Chimica organica I - reazioni e proprietà fisiche

Condensazione di Claisen

Precedentemente sono state descritte le reazioni degli esteri, che avvengono tutte al carbonio carbonilico e coinvolgono la sostituzione nucleofila acilica mediante addizione/eliminazione. Esiste un secondo tipo di reazione caratteristica degli esteri, cioè quella che riguarda sia la formazione dell'anione enolato che la sua partecipazione ad una sostituzione nucleofila acilica. Una delle prime reazioni di questo tipo ad essere scoperta fu la condensazione di Claisen. Un esempio di condensazione di Claisen è la reazione di due molecole di acetato di etile in presenza di etossido di sodio, seguita da acidificazione per dare acetato di etile.

Come indicato da questo esempio, il prodotto della condensazione di Claisen è un β-chetoestere.

Condensazione di Claisen è un chetoestere β. Come nel caso delle reazioni aldoliche, la condensazione di Claisen richiede l'intervento di una base. Le basi acquose, come NaOH, tuttavia, non possono essere utilizzate nelle condensazioni di Claisen, perché provocherebbero l'idrolisi dell'estere. Invece, le basi non acquose, come l'etossido di sodio in etanolo e il metossido di sodio in metanolo. Condensazione di Dieckmann La condensazione intramolecolare di Claisen di un estere dicarbossilico che produce un anello a cinque o sei termini viene denominata condensazione di Dieckmann. In presenza di un equivalente di etossido di sodio, per esempio, l'esandiodato di etile subisce una condensazione intramolecolare che porta ad un anello a cinque termini. O O - + + EtO Na EtOH EtO OEt H O,HCl OEt2O Sintesi con l'estere acetoacetico (sintesi acetoacetica) L'estere acetoacetico ed altri β-chetoesteri sono materiali di partenza assai versatili nella formazione.di sintesi subisce la decarbossilazione dopo l'idrolisi dell'estere. La sintesi acetoacetica è utile nella preparazione di acetoni mono- e disostituiti. Un esempio di acetone monosostituito è: ```html

O Un acetone monosostituito

H _C C CH R

O ₃ 2

``` Un esempio di acetone disostituito è: ```html

H _C C CH R₃ R

``` La sintesi con l'estere malonico (sintesi malonica) è un altro metodo per formare nuovi legami C-C. I motivi per cui gli esteri malonici e altri β-diesteri sono composti di partenza versatili per la formazione di nuovi legami C-C sono gli stessi che abbiamo visto per la sintesi acetoacetica, cioè: 1) L'acidità degli idrogeni α (pKa 13-14) posti fra i due gruppi carbonilici 2) La nucleofilicità dell'anione enolato risultante dalla perdita di un idrogeno α 3) La facilità con cui il prodotto di sintesi subisce la decarbossilazione dopo l'idrolisi dell'estere.

subisce la decarbossilazione dopo l'idrolisi dell'estere

La sintesi malonica è utile per la preparazione di acidi acetici mono- e disostituiti

O Un acetone monosostituito

O O R CH C OH2EtO C CH C OEt R O2 Un acetone disostituito

R CH C OH 27Il Benzene e il concetto di aromaticità

Criteri di Huckel per l'aromaticità

Per essere aromatico, un composto monociclico deve:

1. Essere ciclico
2. Possedere un orbitale 2p per ogni atomo dell'anello
3. Essere planare, o quasi planare, in modo che la sovrapposizione di tutti gli orbitali 2p dell'anello risulti continua o pressoché continua
4. Possedere una distribuzione di (4n+2) elettroni estesa su tutto l'anello, formata dalla disposizione ciclica degli orbitali 2p

Acidità dei fenoli

I fenoli e gli alcoli contengono entrambi un gruppo ossidrilico. Tuttavia, dato che le proprietà chimiche dei fenoli sono alquanto diverse da quelle degli alcoli, essi costituiscono una classe di composti ben

La distinzione tra i fenoli e gli alcoli è una delle differenze più significative. I fenoli sono molto più acidi degli alcoli. La costante di ionizzazione acida del fenolo è 10 volte maggiore di quella dell'etanolo. La maggiore acidità dei fenoli dipende dalla maggiore stabilità dell'ione fenossido rispetto all'ione alcossido. La carica negativa nell'ione fenossido viene delocalizzata per risonanza.

I fenoli sono acidi deboli e reagiscono con basi forti, come il NaOH, per formare sali solubili in acqua.

La maggior parte dei fenoli non reagisce con basi più deboli come il bicarbonato di sodio; quindi non si sciolgono in soluzioni acquose di bicarbonato di sodio.

Gli eteri alchil-arilici possono essere preparati partendo da un sale fenossido e da un alogenuro alchilico (sintesi di Williamson). Non possono, invece, essere...

preparati da unalogenuro arilico e da un alcossido, poiché gli alogenuri arilici sono praticamente inertinelle condizioni della sintesi di Williamson.

