Chimica Organica-DiSTABiF

REAZIONE DI CLAISEN

La rteazione tra un estere contenente un idrogeno attivo e un aldeide che ne sia priva, effettuata in presenza di una base, è conosciuta come reazione di Claisen (da non confondere con la condensazione di Claisen).

Il successo della reazione dipende dalla maggiore reattività verso i nucleofili del carbonio aldeidico rispetto a quello estereo. Le aldeidi che portano un idrogeno in alfa non sono reagenti adatti perchè danno di preferenza prodotti di autocondensazione.

REAZIONE DI REFORMATSKY

Sebbene non sia una reazione catalizzata dalle basi, essa viene inclusa in questo contesto in quanto riguarda la reazione di un enolato con un’aldeide o un chetone.

L’enolato si forma da un alfa-bromoestere con zinco in Et₂O:

Contrariamente di quanto avviene nelle reazioni degli enolati con le aldeidi aromatiche, spesso seguite da eliminazione catalizzata da basi per dare composti alfabeta-insaturi, nella reazione di Reformatsky l’assenza di basi porta alla formazione di un beta-idrossiestere.

REAZIONE DI PERKIN

Questa reazione consiste nella condensazione, catalizzata dall’anione carbossilato, di un’anidride acida con un’aldeide aromatica. Sebbene il meccanismo sia molto complesso, la reazione procede secondo passaggi ben definiti.

Affinchè la reazione proceda sono richieste in genere temperature piuttosto elevate a causa della basicità relativamente modesta dello ione carbossilato.

REAZIONE DI KNOEVENAGEL

Nei composti in cui un gruppo metilenico è legato a due gruppi carbonilici ( o anche nitrili o gruppi nitro) i legami C-H sono molto più acidi rispetto agli idrogeni in alfa ad un solo gruppo. Ciò permette di usare, nelle reazioni con le aldeidi e, in alcunio casi, con i chetoni, una base più debole di quelle usate nelle condensazioni aldoliche o di Claisen e di ottenere una concentrazione soddisfacente di ioni enolato, ad una velocità sufficientemente alta. Il processo prende il nome di reazione di Knoevenagel quando vengono usate ammine quali la piuperidina come catalizzatori.

Se una molecola organica contiene due o più gruppi funzionali, dobbiamo scegliere solo un suffisso per attribuire il nome; non è corretto utilizzare due o più suffissi.

As esempio l’amminoalcol 1 deve essere nominato come un alcol  con il suffisso -olo o come un’ammina con il suffisso -ammina ma non può avere il suffisso -oloammina o -amminolo.

L’unica eccezione a questa regola è quando bisogna dare un nome si un composto che ha un doppio e/o un triplo legame: in questo caso si utilizza il nome alchenino dando alle insaturazioni il numero più basso. In caso di parità la priorità spetta al doppio legame.

L’alcol insaturo si chiamerà ott-4-en-2-olo, mentre l’ammina insatura ott-7-in-2-ammina:

Come scegliamo quale suffisso utilizzare? I gruppi funzionali sono divisi in due classi, gruppi principali e gruppi subordinati, come mostrato nella tabella seguente. I gruppi principali possono essere citati sia come prefissi sia come suffissi, mentre i gruppi subordinati sono citati solo come prefissi. All’interno dei gruppi principali, è stata stabilita un ordine di priorità: il suffisso corretto per una data molecola è determinato scegliendo il gruppo principale di massima priorità. Ad esempio, la tabella seguente indica che l’amminoalcol 1 dovrebbe essere nominato come un alcol piuttosto che come ammina perché un gruppo funzionale dell’alcol è di maggiore priorità rispetto a un’ammina.

Composti organici elencati in base all’ordine di priorità dei gruppi funzionali

Il nome parentale, o base, di un composto organico polifunzionale è di solito facile da identificare. Se il gruppo prioritario fa parte di una catena aciclica, il nome base è quello della catena più lunga che contiene il gruppo prioritario, indipendentemente dalla presenza di altri gruppi funzionali o di insaturazioni; se il gruppo principale prioritario si trova su un ciclo, sarà il ciclo ad avere il nome base e le catene lineari, anche se più lunghe, saranno nominate come sostituenti.

