Fondamenti di chimica organica

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Janice Gorzynski Smith University of Hawai’i Capitolo 20 Acidi carbossilici e i loro derivati – La sostituzione nucleofila acilica Prepared by Rabi Ann Musah State University of New York at Albany Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Acidi carbossilici e i loro derivati
Derivati degli acidi carbossilici :

Derivati degli acidi carbossilici —Introduzione Tipi di anidridi: Tipi di ammidi:

Derivati degli acidi carbossilici —Introduzione Nitrili:

Nomenclatura—Cloruri degli acidi Per i cloruri degli acidi acilici: cambiare il suffisso –ico dell’acido carbossilico progenitore con il suffisso –ile; oppure Quando il gruppo –COCl è legato ad un anello: cambiare il termine acido carbossilico nel termine –carbonil cloruro.

Nomenclatura—Anidridi Le anidridi simmetriche sono nominate cambiando il nome dell’acido progenitore con il termine anidride. Le anidridi miste, che derivano da due acidi carbossilici diversi, sono nominati invece mettendo in ordine alfabetico il nome dei rispettivi acidi carbosilici progenitori e cambiando la parola acidi nel termine anidride.

Nomenclatura—Anidridi

Nomenclatura—Esteri Nominare R’ come gruppo alchilico. Questo diventa la prima parte del nome. Nominare il gruppo acilico cambiando il suffisso ico dell’acido carbossilico con il suffisso –ato. Gli esteri sono spesso scritti come RCOOR’, dove il gruppo alchilico (R’) è scritto dopo. Quando si nomina l’estere però, il gruppo R’ appare all’inizio del nome.

Nomenclatura—Ammidi Tutte le ammidi 1° sono nominate rimpiazzando i suffissi -ico, -oico, o -ilico con il suffisso ammide.

Nomenclatura—Ammidi Nominare il gruppo (o i gruppi) alchilici legati all’atomo N dell’ammide. Usare il prefisso “N-” davanti al nome di ogni gruppo alchilico per evidenziare che è legato ad un atomo di azoto. Questo diventa la prima parte del nome. Per le ammidi 3°, usare il prefisso di- se i due gruppi alchilici sull’N sono uguali. Se i due gruppi alchilici sono differenti, elencarli in ordine alfabetico. Un “N-” è necessario per ogni gruppo alchilico, anche se entrambi i gruppi R sono identici. Nominare il gruppo acilico sostituendo i suffissi –ico, -oico, o –ilico con il suffisso ammide.

Acidi carbossilici e i loro derivati—La sostuzione nucleofila acilica
Nomenclatura—Nitrili In contrasto con i derivati degli acidi carbossilici, i nitrili sono nominati come derivati degli alcani. Trovare la catena più lunga che contiene il CN ed aggiungere la parola nitrile al nome dell’alcano corispondente. Numerare la catena mettendo il CN al C1, ma omettere questo numero dal nome. I nomi comuni dei nitrili sono derivati dai nomi degli acidi carbossilici che hanno lo stesso numero di atomi di carbonio sostituendo il suffisso –ico dell’acido carbossilico con il suffisso –onitrile. Quando il CN è nominato come un sostituente viene chiamato guppo ciano.

Nomenclatura—Nitrili Nel nominare un nitrile, il carbonio del CN è un carbonio della catena più lunga. CH3CH2CN è il propanonitrile, non etanonitrile.

Confronto fra composti carbonilici (aldeidi e chetoni) e derivati degli acidi carbossilici
La presenza o l’assenza di un gruppo uscente sul carbonio carbonilico determina il tipo di reazioni che questi composti subiscono.

I composti carbonilici reagiscono con nucleofili.

Aldeidi e chetoni reagiscono con nucleofili per formare prodotti di addizione attraverso un processo a due stadi: attacco nucleofilo, seguito da protonazione.

Il risultato finale è che si rompe il legame , si formano due nuovi legami , e l’idrogeno H e il nucleofilo Nu sono addizionati al legame .

I composti carbonilici legati a gruppi uscenti reagiscono con i nucleofili per formare prodotti di sostituzione attraverso un processo a due stadi: attacco nucleofilo, seguito dalla perdita del gruppo uscente. Il risultato finale è che il Nu sostituisce Z (reazione di sostituzione nucleofila). Questa reazione è spesso chiamata sostituzione nucleofila acilica.

L’addizione nucleofila e la sostituzione nucleofila acilica hanno quindi il primo stadio in comune (l’attacco nucleofilo al carbonio carbonilico, elettrofilo) per formare un intermedio tetraedrico. La differenza fra le due reazioni è quello che accade nella successiva reazione dell’intermedio. Le aldeidi e i chetoni non possono dare sostituzione perchè non hanno un gruppo uscente legato al carbonio intermedio ibridato sp3, appena formatosi. Questo è invece possibile nei derivati degli acidi in cui Z è in ogni caso un buon gruppo uscente, con le seguenti considerazioni:

Ordine di reattività:

Ordine di stabilità Tre strutture di risonanza stabilizzano i derivati degli acidi carbossilici (RCOZ) attraverso la delocalizzazione della densità elettronica. Più le strutture di risonanza 2 e 3 contribuiscono all’ibrido, più stabile risulta RCOZ.

