Alogenuri alchilici Sono composti organici che contengono almeno un legame carbonio-alogeno (C–X), dove – X = (F, Cl, Br, I) Il carbonio è sp3 Possono contenere più legami C–X: composti polialogenati. Dicloro-1,2 tetrafluor-1,1,2,2 Etano (R114) NB: Altre classi di alogenuri dove il C ha ibridazione sp2 hanno proprietà diverse da questa. 3 3

Proprietà e usi • Diffusi in natura, ma raramente coinvolti nel metabolismo animale Clorometano (CH3Cl) rilasciato da alghe, incendi, vulcani. Applicazioni industriali e farmaceutiche come solventi resistenti al fuoco, propellenti aerosol,refrigeranti, composti farmaceutici e precursori. CH3CH2Cl CH3CH2Br CF3CCl2Br CCl2F2 CF2CHCl cloroetano bromoetano alotano (Freon-12) (Freon 22) (anestetico locale) (fumigante) (anestetico) Gas refrigeranti Pesticidi 3 3 3

Regole IUPAC per la Nomenclatura degli Alogenuri Alchilici Trovare e nominare la più lunga catena di atomi di carbonio.Se è presente un legame multiplo bisogna scegliere la catena più lunga che lo contiene.   Numerare la catena partendo dall'atomo di carbonio terminale più vicino ad un sostituente, sia esso un gruppo alchilico o un alogeno.  Identificare e nominare i gruppi e gli atomi di alogeno attaccati a questa catena. Designare la posizione di ogni gruppo o atomo sostituente con l'appropriato numero e nome. Assemblare il nome, elencando i gruppi in ordine alfabetico. I prefissi di, tri, tetra, etc., usati per designare più di un gruppo dello stesso tipo, non sono considerati ai fini dell'elencazione in ordine alfabetico. 

ESEMPI IUPAC Comune “alogenoalcano” “alchil alogenuro” CH2Cl2 diclorometano metilene dicloruro CHI3 triiodometano iodoformio CBr4 tetrabromometano carbonio tetrabromuro CH3Br bromometano metil bromuro CCl2F2 diclorodifluorometano Freon-12

Classificazione

Struttura Poli(tetrafluoroetene)

V. Preparazioni Alchil alogenuri: Alchil dialogenuri: – da alcheni per addizione di acidi alogenidrici HCl, HBr, HI – da alcani e Cl2 o Br2, calore o luce – da alcoli per reazione con acidi alogenidrici Alchil dialogenuri: – da alcheni per addizione anti di bromo e cloro 8 8

IV. Proprietà fisiche Gli isomeri ramificati hanno forma più compatta, diminuita area di contatto, diminuita forza di attrazione di Van der Waals e più bassi p.eb. CH3CH2CH2CH2Br p.eb. 100°C (CH3)3CBr p.eb. 72°C Insolubili in H2O perché non formano legami ad idrogeno. 8 8

Reattività di R-X

Sostituzione Nucleofila Il nucleofilo Y sostituisce X nel legame con il carbonio:

Sostituzione nucleofila: Esistono 2 possibili meccanismi: meccanismo sincrono di formazione del legame C-Nu e rottura del legame C-X (reazione SN2). meccanismo a due stadi: rottura eterolitica del legame C-X e formazione di un carbocatione. Conseguente attacco del nucleofilo (reazione SN1). Sostituzione nucleofila SN2 Sostituzione nucleofila SN1

Reazione SN2 La velocità di reazione dipende dalla concentrazione dell’alogenuro alchilico e del nucleofilo (cinetica bimolecolare). La velocità di reazione diminuisce all’aumentare delle dimensioni dell’alogenuro alchilico. Nel caso di un alogenuro alchilico chirale, il prodotto ha la configurazione invertita rispetto a quella del reagente.

Meccanismo delle Sn2 Tutte le evidenze sperimentali sono spiegate ammettendo una reazione a singolo stadio dove sia nucleofilo che substrato partecipano alla formazione della stato di transizione. Nello stato di transizione il carbonio è pentacoordinato: forma 3 legami completi e 2 legami parziali. E’ quindi chiaramente una specie molto affollata.

