1 Chimica organica VI Lezione

2 Reattività degli alogenuri alchilici R-X X= F, Cl, Br, I. 1

3  Gli alogenuri alchilici sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo –X, attaccato direttamente al carbonio.  La sua elettronegatività non solo fa sì che il legame C-X sia polarizzato a favore di quest’ultimo ma comporta anche che tutti i legami C-H, fino al carbonio in ß, siano polarizzati a favore dei rispettivi carboni. H H H H C C X δ+δ+δ+δ+ δ+δ+δ+δ+ δ-δ- 2

4  Questa situazione spiega la reattività degli alogenuri alchilici che può essere riassunta in  1) sostituzione di -X per opera di un nucleofilo (sostituzione nucleofila)  2) allontanamento di un H + dal carbonio in ß con contemporanea formazione di un doppio legame carbonio-carbonio e uscita dello ione alogenuro (eliminazione) HH HH CCX Nu 3

5 Le due diverse reazioni possono avvenire secondo meccanismi differenti che sono determinati da:  tipo di alogenuri per quanto riguarda sia R (primario, secondario, terziario) sia -X;  forza del nucleofilo e sue proprietà basiche;  natura del solvente;  temperatura. 4

6 Meccanismi unimolecolari: sostituzione nucleofila unimolecolare (S N 1)  Un alogenuro che reagisca con questo meccanismo lo fa in due stadi, il primo dei quali è lento e consiste nella dissociazione dell’alogenuro stesso con formazione del carbocatione.  Nel secondo passaggio, che è veloce, il carbocatione si combinerà con il nucleofilo per dare il prodotto.  Poiché lo stadio lento interessa un solo reagente, il meccanismo è detto unimolecolare, e la velocità globale della reazione dipende solo dalla concentrazione dell’alogenuro v= k [RX]  mentre è indifferente sia il tipo di nucleofilo sia la sua concentrazione. 5

7 6 Meccanismi unimolecolari: sostituzione nucleofila unimolecolare (S N 1)

8  Inoltre, poiché si passa attraverso la formazione di un carbocatione, questo meccanismo sarà quello preferito dagli alogenuri che formano carbocationi più stabili, come i terziari o il benzilico e l’allilico.  A parità di radicale, la reazione sarà più veloce quanto meglio potrà portare la carica negativa il gruppo uscente (X - ): RI > RBr > RCl >RF. 7

9  Per quanto riguarda la configurazione sterica, il fatto che il carbocatione intermedio sia planare e che possa essere attaccato da ambo il lati, consente di ottenere metà prodotto con la stessa configurazione dell’alogenuro di partenza e metà con configurazione opposta. 8

10  Quando un alogenuro reagisce con questo meccanismo lo fa in un unico stadio al qual partecipa assieme al nucleofilo. La velocità dipende dunque dalle concentrazioni di entrambi v= k [RX] [Nu - ] Meccanismi bimolecolari: sostituzione nucleofila bimolecolare (S N 2) 9

11  Si ha dunque l’ingresso del nucleofilo contemporaneo all’allontanamento del gruppo uscente. 10

12  Durante l’attacco i tre sostituenti del carbonio vengono rovesciati nel senso opposto a quello di entrata del nucleofilo: la configurazione del carbonio subisce inversione. 11

13  Inoltre, questo meccanismo, in cui il nucleofilo deve farsi strada attraverso i sostituenti presenti sul carbonio, è molto sensibile all’ingombro sterico: gli alogenuri terziari sono quelli che più difficilmente reagiranno mentre quelli metilici sono quelli più favoriti. 12

14  La S N 2 è favorita è favorita da solventi polari aprotici, come l’acetone, poiché non si legano agli anioni. Il nucleofilo, che è un anione, è così libero di arrivare “nudo” al carbonio e di reagire con esso.  Un solvente protico, invece, rivestendo il nucleofilo ne renderebbe difficile l’azione. S O CH 3   14

15 Confronto S N 1 con S N 2  Per una S N 2 occorre un nucleofilo di buona forza  Alogenuri alchilici metilicoprimariosecondarioterziario Tendenza alla S N 1 Tendenza alla S N 2 15

16  Come facciamo a prevedere secondo quale meccanismo reagiranno un certo alogenuro e un dato nucleofilo? Si decide tenendo conto, in ordine, di :  1) alogenuro alchilico  2) nucleofilo/base  3) solvente  4) temperatura 16

17 Un gruppo funzionale è un atomo o un gruppo di atomi che determina le proprietà chimiche di un composto organico, permettendone la classificazione. Gruppi funzionali 17

18 Ammine Ammoniaca NH 3 Le ammine derivano dall’ammoniaca (NH 3 ) per sostituzione di uno, due o tutti gli atomi di idrogeno con altrettanti gruppi alchilici. Il gruppo funzionale delle ammine è il gruppo amminico:-NH 2. 18

19 Ammine vengono classificate come  Ammine primarie  Ammine secondarie  Ammine terziarie  Ammine quaternarie sono cationi (Sali d’ammonio)  NR 4 + X - 19

