Appunti di Chimica organica 2 - parte 2

Vediamo il meccanismo di formazione dell'elettrofilo, inizia con la cessione di una coppia di elettroni dall'alogeno dell'alogenuro acilico al cloruro di alluminio, per formare un complesso dove l'alogeno ha una carica formale positiva e l'Al ha una carica formale negativa.

Stadio 1:

La ridistribuzione degli elettroni del legame carbonio-cloro forma una coppia ionica contenente lo ione acilio; si possono individuare due principali strutture limite, di queste una è minore, ma la maggiore contribuisce derivata dalla struttura che ha i gusci dei valenza completi sia per Cl che per l'O.

Stadio 2:

Questo sotto è il meccanismo di reazione dell'acilazione di F.C, l'elettrofilo è un catione acilio stabilizzato per risonanza.

• 1: gusci di valenza pieni (ottetto completo)
• 2: numero massimo di legami covalenti
• 3: minore separazione di carica
• 4: carica → sull'atomo meno elettronegativo carica + sull'atomo meno elettronegativo

L'alchilene che si forma è meno reattivo rispetto al reagente iniziale quindi l'acilazione non dà problemi di poliossiture come l'alchilazione. Vediamo due esempi di questa reazione.

* ALCHILAZIONE INDIRETTA TRAMITE ACILAZIONE

Un modo per ovviare al problema della trasposizione durante l'alchilazione di un benzene e passando per la reazione di acilazione di F.C e successivamente riducente C=O a CH2 è possono usare due reazioni di riduzione. Le sono quella di Cl

Rif

pioni

nesione

cur

odarpino

eoloaveno

gelezianirge

offosiroframe

deia

Disostituzione e polisostituzione

Effetto di un sostituente su un'ulteriore sostituzione

Nella sostituzione elettrofila aromatica di un benzene monosostituito si possono ottenere tre prodotti; il nuovo gruppo può essere orientato nelle posizioni orto, meta o para rispetto al gruppo già presente.

Si possono fare delle considerazioni sul modo con il quale un gruppo presente in un anello aromatico influenza ulteriore reazioni di sostituzione:

1. I sostituenti influenzano l'orientazione dei nuovi gruppi. Alcuni sostituenti (per esempio -OCH₃, -CH₃ ecc.) dirigono il gruppo entrante preferenzialmente nelle posizioni orto e para e sono classificati come orto-para orientanti; altri sostituenti (per esempio -NO₂, -COOH) dirigono preferenzialmente il paracolmo nella posizione meta e sono meta orientanti.
2. I sostituenti influenzano la velocità dell'ulteriore sostituzione. Alcuni sostituenti rendono la velocità della seconda sostituzione più elevata di quella del benzene stesso e sono definiti attivanti; mentre altri sostituenti rendono la velocità della seconda sostituzione più bassa di quella del benzene e sono definiti disattivanti.

• Gruppo attivante Ogni sostituente sull'anello del benzene che rende la velocità della sostituzione elettrofila aromatica più elevata di quella relativa al benzene non sostituito.
• Gruppo disattivante Ogni sostituente sull'anello del benzene che rende la velocità della sostituzione elettrofila aromatica più bassa di quella relativa al benzene non sostituito.

Effetti orientanti dei sostituenti su un'ulteriore sostituzione

Osservando l'esempio dell'anisolo e dell'acido benzoico si può osservare come il primo attira un gruppo orto-para orientante oltre che essere attivante, a differenza del gruppo par acido benzoico che è un disattivante infatti è necessario un catalizzatore e temperature più alte, essendo un gruppo meta orientante.

POSTULATO DI HAMMOND PER SPIEGARE L’EFFETTO ATTIVANTE E DISATTIVANTE

Per considerare l’effetto attivante e disattivante devo confrontare il benzene sostituito con quello non sostituito, ad esempio nella nitrurazione del toluene si osserva che l’energia del carbocatione sostituito è più bassa di quella del benzene e quindi il metile è un attivante. Considerando il gruppo nitro invece si ha la situazione opposta, questo perché il gruppo nitro essendo un elettrone attrattore destabilizza per effetti induttivo la carica positiva.

Anche gli alogeni sono disattivanti per effetto induttivo, destabilizzano il carbocatione corrispondente rispetto a quello del benzene.

Vediamo una tabellina riassuntiva. Il metile è attivante perché è un gruppo elettrone donatore per effetto induttivo, con un elettrone donatore l’anello è più elettrone ricco e quindi è più nucleofilo e reagisce più velocemente. Al contrario con un gruppo elettrone attrattore l’anello è meno nucleofilo. L’OH e l’NH2 sono elettrone attrattori per effetto induttivo ma hanno un forte effetto donatore per la risonanza, sono due effetti contrastanti ma il secondo prevale e quindi sono gruppi attivanti.