La struttura dell’alogenuro alchilico Maggiore è l’affollamento al carbonio che subisce sostituzione, maggiore è l’energia di attivazione, più lenta è la reazione. Gli alogenuri alchilici meno sostituiti sono più reattivi in una reazione SN2

Attacco del nucleofilo: da retro Se l’alogenuro alchilico è chirale?

Reazione SN1 La velocità di reazione dipende solo dalla concentrazione dell’alogenuro alchilico (cinetica monomolecolare). La velocità di reazione aumenta all’aumentare delle dimensioni dell’alogenuro alchilico. Nel caso di un alogenuro alchilico chirale, si forma una miscela racemica.

Stabilità dei carbocationi Meccanismo SN1 Stabilità dei carbocationi L’ordine di stabilità può essere spiegato attraverso effetti induttivi e di iperconiugazione. Gli effetti induttivi sono effetti induttivi che agiscono lungo i legami σ e sono causati da differenze in elettronegatività degli atomi. I gruppi alchilici sono elettron donatori e stabilizzano una carica positiva proporzionalmente al loro numero. metile 1° 2° 3° s t a b i l i t à

Stabilità dei carbocationi Stabilità di R+ : 3º > 2º >> 1º > CH3+ Reattività di R–X verso la SN1: 3º > 2º >> 1º > CH3X 2. Reattività di alogenuri alchilici: SN CH3 + 1º R+ 2º R+ 3º R+ benzilico 1°, allilico 1° benzilico 2°, allilico 2° 32

Reattività S N 1: Substrati Allilici e Benzilici 36

Reattività S N 1: Solvente • Solventi polari (acqua, metanolo) favoriscono la S N 1 rispetto a solventi apolari (cloroformio, etere) I solveti polari stabilizzano (solvatano) l’intermedio carbocationico 38

I. Sostituzione Nucleofila SN I. Sostituzione Nucleofila SN 2. Reattività di alogenuri alchilici 2. Reattività di alogenuri alchilici 2. Reattività di alogenuri alchilici I. Sostituzione Nucleofila SN I. Sostituzione Nucleofila SN I. Sostituzione Nucleofila SN C. Due meccanismi limite generale: velocità = k1[RX] + k2[RX][Y–] aumenta k1 RX = CH3X 10 20 30 v SN2 aumenta k2 SN1 [Y–] [RX] cost k1 ~ 0 velocità = k2[RX][Y–] (bimolecolare) k2 ~ 0 velocità = k1[RX] (unimolecolare) SN2 SN1 16

Riassunto: Nu molto buoni : I- , HS-, RS-, H2N- buoni: Br -, HO-, RO-, CN- abbastanza: NH3 , Cl-, F-, RCO2- cattivi: H2O, ROH

SN2 o SN1? SN2 SN1 Primari o metile Nucleofilo forte Solvente polare aprotico v = k[RX][Nu] Inversione al carbonio chirale Nessun riarrangiamento SN1 Terziario Nucleofilo debole (può essere anche il solvente) Solvente polare protico v = k[RX] Racemizzazione di composti otticamente attivi Prodotti riarrangiati SN2 o SN1? 43 43 43

Trasformazioni di gruppi funzionali alcoli eteri esteri tioli Nitrili Alchini

Eliminazione (EN) Due ligandi al C vengono eliminati con formazione di C=C Meccanismi E1 ed E2 L’eliminazione avviene secondo 2 distinte modalità indicate come E1 e E2 a seconda dell’ordine di reazione. Spesso reazioni di eliminazione e sostituzione avvengono contemporaneamente, a partire dagli stessi reagenti (nucleofilo e substrato). La prevalenza dell’una sull’altra dipende dalla struttura del nucleofilo, del substrato e dalle condizioni di reazione.

