Prima di svolgere questi esercizi, oltre a studiare le reazioni di idroborazione-ossidazione e di addizione di alogeni (inclusi gli aspetti relativi alla stereochimica) dal libro e dagli appunti, potrebbe essere utile consultare il materiale didattico condiviso.
1) Scrivere il meccanismo e i prodotti della reazione di idroborazione-ossidazione dei composti dell’esercizio 1 del post precedente (SEGUIRE IL LINK). Indicare anche la stereochimica dei prodottie assegnare il nome IUPAC a ciascuno di essi.
2) Scrivere il meccanismo e i prodotti della reazione dei composti dell’esercizio 1 del post precedente con Br2 in diclorometano (il diclorometano è il solvente). Indicare anche la stereochimica dei prodottie assegnare il nome IUPAC a ciascuno di essi.
3) Scrivere il meccanismo e i prodotti della reazione dei composti dell’esercizio 1 del post precedente con Br2 in acqua (l’acqua è il solvente, ma fornisce anche un nucleofilo competitivo). Indicare anche la stereochimica dei prodottie assegnare il nome IUPAC a ciascuno di essi.
4)Scrivere il/i prodotto/i di idrogenazione catalitica per le seguenti molecole (indicare la stereochimica) :
6) Quale/i delle seguenti reazioni darà come prodotto un composto meso?
7) Come sintetizzeresti i seguenti alcoli a partire da un alchene utilizzando uno dei metodi studiati? Indicare i reagenti necessari, le condizioni di reazione e la stereochimica di tutti i prodotti. Mostrare il meccanismo di reazione.
8) Sintetizzare il seguente composto utilizzando 1-butene come unica fonte di atomi di carbonio (e utilizzando i meccanismi di reazione studiati).
NB: molti degli esercizi di questo set prevedono riarrangiamenti di carbocationi
1) Determinare l’ordine di reattività in una reazione di addizione di acido alogenidrico per i seguenti alcheni: 2-metilpropene; (2Z)-2-butene; (2E)-2-butene. Motivare la risposta.
2) Quale/i dei seguenti alcheni darà l’1-bromo-1,2-dimetilciclopentano come prodotto principale della reazione con HBr?
3)Disegnare la formula di struttura dell’alchene di formula molecolare C8H14 che, per reazione con HBr, dà come prodotto principale 1-bromo-1-isopropilciclopentano.
4) Proporre un metodo per sintetizzare l’1,2-dimetilcicloesanoloa partire dal 3,3-dimetilcicloes-1-ene.
5) Spiegare perchè il prodotto della reazione di idratazione acido-catalizzata del (4R)-4-metil-1-esene ruota il piano della luce polarizzata.
6) La reazione del 2-metilpropene con metanolo in presenza di acido solforico porta alla formazione del 2-metossi-2-metilpropano (=terz-butil metil etere). Proporre un meccanismo per la formazione dell’etere.
7) Spiegare perché è impossibile sintetizzare il seguente etere utilizzando la reazione tra un alchene e un alcol:
8) Proporre un meccanismo per le seguenti trasformazioni
9) Indicare le condizioni di reazione e proporre un meccanismo per le seguenti trasformazioni
10) Mostrare il meccanismo della seguente trasformazione:
Quando è necessario prevedere il meccanismo e il/i prodotti principali di una reazione dobbiamo porre attenzione, dove appropriato, alla regioselettività, stereoselettività e stereospecificitàdella reazione stessa. È dunque chiaro che lo studio preliminare dei meccanismi di reazione è essenziale. Nel rivedere tali meccanismi, provare a razionalizzare ogni passaggio in termini di reazione del nucleofilo con l’elettrofilo.
Nel descrivere il meccanismo di reazione, è importante fare un uso corretto delle frecce ricurve, per mostrare il movimento degli elettroni, e delle frecce adatte ad indicare il passaggio da uno stadio all’altro della reazione. Prestare, inoltre, attenzione alla presenza di eventuali atomi carichi positivamente o negativamente.
