Schema chimica organica parte 3

Derivati degli acidi carbossilici

Reattività

L’alogenuro acilico è il più reattivo, il nitrile è il meno reattivo.

Tutte le reazioni di sintesi dei derivati degli alogenuri acilici avvengono per disidratazione e cioè per perdita di una molecola d’acqua: infatti perdo sempre il gruppo idrossilico e un H del nuovo sostituente.

Nomenclatura

Alogenuri acilici: da –ICO a –ILE.

Metto prima il nome dell’acido carbossilico modificando il suffisso e poi aggiungo il nome dell’alogeno.

Posso avere degli analoghi solforati, con S al posto di C acilico.

Alogeno ile di R.

Anidridi: anidide. Uso il nome dell’acido carbossilico, solo che all’inizio non dico acido, ma i nomi sono al femminile.

Anidride + a.c. al femminile.

Esteri: –ATO.

Metto prima il gruppo alcilico, la parte proveniente dall’acido car., sostituendo –ICO con –ATO e poi il gruppo alchilico, la parte proveniente dall’alcol.

R di “parte alcolica”.

I lattoni: esteri. I lattoni originano da un acido carbossilico che presenta anche un idrossito, con una reazione interna i due reagiscono tra loro e si forma un anello.

Indico con una lettera greca la distanza tra C acilico e C idrossilico, dimensione dell’anello, e poi uso il nome dell’acido carbossilico aggiungendo al posto di –ico lattone.

Lettera greca – R lattone.

Ammidi: –AMMIDE.

Primarie: formate da acido + NH₃, uso il nome dell’acido e sostituisco –ICO con –AMMIDE.

II e III: come prima la parte che era a.c. diventa –ammide, ma per indicare i sostituenti legati a N metto prima di tutto N-sostituente, N-sostituente, R ammide.

La particolarità delle ammidi è che il legame C-N è planare e così tutti i carboni legati ad esso stanno tutti sullo stesso piano. Succede perché il legame C-N ha carattere di doppio legame, infatti non può ruotare e può essere in cis o in trans, C=O rispetto al sostituente di N.

Possono dare legami idrogeno, non sono solo accettori come anidridi e esteri. Perché l’idrogeno di N lega l’O di C=O.

I lattami: ammidi. Come nei lattoni indico la distanza tra il C acilico e, questa volta, l’azoto presente già nella catena. Per condensazione interna si forma un anello di aminoacidi.

Come prima metto la lettera greca e poi il nome dell’acido carbociclici, –LATTAME carbossilico però che termina con lettera greca, distanza, – R lattame.

Le immidi: ammidi. N è compreso tra 2 gruppi acili C=O, possono essere sia cicliche che aperte: se è aperta faccio come per le ammidi ciclici ma con 2 con N indico che il sostituente è legato alla catena tramite N e poi indico il suo nome che in questo caso è un acido, e acili legati come abbiamo detto quando funge da sostituente è un acile: acetile ecc., a sua volta e poi indico il resto della catena –AMIDE.

All’azoto seguito da ciclico.

Se invece è ciclica indico il nome dell’acido, contando i numeri di carbonio e senza pensare che ho 2 gruppi C=O, e –IMMIDE.

Poi aggiungo. Sono ancora acidi perché possono dissociare l’H legato a N e stabilizzarlo bene per risonanza con i 2 gruppi C=O.

R-IMMIDE.

Nitrili: –ONITRILE.

Tengo il nome dell’acido e al posto di –ico ci metto –onitrile, se invece lo considero come un sostituente, di un anello, lo chiamo carbonitrile. Sono dati dalla somma dell’acido con i cianuri: infatti il gruppo C≡N è un ottimo nucleofilo.

Il carbonio C≡N è il numero 1.

I nitrili sono poco reattivi e per questo sono buoni solventi polari aprotici.

La particolarità è che scompare anche il gruppo C=O dell’acido.

Alcano – nitrile.

La sostituzione nucleofila acilica – S_AcN

Come abbiamo visto negli acidi carbossilici è una reazione di addizione-eliminazione, in cui un nucleofilo attacca il C acilico e ho la perdita di un gruppo uscente: nel caso degli acidi carbossilici il gruppo uscente era l’ossidrile, che andava modificato per essere un buon gruppo uscente in acqua; nei derivati degli acidi carbossilici ho diversi gruppi uscenti con diversa stabilità: più il gruppo uscente è buono e più sarà facile la reazione.

