Chapter 25 Lecture Outline

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1 Chapter 25 Lecture Outline
Organic Chemistry, Second Edition Janice Gorzynski Smith University of Hawai’i Chapter 25 Lecture Outline Prepared by Rabi Ann Musah State University of New York at Albany Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

2 Ammine Introduzione Le ammine sono composti organici contenenti azoto, formate sostituendo uno o più atomi di idrogeno dell’ammoniaca (NH3) con gruppi alchilici o arilici. Le ammine sono classificate come 1°, 2°, or 3° in funzione del numero di gruppi alchilici legati all’atomo di azoto. Le ammine sono basi più forti e nucleofili migliori di altri composti organici neutri.

3 Ammine Introduzione Come nell’ammoniaca, l’azoto dell’ammina ha un doppietto elettronico di non legame, che la rende sia una base che un nucleofilo. Come risultato, le ammine reagiscono con elettrofili per formare sali di ammonio quaternari—composti nei quali l’azoto forma quattro legami.

4 Ammine Struttura e legami
L’atomo di azoto di un’ammina è ibridato sp3 con struttura piramidale trigonale, con angoli di legame approssimativamente di 109.5°. Dal momento che l’azoto di un’ammina ha attorno quattro gruppi differenti, è tecnicamente un centro stereogenico.

5 Ammine Struttura e legami
Comunque, la chiralità dell’azoto amminico può essere ignorata perchè i due enantiomeri interconvertono passando attraverso uno stato di transizione trigonale planare (achirale).

6 Ammine Struttura e legami
D’altra parte, la chiralità di un sale di ammonio quaternario con quattro gruppi differenti non può essere ignorata. Poichè non ci sono doppietti elettronici di non legame sull’atomo di azoto, l’interconversione non può avere luogo, e l’atomo N si comporta come un atomo di carbonio legato a quattro gruppi diversi.

7 Ammine Nomenclatura Le ammine 1° sono chiamate usando sia i nomi sistematici sia i nomi comuni. Per assegnare il nome sistematico, cercare la catena carboniosa più lunga legata all’azoto amminico, e sostituire il suffisso –o dell’alcano corrispondente con il suffiso –ammina. Quindi usare le normali regole della nomenclatura per numerare la catena ed introdurre i sostituenti. Per assegnare il nome comune, usare il nome del gruppo alchilico legato all’atomo di azoto e aggiungere la parola ammina, formando un’unica parola.

8 Ammine Nomenclatura Le ammine secondarie e terziarie che hanno gruppi alchilici identici vengono definite con il prefisso di- o tri- seguito dal nome dell’ammina primaria. Le ammine secondarie e 3° che hanno gruppi alchilici di più tipi vengono definite ammine primarie N-sostituite usando la seguente procedura:

9 Ammine Nomenclatura Alle ammine aromatiche si attribuisce il nome come derivati dell’anilina. Esistono molti eterociclici contenenti azoto, ognuno con un nome diverso. L’atomo di azoto occupa sempre la posizione “1”.

10 Ammine Preparazione delle ammine—Sostituzione nucleofila diretta

11 Ammine Preparazione delle ammine—Sostituzione nucleofila diretta
Anche se questo processo sembra molto semplice, la sua utiltà è limitata dalla polialchilazione dell’azoto. Tutte le ammine formate per sostituzione nucleofila hanno ancora un doppietto elettronico non di legame, che le rende buoni nucleofili. Esse sono in grado di reagire con il rimanente alogenuro alchilico per formare un’ammina più sostituita, con formazione di una miscela di ammine 1°, 2°, e 3°. Conseguentemente, questa reazione è molto utile per preparare ammine 1° usando un grande eccesso di NH3, e per preparare sali di amonio quaternari per alchilazione di un nucleofilo all’azoto con uno o più equivalenti di alogenuro alchilico.

12 Ammine Preparazione di ammine-La sintesi di Gabriel di ammine 1°
La sintesi di Gabriel consiste di due stadi e usa un nucleofilo derivato dalla ftalimmide per sintetizzare ammine 1° mediante sostituzione nucleofila. Il legame N—H di un’immide è particolarmente acido perchè l’anione che si ottiene è stabilizzato per risonanza dai due gruppi cabonilici vicinali. Una reazione acido-base forma un anione nucleofilo che può reagire con un alogenuro alchilico non ingombrato in una reazione SN2, per formare un prodotto di sostituzione.

