Reazioni di Chimica organica

Idrogenazione

Reattivo e catalizzatore

Reattivo: H gassoso. Catalizzatore metallico: Pt o Pd (per questo chiamate idrogenazioni catalitiche). Il catalizzatore è necessario per indebolire il legame H-H molto forte.

Stereoselettività e prodotto

L'isomero cis si forma in maggiore quantità. Stereoselettiva: SIN.

Prodotto sugli alcheni: alcano (1/2 atomi di C stereogenici). Prodotto sugli alchini: alchene e poi alcano (NO atomi di C stereogenici).

Stereochimica

SIN: i due H che vengono introdotti vanno riportati sul piano e dalla stessa parte: dai CIS gli enantiomeri eritro o cis; dal TRANS enantiomeri treo o trans.

Se tutti i reagenti sono achirali, anche la miscela di prodotti sarà achirale.

Se l'alchene ciclico disostituito che reagisce è simmetrico, si formerà un prodotto MESO. Se è tetrasostituito, possono formarsi i 2 atomi di C chirali.

Rappresentazione del prodotto

Per rappresentare il prodotto bisogna mettere i due H che vengono introdotti sul piano e dalla stessa parte; poi, sui due cunei si può disporre una delle due coppie di sostituenti che si trova dalla stessa parte nell’alchene di partenza, e sull’altra coppia di sostituenti. L’altra molecola prodotta si può ottenere invertendo tratteggio i sostituenti sul cuneo con quelli sul tratteggio.

Rotazione intorno al legame C-C

Si può passare dalla conformazione eclissata a quella sfalsata effettuando una rotazione intorno al legame C-C. Tale rotazione si può effettuare tenendo fermo un C e ruotando l’altro, prestando attenzione ad invertire la posizione dei sostituenti. Si ottiene sempre la miscela degli enantiomeri dell’unico-Partendo da un alchene trisostituito o disostituito geminale C stereogenico che si forma.

Reazione con composti ciclici

Se il reagente è un composto ciclico si formeranno gli enantiomeri CIS poiché i due H si legheranno dalla stessa parte del doppio legame.

Utilizzo di Na/NH₃ o Li/NH₃

Utilizzando Na/NH₃ o Li/NH₃ si ottiene l'alchene E (o TRANS) con attacco ANTI. Con gli alchini (che è anche il più stabile).

Utilizzando invece Pd/CaCO₃ o Pb(OAc)₂/chinolina si ottiene il prodotto Z (o CIS). Se l’alchino è terminale i due reattivi portano allo stesso prodotto, che è privo di stereoisomeria geometrica.

Reazione di riduzione

È una reazione di riduzione (aumenta il numero di legami C-H e diminuisce il numero di legami C-O, C-N o C-X). Dall’alchene, si ottiene l’alchene cis utilizzando il catalizzatore di Lindlar.

Meccanismo sugli alcheni

L’alchene si sospende il metallo. L’H₂ viene fatto gorgogliare, l’H si lega al catalizzatore e il legame H-H si indebolisce. I catalizzatori, quindi, assorbono l’H sulla loro superficie e questo H assorbito è in grado di interagire con gli orbitali coinvolti nella formazione del doppio legame C=C e quindi far cambiare l’ibridazione a quel carbonio che da sp² passa a sp³ e questo va a formare il legame con gli elettroni dell’H. Si formano quindi 2 nuovi legami. Il risultato finale è un’addizione di tipo SIN perché non avviene attraverso la formazione di un intermedio; è l’H che si lega prima al catalizzatore e poi viene indebolito per formare nuovi legami.

Meccanismo sugli alchini

Il prodotto iniziale è un alchene ma è difficile fermare la reazione a questo stadio, perché gli alcheni sono più reattivi degli alchini. Il prodotto finale sarà quindi un alcano. Si può fermare però la reazione allo stadio di alchene utilizzando un catalizzatore metallico “avvelenato” (parzialmente disattivato) che è detto catalizzatore di Lindlar. Questo catalizzatore presenta assorbita sulla sua superficie la chinolina che va quindi ad “avvelenare” la superficie non rendendola più disponibile per il substrato. L'alchino reagisce perché ha una geometria particolare che gli consente di approcciare i catalizzatori nonostante la presenza della chinolina, la quale risulta invece un ostacolo per l’ingresso dell’alchene. Così facendo gli H vengono addizionati dallo stesso lato del doppio legame, avviene quindi un'addizione SIN che porta alla formazione di un alchene CIS.