Negli acidi carbossilici avevo visto come ottenere: alogenuri acilici, anidridi, ammidi, e esteri. Ora parto già da derivati degli acidi carbossilici e posso passare dall’uno all’altro con questa reazione: da un composto più in alto posso sempre passare a uno più in basso ma non posso mai tornare indietro, non avrei una reazione spontanea perché il prodotto è instabile.

Tutti i derivati degli acidi carbossilici possono sempre tornare semplici acidi carbossilici.

Un composto sarà più reattivo se il suo gruppo uscente è buono perché nella S_AcN ho la sua eliminazione.

I gruppi uscenti in questo caso sono i sostituenti che rendono tipici i derivati degli acidi carbossilici e so che:

• Alogeno > anione carbossilico, anidride, > alcossido, O terminale, >> ammiduro.

Per questo osservo come tramite S_AcN passo da un composto all’altro e come tramite idrolisi posso tornare sempre all’acido carbossilico di partenza.

I derivati degli acidi carbossilici oltre a tutte le reazioni comprese nelle categorie dette sopra possono reagire con composti organometallici che gli permettono di sommare 2 catene al carbonio acilico, oppure possono ridursi, formando alcoli, aldeidi o ammine.

Reattività da alogenuri acilici

S_AcN a. Alogenuri acilici

b. + ione carbossilato: l’ossigeno che porta la carica COO negativa è un nucleofilo e attacca il C. Formo un intermedio in cui per eliminazione di Cl⁻, anidridi, ristabilisco il doppio legame C=O.

c. + alcoli o fenoli: è come la reazione degli alcoli a OH OH-benz dare tosilati.

= esteri. Uso come solvente la piridina perché alla fine sequestra l’HCl.

Il nucleofilo è sempre l’ossigeno dell’OH, l’H viene tolto dalla piridina che si formerebbe, che è una base. Passo da un intermedio tetramerico e poi come al solito ricostituisco C=O eliminando il gruppo uscente.

d. + ammoniaca NH₃ o ammine R-NH₂: devo lavorare in eccesso di ammoniaca perché l’HCl che si forma alla fine mi ruberebbe reagente.

= ammidi. Uso come solvente una base forte sempre per il problema dell’HCl come prodotto. Se l’alogenuro invece è il bromo posso ancora mettere reagente doppio e basta.

Da anidridi

a. Non mi dà alogenuri acilici come abbiamo detto non posso tornare indietro. Infatti se provo a fare la reazione esce il miglior gruppo uscente che tra l’alogeno e lo ione carbossilato è alogeno più stabile di ione carbossilato, l’alogeno.

b. Anidridi.

c. + alcoli o fenoli catalizzata da acidi e ammine terziarie.

= esteri. Il gruppo uscente è lo ione carbossilato che poi si protona e diventa un acido.

In anidridi cicliche apro l’anello all’altezza dell’O e da una parte ho la S_N mentre dall’altra, semplicemente, l’O si protona.

d. + ammoniaca NH₃ o ammine R-NH₂: lavoro sempre in eccesso di reagente che è una base perché alla fine ottengo ione carbossilico.

= ammidi. Per ammine: N è un miglior nucleofilo di O. Quindi sarà sempre lui a fare l’attacco nucleofilo anche se ho un OH o altro, rubando H all’ammoniaca.

Da esteri

a. + ioni alogenuri: non reagiscono con ioni alogenuri come cloruri, bromuri perché sono gruppi uscenti più stabili.

Alogenuri acilici =.

b. + ione carbossilato COO⁻: non reagisce con lo ione carbossilato perché è un gruppo uscente più stabile.

Anidridi =.

c. + alcoli: permette di passare direttamente da un estere all’altro senza passare dall’acido carbossilico. Sostituisco solo il sostituente legato a O.

Transesterificazione =. Come al solito con catalisi acida ho prima la protonazione a dare OH e poi l’attacco nucleofilo; mentre nella basica ho subito l’attacco. Cambia anche la protonazione del gruppo uscente: CO⁻, alcossido, COH, alcol.

d. + ammoniaca NH₃ o ammine R-NH₂: ricordo sempre che l’azoto è più nucleofilo dell’ossigeno.

= ammidi.

Lattoni, lattami e immidi

Non posso ottenere lattoni, lattami e immidi da altri derivati di acidi carbossilici ma solo direttamente da acidi carbossilici perché devo formare degli anelli.

Sintesi di lattoni: catalisi acida. È una reazione di equilibrio ma torna indietro solo per il 10%.

