) favoriscono la S.E.Ar.
essi sono:
–R, -Ar, -X, OR,-OH, -O-,-NH2. Inoltre sono attivanti orto e para
orientanti.
I gruppi elettronattrattori sfavosriscono la S.E.Ar. essi sono:
-NO2, -COOH e derivati degli acidi carbossilici, -COR, -COH, -N2+, -N=O,
-SO3H. Inoltre sono disattivanti meta orientanti.
I gruppi –R si considerano –o e-p orientanti deboli per effetto
iperconiugativo, al contrario i gruppi –OH ed –NH2 sono forti
elettrondonatori per effetto mesomero (+M) e induttivo.
(Fare un esempio con –ΟΗ oppure –ΝΗ2 per indicare gli effetti attraverso le
strutture di risonanza).
I gruppi elettronattrattori che orientano in –m hanno effetti mesomero –M e
induttivo –I
(Fare un esempio con NO2 e COOH con le strutture di risonanza per indicare
gli effetti).
I gruppi –X (-F,-Cl,-Br,-I) sono elettrondonatori per effetto mesomero (+M)
ma elettronattrattori per effetto induttivo (-I).
ADDIZIONE NUCLEOFILA – MECCANISMO
Il gruppo carbonilico controlla il chimismo delle aldeidi e dei chetoni
perchè rappresenta un punto favorevole per l'addizione nucleofila.
Il fenomeno si nota meglio considerando le strutture di risonanza:
(-
Il gruppo carbonilico contiene un doppio legame carbonio-ossigeno e dato
che gli elettroni sono fortemente attratti dall'ossigeno, l'atomo di
carbonio ha una carenza di elettroni, mentre l'ossigeno è ricco di
elettroni. Inoltre poichè questa parte della molecola è piana (sp2) risulta
relativamente facile un attacco sopra e sotto il piano della molecola, cioè
in direzione perpedicolare al piano del carbonile.
In queste condizioni è favorito l'attacco dei nucleofili al carbonio
carbonilico.
La reazione tipica delle aldeidi e chetoni (addizione nucleofila) può
essere rappresentata nel modo seguente:
-
Le aldeidi danno generalmente le reazioni di addizione nucleofila più
velocemente dei chetoni e ciò deriva sopratutto da fattori elettronici e
sterici. Infatti un chetone al posto di un –H ha un gruppo –R più
voluminoso ma anche elettrondonatore quindi abbassa la carica parziale
positiva ((+) del carbonio carbonilico rendendolo così meno reattivo verso
i nucleofili.. Nel caso in cui al posto di –R si trova un gruppo arilico (-
Ph) la stabilizzazione è ancora maggiore a causa della risonanza esistente
nell'anello aromatico.
L'addizione nucleofila catalizzata dagli acidi (H+) avviene più velocemente
perchè l'ossigeno così acquista il protone strappando gli elettroni ( senza
prima passare da una carica negativa (così l'energia di attivazione va
diminuita).
Un esempio di addizione nucleofila al doppio legame carbonilico è
l'addizione di ammoniaca e dei suoi derivati (idrossilamina, idrazina,
fenilidrazina e semicarbazide) come anche l'addizione di ammine 1° e/o 2°.
La protonazione del composto può avvenire sia sull'azoto (preferibile) sia
sull'ossigeno. Ma a causa del fatto che sull'azoto non sarebbe produttivo
avviene sull'ossigeno e ciò perchè alla fine la differenza energetica è
molto piccola (questa considerazione non è esattamente corretta ma sta bene
per un corso elementare di chimica organica, in verità avviene un processo
estremamente complicato detto proton transfer). La reazione può fermarsi al
primo stadio e può formarsi un sale con il controione ma a causa di
idrogeni in α della forma mesomera avviene un eliminazione con la
conseguente formazione di un doppio legame.
Sostituzione Nucleofila Acilica
La sostituzione nucleofila acilica si effettua in due passaggi, il primo
dei quali è la formazione dell' intermedio avente un carbonio tetraedrico e
controlla la velocità della reazione globale.
La formazione dell'intermedio viene favorita da gruppi che attirano gli
elettroni stabilizzando la carica negativa ed è impedita da gruppi
voluminosi che si ostacolano nello stato di transizione.
Il secondo passaggio dipende invece dalla basicità del gruppo uscente.(:W).
Se è presente un acido il protone si lega all'atomo di ossigeno facilitando
l'attacco nucleofilo sul grruppo carbonilico, l'ossigeno così acquista gli
elettroni ( senza dover assumere carica negativa.
Da ciò deriva anche il fatto che i derivati degli acidi vengono idrolizzati
con maggior facilità in ambiente acido e/o basico che in neutro.