Gli alchini interni possono essere trasformati in alcheni TRANS utilizzando sodio (o litio) in ammoniaca liquida. La reazione si ferma allo stadio di alchene in quanto il sodio reagisce più velocemente con i tripli legami che con i doppi. Questa reazione viene chiamata riduzione con metalli alcalini disciolti.

• 1 elettrone dell’^orbitale s del Na passa all’orb^sp dell’alchino formazione dell’anione C --> radicale (specie con carica negativa e 1 elettrone spaiato);
• L’anione radicale è una base talmente forte che riesce a rimuovere 1 protone dall’ammoniaca --> formazione di un radicale vinilico (in cui l’elettrone spaiato si trova sul carbonio vinilico);
• Trasferimento di un altro elettrone dal Na al radicale vinilico --> formazione di un anione vinilico;
• L’anione vinilico è una base forte e strappa un protone da un’altra molecola di ammoniaca --> formazione alchene trans.

Di-ossidrilazione

Reattivo e prodotto

Reattivo: KMnO₄ dil. Freddo oppure 1) OsO₄ (tetrossido di osmio) 2) H₂O₂

Prodotto sugli alcheni: diolo vicinale (1,2-dioli).

Stereochimica

SIN e meccanismo concertato (gli OH si mettono dietro+enantiomeri). Con alcheni ciclici si formano due cis-dioli. Se i sostituenti dei C sp² sono uguali, si forma il prodotto MESO.

La struttura si disegna sempre riportando sul piano i due gruppi e mettendo dalla stessa parte i gruppi che si trovano dalla stessa parte nell’alchene di partenza. Le due possibili combinazioni danno i due possibili prodotti descritti in conformazione eclissata. Una rotazione intorno al legame C-C consente di passare dalla conformazione eclissata a quella sfalsata.

L’addizione SIN dell’isomero CIS porta ad una molecola in cui i 2 gruppi sono sul piano.

L’addizione SIN dell’isomero TRANS porta agli enantiomeri. Un cis 1,2-diolo può essere ottenuto per ossidazione di un alchene con tetrossido di osmio seguita da idrolisi con perossido di idrogeno acquoso. Si ottiene il prodotto cis perché l’addizione del tetrossido è sin, entrambi gli ossigeni si attaccano dallo stesso lato del doppio legame.

Meccanismo della formazione dei cis-glicoli

• L’Os richiama a sé e rende l’O elettrofilo egli elettroni del doppio legame Os-O quindi subisce attacco da parte del doppietto di elettroni π;
• Siccome il C comincia a diventare positivo, un altro atomo di O va a formare il legame con il C --> formazione di un intermedio ciclico;
• L’intermedio viene idrolizzato con perossido di idrogeno acquoso. Il perossido riossida il reagente osmio a tetrossido di osmio e si forma il cis 1,2-diolo.

Con il permanganato di potassio KMnO₄ invece abbiamo il Mn che richiama elettroni, l’O diventa elettrofilo quindi subisce attacco da parte del doppietto di elettroni π e contemporaneamente l’altro doppietto di elettroni va a formare l’altro legame. Si forma sempre l’intermedio ciclico a 5 membri e poi attraverso l’idrolisi l’acqua attacca e fuoriesce come gruppo uscente l’O-manganese che può uscire come OH in ambiente acido o come O- in ambiente basico. Alla fine, abbiamo come prodotto l’1,2-diolo o glicolo e come altro prodotto una forma ridotta del manganese che poi evolve a MnO₂.

La reazione invece dell’ossido di cicloesene con gli ioni idrossido porta a un trans 1,2-diolo, perché la reazione Sn₂ avviene con un attacco dal retro. Poiché i gruppi OH si trovano su carboni adiacenti, gli 1,2-dioli sono anche conosciuti come dioli vicinali o glicoli vicinali. Si otterranno 2 stereoisomeri perché la reazione forma 2 nuovi centri asimmetrici e può avvenire solo l’addizione ANTI.

Epossidazione

Reattivo e prodotto

Reattivo: un perossiacido come RCOOOH o MCPBA (un peracido ha una struttura simile ad un acido carbossilico ma con un atomo di ossigeno in più).

Prodotto sugli alcheni: epossido.

Stereochimica

SIN --> stereoselettiva: dai CIS gli enantiomeri eritro o cis; dal TRANS enantiomeri treo o trans. L’ossigeno può addizionarsi o sopra o sotto il piano, disegna tenendo l’O sopra il piano del doppio legame e l’altro legando l’O sotto il piano. Oppure si può disegnare il prodotto che si ottiene legando l’O sopra o sotto il piano del doppio legame e poi si disegna la sua immagine speculare.