L’acido reagisce con l’idrossile a opportuna distanza.

Sintesi di lattami: l’amminoacido di partenza reagisce subito acquistando e perdendo un protone. Poi semplicemente con calore si chiude.

Sintesi di immidi: ottengo inizialmente un sale d’ammonio e poi chiudendosi la reazione è un’addizione.

Idrolisi

L’idrolisi nucleofila di acqua al carbonio acilico con eliminazione del gruppo uscente. Quindi come catalisi prima sarà più spontanea più il gruppo uscente è stabile.

In conclusione risulta una reazione di sostituzione: sostituente con OH dell’acqua.

Idrolisi acida reversibile.

Catalisi acida.

Idrolisi basica: ottengo un carbossilato che non può più tornare indietro.

Catalisi basica.

Condizioni drastiche: in questo caso il gruppo uscente rimane legato alla molecola.

Esteri e alogenuri + altri composti organometallici, Grignard o litio composti: ho una reazione addizione-eliminazione che attacca la catena del Grignard e stacca l’OR.

Reazioni dell’estere o dell’alogenuro: ottengo un chetone; poi però la reazione non si ferma perché il Grignard reagisce ancora con il chetone arrivando fino a alcol con 2 catene provenienti dal Grignard.

= alcol secondari o terziari.

Reazioni di riduzione

La riduzione dei derivati di acidi carbossilici può essere fatta con riducenti più o meno forti: uso sempre il litio alluminio idruro ma in forme più o meno ingombrate in modo che reagisca diversamente:

LiAlH₄ > DIBAL-H > LiAlH[OC(CH₃)₂][(CH₃)₂CHCH₂]₂AlH₂.

• L’alogeno è un buon gruppo uscente e per questo sono superreattivi: per potermi fermare a aldeide infatti devo usare il più ingombrato in assoluto e meno nucleofilo.
• Di esteri: il loro gruppo uscente RO⁻ che poi si protona. Gli esteri sono meno reattivi degli alogenuri acilici e quindi riesco a fermarmi a aldeide anche semplicemente con DIBAL-H.
• Ammidi: questa volta non portano a alcoli ma a ammine. Da ammide 1° ottengo ammina 1° e così via, con lo stesso meccanismo.
• Di nitrili: a seconda del reagente posso ottenere ammine o fermarmi ad aldeidi.

Meccanismi

1. Reazioni di S_AcN con alogenuri acilici

In nucleofilo, tutte le reazioni ho inizialmente l’attacco, il nuovo gruppo che voglio attaccare, sul carbonio acilico che è un intermedio tetramerico reso parzialmente elettrofilo, positivo, dall’influenza dell’alogeno. Arrivo poi alla formazione di riarrangiamento doppio legame C=O in cui ho un per riformare il e quindi l’eliminazione di uno dei 4 gruppi legati che sarà il più stabile e che in questo caso è sempre l’alogeno, rispetto al nuovo sostituente inserito.

b. Con ioni carbossilato a dare anidridi.

c. Con alcoli, o fenoli, a dare esteri: nel momento in cui ho l’intermedio tetramerico noto l’importanza della base che deprotona l’alcol formando così l’estere.

La base è: e cioè basi terziarie e ha come ruolo anche quello di sequestrare H⁺ in modo che non si formi acido cloridrico.

d. Con ammoniaca o ammine a dare ammidi: solito procedimento ma alla fine noto che l’ammoniaca serve anche come tampone per la formazione di HCl.

Esempi: lavoro sempre in eccesso di ammoniaca e ammidi perché essendo delle basi reagiscono e non sono più nucleofile come azoti quaternari: (NH₄RNH)₃.

2. Reazioni di S_AcN con anidridi

La reazione funziona sempre allo stesso modo ma questa volta ho la rottura della catena in due all’altezza dell’O compreso tra i 2 C=O: da un lato troverò il nuovo sostituente mentre dall’altro semplicemente un OH dando vita nuovamente a un acido carbossilico.

c. Con alcoli, o fenoli, a dare esteri: quando si forma l’intermedio tetramerico ho il solito riarrangiamento per riformare il doppio legame che causa la rottura del legame con l’ossigeno: il gruppo uscente è l’alcol che rappresentava metà dell’anidride.

d. Con ammoniaca o ammine a dare ammidi: come prima nel momento del riarrangiamento ho la rottura all’altezza dell’ossigeno. La differenza è che l’ammina o l’ammoniaca, che per questo deve essere in eccesso, interviene per deprotonare quella appena legata in modo da stabilizzarne il legame.