Poichè la basicità di Z determina la stabilità relativa dei derivati degli acidi carbossilici, ne risulta il seguente ordine di stabilità: Riassumendo, come la basicità di Z aumenta, la stabilità di RCOZ aumenta a causa dell’aumento della stabilizzazione che deriva dalla risonanza.

La sostituzione nucleofila acilica
La sostituzione nucleofila acilica è la reazione caratteristica dei derivati degli acidi carbossilici. Questa reazione avviene sia con nucleofili carichi negativamente che con nucleofili neutri.

Nucleofili che partecipano a questa reazione sono:

Per disegnare il prodotto di ogni sostituzione nucleofila acilica: [1] Trovare il carbonio ibrido sp2 con il gruppo uscente. [2] Identificare il nucleofilo. [3] Sostituire il nucleofilo al posto del gruppo uscente. Con un nucleofilo neutro, un protone deve essere eliminato per ottenere un prodotto di sostituzione neutro.

In base a questo ordine di reattività, i composti più reattivi possono essere convertiti nei meno reattivi. La reazione inversa è di solito molto più difficoltosa.

Reazioni dei cloruri degli acidi I cloruri degli acidi reagiscono prontamente con i nucleofili per formare prodotti di sostituzione nucleofila. Come sottoprodotto si forma generalmente HCl. Una base debole come la piridina viene aggiunta alla miscela di reazione per rimuovere l’acido forte (HCl), formando un sale di ammonio.

Reazioni dei cloruri degli acidi I cloruri acilici reagiscono con nucleofili ossigenati per dare anidridi, acidi carbossilici ed esteri.

Reazioni dei cloruri degli acidi I cloruri acilici reagiscono anche con ammoniaca ed ammine 1° e 2° per formare rispettivamente ammidi 1°, 2° e 3°. Si usano due equivalenti di NH3 o di ammine. Un equivalente agisce come nucleofilo per sostituire il Cl, mentre l’altro reagisce come base con l’HCl che si forma dando un sale d’ammonio.

Reazioni dei cloruri degli acidi Per esempio, la reazione di un cloruro acilico con dietilammina forma l’ammide 30 N,N-dietil-m-toluammide, comunemente nota come DEET. DEET è il principio attivo nei repellenti dgli insetti che sono attivi contro mosche e zanzare.

Reazioni dei cloruri degli acidi

Reazioni delle anidridi L’attacco nucleofilo avviene ad uno dei gruppi carbonilici, mentre l’altro diventa parte del gruppo uscente.

Reazioni delle anidridi Oltre ai soliti passaggi dell’addizione nucleofila e dell’eliminazione del gruppo uscente, il meccanismo prevede anche il trasferimento di un protone.

Reazioni delle anidridi Le reazioni che portano al trasferimento di un gruppo acetile sono note come acetilazioni.

Reazioni degli acidi cabossilici Trattamento di un acido carbossilico con cloruro di tionile (SOCl2) fornisce un cloruro acilico.

Reazioni degli acidi cabossilici Benchè gli acidi carbossilici non possano essere facilmente trasformati in anidridi, gli acidi dicarbossilici possono essere convertiti in anidridi cicliche per riscaldamento ad alte temperature. Questa è una reazione di disidratazione dal momento che l’acido perde una molecola di acqua.

Reazioni degli acidi cabossilici Trattamento di un acido carbossilico con un alcol in presenza di un catalizzatore acido per formare un estere. Questa reazione è detta esterificazione di Fischer. La reazione è un equilibrio, e può essere sostata a destra usando un eccesso di alcol o per rimozione dell’acqua che si forma.

Reazioni degli acidi cabossilici

Reazioni degli acidi cabossilici L’esterificazione di un acido carbossilico avviene in presenza di un acido ma non in presenza di base. La base rimuove un protone dall’acido carbossilico, formando l’anione carbossilato, che non reagisce con un nucleofilo elettron-ricco.

Reazioni degli acidi cabossilici Gli acidi carbossilici non possono essere convertiti in ammidi per reazione con NH3 o con un’ammina perchè le ammine sono basi, e danno una reazione acido-base per formare un sale di ammonio prima che avvenga la sostituzione nucleofila. Comunque, riscaldamento del sale di ammonio ad alte temperature (>100°C) disidrata il sale per formare un’ammide, anche se con basse rese.

Reazioni degli acidi cabossilici La conversione di RCOOH a RCONH2 richiede due passaggi: 1] Reazione acido-base di RCOOH con NH3 per formare un sale di ammonio. [2] Disidratazione ad alte temperature (>100°C).

Reazioni degli esteri Gli esteri sono idrolizzati con acqua in presenza sia di acidi che di basi per formare acidi carbossilici o anioni carbossilato rispettivamente. Gli esteri reagiscono con NH3 ed ammine per formare ammidi 1°, 2°, or 3°.