Per reazioni che prevedono la formazione di un intermedio carbocationico, fare sempre attenzione alla possibilità di trasposizioni che possano portare alla formazione di un carbocatione più stabile.
Seguire l’aspetto stereochimico delle reazioni
Per le reazioni stereospecifiche* (e, di conseguenza, stereoselettive), è necessario seguire la stereochimica della reazione utilizzando le opportune rappresentazioni grafiche (per i composti a catena aperta, usare strutture a cavalletto o formule prospettiche). Di seguito, due esempi.
Nel primo, facciamo reagire il (2E)-3-metil-2-pentene con Br2 in H2O. Mostriamo la stereochimica della reazione utilizzando le formule prospettiche.
Ricordiamo che il doppio legame è planare (i due carboni sp2 e gli atomi ad essi direttamente legati giacciono tutti in un piano); nell’immagine che segue, troverete i sostituenti legati ai carboni sp2 su cuneo pieno o su cuneo tratteggiato. Questo indica che stiamo immaginando che il piano su cui si trovano tutti i legami dei due carboni ibridati sp2 non è quello sello schermo (o del foglio), ma quello ad esso perpendicolare.
Gli elettroni π (pi-greco) potranno dare l’attacco all’elettrofilo sia al di sopra sia al di sotto del piano. Nell’immagine seguente è mostrato l’attacco verso l’alto. Si formerà quindi lo ione bromonio ciclico che subirà l’attacco del nucleofilo sul carbonio più sostituito. Questo attacco avviene in anti. Si formerà, quindi, un unico stereoisomero. (NB: per una descrizione dettagliata del meccanismo si rimanda al libro).
Da questa reazione stereospecifica (e quindi anche stereoselettiva) otterremo anche l’enantiomero del prodotto appena formato. Questo deriva dalla formazione dello ione bromonio sulla faccia inferiore del piano definito dai due carboni sp2.
NB: il prodotto ottenuto a seguito dell’attacco dell’acqua su questo ione bromonio avrà configurazione (2S,3R)
È possibile mostrare la stereochimica della reazione anche utilizzando le rappresentazioni a cavalletto. A titolo di esempio, facciamo avvenire la reazione sull’alchene (2Z)-3-metil-2-pentene (ci aspettiamo, dunque, la formazione di due composti che saranno tra loro enantiomeri, e saranno diastereoisomeri dei prodotti della reazione precedente). Per usare le strutture a cavalletto, riportiamo il doppio legame come mostrato di seguito (attenzione a rispettare la geometria del doppio legame!). Anche in questo caso, per attacco da parte degli elettroni π all’elettrofilo da sopra o da sotto al piano di formano due ioni bromonio. Qui è mostrato l’attacco verso il basso che porterà alla sintesi dello stereoisomero mostrato.
Per definire la stereochimica è consigliabile riportare la struttura su una proiezione di Fischer (ricordandosi di eclissarla prima di farlo).
A seguito della formazione dell’altro ione bromonio (che deriva dall’attacco al di sopra del piano), si otterrà l’enantiomero del composto qui ottenuto.
NB: avendo familiarità con le varie rappresentazioni delle molecole organiche, è possibile passare agevolmente dall’una all’altra. A questo punto potremmo, ad esempio, scrivere questo composto usando una struttura a segmenti.
La tabella 6.1 del libro può essere utile per verificare se la stereochimica della reazione è stata determinata correttamente
*Tutte le reazioni stereospecifiche sono anche stereoselettive (mentre non è sempre vero il contrario)
Analisi retrosintetica
Se per le reazioni stereospecifiche è necessario effettuare un’analisi retrosintetica (analisi necessaria per capire quale è l’alchene di partenza), è essenziale tener conto proprio della stereochimica con cui procede la reazione. È quindi fondamentale capire da quale alchene partire: per farlo, bisogna aver ben chiaro se la reazione prevede una stereochimica sin o anti.
