1
Prof. Renzo Ruzziconi
CORSO DI
CHIMICA ORGANICA
SUPERIORE
2
PARTE PRIMA
LA REATTIVITA’ CHIMICA
3
CAPITOLO I
TEORIA DEGLI
ORBITALI DI FRONTIERA
4
Perché?
H+
H+
H
O
O
lenta
CH3-I
I-CH3
H3C
OH
molto veloce
lenta
molto veloce
O
O
OCH3
E+
più veloce di
E+
N
H
N
H
molto lenta
+
O
O
veloce
+
O
O
O
O
+
O
ancora più
veloce
O
OAlCl3
O
O
O
5
N
HOO
N
HO
C
C
105 !!! più veloce di
OCH3
OCH3
CHO
OCH3
CHO
CHO
CHO
N
O
C
N
C
+
Un'adeguata spiegazione può essere trovata nella
TEORIA DEGLI ORBITALI DI FRONTIERA
6
LEGAMI OMONUCLEARI
La Molecola dell'Idrogeno
nodo
+
H
H
OM antilegante
E *
E
+
OM Legante
H
H
* = c1
- c2
1
E *
2
E *> E
= c1
1
+ c2
2
c1
c2
+0.707
+ H
+0.707
H
c2 = 1.00
E
+
H-
-0.707
c2 = 1.00
H
+0.707
c2 = 1.00
c2 = 1.00
7
La Molecola del Metano
H
H
4 nodi
H
H
H H
HH
H H
2 nodi
H
H
H
HH
1 nodo
H
H
H
H H
H H
H
H
H
H
H
H
H
z
H
H
0 nodi
H
H
H
Y
H
H
x
8
9
10
HΨ
Ψ = EΨ
Ψ
∫ΨHΨ
E0 =
∫Ψ2dv
Applicando il principio variazionale e ponendo Ψ = c1ψ1+ c2ψ2 si ha:
E=
E=
∫(c1ψ1+c2ψ2)H(c1ψ1+c2ψ2)dv
∫(c1ψ1+c2ψ2)2dv
c12∫ψ1Hψ1dv + c1c2∫ψ1Hψ2dv + c1c2∫ψ2Hψ1dv + c22∫ψ2Hψ2dv
c12∫ψ12dv + 2c1c2∫ψ1ψ2dv + c22∫ψ22dv
E=
c12∫ψ1Hψ1dv + 2c1c2∫ψ1Hψ2dv + c22∫ψ2Hψ2dv
c12∫ψ12dv + 2c1c2∫ψ1ψ2dv + c22∫ψ22dv
∫ψiHψidv = Hii
Integrale coulombiano: energia associata
∫ψiHψjdv = Hij
Integrale di risonanza: energia dell'elettrone che si
∫ψiψidv = Sii
Integrale di normalizzazione: probabilità di
all'elettrone localizzato sull'atomo i considerato in
presenza dell'atomo j (livelli energetici degli
orbitali isolati, a destra e sinistra del diagramma.
muove sottol'influenza degli atomi i e j.
trovare l'elettrone sull'atomo i.
∫ψiψjdv = Sij
Integrale di sovrapposizione: misura della
sovrapposizione dei due orbitali atomici ψiψj
all'abbassamento dell'energia. E' funzione della
distanza fra i nuclei.
11
12
13
LEGAMI ETERONUCLEARI
σ*C-O
O
CC > C O
Ec
Ei
O
E0
σC-O
O
2
Σc =1
CO > C C
Nell'orbitale legante l'atomo più elettronegativo ha il
coefficiente dell'orbitale atomico più grande
Ei/Ec = % di carattere ionico del legame
E0/Ec = % di carattere covalente del legame
2 E0 = Energia necessaria per rompere eteroliticamente
il legame.
C O
C
+ O
2 E0 < 2 E σc-c
Ec + E0 = energia necessaria per rompere omoliticamente
il legame
C-O 85 Kcal/mole
C-C 83 Kcal/mole
C O
C + O
!!
14
IL DOPPIO LEGAME C=O
O
nodo
Ecc
Ei
Eco
O
E0
2
Σc =1
O
Ei/Eco = % di carattere ionico del legame π
C O
E0/Ec = % di carattere covalente del legame π
C O
2E0 = Energia minima necessaria per rompere
il legame π C=O eteroliticamente (C=O
C-O)
E0 + E c = Energia minima necessaria per rompere
il legame π C=O omoliticamente (C=O
Si noti E 0 + E c > 2 E 0
Esempi:
N C
C-O)
O
OH
CN
N C
CH2
n. r.
CCl3
Cl3C
CH2
Cl3C
O
n. r.
15
SISTEMI CONIUGATI
IL SISTEMA ALLILICO
E
Ψ 3*
LUMO nell'anione
π∗
HOMO nell'anione
p
Ψ2
LUMO del catione
π
E
Ψ1
HOMO nel catione
2
3
1
-.707
Σc
+.500
+.500
Ψ3*
0.500φ1
-
0.707φ2
+ 0.500φ3
1
0.707φ1
+
0.000φ2
- 0.707φ3
1
0.500φ1
+
0.707φ2
+ 0.500φ3
1
LUMO dell'anione
+.707
-.707
Ψ2
LUMO del catione
HOMO dell'anione
+.707
+.500
+.500
Ψ1
HOMO del catione
c1
c2
c3
c1
c2
c3
Σc
2
1
1
1
2
16
IL SISTEMA ALLILICO
Ψ = c1φ1 + c2φ2 + c3φ3
Equazioni secolari
del sistema allilico
Determinante secolare
del sistema allilico
c1(α
α-E) + c2β = 0
c1β + c2(α
α-E) + c3β = 0
c2β + c3(α
α-E) = 0
(α
α-E)
β
β
(α
α-E)
0
β
0
β
(α
α-E)
=0
Confronto Allile-Etilene
Allile
Etilene + orb. p isolato
-.707
+.500
+.500
E3= α - 1.41β
β
+.707
+.707
-.707
E2 = α - β
-.707
E2 = α
+.707
E=α
+.707
+.707
+.500
+.500
E2 = α + β
E1 = α + 1.41β
β
2e
3e
2α
α +2.82β
β
-(2α
α + 2β
β)
3α
α +2.82β
β
-(2α
α + 2β
β + α)
0.82 β
0.82 β
4e
4α
α +2.82β
β
-(2α
α + 2β
β + 2α
α)
0.82 β
17
SISTEMI CONIUGATI
- 1,3-BUTADIENE 2
E
1
4
3
Ψ4∗
π∗
π∗
Ψ3 ∗
HOMO
Etilene
LUMO-Diene
Ψ2
HOMO-Diene
E2
π
π
E1
LUMO
Etilene
Ψ1
Il butadiene è più stabile dell'etilene, ma è anche
più reattivo
E
Σc
+0.371 -0.600 +0.600
Ψ4
-0.371
1
+0.600
1
-0.600
1
+0.371
1
3 nodi
Ψ3
+0.600 -0.371 -0.371
2 nodi
Ψ2
+0.600 +0.371 -0.371
1 nodo
+0.371 +0.600 +0.600
Ψ1
0 nodi
Σc
2
1
1
1
1
2
18
L' 1,3-BUTADIENE
Ψ = c1φ1 + c2φ2 + c3φ3 + c4φ4
Equazioni secolari
dell'1,3-butadiene
Determinante secolare
dell'1,3-butadiene
c1(α
α-E) + c2β
α-E) + c3β
c1β + c2(α
c2β + c3(α
α-E) + c4β
c3β + c4(α
α-E)
(α
α-E) β
0
0
β
(α
α-E) β
0
0
α-E) β
β (α
0
0
β (α
α-E)
=0
Confronto 1,3-butadiene - etilene
-.600 +.600
-.371
+.371
E4 = α - 1.61β
β
+.707
-.707
E2 = α - β
+.600
+.600
-.371 -.371
E3 = α - 0.628β
β
-.600
+.600
+.371 -.371
+.707
E2 = α + 0.628β
β
+.707
-0.73β
β
+.600 +.600
+.371
+.371
+1.24β
β
E1 = α + 1.61β
β
Etot = 4α
α + 4.5β
β
∆EB-E = 4α
α + 4.5β
β - 4α
α - 4β
β = +0.5β
β
E1 - Eet = 2(α
α + 1.62β
β) -2α
α-2β
β = +1.24β
β
E2 - Eet = 2(α
α + 0.628β
β) - 2α
α - 2β
β = -0.73β
β
E1 = α + β
Etot = 2α
α + 2β
β
19
20
21
Da ricordare !!
La coniugazione di legami π con orbitali p o altri legami π
rende una molecola termodinamicamente più stabile rispetto
ad una analoga molecola non coniugata. Ciò non significa,
tuttavia che la prima sia meno reattiva. In realtà, molto
spesso questi sistemi sono più reattivi, cioè "cineticamente
meno stabili". La distinzione fra stabilità termodinamica e
stabilità cinetica deve essere sempre tenuta presente.
Fra i molti fattori che determinano la reattività di un diene
vi è il valore dell'energia dell'HOMO e L'HOMO del butadiene
(Ψ
Ψ2) possiede un'energia maggiore rispetto all'HOMO dell'
etilene (π
π).
Nel butadiene la stabilità termodinamica è associata
alle energie di Ψ1 e Ψ2, mentre la stabilità cinetica è
largamente (ma non solo) determinata dall'energia di Ψ2
E
Eatt etilene
Eatt diene
Ψ2 diene (HOMO)
∆Eatt e-b
πetilene
(HOMO)
∆Ge-b
energia del butadiene
Ψ1 diene
cdr
22
INTERAZIONI HOMO-HOMO
e HOMO-LUMO
A
+ B
Prodotti
A
B
LUMO A
LUMO B
E2
HOMO A
HOMO B
E1
E2 > E 1
E2-E1 è il maggior responsabile dell'Energia di Attivazione
A
B
LUMO A
LUMO B
HOMO A
E1
EH-L
E2
HOMO B
E3
E4
EH-L >> E 3 > E 4 > E 2 > E 1
23
L'EQUAZIONE DI KLOPMAN E SALEM
(Stima della reattività chimica)
L'energia messa in gioco nella formazione di legami
da parte di due specie A e B interagenti può essere
quantificata utilizzando l'equazione di Klopman e
Salem.
∆E = - ∑ (qa + qb)β
βabSab +
occ. v
occ. v
+∑
r
atomo k
∑-∑∑
s
Qk
orbitale a sull'atomo k
dell'orbitale molecolare r
s
Ql
a
k
∑
εRkl
+
2(∑
∑cra csbβab)2
Er - Es
r
atomo l
b
Rkl
QkQl
l
orbitale b sull'atomo l
dellorbitale molecolare s
qa e qb = Popolazione elettronica (densità elettroniche) negli
orbitali atomici a e b.
β e S
= Integrali di risonanza e di sovrapposizione.
Qk e Ql = Cariche totali sugli atomi k e l
ε
=
Costante dielettrica totale
Rk,l
=
Distanza fra gli atomi k e l
cra
=
coefficienti dell'orbitale atomico a nell'orbitale
molecolare r di una molecola e coefficiente dell'orbitale
atomico b nell'orbitale moilecolare s dell'altra molecola.
Er,s
=
Energia dell'orbitale molecolare r di una molecola e
dell'orbitale molecolare s dell'altra molecola.