L'attacco nucleofilo su un composto acilico implica uno stato di
transizione che porta ad un intermedio tetraedrico, cioè un composto vero e
proprio. Poichè il gruppo carbonilico è insaturo, l'attacco del nucleofilo
richiede solo la rottura del debole legame ( e provoca la formazione di una
carica negativa su un atomo, quello dell'ossigeno, ben disposto ad
acquistare.
In genere fattori elettronici e sterici rendono il gruppo carbonilico
disposto all'attacco nucleofilo sull'atomo di carbonio.
Esiste una notevole differenza fra gruppo carbonilico di aldeidi e chetoni
e un composto acilico. Mentre infatti l'intermedio tetraedrico proveniente
da un'aldeide o chetone acquista un protone, portando nel complesso ad
un'addizione, l'intermedio tetraedrico proveniente da un composto acilico
espelle il gruppo :W, portando alla fine ad una sostituzione
(Importante!)
La facilità con cui si distacca il gruppo W dipende dalla sua basicità,
cioè tanto minore è la basicità, tanto maggiore è la tendenza a fungere da
gruppo uscente. Nel caso dei derivati l'ordine di basicità è la seguente:
Cl-
Per quanto riguarda l'idrolisi basica dei composti acilici, il meccanismo è
il seguente:
Inoltre un altro confronto è possibile, tra sostituzione nucleofila
alifatica e sostituzione nucleofila acilica riguardo la loro stereochimica:
Questo confronto indica che i composti acilici rispetto quelli alchilici
sono più reattivi e questo è dovuto alla presenza del gruppo carbonilico.
L'attacco nuscleofilo di tipo SN2 sun un atomo alchilico tetraedrico
implica uno stato di transizione stericamente molto affollato con un atomo
di carbonio pentavalente, dove l'attacco del nucleofilo richiede la
parziale rottura del legame con il gruppo uscente. L'attacco nucleofilo su
un carbonio acilico invece implica uno stato di transizione che porta ad un
intermedio tetraedrico molto più stabile.
Come esempio di sostituzione nucleofila acilica possiamo considerare
l'idrolisi alcalina degli esteri:
Si dimostra sperimentalmente attraverso la stereochimica della reazione che
è l'ossidrilione che attacca l'atomo di carbonio carbonilico e sposta lo
ione alcoolato, cioè che il legame che si rompe è quello tra l'ossigeno ed
il gruppo acilico, RCO-OR'. Questa conferma viene data da studi sulle
molecole marcate, p.es per l'idrolisi basica del propionato di etile
marcato con 18O. Nel gruppo uscente, cioè l'alcoolo l'ossigeno si ottiene
come 18O.
L'idrolisi degli esteri avviene anche attraverso catalisi acida ed è una
reazione reversibile
L'acido minerale aumenta la velocità dell'idrolisi protonando l'ossigeno
carbonilico e facilitando l'attacco nucleofilo sul carbonio. Nell'idrolisi
il nucleofilo è l'acqua e il gruppo uscente è l'alcool.
Nell' esterificazione i ruoli sono esattamente invertiti.
Sostituzione Nucleofila Aromatica
Meccanismo bimolecolare
Il meccanismo della sostituzione nucleofila aromatica prendendo come
esempio il clorobenzene [ il seguente:
Ci sono due passaggi essenziali: l'attacco del reagente nucleofilo
all'anello con formazione del carbanione e l'espulsione dell'alogenione con
formazione del prodotto.
Il carbaione intermedio si stabilisce per risonanza nel modo seguente:
Confronto tra S.N.Alifatica e S.N. Aromatica
Nella S. N.2 l'intermedio in cui all'atomo di carbonio sono legati tanto il
gruppo attaccante quanto il gruppo uscente, è considerato uno stato di
transizione.
L'ibrido di risonanza nella S.N. Aromatica indica che il carbonio è
tetraedrico e l'anello ha una carica negativa distribuita su tutto l'anello
ed è così relativamente stabile al contrario dello stato di transizione
pentavalente della S.N. Alifatica.
Meccanismo di eliminazione-addizione
Questo meccanismo avviene attraverso uno stato intermedio in cui si forma
il benzino altamente reattivo.
L'esempio seguente indica il meccanismo di questa reazione:
Il benzino ha una struttura tale che un nuovo legame si forma per
sovrapposizione laterale di due legami sp2 tra due atomi di carbonio di cui
uno era inizialmente legato all'alogeno e l'altro ad un idrogeno. Questo
nuovo orbitale di legame si trova lateralmente rispetto all'anello ed ha
scarsa interazione con le nuvole elettroniche ( sopra e sotto l'anello.
Essendo la sovrapposizione laterale molto scarsa, il legame è debole e il
benzino è quindi un intermedio estremamente reattivo.