Vediamo che succede se la reazione procede con stereochimica anti
ES.1: Partendo dall’opportuno alchene, illustrare il meccanismo di reazione della sintesi del seguente composto. Indicare eventuali altri prodotti fornendo per tutti il nome IUPAC completo di stereochimica.
Si tratta di una reazione di un alchene (3-metil-2-pentene) con bromo in metanolo. Poichè questa è una reazione stereospecifica, è ESSENZIALE capire da quale isomero (E o Z) dell’alchene bisogna partire per ottenere il prodotto desiderato. Dal momento che questa reazione è anche stereoselettiva, determiniamo le configurazioni assolute dei carboni chirali, sapendo che in questo caso otterremo anche l’enantiomero.
Per capire da quale alchene dobbiamo partire, trasformiamo questa proiezione di Fischer in una rappresentazione a cavalletto, sapendo che i sostituenti sulla linea verticale si trovano lontani dall’osservatore, mentre quelli sulla linea orizzontale sono rivolti verso l’osservatore:
L’addizione di bromo in metanolo procede con stereochimica anti; questo significa che Br e OMe devono trovarsi da parte opposta. Ruotiamo dunque la rappresentazione a cavalletto lungo il legame C2-C3 in modo da evidenziare quanto appena detto (dobbiamo ottenere il conformero sfalsato qui mostrato):
L’alchene di partenza è dunque (2Z)-3-metil-2-pentene (se la struttura a cavalletto è orientata come sopra mostrato e i sostituenti sono correttamente posizionati, basta a questo punto “eliminare” i due sostituenti e “aggiungere” il doppio legame come mostrato in figura).
Il seguente video può essere utile per visualizzare l’attacco in anti:
Vediamo che succede se la reazione procede con stereochimica sin
ES. 2: Da quale 2,3,4-trimetil-3-esene è possibile ottenere il seguente prodotto di idrogenazione catalitica?
L’idrogenazione catalitica porta all’addizione di un idrogeno a ciascun carbonio sp2 e procede con stereochimica sin. La reazione è stereospecifica. Per capire da quale alchene dobbiamo partire, trasformiamo la proiezione di Fischer in una rappresentazione a cavalletto
L’addizione avviene con stereochimica sin; questo significa che i due H devono trovarsi dallo stesso lato. Ruotiamo dunque la rappresentazione a cavalletto lungo il legame C3-C4 in modo da evidenziare quanto appena detto (dobbiamo ottenere il conformero eclissato qui mostrato):
L’alchene di partenza è dunque (3Z)-2,3,4-trimetil-3-esene (se la struttura a cavalletto è orientata come sopra e i sostituenti sono correttamente posizionati, per definire l’alchene di partenza, basta a questo punto “eliminare” i due atomi di idrogeno e “aggiungere” il doppio legame come mostrato in figura). Da questo alchene, per idrogenazione catalitica, otterremo anche l’enantiomero del composto iniziale.
NB: in molti esercizi, una volta individuato l’alchene di partenza, viene poi richiesto di mostrare anche il meccanismo che porta alla formazione dei prodotti oppure viene chiesto di indicare eventuali altri prodotti (LEGGERE SEMPRE BENE LA TRACCIA).
Schemi riassuntivi e materiale didattico integrativo
Qui è possibile scaricare una tabella riassuntiva delle reazioni degli alcheni che può integrare lo schema che trovate sul libro alla fine del capitolo dedicato proprio a queste reazioni.
NB: per gli aspetti regiochimici delle reazioni per cui le informazioni non sono presenti nella tabella, far riferimento al testo e agli appunti delle lezioni (in quanto l’argomento richiede una trattazione più dettagliata; ad es.: la reazione che porta alla sintesi di aloidrine dà una regioselettività Markovnikov che è possibile capire analizzando il meccanismo della reazione).