24
ANALISI DELL'EQUAZIONE DI
KLOPMAN E SALEM
I° Termine
- Σ (qa+qb)β
βabSab
ab
E' un termine di repulsione e deriva dall'interazione degli orbitali
" pieni " della molecola A con gli orbitali "pieni " della molecola B.
L'effetto totale è un effetto di antilegame. Il contributo di questo
termine è, in genere, molto più grande rispetto a quello degli altri
due termini. Esso è il maggior responsabile dell' entalpia di attivazione.
Maggiore è il numero di legami coinvolti nella reazione più grande
è il contributo di questo termine.
Se una reazione ha la possibilità di procedere attraverso due
diversi cammini, ad esempio, una molecola che può subire l'attacco
in due siti diversi, il I° termine dell'equazione di Klopman e Salem è
generalmente molto simile per ognuno dei due diversi cammini
.
Tale termine può dunque essere trascurato nella reattività
differenziale.
25
Il 2° termine dell'equazione di Klopman e Salem
+
Σ
k<l
QkQl
εRkl
E' un termine che fornisce un contributo positivo alla formazione
del legame. Esso rappresenta l' attrazione (o repulsione) di tipo
coulombiano fra gli atomi di A e B interagenti.
Questo termine diventa particolarmente importante nelle reazioni
che coinvolgono specie molto polari o, ancor più, specie ioniche.
Il 3° termine dell'equazione di Klopman e Salem
occ.
+Σ
r
v
occ. v
Σs - Σs Σr
2 (Σ cra csbβab)
2
Er - Es
Anche questo termine contribuisce positivamente alla formazione del
legame. Esso rappresenta la sommatoria di tutti i contributi alla
formazione del legame derivanti dalle possibili interazioni di legame
fra gli orbitali " pieni " della specie A e gli orbitali " vuoti " della specie B
aventi la corretta simmetria. E' un termine di perturbazione di 2° ordine
e vale quando Er = Es (quando Er = Es, il termine diventa:
+Σ
Σab 2 craCsb βab
Si può notare che l'interazione che offre il maggior contributo alla
formazione del legame è sempre l'interazione HOMO-LUMO. Questo
termine diventa particolarmente importante nelle reazioni fra specie
neutre
26
Un esempio
+
Trattandosi di specie cariche, il maggior contributo alla formazione del
legame è dovuto al 2° termine dell'equazione di Klopman e Salem.
+
QkQl
εRkl
Σ
k<l
Tuttavia in questo ipotetico caso diventa particolarmente rilevante
anche il contributo del 3° termine. Ciò è dovuto alla forte interazione
HOMO-LUMO (E r = Es).
LUMO
anione
-.707
+.500
+.500
HOMO anione
+.707
LUMO catione
-.707
E1
+.500
+.707
+.500
E2
HOMO catione
(+)
(-)
L'interazione più efficace degli orbitali è sempre
HOMO nucleofilo
-
LUMO
elettrofilo
27
Determinazione della Popolazione Elettronica e
della Distribuzione di Carica
Popolazione elettronica
1. Elevare al quadrato il valore del coefficiente dell'orbitale atomico
considerato
2. Moltiplicare C2 per il numero di elettroni nell'orbitale molecolare
di cuo l'orbitale atomico fa parte
3. Sommare i valori di ciascun atomo su tutti gli orbitali molecolari
Esempio:
c2
-.707
+.500
+.500
c1
c3
HOMO anione
2
2
2
+.707
-.707
P. el. su C1 = (0.5) x2 + (0.707) x2 + (0.5) x0 = 1.5
2
2
2
su C 2 = (0.707) x2 + (0.0) x2 + (0.707) x0 = 1.0
2
2
2
su C 3 = (0.5) x2 + (0.707) x2 + (0.5) x0 = 1.5
+.500
+.707
+.500
c2
c1
c3
-.707
+.500
2
2
2
P. el. su C1 = (0.5) x2 + (0.707) x0 + (0.5) x0 = 0.5
2
+.500
LUMO catione
+.707
-.707
2
2
su C 2 = (0.707) x2 + (0.0) x0 + (0.707) x0 = 1.0
2
2
2
su C 3 = (0.5) x2 + (0.707) x0 + (0.5) x0 = 0.5
+.500
+.707
+.500
28
Determinazione della Distribuzione di Carica
Cambiare di segno il valore della popolazione elettronica
su ciascun atomo e sommare 1.
Per il sistema allilico si ottiene:
popolazione elettronica
1.0
1.5
1.5
Carbanione allilico
0
-0,5
-0.5
1.0
Carbocatione allilico
popolazione elettronica
0.5
0.5
+ 0,5
distribuzione di
carica negativa
0
+ 0.5
distribuzione di
carica positiva
+
+
o
29
Acidi e Basi
Acidi Hard: Specie ad alta
+
Σ
k<l
+
+
+Σ
r
++
Sn
+4
QkQl
εRkl
+
energia LUMO, reagiscono preferibilmente con basi soft formando
legami ad elevato carattere covalente
domina
+
RC=O , BF3,
Acidi Soft: Specie a bassa
2 (Σ cra csbβab)
occ. v
occ. v
+
H , Li , ..... K , Mg ,
+3
+3
Al , Cr , AlCl3, SO3
energia LUMO, reagiscono preferibilmente con basi hard formando
legami con elevato carattere ionico
domina
Hard e Soft
Σs - Σ Σ
s
2
+
++
++
Cu , Ag , Pd , Cd ,
++
+
Hg , I , C6H3(NO2)3,
-
+
p O=C6H4=O, Br , M°,
:CH2, I2, Br2
Er - E s
r
Soft-Soft
Elettrofili
Nucleofili
Hard-Hard
-
-
RSH, RS , I ,
SCN , CO, C 2H4,
-
C6H6, H ,
R
-
Basi Soft : Specie ad alta energia
HOMO, reagiscono preferibilmente
con acidi soft, con cui formano
legami ad alto carattere covalente
domina
-
H2O, OH ,
-
-
-
RO , ClO4 , NO3
-3
PO4
-
F , Cl ,
-
occ. v
+Σ
r
occ.
Σs - Σ Σ
s
2 (Σ cra csbβab)
Er - Es
r
Basi Hard: Specie a bassa
energia HOMO, reagiscono preferibilmente con acidi hard con cui
formano legami ad alto carattere ionico
domina
+
Σ
k<l
QkQl
εRkl
30
Nucleofili ed Elettrofili
Hard e Soft
Nucleofili Hard hanno una bassa energia HOMO e
generalmente possiedono una caraica negativa (es. OH-).
Nucleofili Soft hanno un'alta energia HOMO. Essi non
necessariamente possiedono una carica negativa (es.
CH2=CH2).
Elettrofili Hard hanno un'alta energia LUMO e
generalmente possiedono una carica positiva (es. H+,
BF3).
Elettrofili soft hanno una bassa energia LUMO e non
hanno necessariamente una carica positiva (es. Br2).
Una reazione Hard-Hard è veloce principalmente a causa
di una forte attrazione colombiana.
Una reazione Soft-Soft è veloce a causa principalmente di
una grande interazione HOMO-LUMO.
31
Valori dell’energia HOMO (Nucleofili) e dell’energia
LUMO (Elettrofili) di alcuni ioni inorganici
(Valori calcolati da Klopman dai potenziali di ionizzazione e dalle
affinità elettroniche corretti per l’effetto di solvatazione)
Nucleofili r
HIHSCNBrClOHH2O
F-
2.08
2.16
1.95
1.81
1.36
EHOMO (eV)
-7.37
-8.31
-8.59
-8.78
-9.22
-9.94
-10.45
-10.73
-12.18
Elettrofili
Al+3
La+3
Ti+4
Be+2
Mg+2
Ca+2
Fe+3
Sr+2
Ce+3
Ba+2
Ga+3
Cr+2
Fe+2
Li+
H+
Ni+2
Na+
Cu+2
Tl+
Cd+2
Cu+
Ag+
Tl+3
Au+
Hg+2
r
0.50
1.15
0.68
0.31
0.65
0.99
0.64
1.13
1.11
1.35
0.62
0.76
0.60
0.00
0.72
0.95
0.69
1.40
0.97
0.96
1.26
0.95
1.37
1.10
ELUMO (eV)
6.01
4.51
4.35
3.75
2.42
2.33
2.22
2.21
2.06
1.89
1.45
0.91
0.69
0.49
0.42
0.29
0.00
-0.55
-1.88
-2.04
-2.30
-2.82
-3.37
-4.35
-4.64
All’interno di uno stesso gruppo esiste una grossolana correlazione fra l’energia
dell’HOMO o del LUMO e il raggio ionico. Maggiore è il raggio ionico, più alto è
il valore dell’HOMO del nucleofilo e più basso è il valore del LUMO
dell’elettrofilo.
32
Tecniche per la Determinazione dell'energia HOMO
e la Distribuzione Elettronica in una Molecola Insatura
La Spettroscopia Fotoelettronica (PES)
La spettroscopia fotoelettronica misura le energie di
ionizzazione della molecole. La tecnica si basa su un
principio analogo a quello dell'effetto fotoelettronico, in
cui l'energia del fotone incidente è uguale alla somma
dell'energia di ionizzazione più l'energia cinetica
dell'elettrone espulso.
Sorgente
Lampada He
hν = 21.22eV
1/2mv2
X+.
Campione
hν
Ii
X
Analizzatore
elettrostatico
E = hν = Ii + 1/2mv2
UPS (ν
ν ~ 58.43 nm ≡ 21.22 eV)
XPS (per elettroni di orbitali più bassi)
E
Detector
+
-
33
Tecniche per la Determinazione dell'energia HOMO
e la Distribuzione Elettronica in una Molecola Insatura
La Risonanza di Spin Elettronico (ESR)
La Risonanza di Spin Elettronico (ESR) detta anche Risonanaza
Paramagnetica elettronica (EPR) fornisce importantissime
informazioni di carattere elettronico, strutturale e cinetico su una
grande quantità di sistemi organici, inorganici e biologici.
Condizione necessaria per poter effettuare un esperimento ESR è
che il sistema che si sta studiando possegga almeno un elettrone
spaiato, giacchè la tecnica si basa sulla natura magnetica
dell'elettrone.
