Chimica Organica-DiSTABiF

Un centro pseudoasimmetrico è un atomo tetraedrico (di solito carbonio) che ha quattro sostituenti diversi, due dei quali sono enantiomeri tra loro, mentre gli altri due sono differenti da essi e tra loro. Questo centro è prochirale, ma non genera una molecola chirale nel suo complesso; piuttosto, si trova in una molecola achirale, anche se il centro ha una configurazione designata come r o s (in minuscolo), a differenza di R o S nei veri centri stereogenici.

I sostituenti del carbonio 3 indicati in rosso e in blu sono gruppi chimici che sono immagini speculari tra loro e vengono detti sostituenti enantiomorfi

Il carbonio 3 del 2,3,4-pentantriolo (o molecole simili) non è asimmetrico quando il carbonio 2 e il carbonio 4 sono entrambi R (o entrambi S)

Quando uno dei due carboni è R e l’altro è S il carbonio 3 è asimmetrico; tale carbonio viene chiamato carbonio pseudoasimmetrico

La IUPAC raccomanda di usare r e s (minuscoli) per i centri pseudoasimmetrici, proprio per distinguerli dai veri centri stereogenici R/S

Per descrivere questi centri si utilizzano le regole CIP; poiché i due gruppi enantiomorfi sono costituiti dagli stessi atomi ma differiscono solo nella configurazione assoluta del carbonio chirale, il gruppo che ha il carbonio con configurazione R ha la priorità sul gruppo che ha il carbonio con configurazione S. Pertanto, nel caso del primo composto le priorità sono le seguenti:

La rotazione 1=> 2 =>3 è oraria ma il quarto sostituente si trova sulla linea orizzontale della proiezione di Fischer, la notazione del carbonio 3 sarà s.

Il nome IUPAC della prima forma meso sarà dunque (2R, 3s,4S)-2,3,4-pentantriolo; la seconda forma meso avrà il nome (2R, 3r,4S)-2,3,4-pentantriolo

Si definisce enantiomorfo un doppio legame in cui i gruppi legati creano due configurazioni speculari non sovrapponibili, a causa della presenza di ligandi chirali.

I gruppi chirali presenti sulle due estremità sono enantiomorfi, ovvero configurati in modo opposto (es. un (R) da un lato e un (S) dall’altro).

In tal caso, la configurazione del doppio legame (che normalmente sarebbe descritta come cis/trans o Z/E) non è sufficiente a distinguere le due forme, perché quelle due configurazioni possono essere enantiomorfe fra loro.

In questi casi, la IUPAC ha introdotto i descrittori seqCis e seqTrans:

•          seqCis: i due sostituenti con priorità più alta secondo le regole CIP sono dallo stesso lato.

•          seqTrans: si trovano su lati opposti.

Questi descrittori sono riflessioni l’uno dell’altro, e quindi rappresentano una coppia di enantiomorfi geometrici.

Anche i carboni 1 e 3 del trans-1,3-dimetilciclobutano sono carboni pseudoasimmetrici:

Infatti, anche per questo composto, la IUPAC suggerisce il nome (1r,3r)-1,3-dimetilciclobutano piuttosto che del trans-1,3-dimetilciclobutano.

Analogamente, il nome preferito dalla IUPAC per il cis-1,3-dimetilciclobutano è (1s,3s)-1,3-dimetilciclobutano.

Come si fa in questo caso ad assegnare la notazione r o s?

Immaginiamo di metterci nel centro dell’anello e di guardare il carbonio 1; riportiamo questo carbonio in una proiezione di Fischer: se il carbonio 1 si trova al centro della croce, in alto avremo il gruppo metile, in basso l’idrogeno a destra il C₂ e a sinistra il C₄; Continuando a destra, dopo il C₂ abbiamo il C₃ che lega il metile in alto e l’idrogeno in basso, poi il C₄ e infine ritorniamo a C₁: l’ultimo termine della sequenza è un carbonio duplicato (C₁) che si intende legato a tre atomi fantasma