Al link seguente (cliccare su “Learn more”) è possibile scaricare un secondo schema riassuntivo sulle reazioni degli alcheni studiate. Sono inoltre riportati, nello stesso file, alcuni approfondimenti relativi sia alle trasposizioni, sia agli orbitali coinvolti in alcune delle reazioni in questione:
Nel corso della reazione, si forma uno ione mercurinio a ponte come intermedio, che viene, a sua volta, attaccato dall’acqua. Questo stadio avviene con stereoselettività anti. In un secondo stadio, viene aggiunto NaBH4, ottenendo così il prodotto di riduzione. Questo passaggio rimescola la stereochimica, per cui il processo complessivo è un misto di addizione sin e anti.
Come già precedentemente comunicato, domani 18/11 a partire dalle 16:00 si terrà un’esercitazione aggiuntiva sulle rappresentazioni strutturali in AULA A1.
Un’esercitazione aggiuntiva che riguarderà invece le reazioni degli alcheni si terrà Giovedì 27 Novembre alle ore 15:00 sempre in AULA A1.
La durata di ogni esercitazione è di circa 2 ore (ma la durata effettiva dipende molto da quanti dubbi ci saranno da risolvere)
Per quanto riguarda il ricevimento, si ricorda che è possibile prenotarlo utilizzando l’apposito link. In assenza di appuntamenti liberi nell’immediato, è possibile prenotarlo per orari diversi da quelli programmati, inviando una mail alla docente.
La lezione teorica a frequenza OBBLIGATORIA in preparazione al secondo turno di laboratorio si terrà lunedì 24/11 alle ore 10:00.
Qui sotto è riportato il calendario della II esperienza.
I turni sono quelli definiti nel corso della prima esperienza. Eventuali cambi effettuati dovranno essere rispettati (ammenochè altre variazioni non siano strettamente necessarie).
Prima di effettuare la seconda esperienza di laboratorio, tutti dovranno completare la relazione con la sezione relativa a risultati, discussione e conclusione come riportato nel materiale precedentemente condiviso.
Inoltre, dovranno anche compilare la scheda pre-lab secondo quanto riportato sempre nel materiale già condiviso con voi (ma evidentemente ignorato da qualcuno).
In assenza delle sezioni elencate sopra, non sarà possibile accedere al laboratorio.
Vincerà la sfida chi risponderà per primoCORRETTAMENTE al seguente quesito
La risposta dovrà essere inserita come commento al post. Per commentare è necessario essere registrati al blog ed aver effettuato il login! Identificarsi utilizzando nome e cognome.
Ognuno può rispondere solo una volta (anche in presenza di più di un commento pubblicato dalla stessa persona, soltanto il primo sarà preso in considerazione).
Il tempo massimo a disposizione sarà di 12h dalla pubblicazione del post.
Il vincitore (4 punti) sarà annunciato martedì a lezione.
La molecola mostrata in figura è il primo esempio di una molecola che contiene un ossigeno chirale, per cui è stato possibile sintetizzare e isolare un singolo enantiomero a temperatura ambiente (l’articolo relativo è stato pubblicato su Nature nel 2023).
Infatti, sebbene il carbonio sia famoso per le sue capacità di formare centri chirali, abbiamo visto che anche altri atomi come fosforo, zolfo e azoto possono fungere da centri stereogenici nelle molecole organiche. Gli ioni ossonio (come quello in figura), ossia composti che contengono un atomo di ossigeno con carica positiva legato a tre sostituenti, hanno il potenziale per essere chirali. In pratica, però, non è in genere possibile isolarne un singolo enantiomero a temperatura ambiente.
A) Spiegare sinteticamente perché non è possibile isolare la singola forma enantiomerica di uno ione ossonio, in generale.
B) Ipotizzare perché, invece, questo è stato possibile nel caso del composto mostrato in figura.