B
S, momento angolare
S = 1/2, numero quantico di spin
+1/2
∆E = geµBB
-1/2
µ, momento magnetico
µ = -geµBS
Condizioni di risonanza:
hν
ν0 = geµBB
In realtà la risonanza di un elettrone spaiato di un radicale può
presentarsi in forma di multipletto a causa dell'accoppiamento
dello spin elettronico con i diversi nuclei magneticamente attivi
(I > 0). Così, ad esempio, l'assorbimento di un radicale fenile può
presentarsi come doppietto, tripletto, quartetto, ecc. a seconda
del numero di idrogeni legati all'anello. Le costanti di
accoppiamento aH che compaiono nel multipletto sono
proporzionali alla densità elettronica sll'atomo di carbonio
legato ad idrogeno.
aH1
aH2
aH = QHC-H ρc
H
H
QHC-H = 24 G
34
∂
35
36
Esempi di Reazioni fra acidi (Elettrofili) e
Basi (Nucleofili) Hard e Soft
H
HO
H
+
O
velocissima
HOBr + Br
molto meno veloce
hard H
hard
+ Br
HO
2 H2O
hard
Br
soft
H2C=CH2
soft
+
Br-Br
soft
BrH2C-CH2Br
velocissima
H
H2C=CH2 +
H
H3C-CH2OH
O
molto lenta
H
hard
soft
HgOAc
RCH=CH2
soft
+
RCH=CH2
soft
+
Hg(OAc) 2
soft
LiOAc
hard
H3CS-
veloce
R
H
H
H
nessuna reazione
-OCH3
H3CS
H
C
H centro hard
centro soft
C
Br
H3COH
37
LA SOSTITUZIONE NUCLEOFILA S N2
Interazione
di legame
X
Nu
+ X
Nu
LUMO
HOMO
Inversione di
configurazione
Due orbitali possono interagire
per formare un legame solo se
hanno la stessa simmetria (stesso
segno di φ)
X
Interazione
di antilegame
Nu
NUCLEOFILI BIDENTATI
Lo ione CNcentro
hard
centro
soft
:
N C
centro
soft
C N
centro
hard
C N:
CH3
C
H
I
H
CH3-CH2-CN
Elettrofilo
soft
CH3
δ+
C
H
H
CH3-CH2-N C
I
Elettrofilo
hard
Ag +
38
NUCLEOFILI BIDENTATI
Il Sistema Enolato
Ione
enolato
Carbanione
allilico
OE
Ψ3
O
Ψ3
Ψ2
HOMO
O
Ψ2
Ψ1
O
Ψ1
centro
hard
O-
+ H3O+
OH
+
Σ
k<l
QkQl
εRkl
elettrofilo
hard
centro
soft
H2C
H3C
O + H3C-I
elettrofilo
soft
C
occ. v
CH2
O
+Σ
r
occ. v
Σs - Σ Σ
s
r
2 (Σ cra csbβab)
C-alchilazione
I
LUMO di CH 3I
Er - E s
2
39
Enolati Cinetici e
Enolati Termodinamici
Idrogeno più acido
fattore statistico
favorevole
Idrogeno meno acido,
fattore statistico meno
favorevole
R
R3N,
DMF
O
H
Processo
irreversibile
H
H N R
R
ClTMS
R H
Processo
reversibile
LDA
THF, -78°C
OTMS
O
-
OLi
OTMS
R
ClTMS
R
O H N
R ClTMS
enolato termodinamicamente
meno stabile, ma cineticamente
favorito.
enolato termodinamicamente
più stabile, favorito in condizioni
di equilibrio.
Ep
O
R
R'
R
R
∆G°
OR
R'
R
O-
OTMS
R'
R
cdr
40
Effetto del Solvente sulla Velocità di
Alchilazione degli Enolati
Solventi dipolari aprotici
O
δ−
S-O
H3C
S+
O
CH3
-
DMSO
ε = 47
M
Enolato molto reattivo
domina il 2° termine
dell'equazione di K.-S.
δ−
O-S
O-Alchilazione
δ−O-S
O
O
CH3
C N
H
N CH
3
CH3
NMP
ε = 32
DMF
ε = 37
O+
P
N
N
N
ε = 30
HMPA
Solventi protici
R
O
H H R
O
O
H
Hδ− M δ−H O
R
O − O
R δO R
R H
Enolato poco reattivo
domina il 3° termine
dell'equazione di K.-S.
C-Alchilazione
41
Effetto del Solvente ed Additivi sulla
Velocità di Alchilazione degli Enolati
Solventi chelanti
O
δ− M δ−
S-O −
O-S
δ O-S
O
Enolato molto reattivo
domina il 2° termine
dell'equazione di K.-S.
O-Alchilazione
δ−
O
δ− M δ−
O
O
M
O
δ−
O
δ−O
DME (DiMetossiEtano)
Diglyme
Agenti chelanti
O
O
K
O
O
O
O
O
18-C-6
O
O Li
O
O
O
15-C-5
O
O
N Li N
TMEDA
42
Regioselettività nelle Reazioni di
Formazione e Alchilazione degli Enolati
OR
C
R
C
O-
O
C
R'
R
B
H H
C
C
C
R'
R H H H
ka
R
B
kb
C
C
R H
Enolato
Termodinamico
C
R'
H
Enolato cinetico
Ep
O
R
R'
∆G°
R
OR
OR
R'
R
R'
R
cdr
Et3N, ClTMS
DMF, Riflusso
OTMS
O
LDA, ClTMS,
THF, -78°C
OTMS
43
44
Dienolati
O
B
α
C8H17
C8H17
AcOH
H2O
-
O
O
γ
O
C8H17
+
O
O
Maggioritario
CO2Et
LiNR2
H2O
CO2Et
87%
+
CO2Et
13%
45
ELETTROFILI BIDENTATI
SOSTITUZIONI NUCLEOFILE ALLILICHE
x
centro
elettrofilo
soft
δ+
centro
elettrofilo
hard
LUMO Alogenuro Allilico
Nucleofili
soft
Nucleofili
hard
PhS (CH3)2CuLi
Nu
Nu
Nu
X
δδ+ X
Nu
SN2'
(CH3)2CuLi
SN2
D
+
Cl
C
H3C
D D
D
D
C
D
Cl
+
CH3Li
D
CH3
D
δ-
46
ELETTROFILI BIDENTATI
Il Sistema Carbonilico α,β-Insaturo
α,β
O
Ψ4
E
Ψ4
Ψ3
∆E
LUMO
Ψ3
Ψ2
Ψ2
HOMO
Ψ1
Ψ1
centro
elettrofilo
soft
O
δ+
Nu hard
O
δ+
centro
elettrofilo
hard
1. CH3MgBr
2. H+/H2O
+
OH
CH3
Nu soft
O
1. (CH3)2CuLi
2. H+/H2O
+
O
47
L'EFFETTO
α
Vi sono delle specie che sono estremamente più nucleofile di quanto
ci si possa aspettare sulla base dei loro valori di pKa. Fra questi si
annoverano:
HO-O Cl-O
HO-NH2
H2N-NH2 , RS-SR
Tutte queste specie hanno una caratteristica comune: in tutte il
l'atomo nucleofilo è legato ad un altro atomo, di uguale o diversa
natura, avente almeno una coppia solitaria.
HO-O
HOMO
∆E
HO-
-O
Si ricordi sempre che 1 eV = 24 Kcal/mole !!
Reattività relative di HOO- e HO Elettrofilo
C 6H5-C=N
Softness
p-O2N C6H4-COOCH3 hardness
C 6H5-CH2-Br
+
molto hard H 3O
kHOO-/kHO105
103
50
10-4
48
Effetti Stereoelectronici
Gli effetti stereoelettronici sono semplicemente la
conseguenza chimica e cinetica della sovrapposizione degli
orbitali come, ad esempio, nella enolizzazione della norcanfora. La velocità della reazione endo è più elevata a
causa della migliore sovrapposizione degli orbitali p con il
sistema π del carbonile. Pertanto lo stato di transizione è
stabilizzato rispetto a quello relativo alla rimozione del
protone eso. Da quando furono proposti per la prima volta
nel 1950, gli effetti stereoelettronici sono stati dimostrati in
molti sistemi organici e la loro grandezza determinata sia
sperimentalmente che computazionalmente.
O
O
B
H
endo H
B
H
H3C
OCH3
O
O
cis
Ph
OCH3
O
Ph
cis
kHcis/kHtrans = 8
O
H3C
O
trans
O
H3C
O
+
OCH3
OCH3
hν
H
H3C
H3C
OCH3
H3C
O +
C6H5
C6H5CH3
49
CAPITOLO II
REAZIONI PERICICLICHE
50
51
REAZIONI PERICICLICHE
(TERMICHE)
Le reazioni pericicliche termiche sono quelle reazioni in cui un certo
numero di legami vengono rotti ed altri vengono formati in maniera
concertata portando alla formazione o all'apertura di un anello.
La maggior parte delle reazioni pericicliche, coinvolgendo molecole
neutre e spesso apolari, sono poco influenzate da interazioni
coulombiane (scarso contributo del 2° termine dell'equazione di
Klopman e Salem) mentre diventa importante il 3° termine
(interazione degli orbitali di frontiera).
TIPI DI REAZIONI PERICICLICHE
(2π
π
2σ
σ)
A)
CILOADDIZIONI
B)
REAZIONI CHELOTROPICHE
C)
RIARRANGIAMENTI SIGMATROPICI
D) REAZIONI ELETTROCICLICHE
(π
π
(2π
π
2σ
σ)
(σ
σ + 2π
π
σ+ π)
2π
π + σ)
52
LE CICLOADDIZIONI
Sono reazioni pericicliche in cui due specie si combinano per formare
un ciclo attraverso la formazione di due legami σ a scapito di due
legami π, il tutto in maniera concertata. Un esempio è costituito dalla
Reazione di Diels-Alder.
O
O
O
O
O
O
Nelle reazioni pericicliche il segno e la grandezza dei coefficienti degli
orbitali atomici negli orbitali molecolari interagenti sono di estrema
importanza. I "lobi" interagenti negli orbitali di frontiera devono possedere
lo stesso segno affinchè si verifichi un'interazione di legame. Da questo
punto di vista è indifferente se l'interazione è del tipo HOMO di A -LUMO
di B oppure LUMO di A -HOMO di B.
HOMO
diene
LUMO
dienofilo
LUMO
diene
HOMO
dienofilo
La reazione è del tipo [4+2] ed è detta permessa dalla simmetria
degli orbitali
53
Reazioni [2+2]
O
+
O
Nessuna reazione
O
LUMO
etilene
HOMO
etilene
interazione
di legame
Processo
suprafacciale
s
interazione
di antilegame
a
Una reazione [2+2] attraverso
un processo del tipo supra-supra
non è possibilea causa di una interazione di antilegame.
Processo
antarafacciale
La simmetria degli orbitali potrebbe
permettere una reazione del tipo
supra-antara, ma in una reazione
[2+2] ciò non è possibile per ovvie
ragioni geometriche.
[π
π2a+π
π2s] reazione permessa
dalla simmetria degli orbitali, ma
proibita dalla geometria.
R
R
[π
π2s+π
π2s] reazione permessa dalla
geometria , ma proibita dalla simmetria
degli orbitali.
R
R
R
s
s
R
R
R
NB: Le reazioni di cicloaddizione [2+2] termiche sono molto rare
quelle che si conoscono hanno spesso un meccanismo radicalico
(formazione di un diradicale intermedio) e non un meccanismo
concerato.
54
Alcuni esempi:
CO2Me
+
N CO2Me
N
N
N
CO2Me
CO2Me
[π
π8s + π2s]
O +
O
[π
π6s + π4s]
HOMO
a
8 e (4n)
s
s
[π
π4s + π4s] proibita dalla simmetria
[π
π4a + π4s] permessa dalla simmetria
LUMO
HOMO
a
10 e (4n+2)
s
s
[π
π6s + π4s] permessa dalla simmetria
[π
π6a + π4s] proibita dalla simmetria
LUMO
HOMO
[π
π8s + π2s] permessa dalla simmetria
a
10 e (4n+2)
s
LUMO
[π
π8a + π2s] proibita dalla simmetria
s
55
Cicloaddizioni 1,3-Dipolari
Le cicloaddizioni non sono ristrette a molecole neutre, ma possono
coinvolgere carbocationi e carbanioni.
[π
π2s + π2s]
LUMO catione
s
4e (4n)
[π
π2s + π4s]
HOMO etilene
s
s
Proibita dalla simmetria
(infatti, mai osservata)
LUMO catione
Permessa dalla
simmetria
HOMO diene
6e (4n+2)
+
I
[π
π4s + π2s]
HOMO anione
s
s
6e (4n+2)
LUMO etilene
Ph
Ph
Ph
Ph
permessa dalla
simmetria
H+
Ph
+
Ph
Ph
H
Ph
Ph
Ph
56
Una sottoclasse delle reazioni di cicloaddizione sono è
costituita dalle cicloaddizioni 1,3-dipolari in cui sono coinvolti
eteroatomi (atomi diversi dal carbonio)
O
O
O
O
O
+
O
Si noti come la molecola dell'ozono è strutturalmente simile
al carbanione allilico. La struttura degli orbitali è dunque
molto simile.