I gruppi -NO₂, -CN, -CHO, -CO₂R, -COR e -COH sono attrattori sia dal punto di vista induttivo che per effetto di risonanza.

Effetti dei sostituenti nella sostituzione elettrofila aromatica

• Sostituente: CH₃
• Reattività: Attivante
• Orientazione: Orto, para
• Effetto induttivo: Debole donatore
• Effetto di risonanza: —

• Sostituente: -OH, -NH₂
• Reattività: Attivante
• Orientazione: Orto, para
• Effetto induttivo: Debole attrattore
• Effetto di risonanza: Forte donatore

• Sostituente: -F, -Cl
• Reattività: Disattivante
• Orientazione: Orto, para
• Effetto induttivo: Forte attrattore
• Effetto di risonanza: Debole donatore

• Sostituente: -NO₂, -CN, -CHO, -CO₂H, -COR, -CO₂R
• Reattività: Disattivante
• Orientazione: Meta
• Effetto induttivo: Forte attrattore
• Effetto di risonanza: Forte attrattore

In generale, qualunque sia la catena, gli atomi legati all'anello benzenico diventano gruppi carbossilici, mentre gli atomi della catena vengono ossidati a CO₂.

L'alogenazione.

Se trattiamo il toluene con Cl₂, per riscaldamento, si ha una reazione radicalica e si ottiene il clorometilbenzene.

La bromurazione è effettuata usando N-bromosuccinimmide in presenza di perossido come catalizzatore.

Se abbiamo una catena alchilica più lunga, la posizione benzilica è più reattiva perché il radicale benzilico è più stabile per risonanza. Si ottiene l'alogeno in posizione benzilica. Con il cloro si ha anche una piccola quantità di prodotto con l'alogeno in posizione non benzilica perché è meno selettivo.

Il meccanismo è lo stesso dell'alogenazione degli alcani. Il benzile e l'allile sono più stabili di un radicale terziario.

metile < 1^o < 2^o < 3^o < allile ≈ benzile

Stabilità crescente dei radicali.

Idrogenolisi di eteri benzilici.

Il gruppo benzilico è molto importante perché è un gruppo protettore che funziona bene per proteggere alcoli, fenoli, ammine, acidi carbossilici.

Gruppo protettore: Un gruppo non reattivo rimovibile, che viene introdotto in una molecola allo scopo di proteggere un gruppo funzionale da potenziali reazioni che condurrebbero a prodotti non desiderati.

Se ad esempio non vogliamo far reagire un gruppo OH si fa reagire con il gruppo benzilico in modo da far formare un eterobenzoico, in questo modo non reagisce. Se poi si vuole liberare si tratta con H₂ in presenza di Pd su carbone attraverso un’idrogenolisi e si rompe l’alcool.

Ph–O–_R + H₂, Pd/C → Ph–CH₃ + R–OH

Le ammine secondarie hanno la stessa reattività delle ammine secondarie alifatiche, reagiscono con l’acido nitroso formando N-nitrosoammine.

Vediamo il meccanismo di reazione della piperidina con l’acido nitroso che è lo stesso per le ammine secondarie. Nel primo step si ha l’attacco dell’ammine secondaria, il nucleofilo, sul catione nitrosile, il elettrofilo. Si ha la formazione della N-nitrosoammina. Successivamente si ha la rimozione del protone da parte del solvente con formazione delle α-nitrosammina.

Il trattamento di un’ammina alifatica primaria con acido nitroso porta alla perdita di azoto N₂ e alla formazione di sostituzione, eliminazione e trasposizione.

Vediamo il meccanismo di reazione. Inizialmente l’ammine primaria, nucleofilo, reagisce con lo ione nitrosile, elettrofilo, derivante dall’acido nitroso con la rimozione di un protone si ottiene una N-nitrosoammina che va incontro a tautomeria cheto-enolica per dare un acido diazonico.

L’acido diazonico venne protonato e poi perde acqua formando uno ione diazonio. Quest’ultimo perde una molecola di N₂ molto stabile, formando un carbocatione.

Al carbocatione si aprono le reazioni caratteristiche dei carbocationi alifatici: si ha una miscela di prodotti di sostituzione ed eliminazione.

Le ammine primarie reagiscono che lo stesso meccanismo con l’acido nitroso formando sali di diazonio arilici che, a differenza degli analoghi alifatici, sono stabili e possono decomporre a caldo o 0-5°C, non decomponendo spontaneamente e possono essere utilizzati per ulteriori trasposizioni.