Appunti Chimica organica 2 (1/3)

DIZIONARIO DELLE SIGLE

• Bn: Benzile
• BOC: terz-butossicarbonile
• Bz: Benzoile
• CbZ: Benziossirbonle
• Co-A: Coenzima A
• DMAPP: Dimetil allil difosfato
• DMF: Dimetil formammide
• DMSO: Dimetil solfossido
• EDG: Electron donating groups
• Fmoc: Fluorenil metilossicarbonile
• GABA: Acido gamma ammino butirrico
• IPP: Isopentenil difosfato
• LDA: Litio diisopropil amide
• MCPBA: Acido meta cloro perossibenzoico
• NBS: N-Bromo succinimmide
• NHS: N-idrossi succinimmide
• OPP: RO₂P-O^--P(O^-)O₂ (difosfato)
• TBDMSCl: Tert-butil dimetil silil cloruro
• TFA: Acido trifluoroacetico

Il Benzene

Il benzene è un liquido (T_eb: 80°) volatile, incolore, e altamente infiammabile e dal odore caratteristico (a t e p ambiente). È un idrocarburo aromatico monociclico avente la formula bruta C₆H₆ ed avente la struttura:

Alcuni derivati del benzene sono per esempio il toluene (metilbenzene) è molto meno cancerogeno e la sua temperatura di ebollizione è di circa 110° (è un liquido). Un altro derivato del benzene è lo xilene (dimetilbenzene), avente la struttura:

Questo particolare isomero (1,2) prende il nome di orto-xilene.

Nomenclatura delle sostituzioni del benzene

Per il benzene, per indicare il tipo di sostituzioni si usa il prefisso orto per le posizioni 1,2; meta per le posizioni 1,3 e para per le posizioni 1,4.

• Orto-xilene
• Meta-xilene
• Para-xilene

Fenolo: Se al posto del metile si ha un benzene monosostituito con un ossidrile si ha il fenolo: la pka degli alcol alchilici è di circa 15-20, mentre la pka del fenolo è circa 10. Questo perché la base coniugata è stabilizzata per risonanza.

Anilina: L'aminobenzene o anilina è un anello benzenico monosostituito con un gruppo NH₂: la pka dell’acido coniugato di una ammina è circa 11, mentre la pka dell'acido coniugato dell'anilina è circa 5, ancora perché è più stabile per risonanza.

Regola di Hückel per l'aromaticità

L'aromaticità di una molecola è un concetto introdotto per spiegare la notevole stabilità di sistemi ciclici a doppi legami coniugati.

Si dicono aromatici infatti tutti i sistemi che hanno 4n+2 elettroni π, dove n è un numero intero. Per il benzene n=1 quindi deve avere 6 elettroni π e quindi è aromatico. Questo è vero perché solo i sistemi a 4n+2 π sono in grado di riempire completamente tutti gli orbitali molecolari di legame garantendo il massimo guadagno di energia.

Calcolo dell'energia di risonanza secondo il metodo di Hückel

L'energia degli elettroni secondo Hückel è espresso come:

E_elet = α + mβ

Dove α è l'energia associata agli elettroni negli orbitali atomici, β è l'energia (con valore negativo) associata alla risonanza degli elettroni, m è un coefficiente che contiene i numeri quantici che forniscono i vari orbitali molecolari.

L'energia dell'etilene è E = 2α + 2β (2 elettroni e 2 elettroni a 1β), mentre l'energia del benzene è E = 6α + 8β (6 elettroni a, 2 elettroni a 2β e 2 elettroni a 2β).

Per ricavare l'energia di risonanza guadagnata possiamo quindi confrontare l'energia degli elettroni del benzene con 3 volte l'energia dell'etilene. Quello che si ottiene è 3(2α + 2β) - (6α + 8β) = 2β che corrisponde al guadagno di energia secondo Hückel e corrisponde all'energia di risonanza di 150 kJ/mol.

Posso fare lo stesso calcolo con il ciclobutadiene confrontandolo con il doppio dell'energia dell'etilene. Quello che ottengo è: 2(2α + 2β) - 4α + 4β = 0.

Quindi il guadagno è nullo.