[π
π4s+π
π2s]
O
6 e (4n+2)
O
O HOMO (ozono)
s
s
Permessa dalla
simmetria degli
orbitali
LUMO (etilene)
H2C=N=N
H2C-N=N
+
N
6 e (4n+2)
s
N
CO2Me
CO2Me
[π
π4s+π
π2s]
N
N HOMO (diazometano)
s
LUMO (acrilato)
permessa dalla
simmetria
57
LA REGOLA DI WOODWARD - HOFFMANN
Nella sua versione più semplice la regola di Woodward-Hoffmann
stabilisce che:
4n+2
Le reazioni che coinvolgono un numero di elettroni pari a
sono permesse dalla simmetria se il processo di approccio degli
orbitali è del tipo supra-supra , mentre sono proibite se il processo
è del tipo supra-antara.
Le reazioni che coinvolgono un numero di elettroni pari a
4n sono
permesse dalla simmetria se il processo di approccio degli orbitali
è del tipo supra-antara , mentre sono proibite se il processo
è del tipo supra-supra.
CN
NC
H
CN
NC
[π
π14a+π
π2s]
14 e
HOMO
a
+2e
16 e (4n)
s
LUMO
H
58
REAZIONI CHELOTROPICHE
Le reazioni chelotropiche costituiscono una sottoclasse delle
cicloaddizioni; esse si caratterizzano per il fatto che gli orbitali
atomici nell'orbitale molecolare fornito da uno dei due partner
di reazione appartengono allo stesso atomo.
Addizione di carbeni al doppio legame C=C
+
CH2 (S)
E' una reazione del tipo [2+2] e quindi, a prima vista, dovrebbe
essere proibita dalla simmetria secondo la regola di di WoodwardHoffmann. La reazione invece è molto comune
Approccio lineare
LUMO
HOMO
HOMO
LUMO
Approccio non lineare
HOMO
LUMO
LUMO
HOMO
59
REAZIONI CHELOTROPICHE
Reazioni di estrusione
+ SO2
SO2
+ SO2
SO2
cis
trans
E' una reazione [π
π4s+2s] dunque permessa dalla simmetria.
Questa volta l'approccio lineare è senza problemi.
HOMO
s
S
O
s
s
LUMO
O
LUMO
s
S
O
HOMO
O
HOMO
s
S
O
S
s
O
LUMO
O O
La reazione è reversibile per semplice riscaldamento ed anche
la reazione inversa può essere trattata in termini di interazioni
HOMO-LUMO.
60
REAZIONI DI ESTRUSIONE
LUMO
CH3
- SO2
S
H3C
HOMO
O
O
movimento disrotatorio
LUMO
- SO2
S
H3 C
CH3
OHOMO
O
movimento disrotatorio
61
Altro esempio
SO2
-SO2
[π
π6s+2s]
SO2
s
S O
O
s
-SO2
SO2
Approccio non lineare
A prima vista sembrerebbe logico il meccanismo sopra riportato,ma un
tale approccio è proibito dalla dalla regola di Woodward-Hoffmann.
La reazione, infatti, è del tipo [ π6 + σ2] ed è perciò una reazione 4n, per
cui è permessa dalla simmetria solo se l'approccio è del tipo
supra-antara e non supra-supra come sopra riportato. Infatti la reazione
non è mai stata osservata. Il prodotto di estrusione del solfone cis è il
trans-cis-cis triene e non il trans-cis-trans.
HOMO triene
SO2
a
[π
π6s+2a]
4n
s
S
O O
Approccio lineare
LUMO
In questo caso la reazione è permessa dalla simmetria e segue la regola
di Woodward-Hoffmann, essendo l'approccio del tipo supra-antara
62
HOMO
O
S
s
s
O
S
LUMO
LUMO
O
S
s s
S
O
HOMO
HOMO
O
a
s
S
O
S
LUMO
LUMO
O
a
S
s
O
S
HOMO
63
RIARRANGIAMENTI SIGMATROPICI
I riarrangiamenti sigmatropici sono quelle reazioni in cui un
legame σ (o meglio un sostituente) si sposta, attraverso un
sistema coniugato, su un nuovo sito.
Trasposizione 1,5 sigmatropica
H
H
Questa reazione può essere trattata come una reazione di
cicloaddizione dell'orbitale molecolare σ (HOMO) del legame
C-H sull'orbitale π (LUMO) del sistema dienico.
H
Me
LUMO
D
250°C
H
Et
Me
Me
D
Et
Me
s
s
E' una reazione del tipo
[π
π4s + σ2s] (4n+2) perciò
permessa dalla regola di W.H.
H
HOMO
s
Un caso esemplare
H H
1. LDA
2. CH3I
CH3
H3C H
CH3
H
H
H
H
64
LUMO π
s
H
HOMO σ
a
I riarrangiamenti 1,3-sigmatropici sarebbero possibili, secondo
la regola di W.H., solo attraverso un processo del tipo supra - antara ,
essendo una reazione [ π2a + σ2s]. Tuttavia, come risulta anche
dallo schema sopra riportato sono geometricamente impossibili.
Infatti, questi riarrangiamenti non sono mai stati osservati in
reazioni termiche.
In un sistema coniugato più esteso sono geometricamente
possibili, magari a temperature più elevate, riarrangiamenti
1,7-sigmatropici, cioè del tipo [ π6a + σ2s] del resto previsti
dalla regola di W.H.
C 4H9
H
C 4H9
H
LUMO
a
H
HOMO
s
65
DIMOSTRAZIONE DELLA VALIDITA' DELLA REGOLA
DI WOODWARD-HOFFMANN
Riarrangiamento 1,7-sigmatropico
C4H9
H
C4H9
H
LUMO
[π
π6a + σ2s]
8e (4n)
a
s
H
HOMO
In un sistema ciclico il riarrangiamento 1,7-sigmatropico
diventa geometricamente impossibile attraverso un processo
del tipo supra-antara come previsto dalla regola di W.H.
In realtà a temperature elevate un riarrangiamento ha luogo,
ma è un riarrangiamento 1,5.
H
H
H
150°C
CH3
[1,5]
3
4
5
1
6
7
H
CH3
esige condizioni più
drastiche
CH3
CH3
H
2
H
3
4
2
5
H
1
6
7
CH3
geometricamente
impossibile
66
IL CICLO DELLA VITAMINA D
R
R = CH3 ergosterolo (veg.)
R = H deidrocolesterolo (an)
HO
hν
ν
R'
HO
R'
HO
enzimi
R'
OH
HO
67
Trasposizioni Sigmatropiche che Coinvolgono
Legami Carbonio-Carbonio e Carbonio-Eteroatomo
Le reazioni sigmatropiche non sono ristrette al solo
shift di idrogeno, ma il processo può coinvolgere
altri tipi di atomi quali il carbonio e l'ossigeno, e non
solo legami π, ma anche legamiσ carbonio-carbonio.
[3,3]
H
HOMO H
s
LUMO
Si tratta praticamente di una
trasposizione sigmatropica
[1,5] dove però uno dei due
legami π è sostituito da un
legame σ carbonio-carbonio
(si ricordi che il legame σ
carbonio-carbonio del ciclopropano ha molte caratteristiche
in comune con il doppio legameπ
di un alchene)
68
Il Riarrangiamento di Cope
Il riarrangiamento di Cope è un riarrangiamento
sigmatropico in cui nello shift sono coinvolti
legami carbonio-carbonio.
[3,3]
[3,3]
Il riarrangiamento di Cope può essere assimilabile
ad una reazione del tipo [ 4+2] che, secondo la regola
di W.-H. deve avvenire con un processo di sovrapposizione degli orbitali del tipo supra-supra . In questo
caso, un legame σ sirompe per formarne dueπ e due
legami π formano un legame σ il tutto in maniera
concertata.
s
HOMO
"diene"
s
LUMO
"dienofilo"
LUMO
"dienofilo"
s
HOMO
"diene"
s
69
Riarrangiamenti che coinvolgono un numero di elettroni pari
a 4n sono molto meno comuni, infatti uno di componenti deve
subire un processo antarafacciale per obbedire alla regola
di W.-H. e ciò comporta restrizioni geometriche molto severe.
Il riarrangiamento 1,3-sigmatropico di Berson
H
H OAc
AcO
300°C
H
H
H
H
H
OAc
H
H
LUMO
OAc
HOMO
A prima vista questo tipo di riarrangiamento, realmento osservato,
sembrerebbe contraddire la regola di W.H.. In realtà, storicamente
tale argomento fu usato per mettere in crisi la teoria degli orbitali di
frontiera, esso invece costituì una delle prove più schiaccianti a
favore di tale teoria.
s
a
Permessa dalla regola di W.- H.
ma geometricamente impossibile
AcO
H
H
Configurazione
invertita !!
s
AcO
H
AcO
a
H
D
H
D
D
H
AcO
Un meccanismo di questo tipo presuppone la presenza di un
orbitale p migrante; ecco perchè lo shift 1,3 di idrogeno non
è mai stato osservato.
H
70
IL RIARRANGIAMENTO DI CLAISEN
Un caso particolare del riarrangiamento di Cope è rappresentato
dal riarrangiamento di Claisen in cui nella formazione e rottura
dei legami viene coinvolto un eteroatomo, più frequentemente
l'ossigeno.
O
*
O
O
Aldeide
γ,δ-insatura
γ,δ
HOMO
"diene"
O
LUMO
"dienofilo"
s
EtO
EtO
+ Hg(OAc) 2
EtO
HgOAc
HgOAc
OH
H
O
EtO
AcHg
H
O
EtO
AcHg
O
71
Esempi di sintesi attraverso il riarrangiamento
di Claisen
OEt
OH
O
O
+
un feromone
-
O
O
O
Br
+
H
DMF
CF3CH2OH
OH
centro
hard
+
-
O
+
-
+
- Na - +
+
O
+
O-alchilazione
DMF solvente
dipolare aprotico
ROH
HOR
ROH
O HOR centro
ROH
soft
C-alchilazione
CF3CH2OH solvente
protico
-
O
H
OH
72
REAZIONI ELETTROCICLICHE
Le reazioni elettrocicliche sono quella specie di reazioni pericicliche
in cui un anello si forma (o si apre) intramolecolarmente trasformando
un legame π in uno σ (o un legame σ in uno π).
200°C
Queste reazioni possono essere trattate come cicloaddizioni ed è più
semplice condiderarle nella direzione di un'apertura dell'anello.
a A
s
B
C
conrotatorio
B
A
C
D
D
La reazione è del tipo [2 + 2] e, per la regola di W.-H. è permessa solo
se le interazioni sono del tipo supra-antara ([π
π2s+σ
σ2a]) i movimenti
di A e C avvengono entrambi in senso orario cioè conrotatorio.
H3C
CH3
CH3
conrotatorio
H3C conrotatorio
Nel caso in cui la reazione coinvolge 6e (es. [4+2]), per la regola di
W.-H. essa è possibile attraverso un processo del tipo supra-supra,
di conseguenza A e C devono ruotare in senso opposto uno all'altro
cioè i movimento è disrotatorio .