Ricorda che a parità di gruppo funzionale, il ciclo ha sempre la priorità, indipendentemente dal numero di carboni della catena lineare o dalla presenza di insaturazioni o di altri gruppi funzionali.

Con il nome base e il suffisso stabilito, il passo successivo è identificare e assegnare numeri a tutti i sostituenti sulla catena principale o sull’anello. I sostituenti includono tutti i gruppi alchilici e tutti i gruppi funzionali diversi da quello citato nel suffisso.

Ognuno di questi acidi contiene più gruppi funzionali. Poiché il gruppo carbossile è prioritario, la catena più lunga deve contenre il gruppo carbossilico; inoltre, bisogna numerare dall’estremità più vicina al gruppo funzionale prioritario.

Nel caso di acidi carbossilici contenenti altri gruppi carbonilici, il gruppo carbossilico è sempre il gruppo prioritario

Derivati di acidi carbossilici come sostituenti:

Esempi:

Esempi di acidi carbossilici contenenti cicli:

Altri esempi di nomenclatura di composti polifunzionali:

Le reazioni di ossidoriduzione sono reazioni nelle quali si ha uno scambio di elettroni tra due specie chimiche; una specie subisce una reazione di ossidazione, l’altra specie subisce una reazione di riduzione. In chimica organica le reazioni di ossidoriduzione interessano essenzialmente l’atoo di carbonio e ne modificano lo stato di ossidazione.

Nei composti organici, l’ossidazione consiste in un aumento del numero di legami C—O (o con un atomo più elettronegativo del carbonio) o in una diminuzione del numero di legami C—H. La riduzione consiste in una diminuzione del numero di legami C—O o in un aumento del numero di legami C—H. L’atomo di carbonio può assumere tutti i numeri di ossidazione compresi tre -4 e +4.

L’attribuzione del numero di ossidazione nei composti organici semplici (CH₄ CH₃CH₃, CO₂) viene fatta seguendo le regole utilizzate anche per i composti inorganici.

Per il metano, infatti, abbiamo 1 C e 4 H

Per l’etano abbiamo 2C e 6H

Per l’anidride carbonica abbiamo 1C e 2°

Bisogna innanzitutto disegnare la struttura di Lewis.

Il legame tra atomi di carbonio è covalente puro (la differenza di elettronegatività tra due atomi è zero) quindi gli elettroni di legami non vengono assegnati a nessuno dei due atomi.

Nel legame C-H, il carbonio è più elettronegativo dell’idrogeno e riceve un elettrone dall’atomo di idrogeno ad esso legato. Possiamo generalizzare dicendo che ogni atomo di idrogeno contribuisce con una carica formale -1

L’atomo di ossigeno è più elettronegativo del carbonio, pertanto contribuisce con una carica formale +1; lo stesso vale per gli atomi di azoto, dello zolfo e degli alogeni

In altre parole:

• Il legame con un altro atomo di carbonio conferisce al carbonio la carica 0
• Il legame con un idrogeno o con ogni altro elemento meno elettronegativo del carbonio, conferisce al carbonio la carica – 1
• Il legame con un ossigeno, un azoto, un alogeno o con ogni altro elemento più elettronegativo del carbonio conferisce al carbonio la carica +1

Nel caso di legami multipli, la carica formale conferita al carbonio dall’elemento legato

Nel caso di legami multipli, la carica formale conferita al carbonio dall’elemento legato

• Nel caso di legami multipli, la carica formale conferita al carbonio dall’elemento legato viene moltiplicata per il numero dei legami

REAZIONI DI SOSTITUZIONE E DI ELIMINZIONE DEGLI ALOGENURI ALCHILICI

Basicità e Nucleofilicità

La basicità è una misura della capacità di un composto a condividere la sua coppia di elettroni solitaria con un protone

La nucleofilicità  è la misura della capacità di una specie con un doppietto elettronico libero di attaccare un atomo eletron-povero.