REAZIONI COMPOSTI AROMATICI

- Sostituzione elettrofila del benzene: In queste reazioni un reagente elettrofilo è in grado di sostituire un idrogeno dell’anello portando alla formazione di un derivato. Una delle reazioni più importanti è la reazione di alogenazione.

Gli elettroni dell’anello aromatico possono attaccare un elettrofilo con formazione di un intermedio stabilizzato da strutture risonanti. Il sistema poi evolve con perdita di H⁺ da parte di una base.

- Alogenazione del benzene: Per alogenare il benzene occorre effettuare una sostituzione elettrofila con ione cloronic _{Cl⁺ e con una reazione (acido di Lewis) attraverso una reazione acido-base:}

1. Cl₂ + FeCl₃ → Cl⁺FeCl₄
2. Cl⁺
3. Cl⁺

La reazione avviene analogamente con Br₂, FeBr₃. La iodurazione si può fare generando la specie I⁺ con metodi ossidativi, perchè I₂ è troppo polarizzabile ed il semplice acido di Lewis non riesce a generare le specie I⁺. La fluorurazione non si può fare con la sostituzione elettrofila perchè il fluoro è troppo elettronegativo.

Nitrare dell'acido benzoico

Consideriamo ora invece la reazione di nitrazione dell’acido benzoico. Il carbonio carbossilico è elettronpovero, quindi sarà elettroneattrattore degli elettroni dell’anello. Di conseguenza sarà un gruppo disattivante e quindi saranno necessarie condizioni di reazione più drastiche (H₂SO₄ 100°C).

In questo caso la miscela di prodotti è orto (18%), meta (80%) e para (2%). Il prodotto meta è di gran lunga il prodotto più abbondante. I gruppi disattivanti quindi inducono una sostituzione preferibilmente nelle posizioni meta.

Effetto mesomero ed effetto induttivo dei sostituenti nei confronti dell'anello

L'effetto induttivo è un effetto di tipo elettrostatico dovuto alla elettronegatività di un elemento, ovvero alla capacità di un atomo di polarizzare un legame. L'effetto mesomero invece è un effetto di risonanza, che consente di spostare gli elettroni di una molecola. Consideriamo ora il contributo di questi due effetti per sostituenti diversi:

Gruppo metossi

In questo caso l’ossigeno eserciterà un effetto induttivo elettroneattrattore sull’atomo di carbonio a cui è legato, che si annulla però molto velocemente con la distanza. L’effetto viene indicato con -I per l’effetto elettroneattrattore, +I per l’effetto elettron-donatore. I doppietti di non legame dell’ossigeno possono dare risonanza, dando un effetto mesomero estremamente più rilevante dell’effetto induttivo:

Si ha quindi un forte effetto mesomero +M (elettrondonatore) sulle

- Applicazioni alla sintesi di derivati benzenici polisostituiti: lo scopo è ovviamente quello di ottenere la massima resa possibile ed il minor numero di isomeri possibile. Per far questo devo usare reagenti più attivati (che mi consentono condizioni di reazione più blande) e una sequenza specifica di reazione che mi porta ad un particolare isomero invece che un altro.

Retrosintesi: Consideriamo per esempio la seguente retrosintesi:

Per ottenere il p-nitrotoluene sono obbligato ad effettuare prima la metilazione del benzene e poi la nitrazione, perché essendo il gruppo metilante orto para orientante, se facessi l'opposto avrei ottenuto il m-nitrotoluene (oltre ad essere il nitrobenzene molto meno reattivo perché disattivante).

Retrosintesi: Consideriamo per esempio la seguente retrosintesi:

Sia il gruppo nitro che il gruppo carbossilico sono disattivanti meta-orientanti, quindi non è possibile fare la sostituzione diretta. Posso però sintetizzare il p-nitrotoluene ed ossidare il CH₃ a COOH con permanganato ed ottenere l'acido p-nitrobenzoico.

Trisostituzione anello aromatico:

Gli effetti attivanti/disattivanti e orto-meta-para orientanti sono additivi. Quindi se considero per esempio la clorurazione del p-nitrotoluene. Essendo il metile orto-para orientante (rispetto al metile), il gruppo nitro meta orientante (rispetto al gruppo nitro), il prodotto della reazione è unico ed è il 2-cloro-4-nitro toluene.