Il carbonio 3, è chirale in questa rappresentazione, pertanto possiamo assegnare le priorità ai gruppi legati sulla base delle regole CIP: l’H è l’atomo con priorità più bassa (4° sostituente) e il metile è il sostituente 3. Il C2 lega due idrogeni e un carbonio così come il C4, pertanto dobbiamo andare oltre. Il C2 è legato ad un carbonio che lega un idrogeno e due carboni, mentre il C1 è rappresentato come legato a tre atomi fantasma con numero atomico nullo (0). Quindi il gruppo a sinistra ha priorità 1 mentre il gruppo legato a destra, priorità 2. La rotazione è antioraria, il quarto sostituente sulla linea verticale, pertanto la configurazione assoluta è S. Facendo lo stesso a sinistra e assegnando le priorità troviamo che il C3 a sinistra ha una configurazione R:

Possiamo notare che i gruppi legati a C₁ sul lato destro e sinistro dell’anello sono enantiomorfi, pertanto C₁ è un centro pseudoasimmetrico. Assegnando le priorità e ricordando che il sostituente enantiomorfo con configurazione R ha la priorità sul sostituente enantiomorfo con configurazione S, assegniamo a C₁ la notazione s.

Facendo la stessa cosa per il C3, troviamo una situazione identica:

Da cui ricaviamo il nome IUPAC del composto come (1s,3s)-1,3-dimetilciclobutano.

Quando un carbonio lega quattro sostituenti diversi ma due sono gruppi alchenilici che che si distinguono unicamente per la configurazione dei doppi legami, il carbonio è chirale e nell’assegnare la configurazione assoluta, il doppio legame con configurazione Z ha la priorità sul doppio legame con configurazione E.

NOMENCLATURA DEI COMPOSTI ETEROCICLICI

La nomenclatura dei composti eterociclici è una componente fondamentale della chimica organica, in quanto permette di identificare, descrivere e comunicare in modo chiaro la struttura e le proprietà di queste molecole. I composti eterociclici sono sistemi ciclici organici che contengono almeno un eteroatomo (ossia un atomo diverso dal carbonio), tipicamente azoto (N), ossigeno (O) o zolfo (S), all’interno dell’anello. Questi composti sono ampiamente diffusi in natura e ricoprono un ruolo centrale in numerosi ambiti, tra cui la chimica farmaceutica, la chimica dei materiali, l’agrochimica e la biochimica.

La denominazione dei composti eterociclici può seguire diversi sistemi, a seconda del contesto, della complessità strutturale del composto e della diffusione del suo utilizzo. I tre principali approcci sono: la nomenclatura Hantzsch-Widman, la nomenclatura sistematica IUPAC, e la nomenclatura tradizionale.

Nomenclatura Hantzsch-Widman: Questo sistema è utilizzato principalmente per la denominazione sistematica di composti eterociclici, in particolare quando si tratta di anelli contenenti eteroatomi (come azoto, ossigeno o zolfo). La nomenclatura Hantzsch-Widman utilizza prefissi per indicare il tipo di eteroatomo (es. ossa-, aza-, tia-) e suffissi per indicare la dimensione dell’anello e il grado di saturazione (es. -olo, -ina, -ano).

Nomenclatura tradizionale: Molti composti eterociclici comuni sono noti con nomi storici o convenzionali, che non seguono necessariamente regole sistematiche. Questi nomi tradizionali sono ampiamente accettati e utilizzati soprattutto nella chimica organica classica o in ambiti applicativi come la farmacologia.

Esempi:

Piridina: eterociclo aromatico a sei termini con un atomo di azoto.

Furano: anello a cinque termini con un atomo di ossigeno.

Tiofene: anello a cinque termini con un atomo di zolfo.

La scelta del sistema di nomenclatura dipende spesso dall’ambito in cui ci si trova. In contesti accademici e formali, si preferisce la nomenclatura sistematica (inclusa la Hantzsch-Widman), mentre in ambiti pratici o divulgativi è comune usare i nomi tradizionali, soprattutto per composti ben noti.