L'eliminazione avviene in due passaggi. Il primo è l'estrazione di un
protone da parte dello ione amiduro per cui si forma ammoniaca ed un
carbanione che quest'ultimo dà il benzino.
L'addizione implica anch'essa due passaggi. L'attacco dello ione amiduro
per formare il carbanione che reagisce successivamente con un acido (in
questo caso l'ammoniaca) per sottrargli il protone.
Sperimentalmente il meccanismo si spiega attraverso un clorobenzene
marcato, in cui il 14C è legato al cloro. Metà dell'anilina ottenuta
contiene l'amminogruppo al 14C e metà lo contiene legato all'atomo di
carbonio adiacente.
In questo caso il carbonio marcato 14C e quello adiacente diventano
equivalenti e NH2- si addiziona indifferentemente all'uno o all'altro
I sostituenti elettronattrattori come –NO2 favoriscono la sostituzione
mentre gli elettrondonatori la sfavoriscono. I sostituenti
elettronattrattori disperdono la carica negativa dell'anello stabilizzando
il carbanione. Analogamente il gruppo elettronattrattore stabilizza lo
stato di transizione con la carica negativa frazionariae quindi accelera la
reazione. Al contrario il gruppo elettrondonatore intensifica la carica
negativa e rende meno stabile il carbanione e anche lo stato di transizione
rallentando così la reazione.
La sostituzione nucleofila aromatica e la sostituzione elettrofila
aromatica hanno un punto in comune (importante) il fatto che un gruppo
esercita la sua massima influenza sia attivante che disattivante nelle
posizioni orto e para. Questa sommiglianza è dovuta all'analogia degli ioni
intermedi: in tutti e due i casi la carica dello ione intermedio sia
negativa che positiva è più forte nelle posizioni –o e –p rispetto al punto
di attacco, quindi un gruppo legato ad una di queste due posizioni può
esercitare la massima influenza.
MECCANISMO DI OSSIMERCURIAZIONE – DEMERCURIAZIONE
Gli alcheni reagiscono con Hg(OAc)2 (acetato di mercurio) in ambiente
acquoso formando dei prodotti ossimercuriali (ossimercuriazione) che poi
subiscono riduzione con riducenti chimici (LiAlH4 o NaBH4) formando
alcooli.
Lo schema della reazione è il seguente:
Il 1° passaggio consiste all'addizione al doppio legame C-C dell'acetato e
dell'acqua. In pratica la reazione segue il meccanismo dell'addizione
elettrofila in cui lo ione mercurico agisce da elettrofilo. In questa
reazione non si presentano casi di trasposizione e si è dimostrato che
l'attacco del nucleofilo che è l'acqua avviene dal retro (addizione anti).
Questo fatto dà un carattere altamente stereospecifico a questo tipo di
addizione.
Il meccanismo più probabile è il seguente:
L'attacco del nucleofilo avviene all'atomo di carbonio più sostituito come
se fosse l'intermedio carbocatione più stabile. Nonostante il fatto che
l'addizione è di solito anti, quantunque sono stati osservati anche alcuni
casi di addizione sin. Ad ogni modo l'addizione dà ottime rese di alcool e
segue la regola di Saytzef.
Il 2° passagio ,la demercuriazione, è la riduzione con NaBH4 che avviene
nello stesso contenitore del prodotto ossimercuriato, in situ.
Come solvente per la ossimercuriazione viene usato il THF (solvente polare
aprotico)
Alcuni esempi di ossimercuriazione-demercuriazione sono i seguenti:
Meccanismo di Idroborazione-Ossidazione
L'idroborazione è una tipica reazione condizionata dalla situazione
sterica, cioè il boro di soliti attacca al C meno sostituito e meno
stericamente impedito degli alcheni altamente sostituiti. La reazione
comporta la iniziale coordinazione di BH3 o di un trialchilborano con gli
elettroni ( del doppio legame, seguita dalla formazione del legame C-H. Il
meccanismo segue il percorso seguente:
Nel 1° passagio, l'idroborazione, l'elettrofilo (acido di Lewis), cioè il B
viene attaccato dal legame ( dell'alchene attraverso il seguente stato di
transizione:
esempio: propilene
(+
La cosa interessante dell'idroborazione è che la reazione non percorre
attraverso un carbocatione, ciò perchè il carbonio 2° che perde il doppio
legame allo stato di transizione diventa sempre più acido a causa del fatto
che alla sua vicinanza esiste uno degli idrogeni legati al boro. Il boro
che attrae il doppietto ( cede l'idrogeno più facilmente. Ciò indica
inoltre che la reazione inizia con l'attacco del B al carbonio 1°.
La reazione in genere è condizionata da fattori polari e sterici ed è una
addizione sin.