Nelle reazioni di Sostituzione Nucleofila, l’alogeno è sostituito da un altro atomo o gruppo, il nucleofilo

In una reazione di eliminazione, l’alogeno è eliminato insieme a un idrogeno dal carbonio adiacente (carbonio beta). L’idrogeno viene strappato da una base.

L’atomo o il gruppo che viene sostituito o eliminato è detto gruppo uscente

Il miglior gruppo uscente è la base più debole, pertanto, nelle reazioni di sostituzione e di eliminazione, le reattività di alogenuri alchilici che differiscono per l’atomo di alogeno sono:

RI > RBr > RCl > RF

I solventi protici hanno un idrogeno legato ad un atomo di ossigeno oppure di azoto. I solventi aprotici (DMSO, DMF) non hanno idrogeni legati a ossigeno o ad azoto.

Una base forte è un miglior nucleofilo. Tuttavia, se la reazione viene effettuata in un solvente protico, le basi più forti sono i nucleofili più scarsi a causa delle interazioni ione-dipolo tra ione e solvente.

Reazioni di sostituzione nucleofila alifatica

Una reazione S_N2 è bimolecolare: sia l’alogenuro alchilico sia il nucleofilo sono coinvolti nello stato cineticamente determinante della reazione, per cui la velocità della reazione dipende dalla concentrazione di entrambi.

Una reazione S_N2 ha un meccanismo a singolo stadio (concertato): il nucleofilo attacca il carbonio da retro rispetto al legame con l’alogeno. Pertanto, si ha inversione di configurazione.

Il nucleofilo reagisce con l’orbitale HOMO e l’alogenuro alchilico con quello LUMO.

A causa dell’impedimento sterico, le reattività relative degli alogenuri alchilici in una reazione S_N2 sono:

metilico > primario > secondario > terziario

Una reazione S_N1 è unimolecolare: solo l’alogenuro alchilico è coinvolto nello stato di transizione dello stadio lento della reazione, per cui la velocità dipende solo dalla sua concentrazione.

Una reazione S_N1 ha un meccanismo a due stadi: nel primo stadio, l’alogeno si stacca formando un  carbocarione intermedio che nel secondo stadio è attaccato da un nucleofilo. Queste reazioni sono dete anche reazioni di solvolisi, in quanto il solvente agisce da nucleofico.

La velocità di una reazione S_N1 dipende dalla facilità di formazione del carbocatione.

A causa della stabilità dei carbocationi, le reattività relative degli alogenuri alchilici in una reazione SN1 sono:

terziario > secondario > primario > metilico

Le reazioni S_N1 possono avvenire con racemizzazione.

Le uniche reazioni di sostituzione che gli alogenuri alchilici metilici, primari e secondari subiscono sono reazioni S_N2

Le uniche reazioni di sostituzione che gli alogenuri alchilici terziari subiscono sono reazioni S_N1

Reazioni di Eliminazione

La rimozione di un protone e uno di alogeno è chiamata deidroalogenazione. Il prodotto di una reazione di eliminazione è un alchene.

L’E2 è una reazione bimolecolare, concertata, ad uno stadio, in cui il protone e lo ione alogenuro vengono rimossi contemporaneamente.

Una reazione E2 è regioselettiva: il prodotto principale è l’alchene più stabile, a meno che i reagenti siano stericamente impediti o sia presente un cattivo gruppo uscente.

L’alchene più stabile è generalmente l’alchene più sostituito.

La maggiore sostituzione di un gruppo alchilico aumenta la stabilità del relativo carbocatione e diminuisce la stabilità del carbanione

Stabilità Carbocationi: 3° > 2° > 1° > metilico

Stabilità Carbanioni: metilico > 1° > 2° > 3°

La reazione E2 avviene solo se l’idrogeno e il gruppo uscente si trovano in una conformazione antiperiplanare: l’eliminazione sin è possibile ma quella anti è favorita.