20 Ammine Ibridazione sp 3 L'atomo di azoto delle ammine porta un doppietto elettronico non condiviso; per questo motivo gli orbitali dell’azoto sono ibridati sp 3, geometria quasi tetraedrica. 20

21 La nomenclatura delle ammine prevede che si indichino il nome dei gruppi alchilici legati all’azoto con la desinenza -ammina. Le ammine primarie e secondarie formano legami a idrogeno intermolecolari, per cui i loro punti di ebollizione sono più alti di quelli degli alcani a uguale massa molecolare. Nomenclatura: ammine 21

22 Nomenclatura: ammine Trietilammina Difenilammina 22

23 N,N-dimetilpropilamminaN-etil-N-metilcicloesilammina Nomenclatura: ammine 23

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26 Proprietà fisiche: ammine 26

27 Proprietà fisiche: ammine 27

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29 N,N-dimetilamminometanoacetato di trimetilammonio Per il loro carattere basico, le ammine reagiscono con gli acidi minerali come basi di Brönsted, trasformandosi in sali di alchilammonio. amminometano cloruro di metilammonio 29

30 N C 2 H 5 H H N C 2 H 5 H 5 C 2 H N C 2 H 5 C 2 H 5 H 5 C 2 La nucleofilia dell’azoto del gruppo funzionale delle ammine è influenzata dalla natura dei gruppi alchilici o aromatici legati all’azoto. Nelle ammine alifatiche, aumentando il numero dei gruppi alchilici aumenta la densità elettronica nell’orbitale atomico dell’azoto e quindi il carattere nucleofilo. Carattere nucleofilo dell’azoto amminico Il carattere nucleofilo delle ammine terziarie alifatiche risulta maggiore di quello delle ammine alifatiche secondarie e primarie, nonostante ciò le ammine terziarie hanno valori di K b più bassi (sono meno basiche), a causa dell’ingombro dei tre gruppi alchilici. 30

31 K b = K b = K b = La spontaneità del processo di protonazione dell’ammina da parte dell’acqua è infatti tanto maggiore quanto maggiore è la stabilità della forma protonata. La stabilità di questa forma è maggiore per le ammine che, avendo minore ingombro sterico, possono essere maggiormente solvatate. 31

32 Ammine La presenza di un radicale aromatico, a causa della delocalizzazione dei due elettroni dell’azoto nell’orbitale p dell’anello, rende le ammine meno nucleofile. 32

33 Ammine aromatiche Basicità delle ammine: delocalizzazione degli elettroni Le ammine aromatiche sono molto meno basiche delle ammine alifatiche e dell'ammoniaca. L'anilina, ad esempio, è circa un milione di volte meno basica della cicloesilammina. 33

34 Acidità delle ammine Le ammine primarie e secondarie si possono, in certe condizioni, comportare come acidi (cedendo un protone). Le ammine primarie sono acidi estremamente deboli, molto più deboli degli alcoli. 34

35 Ammine 35

36 Sali delle ammine Molti sali di ammine, di origine naturale o sintetica, rivestono notevole importanza biologica. Due esempi sono la squalammina, uno steroide con attività antimicrobica recentemente isolato dallo squalo bianco, e il cloridrato di (+)-metanfetammina, uno stimolante che è molto tossico e che produce assuefazione. 36

37 Composti di ammonio quaternario  Un azoto con 4 sostituenti alchilici porta una carica positiva.  Tra i prodotti biologici importanti vi è la colina, un precursore della acetilcolina (neurotrasmettitore) 37

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39 Le caratteristiche nucleofile delle ammine le dispone a reazioni di sostituzione (S N ) Alchilazione: un gruppo alchilico viene sostituito a un idrogeno amminico Reazioni delle ammine 39

40 L’ammina primaria fa un attacco nucleofilo sul carbonio legato all’atomo di alogeno. Si forma un’ammina secondaria. Se è presente un eccesso di alogenoderivato alchilico, il forte carattere nucleofilo dell’ammina secondaria comporta la possibilità di un secondo attacco nucleofilo... 40

41 Dall’attacco nucleofilo dell’ammina secondaria sulla seconda molecola di alogeno-derivato alchilico si ha la formazione di un’ammina terziaria. Se è presente un eccesso di alogenoderivato alchilico, il forte carattere nucleofilo dell’ammina terziaria comporta la possibilità di un terzo attacco nucleofilo... 41

42 Il terzo attacco nucleofilo porta alla formazione del sale di tetraalchilammonio (nella reazione portata ad esempio si forma ioduro di tetrametilammonio). 42

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44 L’acido nitroso è instabile e viene preparato dal suo sale. 44

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46 Esercizi Scrivere un’equazione per la reazione fra il metilato di sodio e il bromuro di etile. CH 3 O - Na + + CH 3 CH 2 Br  CH 3 OCH 2 CH 3 + NaBr Completare la seguente reazione: NH 3 + CH 3 CH 2 Br  CH 3 CH 2 NH Br -

47 Esercizi

48 Esercizi Difenilammina

49 Esercizi