LUMO
C
A
B
HOMO
disrotatorio
D
A
B D
C
73
Esempi
Disrotatorio
CH3
H
CH3
CH3
H
H
H
CH3
6e (4n+2) [π
π4s+σ
σ2s]
Conrotatorio
LUMO
CH3
a
CH3
s
HOMO
8e (4n) [π
π6s+σ
σ2a]
CH3
H3C
s
Cl Disrot.
2e (4n+2)
Cl LUMO
s
H3C
CH3
HOMO
In questo caso particolare, la rotazione dei legami, e quindi il
movimento dei gruppi, avviene verso l'interno dell'anello.
In effetti una rotazione verso l'esterno provocherebbe un'interazione di antilegame fra il LUMO del legame C-Cl e gli incipienti
orbitali p sui carboni 2 e 3.
LUMO
conrot.
4e (4n)
HOMO
74
EFFETTI STEREOCHIMICI
SECONDARI
O
veloce
H
H O
endo
+
O
O
H
H
O
O
O
O
lenta
Termodinamicamente
meno stabile
O
eso
Termodinamicamente
meno stabile
Ep
Eeso
Eendo
∆G°
endo
eso
cdr
Il metodo degli orbitali di frontiera è l'unico che può dare una
spiegazione a questo fenomeno.
Benchè le interazioni secondarie
non portino alla formazione di nuovi
legami, esse abbassano l'energia
dello stato di transizione della
reazione che porta al prodotto
O
endo che quindi può essere
ottenuto in condizioni di controllo
cinetico. Per riscaldamento l'endo
si trasforma irreversibilmente nel
prodotto eso termodinamicamente più stabile.
HOMO
O
O
LUMO
75
LA REAZIONE DI DIELS-ALDER
1. REATTIVITA’
La regola di Woodward-Hoffmann stabilisce che una reazione
[4+2] è termicamente possibile se la sovrapposizione degli
orbitali di frontiera (HOMO-LUMO) avviene con un processo del
tipo supra-supra. Tuttavia non dice nulla circa l’effetto dei
sostituenti, sia nel dienofilo che nel diene, sulla velocità del
processo.
La velocità di una reazione chimica è funzione inversa
dell’energia di attivazione e, come abbiamo visto, quest’ultima,
specialmente quando a reagire sono specie neutre, è
condizionata dalla differenza di energia HOMO-LUMO come si
evince dal 3° termine dell’equazione di Klopman e Salem.
o v
o v
…. + ΣΣ -ΣΣ 2(Σabcracsbβ ab)2/Er-Es
r s
s r
Più vicini energeticamente sono gli orbitali HOMO e LUMO più
bassa è l’energia di attivazione e di conseguenza più alta è la
velocità della reazione.
Effetti dei sostituenti sia sul diene che sul di enofilo
• Sostituenti come il vinile o il fenile (sostituenti C) che
possono coniugare con il doppio legame fanno aumentare
l’energia dell’HOMO mentre fanno diminuire l’energia del
LUMO.
• Sostituenti elettron attrattori (sotituenti Z) abbassano
l’energia sia dell’HOMO che del LUMO.
• Sostituenti elettron donatori (sostituenti X) innalzano sia
l’energia dell’HOMO che quella del LUMO.
76
E
3.0
1.5
1.0
LUMO
0
-9.0
-9.1
-10.5
X
C
-10.9
HOMO
Z
E
2.5
1.0
LUMO
0.5
-0.5
-8.2
-9.1
-8.5
C
X
-9.5
Z
HOMO
77
E
2.3
1.0
0.7
LUMO
-0.3
-8.5
-8.7
-9.1
C
-9.3
X
HOMO
Z
C=
Z = -CHO,
X = RO-,
Si ricordi che:
-C=N,
R2N-,
-NO 2 -COR,
RHN- -R,
-COOH, CF 3, ecc...
ecc...
1 eV = 23 Kcal/mole = 96.5 KJ/mole
78
Nella maggior parte delle reazioni di Diels-Alder è l' HOMO del diene
ad interagire con il LUMO del dienifilo . Tali reazioni vengono dette
reazioni di Diels-Alder a domanda elettronica normale.
Vi sono, tuttavia, delle reazioni in cui è l' HOMO del dienofilo ad
interagire con il LUMO del diene . Ciò accade quando un dienofilo
a cui sono legati gruppi fortemente elettron donatori viene fatto
reagire con dieni sostituiti con gruppi fortemente elettron attrattori.
Queste reazioni vengono dette reazioni di Diels-Alder a domanda
elettronica inversa.
In ogni caso, è la differenza di energia HOMO-LUMO
a determinare il tipo di interazione
3.0
1.0
LUMO
dienofilo
LUMO
diene
0
LUMO
dienofilo
∆E = 11.9 eV
-0.5 LUMO
∆E = 12.5 eV
diene
∆E = 9.1 eV
∆E = 8.5 eV
-9.0
-9.1
HOMO
diene
-10.9
HOMO
dienofilo
-9.5 HOMO
diene
X
HOMO
dienofilo
Z
Z
Reazione di D.-A. a Domanda
Elettronica Normale
Reazione di D.-A.a Domanda
Elettronica Inversa
79
Esempio di reazione di D.-A. a domanda elettronica normale
R
R
R
R
+
O
R=
100% in 24 h a 20°C
O
O
78% in 17 h a 165°C e 900 Atm
R=H
Esempio di reazione di D.-A. a domanda elettronica inversa
R'
R
R
N
R'
+
N
EtO
R = R' = OEt
75% in 4 min a 25°C
R = CH2OH, R' = H
75% in 275 min a 100°C
R = CN, R' =H
75% in 1080 min a 100°C
EtO
CH2OH
CN
80
Modulazione degli effetti nella reazione di Diels Alder
O
Ph
Ph
Ph
Ph
O
Ph
+
Y
Ph
Ph
Y
Ph
Y=
p-N(CH3)2
p-OCH3
H
p-Cl
m-NO2
k2 (x106)
338
102
73
78
79
88
k2 rel.
4.6
1.4
1
1.1
1.1
1.2
d.e. inversa
E
p-NO2
d.e. normale
d. e. inversa
N
Ph
OCH3
Ph
d. e. normale
O
Ph
Ph
LUMO
Cl
NO2
NO2
HOMO
81
Esiste una buona correlazione fra il log della costante cinetica delle
reazioni di D.-A. e la differenza di energia ∆EH-L .
L'eccezionale reattività del ciclopentadiene con un determinato
dienofilo pùò essere spiegata considerando che nel ciclopentadiene
la conformazione cisoide a più alta energia è bloccata dal ponte
metilenico, mentre il butadiene si trova nella conformazione termodinamicamente più stabile e non reattiva. In altre parole, per poter reagire
il butadiene deve prima spendere una certa quantità di energia per
trasformarsi nella conformazione reattiva, cosa di cui non ha bisogno
il ciclopentadiene.
NC
CN
OCH3
NC
+
log k
NC
CN
CN
+
NC
CN
O
+
O
O
O
+
O
O
ELUMO-EHOMO
E
Eb
Ecy
Prodotti
cdr
82
IL RUOLO DEI COEFFICIENTI NEGLI
ORBITALI DI FRONTIERA
Fino ad ora nella nostra trattazione abbiamo posto l'accento solo
sul significato del denominatore dell'equazione di Klopman e Salem,
cioè della differenza di energia fra gli orbitali di frontiera interagenti.
o v
.......... +
o v
ΣΣ
-ΣΣ
r s s r
2(Σ
Σabcracsbβab)2
Er-Es
Tali coefficienti ( cra e csb ) influenzano in modo particolare la
regioselettività, la sitoselettività e la periselettività di una
cicloaddizione di Diels-Alder.
La regioselettività si riferisce all' orientamento di una cicloaddizione.
OCH3
OCH3
OCH3
CHO
CHO
+
CHO
ψ-meta
ψ-orto
La sitoselettività è la predilezione di un reagente per un sito di una
molecola polifunzionale in presenza di più siti reattivi dello stesso
tipo.
O
O
CN
+
CN
+
CN
O
O
CN
O
CN
62%
CN
O
16%
83
La periseletività è uno speciale caso di sitoselettività in base
alla quale, nella reazione con un "dienofilo", un poliene può
coinvolgere l'intero sistema coniugato, gran parte di esso o,
addirittura, solo una piccola parte di esso (ad esempio, una
sola coppia di elettroni π).
Esempio:
+ O
O
O
Solo un doppio
legame del tropone
è impegnato. E' una
reazione [ π4s+π2s]
Nella reazione viene
coinvolto tutto il sistema
p del tropone. E' una
reazione [ π4s+π6s]
84
LA COMBINAZIONE DEGLI
ORBITALI DI FRONTIERA
La combinazione preferita nella formazione di legamiσ in una
reazione periciclica è quella che prevede la sovrapposizione
dell'orbitale p a coefficiente maggiore (nell'orbitale molecolare
di frontiera) di una specie con l'orbitale p a coefficiente maggiore
nell'orbitale di frontiera del partner di reazione. In altre parole
vale la regola:
Orbitale p grande di A
Orbitale p grande di B
Orbitale p piccolo di A
Orbitale p piccolo di B
come può essere dimostrato anche algebricamente.
Si ricordi, infatti, che il contributo del 3° termine dell'equazione di
Klopman all'abbassamento dell'energia di attivazione è funzione
del prodotto dei coefficienti degli orbitali atomici interagenti facenti
parte degli orbitali molecolari di frontiera dei due partner di reazione.
occ.
v
occ. v
+Σ
s
r sΣ - Σ
x
x+n
y
y+m
xy + (x+n)(y+m)
Σr
2 (Σ cra csb βab)
EL - EH
x
x+n
2
y+m
y
x(y +m) + y(x+n)
∆ = xy + (x+n)(y+m)- x(y +m) + y(x+n) = nm
85
VALUTAZIONE EMPIRICA DEI COEFFICIENTI DEGLI ORBITALI
ATOMICI NEGLI ORBITALI MOLECOLARI DI FRONTIERA DELLE
SPECIE REAGENTI IN UNA REAZIONE DI DIELS-ALDER
Olefine C - sostituite (C = vinile, fenile)
I coefficienti sono in pratica quelli che si osservano su uno dei
doppi legami del butadiene nell'HOMO e nel LUMO.
C
HOMO
C
0.371
- 0.371
0.600
0.600
LUMO
Olefine Z-sostituite (Z = CN, COOH, COOR, CF 3, NO2 COR, CHO..)
I coefficienti sono grosso modo quelli derivati dalla mediazione
fra un diene e di un carbocatione allilico.
O
O
+
0.707
0.371
Z
+
-0.371
Z
+
0.600
0.600
0.500
0.707
HOMO
LUMO
Olefine X-sostituite (R2N, OR, R, SR, ...)
I coefficienti sono grossomodo quelli che si ricavano da una
mediazione fra quelli dell'etilene e quelli del carbanione allilico.
X
X
+
X
0.707
-0.707
+
0.707
X
-0.707
+
0.707
HOMO
0.707
0.500
LUMO
86
87
88
Dieni Sostituiti a C-1
-0.418
0.418
HOMO
0.521
0.521
LUMO
Dieni Z-sostituiti
Z
-0.500
-0.418
Z
0.418
0
+
0.521
+
0.500
0.521
HOMO
LUMO
Dieni X-sostituiti
-0.500
-0.600
X
X
0.500
0.600
*
0
+
0.600
+
0.576
HOMO
0.600
0.500
LUMO
*In questo caso la determinazione empirica non dà un risultato
soddisfacente (il valore in parentesi è derivato dal calcolo teorico)
89
Semplice regola empirica per stimare l'orientamento e la
regioselettività nelle reazioni di Diels-Alder
1. Stimare le energie dell'HOMO e del LUMO di entrambi i
partner di reazione.