Nomenclatura sistematica: La nomenclatura sistematica è un approccio rigoroso che descrive completamente la struttura del composto, indicando:

• il numero di atomi nell’anello,

• la natura e posizione degli eteroatomi,

• il grado di saturazione/insaturazione,

• eventuali sostituenti.

Questo sistema viene utilizzato quando si richiede una denominazione precisa e completa, ad esempio nella letteratura scientifica e nei brevetti. I nomi possono diventare complessi, ma evitano ambiguità.

La scelta del sistema di nomenclatura dipende spesso dall’ambito in cui ci si trova. In contesti accademici e formali, si preferisce la nomenclatura sistematica (inclusa la Hantzsch-Widman), mentre in ambiti pratici o divulgativi è comune usare i nomi tradizionali, soprattutto per composti ben noti.

1. NOMENCLATURA HANTZSCH-WIDMAN

In questo sistema di nomenclatura bisogna tener conto di tre cose:

1. l’elemento che costituisce l’eteroatomo (parte iniziale del nome)
2. la grandezza dell’anello (parte centrale del nome)
3. il numero di insaturazioni (parte finale del nome)

Se sono presenti più di un eteroatomo il prefisso del nome deve indicarne il numero:

es. per N: 1=aza-,          2=diaza-,          3=triaza-,         4=tetraza-, …

Se gli eteroatomi sono diversi, i prefissi del nome devono essere combinati insieme tenendo conto del periodo della tavola periodica dove si trova l’elemento (ha la priorità il periodo maggiore) e, successivamente, del gruppo (ha la priorità il gruppo minore)

es.: N,O= ossaza-; S,O=ossatia-; P,O= ossfosfa; …

esempi:

Gli atomi dell’anello si numerano iniziando dall’eteroatomo e la numerazione procede intorno all’anello nel senso che permette di assegnare numero più bassi alle posizioni dei sostituenti.

Se nel ciclo è presente un atomo saturo, la sua posizione è indicata mediante la lettera H preceduta da un numero che indica la posizione dell’atomo saturo.

Quando un eterociclo presenta un gruppo carbonilico, il nuovo ciclo è nominato indicando con la lettera H preceduta da un numero la nuova posizione assunta dall’idrogeno del gruppo metinico.

Se l’eterociclo è parzialmente saturato si utilizza il nome del composto insaturo ma nel nome si indica su quale atono è stato addizionato l’idrogeno:

2. NOMENCLATURA TRADIZIONALE

Alcuni importanti eterocicli mantengono il nome tradizionale e non vengono quasi mai indicati con la nomenclatura Hantzsch-Widman:

Nomi comuni di composti eterociclici disposti in ordine di priorità:

Questi nomi d’uso sono conservati dalla IUPAC per indicare un composto oppure come base per formare nomi di fusione:

3. COMPOSTI ETEROCICLICI CONDENSATI

Gli eterocicli policiclici vengono denominati facendo precedere il nome del componente base (anello o sistema) le designazioni degli altri componenti.

Se il composto eterociclico è condensato con un altro anello, il nome è dato dall’unione dei nomi dei due anelli:

Per indicare i componenti secondari possono essere utilizzati i seguenti prefissi contratti:

Composti eterociclici condensati con l’anello benzenico

Il componente base viene distinto numerando i lati -e non gli atomi- con le lettere in ordine alfabetico. Le lettere vanno scritte sempre in corsivo e racchiuse in parentesi quadre.

ll seguente composto, benzo[b]pirrolo, è un sistema biciclico formato da un anello benzenico condensato con un eterociclico e possiede il nome comune indolo. Il nome dell’etereociclo è scelto come base e il nome dell’anello condensato è scelto come prefisso. Per individuare il lato condiviso, i lati periferici del componente base vengono indicati con la lettera a il lato 1,2, b il lato 2,3 e così via. Al nome del componente base, pirrolo si fa precedere il nome contratto del componente, benzo- seguito dalla lettera del lato condiviso b in parentesi quadre.

