Chimica Organica Informazione Scientifica sul Farmaco Capitolo 7 Composti organici alogenati Organic Chemistry, 5th Edition L. G. Wade, Jr. Introduzione I composti organici alogenati sono importanti per vari motivi: - versatili reagenti - solventi - insetticidi - farmaci - altro antipsicotico 2 Classi di alogenuri • Alchilici: l’alogeno, X, è direttamente legato ad un carbonio sp3. • Vinilici: X è legato ad un carbonio sp2 di un alchene. • Arilici: X è legato ad un carbonio sp2 di un anello arimatico. Esempi: H H H H C C Br H H alchilico I H C C H Cl vinilico arilico 3 Classi di alogenuri alchilici • • • • Alogenuri metilici: CH3X Primari: CH3CH2X. Secondari: (CH3)2CHX.. Terziari: (CH3)3CX. Br Br CH3CH CH3 Br 4 Dialogenuri • Geminali: due alogeni legati allo stesso carbonio • Vicinali: due alogeni legati a due carboni adiacenti. H H H C C H Br H H Br Dialogenuro geminale H C C Br Br H Dialogenuro vicinale 5 Nomenclatura IUPAC • Sono identificati come alogenoalcani, il nome è quello dell’alcano, l’alogeno è un sostituente. CH3 CH CH2CH3 Cl 2-clorobutano CH2CH2Br CH3(CH2)2CH(CH2)2CH3 4-(2-bromoetil)eptano 6 Nomi comuni e sistematici • CH2Cl2 metilene cloruro. • CHCl3 cloroformio. • CCl4 tetracloruro di carbonio. Nomi sistematici • Sono chiamati alogenuri alchilici. • Sono ancora usati per i gruppi alchilici piccoli. CH3 CH CH2CH3 Cl cloruro di sec-butile (2-clorobutano) (CH3)3CBr bromuro di terz-Butile 2-bromo-2-metilpropano 7 Usi degli alogenuri alchilici • Solventi – sgrassatura e pulizia a secco • Anestetici: Alotano è CF3CHClBr CHCl3 usato originariamente (tossico e cancerogeno) • Freon, clorofluorocarburi o CFC Freon 12, CF2Cl2, ora rimpiazzato con Freon 22, CF2CHCl, meno dannoso per lo strato dell’ozono. • Pesticidi - DDT (ora proibito). 8 Polarità degli alogenuri • m = 4.8 x d x d, d = carica (proporzionale a DEN); d = distanza (lunghezza di legame) in Angstroms. • Elettronegatività: F > Cl > Br > I • Lunghezza di legame: C-F < C-Cl < C-Br < C-I • Momento dipolare: C-Cl > C-F > C-Br > C-I 1.56 D 1.51 D 1.48 D 1.29 D 9 Proprietà fisiche Punti di ebollizione • Maggiori sono le forze intermolecolare, maggiore è il b.p. Attrazione dipolo-dipolo non molto diversa tra i vari alogenuri Interazioni di Van der Waals maggiori tra gli atomi più grandi • Masse maggiori = b.p maggiori. • La forma sferica diminuisce il b.p. (CH3)3CBr CH3(CH2)3Br 73C 102C Densità • • Fluoruri e cloruri meno densi dell’acqua. Dicloruri, bromuri e ioduri più densi dell’acqua. 10 Polarità e Reattività • Gli alogeni sono più elettronegativi del carbonio. • Il legame C-X è polare, il carbonio ha una parziale carica positiva. • Il carbonio è elettrofilo e può essere attaccato dai nucleofili. • L’alogeno può uscire portandosi dietro il doppietto di elettroni. H d+ dH C Br H Nu:- H C Br H H H Nu C + H H Br - 11 Reazioni degli alogenuri alchilici • • • • C C H X + Nu gruppo uscente C C H Nu X + L’alogeno (gruppo uscente) è rimpiazzato da un altro gruppo (nucleofilo). Poiché l’alogeno è più elettronegativo del carbonio, il legame C-X si rompe eteroliticamente e X- esce. Il gruppo che prende il posto di X- è un nucleofilo. La reazione prende quindi il nome di Sostituzione Nucleofila 12 Quale meccanismo? • Nella reazione si rompe il legame C-Br e si forma il legame C-Nu • Possiamo immaginare 2 modalità • 1- si rompe il legame C-Br e contemporaneamente si forma il legame C-Nu • 2- prima si rompe il legame C-Br e dopo si forma il legame C-Nu • Non è possibile che prima si formi il legame C-Nu, ci sarebbe un carbonio con 5 legami Nu:- H C Br H H H C Br H H Br - H + C HH H Nu C + H H Nu:- Br - H Nu C H H H Nu C Br HH 13 Meccanismo SN2 Nu:- • • • H C Br H H H Nu C + H H Br - Sostituzione nucleofila Bimolecolare. Reazione Concertata: si formano nuovi legami e si rompono i vecchi legami contemporaneamente. Inversione di Walden. 