2. Individuare la coppia HOMO -LUMO che fornisce il valore
più basso di DE.
3. Utilizzando tale coppia HOMO-LUMO calcolarne
approssimativamente i coefficienti sugli atomi di carbonio
coinvolti nella formazione dei legami C-C.
4. Combinare fra loro gli atomi aventi nei due partner il
coefficiente maggiore e quelli aventi il coefficiente minore.
Z
Z
Z
X
Z
X
X
X
LUMO
HOMO
HOMO LUMO
(-0.5 eV)
(-9.0 eV)
(-9.5 eV) +3.0 eV)
∆EH-L = 8.5 eV
∆EH-L = 12.5 eV
non osservata!!!
90
CICLOADDIZIONI 1,3-DIPOLARI
1,3-Dipoli di tipo propargilico-allenico
Valori in (c )2/15
eV
ilide del nitrile
H C N CH2
Ph C N
CH2
-6.4
H C N
CH2
Ph C N
CH2
C N
C
LUMO
-7.7
C N
C
HOMO
1.07
1.8
-9.0
1.50
C N N
0.66
N N CH2
CH2
0.64
0.9
0.6
diazalcano
N N
0.69
0.56
C N N
1.57
LUMO
HOMO
0.85
ossido del nitrile
1.18
H C N O
H C N O
Ph C N O
Ph C N O
-10
1.0
-0.5
H 0.17
C N OH
LUMO
-11
C N O
HOMO
0.81
immina del nitrile
0.92
H C N NH
H C N NH
Ph C N NH
Ph C N NH
-7.5
0.1
-9.2
- 0.5
N N
0.90
0.37
azide
0.1
N N
N N
NH
0.36
C
LUMO
C
HOMO
1.45
0.76
N N N
LUMO
N N N
HOMO
H N N N
N N NPh
-9.5
Ph N N N
-11.5
1.55
- 0.2
0.96
ossido nitroso
N N O
1.24
0.72
0.19
-1.1
N N O
LUMO
-12.9
N N O
HOMO
N N O
0.67
1.33
91
92
CICLOADDIZIONI 1,3-DIPOLARI
Metodi di preparazione di 1,3-Dipoli di tipo allilico
MeO2C
O
R
N
H
MeO2C
N
R
H
N
C
CO2Me
CH
H
C
CH2O
1
R
R
C
N
N
R
C
R
O
N
R2
H2
C
R1
R
CO2Me
O
C
N
CH2
azometino imina
H
OH
R1 C
OH
N
R
O
C
N
OH
R1
R1
O
C
N
R
R2
OH
N
R
R
O
O
H
C
azometino ilide
R1
R1
H
C
N
R2
O
2
R NHOH
R
R2
Nitrone
R1
R1
O
O3
O
1
R
R
R
O
O
R
R
O
O
1
R
R
+
R1
R1
ossido del carbonile
R
N
Ph
PA
O N
Ph
H
R
tmboxScCl2+
Ph
H
H
C
N
O
R
immina del carbonile
OSiMe3
R
I
SmI2
o
Cl
O
R
Cl
R
R
R
O
R
ilide del carbonile
O
R
R = alchile
R
R1
93
94
95
96
97
98
99
CICLOADDIZIONI 1,3-DIPOLARI
Regioselettività nelle reazione di cicloaddizione 1,3-dipolari
X
3.0
LUMO
-0.3
NH
C
1.0
Ph
N
Z
0.0
N -1.4
CH
H
LUMO
N
6.6
CH
5.6
Ph
Ph
-5.6
N
-9
Ph
N
-8
C
CH
NH
6.6
9.5
7.6
N
-8.6
8.6
-10.9
Z
HOMO CH
H
N
Ph
36 : 62
Ph
+
N
N
N
Ph
NPh
N
N
Ph
HOMO
N+
NC
N
N-
LUMO
NC
N
N
X
HOMO
100
CICLOADDIZIONI 1,3-DIPOLARI
Regioselettività nelle reazione di cicloaddizione 1,3-dipolari
X
3.0
O
LUMO
0.32
N
1.11
C
1.0
Z
0.3
CH
H
0.0
LUMO
11.7
9.3
9.7
8.7
8.3
11.2
1.15
O
HOMO
C
-8.7
N
-8
-9
-10.9
CH
H 1.11
O
C
O
N
Ph N
C Ph
H
HOMO
LUMO
R
R = Me
98:2
R = Ph
100:0
R = CO2Et 70:30
Ph N
Ph
Ph
O+
N
Ph
O
N
+
CO2Me
Ph
Z
R
O
+
X
HOMO
101
CICLOADDIZIONI 1,3-DIPOLARI
Ozonizzazione: una reazione di cicloaddizione 1,3-dipolare
X
3.0
1.0
C
Z
0.0
O
LUMO
LUMO
16.5
-2.2
O
O
5.8
6.8
13.5
8.7
14.5
-8
C
-9
Z
-10.9
O
HOMO
-13.5
O
O
O
O
+
O
O
O
O
O+
-O
H
O
H
CH2O + O
Zn o PPh3
-
HO
O O
O
H
O
O+
X
HOMO
102
REAZIONI PERICICLICHE
FOTOCHIMICHE
Il primo stadio di una reazione fotochimica è la fotoeccitazione di
uno dei componenti (generalmente quello con il cromoforo più
efficace nell'assorbire la radiazione).
A
hn
LUMO
LUMO
HOMO
HOMO
A*
Stato fondamentale
Stato eccitato
Il secondo stadio della reazione consiste in una interazione fra la
specie fotochimicamente eccitata ( A*) ed il suo partner di reazione
(spesso la stessa apecie) nello stato fondamentale.
In questo tipo di reazioni vi sono due tipi di interazione, a livello
degli orbitali di frontiera, particolarmente forti:
1. Un'interazione fra l'orbitale π* occupato da un solo elettrone
(ex LUMO) ed il LUMO della specie non eccitata.
"LUMO" - LUMO
2. Un'interazione fra l'orbitale π, occupato da un solo elettrone,
(ex HOMO) della specie eccitata e l'orbitale HOMO del partner
di reazione nel suo stato fondamentale.
"HOMO" - HOMO
103
Entrambe le interazioni sono molto forti (specialmente nelle
dimerizzazioni) poichè gli orbitali interagenti hanno energie
molto simili (il secondo stadio è infatti molto veloce). Le perturbazioni sono del primo ordine ed il trattamento matematico
di esse esige una modifica del 3° termine dell'equazione di
Klopman e Salem ( Σab 2craCsb βab).
E1
E3
E2
AB*
Eccimero
A* o Ecciplesso B
A
A*+ B
AB*
hν
ν
A*
AB*
C
L'energia di AB* può essere molto bassa, rispetto a quella
delle specie interagenti, tanto che, in qualche caso, è possibile
identificare l'intermedio detto eccimero o ecciplesso .
104
La Regola di Woodward-Hoffmann
per le Reazioni Fotochimiche
Le foti interazioni "HOMO"-HOMO e "LUMO"-LUMO porta a
riscrivere la regola di Woodward-Hoffmann per le reazioni
fotochimiche nei seguenti termini:
Reazioni pericicliche fotochimiche che coinvolgono (4n+2)
elettroni sono permesse dalla simmetria degli orbitali solo
se il processo di sovrapposizione è del tipo supra-antara.
Reazioni pericicliche fotochimiche che coinvolgono (4n)
elettroni sono permesse dalla simmetria degli orbitali solo
se il processo di sovrapposizione degli orbitali è del tipo
supra-supra.
Reazione [4+2] (4n+2).
a
a
"LUMO"
"HOMO"
antilegame
s
antilegame
s
HOMO
LUMO
Le reazioni di diels-Alder fotochimiche sono poco note e
quelle conosciute non sono reazioni concertate.
Reazione [2+2] (4n).
"HOMO"
s
s
"LUMO"
s
HOMO
s
LUMO
105
Cicloaddizioni Fotochimiche
+
hν
ν
+
[π
π2s+π
π2s]
*
hν
ν
+
*
+
[π
π2s+π
π2s]
*
*
hν
ν
[π
π4s+π
π4s]
O
O
hν
ν
[π
π6s+π
π6s]
O
106
Reazioni Chelotropiche
"LUMO"
"HOMO"
a
hν
ν
SO2
a
s
s
S
S LUMO
O O
O O
HOMO
hν
ν
SO2
Riarrangiamenti Sigmatropici
HOMO
O
hν
ν
[1,3] supraf.
O
H
O
H
"HOMO"
H
hν
ν
HOMO
[1,7]
"HOMO"
H
H H
H
H
CH3 +
H
CH3 +
CH3
Reazioni Elettrocicliche
H
hν
ν
OH
4e disrot.
hν
ν
OH
4e disrot.
H
hν
ν
6e conrot.
107
CAPITOLO III
REAZIONI RADICALICHE
108
109
REAZIONI RADICALICHE
x
z
Radicale
elettrofilo
Radicale
nucleofilo
X
Z
110
Caratteristiche Generali delle Reazioni
a Catena tra Radicali e non-Radicali
1. Il carattere radicalico non viene distrutto durante la
reazione, si può perciò lavorare con quantità catalitiche
di iniziatore.
2. Molte reazioni radicaliche, benchè estremamente veloci,
non sono controllate dalla diffusione (k< 109) e le
selettività possono essere influenzate variando i
sostituenti sia sul centro radicalico che nel partner di
reazione.
3. La concentrazione della specie non-radicalica può
essere facilmente controllata.
111
Requisiti per il Successo di una
Reazione Radicalica a Catena
1. Le selettività dei radicali coinvolti nella catena
devono essere diverse fra loro.
2. Le reazioni fra radicali e non radicali devono essere
più veloci della ricombinazione dei radicali stessi.
2 .SnBu3
Bu 3Sn-SnBu3 + hν
ν
Bu 3Sn-H
N C
+
∆
AIBN
N N
Bu 3Sn. + N 2 (CH3)2CHCN
C N
Y
R
R
Y
Bu3SnH
Bu3SnX
Bu3Sn
RX
R
Y
112
Requisiti di Reattività
I processi a catena sono determinati dalle reazioni
delle specie radicaliche. Perchè si abbia una reazione
a catena, la specie radicalica deve essere sempre
rigenerata, perciò, la velocità delle reazioni tra specie
radicaliche e non radicaliche (vp) deve essere sempre
maggiore della velocità di ricombinazione dei radicali
(vt) che interrompono la catena.
vp = kp [R.] [X]
vt = kt [R.] [R.]
dato che kt
10 9-1010 e [R .]
10 -7-10-8
se [x] = 0.1, affinchè sia v p > 10 2 vt
kp deve essere maggiore di 10 2
Dunque, a scopo sintetico sono utili solo quelle
reazioni i cui stadi di propagazione hanno kp > 10 2
113
Requisiti di Selettività
La reattività di un radicale nei confronti di un alchene in
una reazione di addizione, può essere modulata con una
scelta opportuna dei sostituenti sia sul centro radicalico
che sul doppio legame C=C.