Sistemi con anelli eterociclici condensati

In questo caso, la piridazina è scelta come componente principale poiché tra due anelli di uguale grandezza si sceglie l’anello che ha la priorità (vedi par.: nomenclatura tradizionale). Per indicare il punto di fusione della pirazina (componente secondaria), nella parentesi quadra si indicano i numeri degli atomi fusi (nell’esempio, i carboni C-2 e C-3 della pirazina), prima della lettera che indica il lato di fusione del componente principale (nell’esempio, il lato d della piridazina).

Questi due composti differiscono nella disposizione degli anelli pirimidinici e piridazinici. Nel caso della Pirimido[4,5-c]piridazina, i carboni 4 e 5 dell’anello pirimidinico sono fusi rispettivamente con i carboni 3 e 4 (lato c) dell’anello piridazinico

In questo caso l’atomo con il numero più basso nella numerazione degli atomi di carbonio dell’anello pirimidinico (C-4) è fuso con l’atomo con il numero più basso nella numerazione dell’anello piridazinico (C-3 del lato c); conseguentemente,  l’atomo con il numero più alto nella numerazione degli atomi di carbonio dell’anello pirimidinico (C-5) è fuso con l’atomo con il numero più alto nella numerazione dell’anello piridazinico (C-4 del lato c). È importante notare che la disposizione delle fusione degli anelli è indicata dalla notazione tra parentesi quadre: [4,5-c].

Nel caso della pirimido[5,4-c]piridazina, i carboni 5 e 4 dell’anello pirimidinico sono fusi rispettivamente con i carboni 3 e 4 (lato c) dell’anello piridazinico

In questo caso l’atomo con il numero più alto nella numerazione degli atomi di carbonio dell’anello pirimidinico (C-5) è fuso con l’atomo con il numero più basso nella numerazione dell’anello piridazinico (C-3 del lato c); conseguentemente,  l’atomo con il numero più basso nella numerazione degli atomi di carbonio dell’anello pirimidinico (C-4) è fuso con l’atomo con il numero più alto nella numerazione dell’anello piridazinico (C-4 del lato c). La disposizione delle fusione degli anelli, in questo caso, è indicata scrivendo tra parentesi quadre il legame partendo dall’atomo che ha il numero maggiore: [5,4-c].

Scelta del componente principale

Il componente base è un sistema eterociclico e, se c’è una scelta, il componente base è, in ordine di preferenza:

a. l’eterociclo più sviluppato che può essere nominato con le regole Hantzsch-Widman con la nomenclatura comune.

b. il componente contenente azoto:

c. il componente contenente un eteroatomo (diverso dall’azoto) che che ha maggiore priorità.

d. il compomente contenente il maggior numero di anelli:

e. a parità di eteroatomi, il componente che contiene l’anello più grande:

f. il componente che contiene il maggior numero di eteroatomi:

g. il componente  che contenente la maggiore varietà di eteroatomi:

h. il componente contenente il maggior numero di eteroatomi

i. il componente con l’anello nel quale gli eteroatomi hanno gli indici numerici più bassi prima della condensazione:

La posizione di fusione è occupata da un eteroatomo

Se una posizione di fusione è occupata da un eteroatomo, i nomi degli anelli componenti che si fondono sono scelti in modo che ciascuno contenga l’eteroatomo:

Numerazione

Il sistema policiclico orientato in modo che il maggior numero di anelli si trovi su una fila orizzontale con il maggior numero di anelli in alto e a destra, viene numerato in senso orario cominciando dal primo atomo non impegnato nella fusione della prima posizione antioraria dell’anello superiore destro. Gli atomi in comune a due o piàù anelli vengono omessi e segnati con le lettere “a”, “b”, “c” al numero della posizione immediatamente precedente.

NOMENCLATURA DEI COMPOSTI ETEROCICLICI SPIRANICI

NOMENCLATURA DEI SISTEMI BICICLICI A PONTE

NOMENCLATURA SISTEMATICA

La nomenclatura sistematica per composti eterociclici monociclici deriva dai nomi dei corrispondenti composti carbociclici:

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.