Il 2° passaggio consiste nell'ossidazione dell'alchilborano formatasi
mediante acqua ossigenata in ambiente basico.
Un tipici esempi dell'idroborazione-ossidazione
DEGRADAZIONE DI HOFMANN DELLE AMMIDI
La degradazione di Hofmann consiste nella sintesi di ammine aventi un atomo
di carbonio rispetto il composto di partenza. La reazione globale è la
seguente:
Il meccanismo più probabile di questa reazione avviene in questo modo:
I passaggi 3. e 4. si possono considerare contemporanei ciò perchè la
trasposizione del gruppo R può aiutare il distacco dell'anione bromo. In
questo caso il gruppo migrante è il nucleofilo ed il bromoione è il gruppo
uscente. Si può dire quindi che avviene una reazione di sostituzione
nucleofila sull'atomo di azoto avente una lacuna elettronica come mostra il
passaggio 3.
L'isocianato formato nel passaggio 4. può reagire in presenza di base in
soluzione acquosa per dare l'ammina e carbonati.
Ossidazione dei metil chetoni (Reazione aloformica)
Probabile meccanismo
Il 1° stadio consiste in tre consecutive (-alogenazioni attraverso
carbanioni, solo al gruppo metilico e non al gruppo R.
Il processo è noto come addizione-eliminazione nucleofila. Ogni volta volta
che viene addizionato un gruppo OH- in un gruppo carbonilico dopo un po' si
espelle di nuovo e così la reazione torna indietro, ma ogni tanto si
espelle il gruppo CX3- che non è stabile e poi viene immediatamente
protonato.
Il metodo costituisce un'ossidazione dei metil chetoni nei corrispondenti
acidi carbossilici.
Meccanismo di reazione dell'(-alogenazione di Hell-Volhardt-Zelinsky
Si considera una reazione posizionalmente selettiva e non è un'alogenazione
radicalica. Lo stadio chiave è la reazione dell'alogeno con la forma
enolica del corrispondente alogenuro acilico. Il PX3 facilita la reazione
con l'RCOOH per dare RCOX che enolizza molto facilmente con l'acido stesso.
La reazione è assolutamente analoga all'alogenazione dei chetoni (βλέπε
carbanioni), infatti si forma anche una piccola percentuale di chetone (-
alogenato come sottoprodotto ((20%).
Meccanismo
1° stadio (formazione di bromuro di alcanoile)
2° stadio (enolizzazione)
3° stadio (bromurazione)
4° stadio (scambio)
(-alogeno acido alogenochetone
Reazione di Reimer-Tiemann. Sintesi di aldeidi fenoliche
Meccanismo del diclorocarbene
E' stato provato che il reagente elettrofilo che provoca la sostituzione
elettrofila aromatica sull'anello del fenato, altamente reattivo, è il
diclorocarbene, :CCl2.
Il probabile meccanismo della reazione è il seguente:
1° stadio (formazione del diclorocarbene)
Il diclorocarbene è altamente reattivo anche se neutro perché non ha
ottetto completto
2° stadio (S.E.Ar.)
3° stadio (reazione di idrolisi)
La reazione di idrolisi è senza dubbio facilitata dallo ione ossidrile.
Meccanismo della riduzione di Wolff-Kishner
(Formazione di areni da composti carbonilici aromatici)
In questa reazione avviene la diretta trasformazione del gruppo carbonilico
in gruppo metilenico(-CH2-)
Meccanismo
1° stadio (formazione dell'idrazone, addizione nucleofila)
fenilidrazone
2o stadio
In presenza di una base forte, l'idrazone è in equilibrio con un isomero
strutturale stabilizzato per risonanza.
3° stadio
Al 3o stadio il carbanione strappa un protone dall'acido coniugato base:H+
della base, così si riforma la base: che dopo essa strappa il protone
restante dall'azoto terminale idrazonico così si libera azoto molecolare
(estremamente stabile) e si forma un carbanione estremamente instabile il
quale alla fine strappa velocemente un protone dal solvente, che è la base:
formando l'idrocarburo.
Ossidazione di Baeyer-Villiger
La reazione consiste di una rottura ossidativa tra un carbonio carbonilico
e un carbonio alchilico adiacente ad esso. In questo processo, un chetone
alchilico viene convertito in estere mentre un chetone ciclico in lattone.
Per questa reazione vengono adoperati i peracidi (H2O2) e un acido di
Lewis.La regio specificità della reazione dipende dall'abilità dei gruppi
migratori dei sostituenti alchilici del gruppo carbonilico. La stabilità
dei sostituenti obbediscono all'ordine seguente:
3°>-cicloesilico>2°>-fenilico>1°>-metilico
ELABORAZIONE GRAFICA E STRUTTURE CHIMICHE CHEM DRAW
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