Ad esempio, radicali al carbonio aventi gruppi elettrondonatori ( alchili, OR, NR 2...) in posizione α (radicali "soft" )
reagiscono molto velocemente con alcheni sostituiti con
gruppi elettron- attrattori (basso LUMO).
Al contrario, radicali al carbonio aventi gruppi elettronattrattori (COR', CHO, CX 3, CN, NO2...) in posizione α
(radicali "hard" ) reagiscono molto velocemente con
alcheni sostituiti con gruppi elettron- donatori (alto
HOMO).
Ad esempio, il cosiddetto metodo allo stagno è applicabile
solo nei casi in cui il processo di addizione all'alchene
genera radicali di diversa polarità, o a polarità opposta.
I +
Bu3 SnH
CN
AIBN
CN
95%
RO2C
Cl +
RO2C
OC4H9
Bu3 SnH
AIBN
RO2C
RO2C
OC4H9
60%
114
I +
CN
Bu3SnH
AIBN
CN
95%
Y
R
k1
Y
R.
k2
k1 = 10 5-106
k3 = 10 - 10 2
k1/k3 = 10 4
R-H
Bu3SnH
R
Y
Y
k1/k2 = 1
k3/k4 = 10 -4
k3
R
Y
Y
R
k4
Bu3SnH
Y
La reazione può avere successo solo se: [Y....] / [ Bu
Y
k5
3SnH]
Bu 3Sn
Y
Bu3Sn.
k6
R-X
R. + Bu3SnX
Onde evitare il più possibile la competizione dell'attacco di
Bu3Sn. all'alkene ( k6 >> k5) è preferibile partire da ioduri
alchilici piuttosto che i bromuri o cloruri ( k6-I /k6-Br = 103).
> 10 2
115
Reazioni Elementari tra Radicali e non-Radicali
negli Stadi di Propagazione
I processi di propagazione delle catene sono per la maggior parte
esotermici con energie di attivazione molto basse, per cui è possibile
usare i valori di energia di legame dei legami che si formano e si
rompono come un'indicazione grossolana della velocità di reazione
(parametri termodinamici).
A causa del carattere reactant-like degli stati di transizione, alle
reazioni radicaliche può essere applicata la teoria FMO (parametri
cinetici).
Addizione
R. + AB
RAB.
LUMO
SOMO
R.
C4H9
kC6H11.
1.0
C6H5
84
X:
Z
SOMO
CO2Me
CHO
3000
R.
HOMO
8500
C6H5
C 6H 5
N
C6H5
CO2Et
O
k (EtO2C)2CH .
23
3.5
1.0
116
Riarrangiamento
RAB.
RAB.
R
R
R R
R
R
Elettron-transfer
R-
R.
+ Mn+
+
M(n-1)+
oppure
RX.- + RY
RX +
R. + Cu++ + O2
R-OO- + Cu+
R. +
C6 H5
R
CN
RY.-
CN
R
CN
C6H5
Cu++
OR'
R
CN
C6H5
R'OH
R
CN
C6H5
117
Sostituzione (Estrazione)
RA + B.
R. + AB
H
O
R
O
R'
R.
H
H
O
R
R'
O
.OR
H
O
R
O
RO. è un radicale elettrofilo (basso SOMO) e preferisce agire su un
orbitale -O-C-H ad alto HOMO.
R. è un radicale nucleofilo (alto SOMO) e preferisce agire su un orbitale
O=C-C-H a basso HOMO
Eliminazione (frammentazione)
RAB.
R C O.
RA + B.
R.
+
OR
RO. +
O
R'
118
Reazioni Radicaliche e Ioniche a Confronto
Chemoselettività
A causa dei requisiti di selettività precedentemente discussi, nelle
reazioni radicaliche possono essere coinvolti solo quei gruppi che
reagiscono con velocità relativamente elevate (k2 > 102). Ciò
implica che le reazioni radicaliche sono compatibili con funzionalità
del tipo OH, NH2, C=O, ..... senza preventiva protezione.
Br
Bu3SnH
AIBN, C6H5, rif.
HO
HO
CN
CN
Bu3SnH
OH CN
OH CN
Regioselettività
Poichè le interazioni degli orbitali (3° termine dell'equazione di
Klopman e Salem) sono il fattore più importante nelle reazioni
radicaliche, la regioselettività di queste è di gran lunga superiore
a quella delle reazioni ioniche dove c'è un consistente contributo
del termine coulombiano.
SOMO
soft
Nu
HOMO hard
LUMO
O
119
Confronto tra Reazioni Radicaliche e
Reazioni Ioniche
Ciclizzazioni
prodotto
cinetico
prodotto
termodinamico
HOMO
δ+
δ+
H
SOMO
H ST rad.
ST rad.
Determinanti i fattori
sterici e di tensione
determinanti i fattori
elettronici
H
I
Bu3SnH
In.
H
H
60%
HO
TFA
CF3COO
H
H
H
30%
120
Confronto tra Reazioni
Ioniche e Radicaliche
Stereoselettività
Br
H
H3 C
CH3
H3 C
H
Br
CH3
Br
HBr
Br
-80°C
H
HBr
Br
-80°C
H3C
Br
CH3
CH3
H
Br
Br
CH3
H
H
A temperatura ambiente si ottiene una miscela quasi
equimolare dei due stereoisomeri. In generale, il radicale
a ponte di bromo è meno stabile dell'analogo ione
bromonio, ciò comporta una notevole perdita di
stereoselettività. Una buona stereoselettività si riscontra,
al contrario, nelle reazioni radicaliche di sistemi ciclici.
R
R
(H2C)n
R
(R)
(S)
+
Y
(H2C)n
(R)
(S)
+
(H2C)n
(R)
Y
R
Alchene
OCH3
H2C=CHCN
NHAc
H2C=CClCN
OCH3
H2C=CHCO2Me
OCH3
t-EtO2CCH=CHCO2Et
Y
trans : cis
n=1
n=2
77:23
65:35
>98
>95
88:12
70:30
98:02
92:08
121
Confronto tra Reazioni
Radicaliche e Reazioni Ioniche
Racemizzazione
Poichè le reazioni radicaliche impiegate nella sintesi organica
sono molto veloci, reazioni collaterali, come riarrangiamenti,
β-eliminazioni, sono, in molti casi soppresse. Inoltre, le reazioni
radicaliche vengono spesso condotte in assenza di acidi o basi
cosicchè sono fortemente inibite reazioni ioniche collaterali
come la racemizzazione.
C C
C C
+
RO-
OR
C C
C C
OR
COOH
H3C C H
OH
OR
CH2I
H3C C H
CO2 R
OBn
O
O
COOH
COOH
HOH2C C H
NH2
CO2Bn
IH2C C H
NHCO2Bn
CO2H
CO2Bn
NHCO2Bn
122
Confronto tra Reazioni Radicaliche
e Reazioni Ioniche
Reazioni "Umpolung"
Dal punto di vista della polarità le reazioni radicaliche possono
essere considerate complementari alle reazioni ioniche. Infatti,
rispetto a quest'ultime, le reazioni radicaliche mostrano una polarità
invertita (daltedesco "Umpolung")
RO
RO C
Specie elettrofila
RO C
Specie nucleofila
X
CN
CN
Bu3SnH
Br
AcO
AcO
AcO
O
OAc
AcO
AcO
AcO
O
OAc
OSiMe3
O
AcO
AcO
AcO
ZnCl2
O
OAc
CO2R
(RO2C)CH +
CO2R
RO2C
CO2R
CO2R
(RO2C)CH +
CO2R
RO2C
CO2R
123
Formazione del Legame
Carbonio-Carbonio
HX
-X.
R C C H + X.
Y
H transfer
R. +
R C C
Y
Y
XZ
-X.
R C C Z
+ X.
Y
Atom transfer
Mn+
R C C
+ M(n-1)+
Y
electron transfer
124
Trapping con Donatori di Idrogeno
Metodo dello Stagno Idruro
R-X
Bu3SnH
+
Y
R
Y + Bu3SnX
AIBN
o DBP
∆
Y
R
R.
Y
Bu3SnH
Bu3Sn
R
R-X
Y
AIBN = Aza-bis-isobutirronitrile
CH3
CH 3
NC C N N C CN
CH3
CH 3
∆
CH 3
2 NC C
+ N N
CH 3
DBP = Dibenzoilperossido
O O
O O
∆ o hν
ν
O
O
+ CO2
125
Trapping con Donatori di Idrogeno
Metodo dell'Idruro di Mercurio
NaBH 4
RHgX
RHgH
Y
R
Y
R.
RHgH
Hg
RHgX + NaBH4
RHg.
R
Y
Da Alogenuri
RX
Mg
HgX
RMgX
O
O
O
92%
O
+
O
O
O
O
95
O
O
5
:
HgCl
+
HC CCO2Me
NaBH4
41%
CO2Me
H
H
72
H
H
:
O
O
H3 C
NaBH4
HgCl +
.
RHgX
CO2Me
28
H
126
Trapping con Donatori di Idrogeno
Metodo del Di-terz-butilperossido
Y
R
R.
Y
R
R-H
Y
Da Chetoni
O
hν
ν
2
O
O.
DTBP
O
O
C 10H21
DTBP
+
C8 H17
O
O
DTBP
+
(CH2)CO2H
(CH2)10CO2H
127
Il Metodo Ossidativo
Y = Gruppo elettron-donatore
Y
ZC
Z = Gruppo
Z C.
elettron-attrattore
(radicale elettrofilo )
Y
Radicale
nucleofilo
Mn+
R
Y
O
O
R' + Mn+
R
R'
R
O
R"
R2
R
+ M (n-1)+
R'
R'
O
Mn+
R
R"
O
Nu
O
R"
R
R'
Nu
R"
R
R'
128
La Sostituzione Omolitica Aromatica
H
O
+
R
R'
.
Y
O
.
Y
Mn+
O
H
-H
+
O
Y
+
Y
O
2 Ce(OAc)4
O
AcOH
O
R
OMe
CAN, MeOH
OMe
t. a., 10 min
O
R
OMe
OMe
O
R
Resa, %
O
Distribuzione isomerica
orto
meta
para
OMe
87
82
2
16
Me
59
51
21
28
Mesitilene
66
Naftalene
50
Benzotiazolo 66
Isomero α
isomeri 5- e 7-
129
La Sostituzione Omolitica Aromatica
Il Metodo Riduttivo
OH + OH- + Fe(III)
H2O2 + Fe(II)
CH3SOCH3
HO
CH3SO2H + CH3
O
S
H3 C
CH3
R-I
CH3-I +
R
H
Ar
R
Ar-H
R-I
Substrato
Prodotto
ICH2CO2Et
p-Tol
N
H
90
O
ICH2CCN
N
H
N
H
N
H
ICH2CO2Et
O
Resa
CH2CO2CH3
N
H
p-Tol
CH2CO2CH3
CH2CO2CH3
O
CH2CO2CH3
S
CH2CO2CH3
S
O
DMSO, H2O2, FeSO4
X
Aux
I
20-40°C
X
*
CO-Aux
ee, 80-98%
Aux. =
N
S
O2
88
65
62
ICH2CO2Et
+
+ H+
59
ICH2CO2Me
N
H
O
Ar-R
130
131
PARTE SECONDA
COMPOSTI ORGANOMETALLICI
E LORO REAZIONI
132
133
ORGANOMETALLI
POLARI
C
M
IA
2.1
H
Li
C
∆el. = 1.5
C.I. = 43%
Na
C
∆el. = 1.6
C.I. = 47%
K
C
∆el. = 1.7
C.I. = 51%
H
C
∆el. = 0.4
C.I. = 4%
1.0
2.5
C
Li
0.9
1.2
Na Mg
K
0.8
IV A
134
NUCLEOFILICITA' e BASICITA' degli
ORGANOMETALLI POLARI
Il rapporto Nu/B diminuisce con l'aumentare
dell'elettrone-gatività del centro basico (in pratica,
andando verso destra e salendo verso l'alto nel
sistema periodico degli elementi). Perciò gli
organometalli cosidetti polari,
sono specie
estremamente nucleofile (Preferiscono reagire con
centri elettofili soft, a basso LUMO, sono determinanti
i fattori cinetici).