Reazioni degli esteri

Reazioni degli esteri L’idrolisi alcalina di un estere è detta saponificazione. L’idrolisi è promossa dalla base, non catalizzata dalla base, perchè la base (OH–) è il nucleofilo che si addiziona all’estere e forma parte del prodotto. Partecipa alla reazione e non viene rigenerato successivamente.

Reazioni degli esteri L’anione carbossilato è stabilizzato per risonanza, e questo sposta l’equilibrio in suo favore. Una volta che la reazione è completa e si è formato l’anione, può essere protonato con un acido forte per formare un acido carbossilico neutro.

Idrolisi dei lipidi Ricodare che:

Idrolisi dei lipidi Il primo passaggio nel metabolismo dei triacilgliceroli è l’idrolisi per formare glicerolo e tre acidi grassi. Questa reazione è semplicemente l’idrolisi di un estere. Nelle cellule, questa reazione è catalizzata dalla lipasi. Nota: i tre legami del triacilglicerolo disegnati in rosso vengono scissi per idrolisi.

Idrolisi dei lipidi Il sapone viene preparato per idrolisi basica o saponificazione di un triacilglicerolo. Il riscaldamento di un grasso animale o di un olio vegetale con basi acquose idrolizza i tre esteri per formare glicerolo ed il sale di sodio di tre acidi grassi. Questi sali sono i saponi.

Reazioni delle ammidi Le ammidi sono le meno reattive tra i derivati degli acidi carbossilici. Le ammidi sono idrolizzate in acidi o basi per formare acidi carbossilici o anioni carbossilato. In condizioni acide, l’ammina che si forma viene protonata ad ione ammonio, mentre in condizioni basiche, si forma un’ammina neutra.

Reazioni delle ammidi Il meccanismo di idrolisi di un’ammide in condizioni acide è esattamente lo stesso del meccanismo di idrolisi acida degli esteri. Il meccanismo di idrolisi di un’ammide in condizioni basiche presenta i soliti due stadi del meccanismo generale per la sostituzione nucleofila acilica, più un ulteriore trasferimento protonico.

Sommario delle reazioni di sostituzione nucleofila acilica

Nitrili I nitrili hanno la struttura generale RCN. Due nitrili biologicamente attivi sono il letrozolo e l’anastrozolo. I nitrili sono preparati per reazioni SN2 tra alogenuri metilici ed alogenuri alchilici 1° non impediti con ¯CN.

Reazioni dei nitrili—Idrolisi
I nitrili sono idrolizzati con acqua in presenza di acidi o basi per ottenere degli acidi carbossilici o anioni carbossilato. In questa reazione, i tre legami C—N sono sostituiti da tre legami C—O.

Riduzioni Generalità sulle Ossidazioni e Riduzioni
I composti carbonilici sono reagenti o prodotti in reazioni di ossidazione-riduzione.

Ossidazioni e Riduzioni
Le tre reazioni più utili di ossidazione e riduzione dei carbonili sono:

Riduzioni Riduzione degli Acidi Carbossilici e dei loro Derivati
LiAlH4 è un riducente forte, che reagisce con tutti i composti carbonilici. L’idruro di diisobutilalluminio [(CH3)2CHCH2]2AlH, abbreviato come DIBAL-H, ha due gruppi isobutile ingombranti, che rendono questo reagente meno reattivo di LiAlH4. L’idruro di litio tri-tert-butossialluminio, LiAlH[OC(CH3)3]3, ha tre atomi di ossigeno elettronegativi legati all’alluminio, che lo rendono meno nucleofilo di LiAlH4.

Ossidazioni e Riduzioni
I cloruri acilici e gli esteri possono essere ridotti ad aldeidi o ad alcoli 1° a seconda del reagente utilizzato.

Riduzioni Riduzione di Acidi Carbossilici e dei loro Derivati
Nella riduzione di un cloruro acilico, Cl¯ agisce come gruppo uscente. Nella riduzione di un estere, CH3O¯ si comporta come gruppo uscente, ed è poi protonato dall’H2O per formare CH3OH.

Il meccanismo spiega perché sono possibili due prodotti diversi.

Gli acidi carbossilici sono ridotti ad alcoli 1° con LiAlH4. LiAlH4 è un riducente troppo forte per fermare la reazione allo stadio di aldeide, ma reagenti più deboli non sono in grado di attaccare gli acidi carbossilici.

A differenza della riduzione di tutti gli altri derivati degli acidi carbossilici con LiAlH4, che dà alcoli 1°, la riduzione delle ammidi con LiAlH4 dà ammine. Poiché ¯NH2 è un cattivo gruppo uscente, non viene mai perso durante la riduzione, e quindi il prodotto finale è un’ammina.

Riduzioni Riduzione di Acidi Carbossilici e dei loro Derivati

Reazioni dei nitrili—Riduzione
Il trattamento di un nitrile con LiAlH4 seguito dal trattamento con H2O addiziona due equivalenti di H2 al triplo legame, formando un’ammina 10.

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