La reazione E2 è stereoselettiva

Se il carbonio beta ha due atomi di idrogeno, allora si formano entrambi gli stereoisomeri E e Z;    quello E si forma in maggiore quantità perché è più stabile.

Se il carbonio beta è legato a un solo idrogeno, allora in una reazione E2 si forma un solo alchene;

La struttura dipende dalla stereochimica dell’alogenuro alchilico (reazione stereospecifica)

Una reazione E1, unimolecolare, è una reazione in due stadi in cui l’alogenuro alchilico si dissocia formando un carbocatione intermedio. Poi, una base rimuove un protone da un carbonio adiacente al carbonio carico positivamente.

La reazione E1 è regioselettiva: il prodotto è l’alchene più stabile.

Le uniche reazioni che gli alogenuri alchilici primari e secondari subiscono sono reazioni E2.

Gli alogenuri alchilici terziari subiscono sia reazioni E2 sia E1; la reazione E2 è favorita da una base forte; la reazione E1 è favorita da una base debole.

Una reazione E1 è stereoselettiva. Si formano entrambi gli stereoisomeri E e Z indipendentemente dal numero di atomi di idrogeno legati al carbonio beta.

In una reazione E2 i due gruppi eliminati da un anello a sei termini devono essere entrambi in posizione assiale (non è così in una reazione E1.

L’eliminazione è più veloce quando H e X sono diassiali nel conformero più stabile.

Gli alogenuri alchilici primari subiscono reazioni S_N2/E2: la reazione di sostituzione è favorita a meno che il nucleofilo/base sia impedito stericamente.

Gli alogenuri alchilici secondari subiscono reazioni S_N2/E2: si formano entrambi oi prodotti di sostituzione ed eliminazione; basi fori ingombrate e alte temperature favoriscono il prodotto di eliminazione

Gli alogenuri terziari subiscono reazioni E2 con basi forti e reazioni S_N1/E1 con basi deboli.

• I nucleofili sono specie ricche di elettroni; gli elettrofili sono specie povere di elettroni.
• I nucleofili reagiscono con gli elettrofili
• Il meccanismo della reazione descrive stadio per stadio il processo attraverso il quale i reagenti vengono convertiti in prodotti
• Un diagramma di energia libera/coordinata di reazione mostra le variazioni di energia che avvengono nel corso della reazione.
• Quando dei reagenti si convertono in prodotti, la reazione passa attraverso uno stadio di transizione corrispondente al massimo di energia.
• La termodinamica descrive una reazione all’equilibrio
• Più stabile è la specie, minore è l’energia.
• La costante di equilibrio K_eq indica le concentrazioni relative dei reagenti e dei prodotti all’equilibrio.
• Più stabile è il prodotto rispetto al reagente, maggiore è la sua concentrazione all’equilibrio e maggiore è la K_eq
• Se i oprodotti sono più stabili dei reagenti, allora K_eq >1, DG° è negativo e la reazione è esoergonica.
• Se i reagenti sono più stabili dei prodotti, allora K_eq è <1, DG° è positivoe la reazione è endoergonica
• DG° e K_eq sono correlati dall’equazione –RT ln K_eq
• DG° è la variazione di energia libera di Gibbs, con DG° = DH° – TDS°
• DH° è la variazione di entalpia, cioè il calore emesso o assorbito derivante dalla formazione e dalla rottura dei legami
• Una reazione esotermica presenta un DH° negativo; una reazione endotermica presenta un DH° positivo
• DS°è la variazione di entropia, cioè la variazione del grado di libertà di movimento del sistema.
• La formazione di prodotti con legami più forti e maggiori libertà di movimento rende il DH° negativo.
• L’energia libera di attivazione DG^‡, è la barriera di energia di una reazione. Essa è la differenza tra l’energia libera dei reagenti e quella dello stato di transizione.
• Minore è il DG^‡ più veloce è la reazione
• La velocità di una reazione dipende dalla concentrazione dei reagenti, dalla temperatura e dalla costante cinetica.
• La costante cinetica indica quanto facilmente i reagenti raggiungono lo stato di transizione
• Un intermedio è il prodotto di uno stadio della reazione e il reagente dello stadio successivo
• Gli stati di transizione hanno legami parzialmente formati; gli intermedi hanno legami completamente formati
• Lo stadio cineticamente determinante è quello con lo stato di transizione al punto massimo del diagramma di energia libera/coordibìnata di reazione.