Gli alchil aril eteri vengono sintetizzati spesso utilizzando un controllo accurato dellasolubilità. Sia l'alogenuro alchilico che il fenolo vengono sciolti in DCM, quindi mescolaticon una soluzione acquosa di NaOH. Il fenolo, debolmente nucleofilo, reagisce in faseacquosa con l'idrossido di sodio per formare lo ione fenossido, un buon nucleofilo. Glialchil-aril eteri possono essere sintetizzati trattando il sale di sodio di un fenolo con unalogenuro alchilico NaOH, H O, DCM+ 2H C CH CH ClOH O CH CH CH2 2 2 2+ -Bu N Br4 28

Carbossilazione di Kolbe: sintesi dell' acido salicilico

Gli ioni fenossido reagiscono con l'anidride carbonica per formare il sale di un acidocarbossilico, come mostra la sintesi industriale dell' acido salicilico, il composto dipartenza per la produzione dell'aspirina. Il

fenoli sono facilmente sostituibili in posizione orto e para rispetto al gruppo -OH. Il fenolo può essere sciolto in una soluzione acquosa di NaOH, e successivamente la soluzione può essere saturata con CO2 sotto pressione per ottenere il salicilato di sodio: NaO^- + OH^- + CO2 -> NaOOC-C6H4-OH + H2O Il fenolo può essere ossidato a chinoni grazie alla presenza del gruppo elettron-donatore -OH nell'anello. Ad esempio, l'ossidazione del fenolo con permanganato di potassio produce 1,4-benzochinone: C6H5OH + KMnO4 + H2SO4 -> C6H4O2 + K2SO4 + H2O Un chinone è una cicloesadiendione. A seconda della posizione relativa dei due gruppi carbonilici nel ciclo, possono essere chiamati o-chinoni, m-chinoni o p-chinoni. Le reazioni che coinvolgono catene alchiliche laterali di composti aromatici avvengono preferenzialmente nella posizione benzilica. Questo perché l'anello del benzene è particolarmente resistente alle reazioni con molti reagenti che normalmente attaccano gli alcani. Inoltre, i fenoli sono facilmente sostituibili in posizione orto e para rispetto al gruppo -OH.Cationi benzilici e i radicali benzilici si formano facilmente a causa della stabilizzazione per risonanza di questi intermedi CH2 posizione benzilica. Ossidazione Il benzene risulta inerte nei confronti di agenti ossidanti forti quali H2CrO4 e KMnO4. Tuttavia, quando il toluene viene trattato con questi ossidanti in condizioni alquanto energetiche, subisce un'ossidazione al gruppo metilico della catena laterale, che viene ossidato a gruppo carbossilico, fornendo quindi acido benzoico. Alogenazione La reazione del toluene con cloro in presenza di luce o calore porta alla formazione di clorometilbenzene e HCl. CH3CH2Cl + HCl -> CH3CHCl2 + HCl Reazioni del benzene e dei suoi derivati La reazione di gran lunga più importante dei composti aromatici è la sostituzione su un carbonio dell'anello. In questa reazione, un idrogeno legato ad un carbonio dell'anello viene sostituito da un altro atomo o sostituente poliatomico. Alcuni gruppi che possono essere introdottidirettamente nell' anello sono gli alogeni, il gruppo nitro (-NO2), il gruppo dell' acido solfonico (-SO3H), i gruppi alchilici (-R) e acilici (-RCO). Sostituzione elettrofila aromatica In una sostituzione elettrofila aromatica un atomo di idrogeno di un anello aromatico viene sostituito da un elettrofilo EH+. E + HClorurazione e bromurazione Il cloro, da solo, non reagisce con il benzene, in contrasto con la sua istantanea addizione ai cicloesene. Tuttavia in presenza di un catalizzatore acido di Lewis, quale il cloruro ferrico o il cloruro di alluminio, il benzene reagisce con il cloro per produrre clorobenzene ed acido cloridrico. Cl2 + FeCl3 -> FeCl4- + Cl- Cl- + Cl2 -> Cl3+ + Cl- CH3H+ + Cl3+ -> CH3Cl + HCl + FeClCl3 Nitrazione e solfonazione Per la nitrazione e la solfonazione del benzene la sequenza di stadi è simile a quella della clorurazione e della bromurazione. Per la nitrazione, l'elettrofilo è lo ione nitronio, NO2+, un elettrofilo molto forte, generato per reazione.

dell'acido nitrico con l'acido solforico

O H O

+ + +

4-+ +

+HSO H

O S O H

H O N O N– –

O H O

O H O

+++ +

O N O

O N H

H–H O

La nitrazione riveste particolare importanza, in quanto il gruppo nitro può essere ridotto a gruppo amminico primario, -NH2, per idrogenazione in presenza di un catalizzatore, in generale costituito da un metallo di transizione quale il nichel, il palladio o il platino, in condizioni alquanto blande.

O O H O

Ni+ + +

2 H O

3HN N 2

(3 atm)

O OH H OH

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Alchilazione ed acilazione di Friedel-Crafts

Mescolando benzene, un alogenuro alchilico e AlCl3, si ottiene come prodotto un alchilbenzene e HX. L'alchilazione di Friedel-Crafts, che rappresenta uno dei metodi più importanti per formare un nuovo legame carbonio-carbonio su gli anelli aromatici, è illustrata di seguito dalla reazione tra il benzene e il 2-cloropropano in presenza di cloruro di alluminio

CH3CH2+ +Cl AlCl3 HCl

3CH3CH2CH3

Ci sono tre grosse limitazioni

nell’alchilazio