Reazione di Eliminazione: il meccanismo E1 Procede in due passaggi: Formazione Carbocatione (come in SN1) Il carbocatione PERDE UN PROTONE da un atomo di carbonio adiacente al carbonio con carica positiva (E1)

Descrizione degli orbitali coinvolti in E1

Reazione di Eliminazione: il meccanismo E2 La reazione E2 procede in UN SOLO PASSAGGIO. Rottura e formazione del nuovo legame avvengono contemporaneamente. I legami H˗˗C˗˗C˗˗L (gruppo uscente)sono sullo stesso piano; H ed L sono in posizione ANTI.

Descrizione degli orbitali coinvolti in E2

E1 o E2? E1 Terziario > Secondario Base debole Solvente ionizzante v = k[alogenuro] Prodotto di Saytzeff Nessuna geometria richiesta Prodotti di riarrangiamento E2 Terziario > Secondario Richiesta base forte Polarità solvente non importante v = k[alogenuro][base] Prodotto di Saytzeff Gruppi uscenti coplanari (anti) Nessun riarrangiamento 53 53

Competizione tra sostituzione ed eliminazione Le reazioni di sostituzione e di eliminazione possono competere tra loro: ALOGENURI TERZIARI: SN1, E1, E2 In presenza di nucleofili deboli e solventi polari In presenza di nucleofili forti e solventi meno polari

ALOGENURI PRIMARI: SN2 e E2 SN2 generalmente prevale nettamente; in caso di nucleofili ingombranti e basici si ha E2.

ALOGENURI SECONDARI : SN1, SN2 , E1 e E2 La distribuzione dei prodotti dipende dal nucleofilo e dalle condizioni di reazione.

Sostituzione o Eliminazione? La forza del nucleofilo determina l’ordine: Nucleofilo forte reagirà SN2 o E2. Alogenuri primari di solito SN2. Alogenuri terziari miscela di SN1, E1 o E2. Alta temperatura favorisce l’eliminazione. Basi ingombranti favoriscono l’eliminazione. Buoni nucleofili, ma basi deboli favoriscono la sostituzione. 53 53 53

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Reagenti organometallici Sono sostanze molto reattive caratterizzate dalla presenza di un legame tra un atomo di carbonio ed un metallo. I composti organometallici hanno cambiato la storia della chimica organica grazie alla loro capacità di attivare l’atomo di carbonio cui il metallo è legato, rendendo possibili reazioni che portano alla formazione di nuovi legami C–C estremamente importanti, in quanto aumentano la complessità della molecola.

Reattivi di Grignard Quando un atomo di carbonio è legato a un metallo si comporta da nucleofilo. Il legame Carbonio-Metallo è polarizzato con densità di carica negativa verso il carbonio in quanto la maggior parte dei metalli sono meno elettronegativi del carbonio composti di organomagnesio, chiamati comunemente reattivi di Grignard, contengono il legame carbonio-magnesio e sono tra i più utilizzati composti organometallici. François Auguste Victor Grignard (Cherbourg, 6 maggio 1871 – Lione, 12 dicembre 1935) è stato un chimico francese, Premio Nobel nel 1912 per la scoperta dei composti di alchilmagnesio

Preparazione dei reattivi di Grignard I reattivi di Grignard si preparano per trattamento di un alogenuro alchilico con magnesio metallico in solvente anidro. I solventi utilizzati sono eteri come THF o dietil etere. I reattivi di Grignard sono basi molto forti e reagiscono con gli acidi portando alla formazione di un alcano. reagiscono anche con l’acqua portando alla formazione di un alcano per cui il solvente utilizzato nella formazione del Grignard deve essere assolutamente anidro. R-Mg-X + H2O → R-H +MgX + OH- I solventi utilizzati nella formazione del Grignard devono essere assolutamente anidri

Tipi di alogenuri Tutti gli alogenuri alchilici, vinilici e arilici possono essere utilizzati per preparare composti organomagnesio.

Reazioni dei reattivi di Grignard Il legame carbonio-magnesio è covalente polare: il carbonio -più elettronegativo- reca una parziale carica negativa e il magnesio -più elettropositivo- una parziale carica positiva Quindi il carbonio a carattere carbanionico reagisce con gli elettrofili.

Altre Reazioni + MgX2