13 Ammine Preparazione di ammine-La sintesi di Gabriel di ammine 1°
L’immide alchilata viene poi idrolizzata con una soluzione aquosa basica per formare un’amina 1° e un dicarbossilato.

14 Ammine Preparazione di ammine—Riduzione di altri gruppi funzionali contenenti azoto. Ricordare che le ammine possono essere preparate per riduzione di nitro composti, nitrili ed ammidi.

15 Ammine Preparazione di ammine—Riduzione di altri gruppi funzionali contenenti azoto. Poiché il ciano-gruppo può essere inserito facilmente per reazione SN2 a partire da alogenuri alchilici e ¯CN, questo fornisce un metodo in due stadi per convertire un alogenuro alchilico in un’ammina 1° contenente un atomo di carbonio in più.

16 Ammine Preparazione di ammine—Riduzione di altri gruppi funzionali contenenti azoto.

17 Ammine Preparation of Amines—Reductive Amination
L’ amminazione riduttiva è un metodo in due stadi che permette di convertire le aldeidi ed i chetoni in ammine 1°, 2°, e 3°. Considerare l’ amminazione riduttiva di un’aldeide o di un chetone usando NH3. Ci sono due fasi distinte in questa reazione. [1] L’attacco nucleofilo di NH3 sul gruppo carbonile dà luogo alla formazione di un’immina. [2] La riduzione dell’immina forma un’ ammina.

18 Ammine Preparazione delle ammine— Amminazione riduttiva
L’agente riducente più efficace per questa reazione è il sodio cianoboroidruro (NaBH3CN).

19 Ammine Preparazione delle ammine— Amminazione riduttiva
Partendo da un’ammina 1° o 2°, l’amminazione riduttiva può essere usata per formare rispettivamente ammine 2° e 3°. Figure 25.7 Synthesis of methamphetamine by reductive amination

20 Ammine Reazioni delle ammine—Considerazioni generali
La chimica delle ammine è caratterizzata dalla presenza di un doppietto elettronico non di legame sull’azoto. Solo tre elementi del secondo periodo della tavola periodica hanno coppie di elettroni non di legame nei composti organici neutri: azoto, ossigeno e fluoro. Poichè la basicità e la nucleofilicità diminuiscono lungo il periodo, l’azoto è il più basico e il più nucleofilo.

21 Ammine Reazioni delle ammine—Considerazioni generali

22 Ammine Ammine che reagiscono come basi
Ricordare che le ammine reagiscono come basi con molti composti organici ed acidi inorganici.

23 Ammine Ammine che reagiscono come basi
L’acidità relativa di composti diversi può essere confrontata usando i loro valori di pKa. La basicità relativa di composti diversi (come le ammine) può essere confrontata usando i valori di pKa dei loro acidi coniugati. Per confrontare la basicità di due composti, ricordare che (1) qualsiasi fattore in grado di aumentare la densità elettronica sull’atomo di azoto, causa l’aumento della basicità dell’ammina; (2) qualsiasi fattore che diminuisce la densità elettronica sull’ N diminuisce la basicità dell’ammina.

24 Ammine Ammine che reagiscono come basi
Poichè i gruppi alchilici sono elettron-donatori, causano l’aumento della densità elettronica sull’azoto, che rende un’ammina come CH3CH2NH2 più basica di NH3. Infatti, il pKa di CH3CH2NH3+ è più alto del pKa di NH4+, quindi CH3CH2NH2 è una base più forte di NH3.

25 Ammine Ammine che reagiscono come basi
Per confrontare un’alchilammina ed un’arilammina, dobbiamo considerare la disponibilità del doppietto di elettroni non di legame sull’N. In CH3CH2NH2 per esempio, il doppietto di elettroni è localizzato sull’ N. Invece in un’arilammina, il doppietto di elettroni è delocalizzato sull’anello aromatico. Questo causa la diminuzione della densità elettronica sull’ N, e fa sì che C6H5NH2 sia meno basica di CH3CH2NH2.

26 Ammine Ammine che reagiscono come basi
I valori di pKa confermano questo ragionamento. Poichè il pKa di CH3CH2NH3+ è maggiore del pKa di C6H5NH3+, CH3CH2NH2 è una base più forte di C6H5NH2.

27 Ammine Ammine che reagiscono come basi
Le arilammine sostituite sono più o meno basiche rispetto all’anilina, in funzione della natura del sostituente.

28 Ammine Ammine che reagiscono come basi
Ricordare che un sostituente dona o attrae densità elettronica dipendentemente dall’effetto induttivo e di risonanza.