REAZIONI DEGLI ALCHENI

• Gli alcheni danno reazioni di addizione elettrofila; le reazioni di addizione elettrofila iniziano sempre con l’addizione di un elettrofilo al carbonio sp² legato al maggior numero di idrogeni e terminano con l’addizione di un nucleofilo all’altro carbonio sp².
• Nelle reazioni di addizione elettrofila, il primo stadio si viene a formare un intermedio, generalmente un carbocatione.
• I carbocationi terziari sono più stabili dei carbocationi secondari, che sono più stabili dei carbocationi primari. L’iperconiugazione giustifica questo andamento.
• Un carbocatione darà una trasposizione se diventa più stabile come risultato dela trasposizione stessa.
• Una reazione di ossidazione diminuisce il numero di legami C-H e aumenta il n. di legami C-O, C-N, C-X.
• In una reazione concertata tutti i processi di formazione e rottura dei legami avvengono nello stesso stadio.
• Una reazione regioselettiva seleziona un particolare isomero di struttura (Markovnivov)
• Una reazione stereoselettiva seleziona un particolare stereoisomero
• Una reazione è stereospecifica se un reagente può presentare più stereoisomeri e ciascun stereoisomero forma un diverso stereoisomero o tipi di stereoisomeri
• Quando un reagente privo di centri asimmetrici forma un prodotto con un centro asimmetrico, il prodotto è sempre in miscela racemica
• Quando un reagente che ha un centro asimmetrico forma un prodotto con un secondo centro asimmetrico, si ottengono diastereoisomeri in quantità diverse.
• Nell’addizione sin i sostituenti si legano dalla stessa parte del doppio legame; nell’addizione anti si legano da parti opposte

Esempio di esercizio su una reazione regioselettiva, stereoselettiva e stereospecifica

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 Fisher 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:

L’alchene di partenza è dunque l’ (Z)-3-metil-2-pentene

MECCANISMO:

Il bromo, avvicinandosi agli elettroni pi-greco del doppio legame, si polarizza. L’attacco nucleofilo da parte dell’alchene porta alla formazione del catione bromonio e dell’anione bromuro.

Poichè la reazione viene condotta in metanolo, sarà l’alcol ad attaccare lo ione bromonio in anti rispetto al bromo; poichè la reazione è regioselettiva, il metanolo attaccherà il carbonio più sostituito (cfr. stato di transizione).

il carbonio che viene attaccato dal metanolo (conf. R) subisce inversione di configurazione con formazione del prodotto desiderato, il (2S,3S)-2-bromo-3-metil-3-metossipentano. L’attacco del bromo all’alchene dal basso, porterà alla formazione dell’enantiomero (2R,3R)-2-bromo-3-metil-3-metossipentano.

Approfondimenti sulla nomenclatura IUPAC aggiornata su: IUPAC ‘Nomenclature of Organic Chemistry’ (Blue Book, 2013) e ‘Brief Guide to the Nomenclature of Organic Chemistry’ (IUPAC Technical Report, Pure Appl. Chem. 2020; 92(3): 527–539).

1. Introduzione e principi generali

La nomenclatura sostitutiva IUPAC costruisce nomi sistematici a partire da un composto genitore e dai gruppi sostituenti: il nome risultante combina la radice del genitore, suffissi che indicano insaturazioni o gruppi funzionali principali e prefissi che indicano sostituenti minori.

2. Regole per la scelta composto genitore (catena principale)

La scelta della catena principale è effettuata applicando la gerarchia di criteri IUPAC.

1. La catena principale deve essere la catena con il maggior numero di atomi di carbonio, indipendentemente dalla presenza di insaturazioni.