L’addizione a un alchene TRANS forma gli enantiomeri TRANS, la reazione è stereospecifica e anche in questo caso possiamo disegnare i prodotti mostrando che uno si ottiene legando l’ossigeno sopra il piano del doppio legame, l’altro legando l’O sotto il piano del doppio legame. Oppure possiamo disegnare il prodotto che si ottiene legando l’O sopra o sotto il piano del doppio legame e poi si disegna l’immagine speculare.

Reazione concertata

La formazione e la rottura di tutti i legami coinvolti avvengono nello stesso stadio.

Solvente

Inerte (CH₂Cl₂)

È una reazione di ossidazione in quanto fa aumentare il numero di legami C-O. L’epossido viene fatto reagire con H₂O in ambiente acido si ottiene il diolo corrispondente.

Meccanismo della epossida zione di un alchene

• Un atomo di O del gruppo OOH del perossiacido (povero di elettroni e pertanto un centro elettrofilo) accetta gli elettroni dal legame π dell’alchene --> rottura del legame debole O-O del perossiacido;
• Gli elettroni del legame O-O vengono delocalizzati --> rottura legame π del gruppo C=O che lega un protone;
• Mentre il legame O-H si rompe, gli elettroni di legame si addizionano all’altro carbonio sp² dell’alchene (quindi l’atomo di O si comporta sia da elettrofilo che da nucleofilo) --> formazione epossido e acido carbossilico.

Reazione di sostituzione nucleofila

È possibile formare l’epossido attraverso una reazione di sostituzione nucleofila interna se abbiamo sulla stessa molecola una specie che può funzionare da nucleofilo e una da gruppo uscente rendendo il nucleofilo più forte. L’epossido si forma perché si mantiene la posizione CIS dei gruppi R siccome l’attacco del nucleofilo avviene da parte opposta rispetto al gruppo uscente.

Alogenazione

Reattivo

Reattivo: X in CCl₄ o CH₂Cl₂ (solvente apolare inerte). Elettrofilo: Br⁺ o Cl⁺; nucleofilo: Br^- o Cl^-. F₂ e I₂ non sono invece utilizzati come reagenti in quanto F₂ è esplosivo mentre I₂ forma un composto instabile.

Prodotto

Prodotto sugli alcheni: dialogenuro vicinale. Prodotto sugli alchini: dialo-alchene.

Stereochimica

ANTI: dal CIS otteniamo gli enantiomeri treo o trans; dai TRANS otteniamo gli enantiomeri eritro o cis. È una reazione che in passato veniva comunemente utilizzata in laboratorio per evidenziare l’eventuale presenza di un doppio legame in una molecola incognita. Per i cicloalcheni non è possibile la formazione del prodotto MESO.

Prodotti aciclici

Per quanto riguarda i prodotti aciclici, è agevole rappresentare il prodotto in conformazione sfalsata, posizionando i due alogeni sul piano. Gli altri sostituenti vanno disposti rispettando l’assetto originariamente presente nell’alchene. L’alogenazione di un alchene simmetrico con configurazione E porta alla configurazione di un composto MESO.

Reazione sugli alchini

Negli alchini tale reazione porta alla formazione di un alchene che lega 2 alogeni nelle posizioni vicinali, da parti opposte del doppio legame. Poi questo può essere nuovamente posto ad alogenazione generando un prodotto tetra-alogenato.

Meccanismo dell’addizione di bromo a un alchene

• Quando gli elettroni π di un alchene si avvicinano a una molecola di Br₂ (legati da un legame che può essere facilmente rotto in quanto Cl₂ o Br₂ sono polarizzabili), uno degli atomi di bromo accetta questi elettroni e rilascia quelli condivisi all’altro atomo di bromo che si allontana come bromuro. Il doppietto di elettroni π del doppio legame lega il Br con parziale carica negativa e fuoriesce il bromuro --> si forma lo ione bromonio, anche detto ione bromonio a ponte (al posto del carbocatione intermedio);
• A causa della tensione dell’anello a 3 termini e del Br carico positivamente che attira fortemente gli elettroni dai carboni dell’anello, lo ione bromonio ciclico è instabile. Quindi lo ione bromonio reagisce velocemente con il nucleofilo-Br^- che può attaccare su entrambi i C, infatti se il doppio legame è su un sistema ciclico si possono avere diversi tipi di attacchi, si è però visto che spesso il prodotto principale è quello in cui i 2 atomi di Br sono da parte opposta; il Br^- attacca sempre il carbonio più sostituito, cioè quello con una maggior percentuale di carica positiva. In questo particolare caso i due carboni sono equivalenti e quindi entrambi gli attacchi sono possibili.