NB: PRIMA di AFFRONTARE GLI ESERCIZI DI QUESTO POST è NECESSARIO AVER STUDIATO E COMPRESO AL FONDO LA PARTE RELATIVA AGLI ASPETTI TERMODINAMICI E CINETICI DELLE REAZIONI, OLTRE AI MECCANISMI DI ADDIZIONE DI HX, ACQUA E ALCOL AD UN ALCHENE (INCLUSI GLI ASPETTI STEREOCHIMICI)
1) Scrivere il meccanismo e il/i prodotto/i (indicando qual è il principale, quando necessario) della reazione dei seguenti composti con HCl. Indicare anche la stereochimica dei prodottie assegnare il nome IUPAC a ciascuno di essi.
a) 2-metil-2-pentene
b) 2-metil-1-pentene
c) (2E)-4-metil-2-pentene
d) 4-metil-1-pentene
e) (4R)-4-metil-1-esene
f) 4-etil-2-esene
g) (2Z)-4,4-dimetil-2-pentene
h) (2E)-4,4-dimetil-2-pentene
i) 1-metil-1-cicloesene
l) (6S)-1,6-dimetil-1-cicloesene
2) Proporre una strategia per la sintesi dei seguenti alogenuri alchilici partendo da un alchene. Quando sono possibili più opzioni, scegliere quella che darà il composto desiderato come prodotto principale o come unico prodotto e argomentare la scelta. Infine, per ogni reazione, indicare la stereochimica dei prodotti.
a) 2-cloropentano
b) 2-bromo-2-metilbutano
c) 2-cloro-2,3-dimetilbutano
d) 2-cloro-2,3-dimetilpentano
3) Per le reazioni dell’1-butene e del 2-butene con I) acido bromidrico e II) con acqua in ambiente acido:
1) mostrare i meccanismi;
2) disegnare, per ciascuna reazione, un grafico della variazione dell’energia libera rispetto alla coordinata di reazione in cui vengono indicate le strutture dei reagenti, degli stati di transizione, degli intermedi e dei prodotti;
3) se i carbocationi che si formano sono caratterizzati da stabilità differente, dire quali fattori stabilizzano i carbocationi più stabili
4) indicare se le reazioni sono o meno regioselettive (e quando possibile indicare anche il grado di regioselettività).
4)I seguenti meccanismi di reazione sono caratterizzati da un certo numero di errori gravissimi. Individuarli e correggerli.
5) La coordinata di reazione qui sotto mostra il profilo energetico della reazione di 3 alcheni diversi con HBr. Identificare alla reazione di quale alchene si riferisce ciascuna curva:
6) Completare i prodotti della seguente reazione, prendendo in considerazione quella che è la posizione relativa dei sostituenti già indicati (attenzione: tutte le strutture dei prodotti sono qui riportate come conformazioni eclissate, anche quelle che derivano dall’addizione sin).
7) Scrivere il meccanismo e il/i prodotto/i principale/i della reazione di idratazione acido-catalizzata dei composti dell’esercizio 1. Indicare anche la stereochimica e assegnare il nome IUPAC a ciascuno dei prodotti.
8) Di seguito è mostrato il diagramma energetico della reazione di idratazione acido-catalizzata del 2-butene:
a) Cosa possiamo dire circa il ΔG° della reazione? b) Cosa possiamo dire circa la Keq della reazione? c) Di quanti stadi si compone la reazione? d) Qual è lo stadio cineticamente determinante? e) Indicare sul grafico l’energia di attivazione relativa a ciascuno stadio f) Disegnare lo stato di transizione dello stadio cineticamente determinante. g) Quanti intermedi si formano nel corso della reazione? Disegnarne la/le struttura/e.
9) Disegnare il diagramma energetico della reazione del 2-metil-2-butenecon HCl e giustificare la regioselettività della reazione.
10) Spiegare perchè il prodotto della reazione di idratazione acido-catalizzata del (4R)-4-metil-1-esene ruota il piano della luce polarizzata.
11) Mostrare il meccanismo e i prodotti delle seguenti reazioni. Nel caso, indicare il/i prodotti principali. Indicare la stereochimica e attribuire il nome IUPAC a tutti i prodotti.
12) Metti i seguenti carbocationi in ordine di stabilità crescente, motivando la scelta:
Chimica Organica-DiSTABiF 
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