29 Ammine Ammine che reagiscono come basi
Per confrontare la basicità di un’alchilammina e di un’ammide dobbiamo nuovamente confrontare la disponibilità di elettroni non di legame presente sull’azoto. Nel caso di RNH2, il doppietto di elettroni è localizzato sull’azoto. Nel caso dell’ammide, il doppietto di elettroni è delocalizzato per risonanza sull’ossigeno carbonilico. Questo effetto causa la diminuizione di densità elettronica sull’N, rendendo un’ammide molto meno basica di un’alchilammina.

30 Ammine Ammine che reagiscono come basi
Le ammidi non sono molto più basiche di un qualsiasi composto carbonilico. Quando un’ammide viene trattata con un acido, la protonazione avviene all’ossigeno carbonilico e non all’azoto, perché il catione risultante è stabilizzato per risonanza. Il prodotto della protonazione del gruppo NH2 non può essere stabilizzato per risonanza. Quindi la protonazione all’ossigeno è la via preferita.

31 Ammine Ammine che reagiscono come basi
Per determinare la basicità relativa di eterocicli azotati che sono anche aromatici, dobbiamo sapere se la coppia elettronica libera dell’azoto fa parte del sistema  aromatico. Consideriamo la piridina ed il pirrolo. Entrambi sono aromatici, ma il doppietto di elettroni non di legame dell’N in questi composti è posto in orbitali diversi. Ricordiamo che il doppietto elettronico non di legame della piridina occupa un orbitale ibrido sp2, mentre quello del pirrolo è localizzato in un orbitale p, che fa parte del sistema aromatico. Di conseguenza, il pirrolo è una base molto più debole della piridina.

32 Ammine Ammine che reagiscono come basi
Di conseguenza, il pKa dell’acido coniugato del pirrolo è molto più basso di quello dell’acido coniugato della piridina.

33 Ammine Ammine che reagiscono come basi
L’ibridazione dell’orbitale che contiene un doppietto elettronico non di legame di un’ammina ha effetto anche sulla basicità. Questo può essere illustrato confrontando la basicità della piperidina e della piridina, due eterocicli azotati.

34 Ammine Ammine che reagiscono come basi
La piridina è una base più debole della piperidina perchè il suo doppietto elettronico non di legame risiede su un orbitale sp2. Anche se la piridina è un’ammina aromatica, il suo doppietto elettronico non è parte del sistema  delocalizzato, e quindi la sua basicità è determinata dall’ibridazione del suo atomo di azoto. Di conseguenza, il valore di pKa dell’acido coniugato della piridina è molto più basso di quello dell’acido coniugato della piperidina, rendendo la piridina la base più debole.

35 Ammine Ammine che reagiscono come basi

36 Ammine Ammine che reagiscono come basi

37 Ammine Ammine che reagiscono come nucleofili
Ricordare la reazione delle ammine con composti carbonilici:

38 Ammine Ammine che reagiscono come nucleofili
Ricordare la reazione delle ammine con i derivati degli acidi carbossilici:

39 Ammine Reazioni delle ammine con acido nitroso
L’ acido nitroso, HNO2, è un acido debole e instabile formato da NaNO2 ed un acido forte come HCl. In presenza di un acido, l’acido nitroso si decompone con formazione di +NO, lo ione nitrosonio. Questo elettrofilo va poi a reagire con l’atomo di azoto nucleofilo delle ammine per formare i sali di diazonio (RN2+Cl¯) da ammine 1° e le N-nitrosammine (R2NN=O) dalle ammine 2°.

40 Ammine Reazioni delle ammine con acido nitroso
L’acido nitroso reagisce con le alchilammine e le arilammine 1° per formare i sali di diazonio. Questa reazione è detta diazotazione. Il meccanismo di questa reazione è composto di molti stadi. Inizia con un attacco nucleofilo dell’ammina sullo ione nitrosonio, e può essere concettualmente diviso in due parti: formazione di una N-nitrosammina, seguita dalla perdita di H2O.

41 Ammine Reazioni delle ammine con acido nitroso

42 Ammine Reazioni delle ammine con acido nitroso
I sali di alchil diazonio sono generalmente composti poco utili. Essi decompongono facilmente al di sotto della temperatura ambiente con formazione di carbocationi e pedita di N2, che è un ottimo gruppo uscente. Questi carbocationi formano di solito una miscela complessa di prodotti di sostituzione, eliminazione e riarrangiamento.