Devo ricordare che l’azoto è un miglior nucleofilo dell’ossigeno e quindi anche in presenza di ossidrili l’attacco nucleofilo verrà sempre fatto da N e non da O.

3. Reazioni di S_AcN con anidridi

c. Con alcoli a dare trasesterificazione, altri esteri.

È una reazione di equilibrio e mi permette di ottenere nuovi esteri senza passare dalla forma alcolica: faccio reagire quindi l’estere con un alcol e sostituisco la catena legata all’ossigeno con quella nuova. Questa reazione può essere fatta in catalisi acida o basica: come al solito con la catalisi basica ho prima protonazione e poi attacco nucleofilo. Come al solito dopo il riarrangiamento ho perdita del gruppo uscente che è il vecchio alcol.

Il nucleofilo è un alcol che in presenza della base si deprotona e diventa un nucleofilo ancora più forte, alcossido; anche il gruppo uscente dissocia e da alcol ho un alcossido.

d. Con ammoniaca o ammine a dare ammidi: ricordo sempre il N è più nucleofilo di O. La reazione si muove come al solito. La reazione deve essere scaldata.

4. Idrolisi

Di esteri.

Di ammidi.

Di lattoni.

5. Reazione degli esteri e alogenuri con composti organometallici

Se parto da un estere che invece di una catena R ha un H, derivato dell’acido formico, ottengo un alcol 2° i cui 2 sostituenti provengono entrambi dal Grignard.

Posso usare Grignard o litio componenti che si comportano allo stesso modo.

6. Reazione di riduzione

Come agente riducente uso il litio alluminio idruro molto forte ma ingombrandolo posso diminuire la sua forza riducente.

È un riducente semplicemente poco selettivo, ingombrato, a differenza spazialmente del sodio boroidruro che è specifico per chetoni perché gli ossigeni diminuiscono la nucleofilicità, perché ridistribuisce le cariche.

Alogenuri alchilici e esteri: ho l’attacco del riducente che lega un idrogeno, come prima gli attacchi nucleofili. Ho il solito intermedio tetramerico e riarrangiamento per riformare il doppio legame C=O del chetone e perdita dell’alogenuro o dell’estere.

Se la reazione prosegue ho un nuovo attacco che porta alla rottura del doppio legame e alla formazione semplicemente di OH: alcol.

Ammidi: la reazione è diversa perché l’eliminazione di ammiduro: -NH₂, -NHR o –NR₂ è un processo sfavorito. Non ho più ricostruzione del doppio legame sull’ossigeno ma il contrario: è più favorita la formazione dell’ammina e perdo l’ossigeno.

Come prima ho l’attacco del litio all’alluminio idruro che cede un H, come prima il solito attacco nucleofilo, però nel momento dell’intermedio si elimina l’ossigeno.

Ho un secondo attacco da parte del riducente che lega un altro protone eliminando così il doppio legame con N.

Nitrili: ho subito il doppio attacco dell’agente riducente che legando 2 H porta tutti legami semplici. L’N da solo non ci sta e lega 2 H per formare NH₂.

Il riducente più debole fa un solo attacco mantenendo così il doppio legame C=N; come prima N deve impiegare tutti e 3 i suoi legami allora lega un H.

Idrolisi di immina: avviene poi la reazione con acqua che quindi mi porta a formare l’acido carbossilico corrispondente.

Riassumendo

Reazioni di sostituzione al carbonio dei composti carbonilici e reazioni di condensazione carbonilica

Gli enoli

Normalmente in un legame C-H non ho nessuna acidità perché hanno uguale elettronegatività. Nel caso invece di carbonio in posizione alfa rispetto a un gruppo carbonilico ho uno spostamento di elettroni verso l’ossigeno più elettronegativo che indebolisce il legame tra C-H e che rende questo idrogeno acido, e cioè facile da togliere da parte di una base dando vita a un enolato.

Un chetone infatti può reagire nel suo carbonio in alfa passando attraverso la forma di enolo o enolato in cui può legare degli elettrofili: sotto forma di enolo o enolato un elettrofilo, positivo, attacca il carbonio in alfa inserendosi come sostituente.

Fanno eccezione nella formazione di enoli i composti dicarbossilici che formano enoli stabili, ciò perché i 2 gruppi carbossilici vicini si stabilizzano tra loro formando doppi legami coniugati e nella forma enolica possono anche formare legami idrogeno tra loro.