Poiché non si formano carbocationi in questa reazione non si osservano trasposizioni. Per un alchino vale lo stesso meccanismo.

Addizione di acido alogenidrico

Reattivo

Reattivo: HX. HCl richiede spesso riscaldamento, HI e HBr si addizionano invece a temperatura ambiente perché sono più forti, HF si addiziona con molta difficoltà.

Stereochimica

SIN e ANTI. Elettrofilo: H⁺; nucleofilo: ione alogenuro.

Prodotto

Prodotto alcheni: alogenuro alchilico (o alogeno alcani). Prodotto alchini: alogenuro vinilico (alchene).

Regiospecificità

Regiospecifica (o regioselettiva): uno sei due prodotti è formato in maggiore quantità (vale solo quando l’elettrofilo è l’H⁺). Regiochimica: Markovnikov.

L’addizione di HX ad un alchene porta alla formazione di un alogenuro alchilico secondo la regola di Markovnikov. Se la reazione dovesse portare alla creazione di uno o più carboni stereogenici, si formeranno tutti i possibili stereoisomeri.

Regola di Markovnikov

L’elettrofilo si addiziona preferenzialmente al C sp² che lega il maggior numero di H; mentre l’alogenuro si lega sul carbonio più sostituito, quello che forma il carbocatione più stabile.

Reazione sugli alchini

L’addizione HX ad un alchino porta alla formazione del corrispondente alogenuro vinilico (alchene) secondo la regola di Markovnikov. È poi possibile sottoporre il prodotto ottenuto ad una successiva addizione di HX in cui l’H⁺ si addiziona al C sp² meno sostituito (cioè quello legato all’H) formando un dialogenuro geminale (molecola con 2 alogeni sullo stesso C).

Se l’alchino è terminale sia la prima che la seconda reazione di addizione sono regioselettive (l’H⁺ si addiziona al C sp meno sostituito).

L’addizione HX in eccesso a un alchino interno non simmetrico porta alla formazione di due dialogenuri geminali in quanto l’addizione iniziale di H⁺ può avvenire con uguale facilità su entrambi i C sp. Se, invece, l’alchino interno è simmetrico, si ottiene un unico dialogenuro geminale.

Reattività e intermedi

L’alchene alo-sostituito è meno reattivo rispetto all’alchino. La differenza dell’addizione di HX tra alchene e alchino è l’intermedio: l’alchino forma un complesso-π, mentre l’alchene forma un carbocatione. È possibile spostare la carica positiva del carbocatione ad un C adiacente nel momento in cui c'è un guadagno di stabilità (3°>2°>1°) però contemporaneamente si sposterà un H (o un metile al massimo) sul C su cui prima era presente la carica positiva. Il primo stadio, in cui si forma il carbocatione, è quello lento, l’addizione di Cl^- avviene in modo veloce.

Meccanismo dell’addizione elettrofila di un acido alogenidrico agli alcheni

Meccanismo dell’addizione elettrofila di un acido alogenidrico agli alchini

• L’alchino (nucleofilo) reagisce con un elettrofilo per formare un complesso-π;
• Lo ione cloruro si addiziona a tale complesso --> formazione di un alchene alo-sostituito.

Idratazione

Reattivo e prodotto

Reattivo: H₂O/H⁺ (normalmente H₂SO₄) oppure 1) Hg(OAc)₂/H₂O 2) NaBH₄ (l’Hg è utilizzato come catalizzatore soprattutto quando l’alchino è terminale).

Prodotto alcheni: alcol (solo in presenza di acidi, altrimenti non avviene alcuna reazione). Prodotto alchini: carbonile (si utilizza il sale di Hg per velocizzare la reazione piuttosto che solo H₂O e H₂SO₄).

Stereochimica

Elettrofilo: H⁺; nucleofilo: acqua o alcol. Catalizzatore: acido. SIN e ANTI. Non stereospecifica.

Regiochimica

Regiochimica: Markovnikov (regioselettiva o regiospecifica): l'H⁺ si lega sul C meno sostituito del doppio legame, mentre l’H₂O si lega sul C più sostituito, quello che forma il carbocatione più stabile. Può verificarsi una trasposizione 1, 2 di idruro.

Idratazione sugli alchini

L’idratazione alchino porta alla formazione di un enolo (ossia un alchene in cui il C sp² lega anche un OH) che siccome è poco stabile si riarrangia immediatamente per dare un chetone (tautomeria cheto-enolica). Un chetone e un enolo si differenziano soltanto per la posizione di un doppio legame e di un atomo di H. In soluzione, il tautomer piacevolmente omesso per il testo.