14 Diagramma di energia SN2 15 Substrato: impedimento sterico Alogenuro Tipo di C velocità relativa HCH2X CH3CH2X CH3CH2CH2X CH3CH2CH2CH2X (CH3)2CHX (CH3)3CX metilico primario primario primario secondario terziario 30 1 0.4 0.4 0.025 ~0.00 16 Forza dei nucleofili • Nell’ambito di una coppia acido/base coniugata, la base è più nucleofila: OH- > H2O, NH2- > NH3 • Diminuisce da sinistra a destra nella tavola periodica. Atomi più elettronegativi sono meno propensi a formare nuovi legami: OH- > F-, NH3 > H2O • Aumenta dall’alto in basso nella tavola periodica (maggiori dimensioni e polarizzabilità): I- > Br- > Cl- 17 18 Nucleofili ingombrati • Soffrono di impedimento sterico per l’attacco al carbonio elettrofilo, quindi sono nucleofili deboli. CH3 CH2 O ethoxide (unhindered) weaker base, but stronger nucleophil CH3 H3C C O CH3 t-butoxide (hindered) stronger base, but weaker nucleophile 19 Effetto del solvente (1) • Solventi polari protici (O-H o N-H) riducono la forza del nucleofilo. Prima di attaccare il carbonio elettrofilo bisogna rompere i legami idrogeno. 20 Effetto del solvente (2) • • Solventi polari aprotici (no O-H o N-H) non formano legami idrogeno con il nucleofilo, quindi favoriscono la reazione SN2 Esempi: CH3 C N acetonitrile O H C N CH3 O CH3 C dimethylformamide (DMF) H3C CH3 acetone 21 Gruppi uscenti • • Elettron-attrattori Stabili una volta usciti (basi deboli) 22 Reazioni SN1 • • • sostituzione nucleofila Unimolecolare. Reazione in due stadi con formazione di un carbocatione come intermedio. La velocità dipende solo dalla concentrazione del substrato. Meccanismo H C Br H H Br - H + C HH Nu:- H Nu C H H 23 Diagramma di energia SN1 • • La formazione del carbocatione è endotermica Il carbocatione è un intermedio (minimo relativo di energia). 24 Velocità delle SN1 • • • 3° > 2° > 1° >> CH3X L’ordine segue la stabilità dei carbocationi Carbocationi più stabili si formano più facilmente Gruppi uscenti migliori, reazioni più veloci (come per le SN2) I solventi migliori sono quelli polari protici: solvatano gli anioni grazie al legame idrogeno 25 26 Riassumendo: 27 SN2 • Primari o metilici • Nucleofili forti • Solventi polari aprotici (DMSO, DMF) • v = k[Sub][Nuc] • Inversione al carbonio chirale SN1 • Terziari • Nucleofli deboli (a volte il solvente) • Solventi polari protici • v = k[Sub] • Racemizzazione 28 Reazioni di Eliminazione B • • • + C C H X C C + BH + X L’alogenuro alchilico perde uno ione alogenuro e cede alla base uno ione H+ su un atomo di carbonio adiacente. Si forma un legame p; il prodotto è un alchene. Questa reazione è chiamata deidroalogenazione (-HX). 29 Sostituzione ed eliminazione competono 30 Reazione E2 • Eliminazione Bimolecolare • Richiede una base forte • L’uscita dell’alogenuro e del protone sono contemporanee, non si formano intermedi. 31 Regola di Saytzeff • Se si può formare più di un prodotto, si forma preferenzialmente l’alchene più sostituito (più stabile). • R2C=CR2 > R2C=CHR > RHC=CHR > H2C=CHR tetra > tri > di > mono H Br CH3 H C C C CH3 H H H - OH H CH3 H CH3 C C C CH3 + H C C C H CH3 H H H H 32 Sustituzione o Eliminazione? • • • • • • La forza del nucleofilo determina l’ordine: i nucleofili forti favoriscono le SN2 o le E2. Alogenuri primari solitamente SN2. Alogenuri terziari miscele di SN1, E1 o E2 Alte temperature favoriscono le eliminazioni. Basi ingombrate favoriscono le eliminazioni. Buoni nucleofili ma basi deboli favoriscono le sostituzioni. 33 E gli alogenuri secondari? Spesso danno miscele di prodotti. 34 Fine del capitolo 7 35