43 Ammine Reazioni delle ammine con acido nitroso
Le alchilammine e le arilammine 2° reagiscono con acido nitroso per formare le N-nitrosammine.

44 Ammine Reazioni di sostituzione di sali di aril diazonio
I sali di aril diazonio reagiscono con tutta una serie di reagenti per formare prodotti nei quali Z (un atomo o un groppo di atomi) sostituisce N2, che è un ottimo gruppo uscente. Il meccanimo di queste reazioni varia a seconda dell’identità di Z.

45 Ammine Reazioni di sostituzione di sali di aril diazonio
Un sale di diazonio reagisce con acqua per formare un fenolo. Un sale di diazonio reagisce con cloruro di rame(I) o con bromuro di rame(I) per formare rispettivamente un cloroarene o un bromoarene. Questa è detta la reazione di Sandmeyer. Essa costituisce un’alternativa alla clorurazione e alla bromurazione diretta di un anello aromatico usando Cl2 o Br2 ed un acido di Lewis come catalizzatore.

46 Ammine Reazioni di sostituzione di sali di aril diazonio
Un sale di diazonio reagisce con acido fluoroborico per formare un fluoroarene. Questa reazione è utile perchè i fluoroareni non possono essere ottenuti direttamente per reazione con F2 in presenza di un acido di Lewis. Un sale di diazonio reagisce con ioduro di sodio o di potassio per formare uno iodoarene. Anche questa è una reazione molto utile perchè gli iodoareni non possono essere ottenuti direttamente per reazione con I2 in presenza di un acido di Lewis.

47 Ammine Reazioni di sostituzione di sali di aril diazonio
Un sale di diazonio reagisce con cianuro di rame(I) per dare un benzonitrile. Poichè un ciano gruppo può essere convertito in diversi altri gruppi funzionali, questa reazione fornisce un modo per ottenere facilmente una grande varietà di derivati del benzene. Un sale di diazonio reagisce con acido ipofosforoso per formare benzene. Questa reazione è utile nella sintesi di composti aromatici che hanno i sostituenti in posizioni tali da non poter essere preparati in altri modi.

48 Ammine Reazioni di sostituzione di sali di aril diazonio
Relativamente alla reazione di un sale di aril diazonio con acido ipofosforoso per formare benzene, considerare la sintesi dell’ 1,3,5-tribromobenzene. Non è posibile sintetizzare l’1,3,5-tribromobenzene direttamente dal benzene per bromurazione diretta; Br è un orto, para orientante, e la bromurazione con Br2 e FeBr3 non permette di addizionare sostituenti Br in posizione meta l’uno rispetto all’altro sull’anello.

49 Ammine Reazioni di sostituzione di sali di aril diazonio
E’ possibile, comunque, addizionare tre atomi di Br in posizione meta usando l’anilina come prodotto di partenza. Poichè il gruppo NH2 è un potente orto, para orientante, i tre atomi di Br vengono inseriti con un’unica reazione di alogenazione. Poi, il gruppo NH2 può essere rimosso per diazotazione e reazione con H3PO2.

50 Ammine Reazioni di sostituzione di sali di aril diazonio Figure 25.12
The synthesis of 1,3,5- tribromobenzene from benzene

51 Ammine Reazioni di sostituzione di sali di aril diazonio
Quando un sale di diazonio viene trattato con un composto aromatico che contiene un gruppo fortemente elettron-donatore, i due anelli si legano per formare un azo composto, un composto che contiene un doppio legame azoto-azoto. Gli azo composti sono altamente coniugati, e per questo motivo sono colorati. Molti di questi composti sono coloranti sintetici. Il giallo-burro veniva una volta usato per colorare le margarine.

52 Ammine Reazioni di sostituzione di sali di aril diazonio
Questa reazione è un altro esempio di sostituzione elettrofila aromatica, con il sale di diazonio che agisce da elettrofilo.

53 Ammine Reazioni di accoppiamento dei Sali di arildiazonio
Poichè un sale di diazonio è un elettrofilo debole, la reazione avviene quando sull’anello benzenico è presente un gruppo fortemente elettron donatore , come NH2, NHR, NR2, o OH. Anche se questi gruppi attivano sia la posizione orto sia la para, la sostituzione avviene sempre in posizione para a meno che essa non sia già occupata da un altro sostituente. Per scegliere il prodotto di partenza necessario per sintetizzare un determinato azocomposto, dividere sempre la molecola in due componenti: uno ha un anello benzenico con uno ione diazonio, e l’altro contiene un anello benzenico con un gruppo fortemente elettron donatore.