2. A parità di lunghezza si deve scegliere la catena più ramificata

3. A parità di lunghezza si deve scegliere la catena che presenta insaturazioni.

4. A parità di lunghezza si deve scegliere la catena con insaturazioni anche se non è la più ramificata

5. A parità di lunghezza si deve scegliere la catena con doppi legami rispetto a quella con tripli legami

6. A parità di lunghezza si deve scegliere la catena con il maggior numero di doppi legami, anche se non è la più ramificata

7. Se l’idrocarburo contiene un ciclo, questo deve esser considerato come composto genitore anche se ha un minor numero di carboni

8. Il ciclo prevale anche se nella catena lineare c’è una insaturazione

9. In presenza di due cicli prevale quello con il maggior numero di carboni

10. Il ciclo con il maggior numero di carboni prevale anche se il ciclo più piccolo presenta un doppio legame

3. Nomenclatura dei gruppi alchilici, alchenilici e alchinilici

I gruppi alchilici, alchenilici e alchinilici derivano da un alcano, da un alchene o da un alchino, rispettivamente, per rimozione di un idrogeno. Il nome è formato dalla radice, che indica il numero di atomi di carboni, seguita dal suffisso ile; nel caso di sostituenti alchenilici e alchinilici, tra la radice e ile deve essere presente, rispettivamente, en o in.

Se sul cicloalchenile è presente in altro sostuìituente, bisogna numerare il ciclo in modo da assegnare al doppio legame i numeri più bassi possibile.

4. Nomenclatura dei gruppi alchilidenici

Un alchilidene è un gruppo funzionale che si forma da un idrocarburo alifatico saturo per eliminazione di due atomi di idrogeno. Questi gruppi sono caratterizzati da un legame doppio tra il carbonio della catena principale e il gruppo alchilico derivato

5. Nomenclatura di ammine e alcoli

Il gruppo alcolico e il gruppo amminico sono entrambi gruppi funzionali prioritari, ma il gruppo ossidrilico ha priorità superiore rispetto a quello amminico.

1. Quando sono presenti in una molecola, la catena principale deve includerli, e al carbonio che li porta va assegnato il numero più basso possibile, anche se ciò comporta dare priorità minore alle insaturazioni.

2. Quando il gruppo ossidrilico o il gruppo amminico si trovano su un ciclo, il carbonio portante viene numerato come carbonio 1.

3. Quando entrambi i gruppi sono presenti nello stesso composto, il gruppo ossidrilico ha priorità e il composto genitore è considerato un alcol. Il gruppo amminico assume il ruolo di sostituente e viene indicato con il prefisso “ammino–”.

4. Quando i due gruppi si trovano su catene diverse della molecola, la catena che porta il gruppo ossidrilico viene considerata la catena principale

5. Quando due gruppi uguali (ossidrile o amminico) si trovano sulla stessa catena, prima del suffisso va aggiunto il prefisso “di–”.

6. Quando due gruppi uguali si trovano su catene diverse della molecola, quello presente sulla catena laterale deve essere indicato come sostituente.

7. Nel caso di ammine secondarie e terziarie, bisogna individuare la catena principale che porta l’azoto, seguendo le regole precedenti. Gli altri gruppi legati all’azoto vanno indicati come sostituenti, riportandone la posizione con la lettera N. Se lo stesso sostituente è presente sia sull’azoto sia sulla catena carboniosa, la N precede il numero.

8. Nel caso in cui il gruppo amminico con uno o più gruppi alchilici è un sostituente, bisogna nominare i sostituenti, in ordine alfabetico, prima della parola “ammino”

5. Stereochimica

Prima del nome del composto va indicata la stereochimica tra parentesi, riportando la configurazione dei carboni chirali e dei doppi legami, seguendo l’ordine numerico delle loro posizioni. Le configurazioni dei sostituenti vanno specificate prima del nome dei sostituenti. Se sono presenti cicli disostituiti su carboni non chirali, l’orientazione dei sostituenti deve essere indicata con la notazione cis–trans.