Ordine di nucleofilicità:
Nu/B
Eln.
RC- > R2N- > RO- > F 2.5
3.0
3.5
4.0
Nondimeno gli organometalli polari sono anche basi
estremamente forti come può essere facilmente dedotto
dai valori di pKa degli acidi coniugati (nella reattività
come basi sono determinanti i fattori termodinamici,
quali la stabilità dei prodotti)
Ordine di basicità:
RC- > R2N- > RO- > F pKa 48
38
15.7
3.17
135
Effetto della Natura del Metallo M sulla Reattività degli
Organometalli Polari
C-MgX < C-Li < C-Na < C-K
Si
2K
Hg
Si
Si
K
Base estremamente forte
Superbase
Effetto della Struttura del Gruppo R sulla Reattività degli
Organometalli Polari
R
H3C-Li < R-CH2-Li < H
R
pKa = 48
50
60
R
Li < R
R
Li
? (> 60)
136
137
138
Acido
Super acidi
HF-SbF5
FSO3H-SbF5-SO3
FSO3H-SbF5
FSO3H
RNO2H+
ArNO2H+
HClO4
HI
RCNH+
RCH(=OH)+
H2SO4
HBr
ArC(=OH)OR+
HCl
ArCO2H2+
ArCH(=OH)+
RC(=OH)R+
ArSO3H
RC(=OH)OR+
ArOH2+
RCO2H2+
ArC(=OH)R+
Ar-OH-R+
CH(CN)3
Ar3NH+
H2C=OH+
R-OH-R
R3COH2+
R2CHOH2+
RCH2OH2+
H3 O+
Ar-C(=OH)NH2+
HNO3
R-C(=OH)NH2+
Ar2NH2+
HSO4HF
ONOH
ArNH3+
ArNR2H+
RCOOH
HC(=O)CH2CHO
H2CO3
H2 S
ArSH
CH3COCH2COCH3
HC≡N
Base
pKa Appr.
(→ H2O)
SbF6FSO3RNO2
ArNO2
ClO4IRCN
RCH(=O)
HSO4BrArC(=O)OR
ClArCOOH
ArC(=O)
RC(=O)R
ArSO3RC(=O)OR
ArOH
RCOOH
ArC(=O)R
Ar-O-R
C(CN)3Ar3N
H2C=O
R-O-R
R3COH
R2CHOH
RCH2OH
H2O
Ar-C(=O)NH2
NO3R-C(=O)NH2
Ar2NH
SO4=
FNO2ArNH2
ArNR2
RCOO[HC(=O)CHCHO]HCO3HSArS[CH3COCHCOCH3]C≡N-
-12
-11
-10
-10
-10
-10
-9
-7.4
-7
-7
-7
-7
-6.5
-6.5
-6.4
-6
-6
-6
-5
-5
-4
-3.5
-2
-2
-2
-1.74
-1.5
-1.4
-0.5
1
1.99
3.17
3.29
3-5
3-5
3-5
5
6.35
7.00
6-8
9
9.2
139
Continua
Acido
NH4+
ArOH
RCH2NO2
R3NH+
RNH3+
HCO3RSH
R2NH2+
NCCH2C≡N
CH3COCH2COOR
CH3SO2CH2SO2CH3
EtOOCCH2COOEt
CH3OH
H2 O
Base
NH3
ArO[RCHNO2]R3 N
RNH2
CO3=
RSR2NH
[NCCHC≡N][CH3COCHCOOR][CH3SO2CHSO2CH3][EtOOCCHCOOEt]CH3OOH-
RCH2OH
RCH2CHO
R2CHOH
R3COH
RC(=O)NH2
RC(=O)CH2R
RCH2O[RCHCHO]R2CHOR3CORCONHRC(=O)CHR]-
pKa
9.24
8-11
10
10-11
10-11
10.33
10-11
11
11
11
12.5
13
15.2
15.74
16
16
16.5
17
17
19-20
20
Ph-C6H4-CH2SO-Ph
Ph-C6H4-CH2SO2-Ph
-
[Ph-C6H4CHSO-Ph]
[Ph-C6H4CHSO2-Ph]-
20.08
18.91
23
RCH2COOR
RCH2CN
HC≡CH
Ph2NH
EtOC(=O)CH3
PhNH2
Ar3CH
Ar2CH2
H2
NH3
PhCH3
CH2=CHCH3
PhH
CH2=CH2
c-C3H6
CH4
C2H6
CH3-CH2-CH3
(CH3)3CH
[RCHCOOR][RCHCN]HC≡CPh2NEtOC(=O)CH2PhNHAr3CAr2CHHNH2PhCH2CH2=CHCH2PhCH2=CHc-C3H5CH3C2H5[CH3-CH-CH3](CH3)C-
24.5
25
25
24.95
25.6
30.6
31.5
33.5
35
38
40
43
43
44
46
48
50
51
140
Effetto del Solvente sulla Basicità
degli Organometalli Polari
Et
O
R O Et
R Mg X Mg
R
X Mg
X
Et O
Et Et O
Et
Et
Et
Li
R
Li
Li R
Li
R
R Li
Li R
R
Esamero in esano
O
R Mg X
O
Li
R
R
Li
Li
Li
R
R
Tetramero in THF
Reattività:
R-M (esano) <<
R-M (DEE) << R-M (THF)
141
142
Effetto della Coordinazione sulla
Basicità degli Organometalli Polari
Solventi (o Co-solventi):
N
R
H3CO
OCH3
Mg
R
DME (DiMethoxyEthane)
N
+
N
P
N
O- P+
O- M -O N
N P+
O
N
N
P+
N
N N
N
HMPA
(HexaMethylPhosphorictriAmide)
Crown-eteri e Criptanti:
O
O
O
O Li O
O O
O
O
K
O
O
18-Crown-6 (18-C-6)
15-Crown-5 (15-C-5)
O
N
O
O
O
N
O
O
143
TMEDA
H3C
N
CH3
N
Li
H3C
CH3
R
R-CH2-Li + K-O-tBu (LICKOR)
CH3
Li
O C
R-CH2
K
CH3
CH3
Si tenga Sempre presente la forte affinità
del litio per l'ossigeno !!!
144
Preparazione degli Organometalli del
1° e 2° Gruppo
A)
Reazione del Metallo con Alogenuri
R-X + Mg
DEE
o THF
R-Mg-X
Meccanismo:
R-X-
R-X + Mg
.
R-X- + Mg+
.
+
Mg+
R-Mg-X
Il Magnesio Superattivo
Mg + BrCH2-CH2Br
DEE
o THF
MgBr2 + K
MgBr2 + CH2=CH2
Mg + 2 KBr
Precipitato nero pulverulento
finissimo, si incendia all'aria
R-X
+
2 Li
(X = Cl in DEE
(X = Br in THF o DEE
RLi +
LiX
R-Li libero da sali)
R-Li. LiBr)
145
B) Scambio Idrogeno - Metallo
(Metallazione)
R-H + R'-Li
R-MgX
+
pKaR-H = 55
R'-C=CH
R-H + R'C=C-MgX
pKa = 20
C2H5-MgX + HC=CH
H
O
R-Li + R'-H
XMg-C=C-MgX + C2H6
+ n-BuLi
O
Li
Stabile fino a 40-50°C
Br
Li
-30°C
+ n-BuLi
O
O
O
pKa = 33
H
H
CH2
H
CH3
LICKOR
H K CH2
H
CH3
146
Alcuni Gruppi Orientanti la Metallazione
più Frequentemente Usati
S
O
N
Y
R
N
Y
***
O
R
N
R
Y
**
R
***
O
N
Y
NR
Y
***
Y
**
**
N
N
Y
O-
Y
O
**
O
OR
O
NR2
O
**
O
N
Y
***
Y
***
O
Y
O
C
Y
***
**
N
OTHP
Y
Y
**
O
N
Y
**
*
OR
P OR
O
147
Altri Gruppi o-Orientanti la Metallazione
O
OLi
N
R
N
R
H
O
OLi
R
R
R
R
HO
OH
O
+
N
O
H
N
N C O
H2N
OR
N
O
O
Cl
O
OLi
O
N
OMe
OR
N
148
Effetto della TMEDA sull'Orientamento della
metallazione di Aril Derivati
Me
Ph O Ph
Me
O
Li
Li
OMe
Li
Li
Me
O
Li
O
Ph
Me
Ph
TMEDA
OMe
N
N
N
Li
Li
Li
Me O
N
H
Li
N
N
149
150
Sintesi di Indoline e Derivati dell'Indolo
Regioselettivamente Fluorurati
a
Rf
Br
b
Rf
Rf
NH2
NHBoc
NHBoc
c
CO2Et
OH
CO2Et
e
Rf
Br
d
Rf
N
Boc
Rf
N
Boc
N
Boc
f
PO(OEt2)2
PO(OEt2)2
Rf
N
Boc
a. (tBuOCO)2O
(Boc anidride); b. tBuLi, CBr4, THF, -75°C; c. NaH, propargil-Br, THF; d.
HSnBu3/AIBN, C6H6 rifl.; e. O=C(CO2Et)2, D. f. CH2=C(POOEt)2.
R
R
R
R
F
R
F3C
N
Boc
F
N
Boc
N
Boc
N
Boc
N
Boc
F3C
F
R
R
R
R
F3CO
N
Boc
CF3
R
F3C
N
Boc
N
H CO
Boc 3
OCF3
F
N
Boc
CF3
N
Boc
151
C) Lo Scambio Alogeno - Metallo
R
H
C
C
H
t
+
Bu-Li
R
THF
C
-120°C
Br
H
C
H
Li
Quando R = alchile, la reazione è stereospecifica
con ritenzione di configurazione.
O
+ n-BuLi
H
THF
-78°C
Li
O
Br
Li
+ n-BuLi
THF
-78°C
O
O
Quando l'alogeno è il bromo (o lo iodio), lo scambio
alogeno-metallo è più veloce dello scambio idrogenometallo.
Li
Br
n
BuLi
O
H
THF, -78°C
O
H
Br
LIDA
THF, -78°C
Li N
O
Li
= LIDA
152
δ+
H
H
δ-
R
C
Br
δ-
δ+
HH
Br
C R
δ-
Li δ+
δ-
δ+
δ-
δ+
Li
δ-
Li
+
HH
Br C R
δ+
Br +
t
BuLi
Br + BuLi
H3CO
Br
+
t
BuLi
-120°C
Li
-70°C
-120°C
Li
H3CO
SiMe3
+
Br
s
BuLi
SiMe3
-70°C
NC
NC
Br + BuLi
-100°C
Br
Li
Li
NO2
Br
Li
NO2
+ BuLi
-100°C
Br
Li
153
Sintesi di Composti Aromatici
Regioselettivamente Sostituiti
Br
Li
BuLi
THF, -78°C
F
F
CX3COCOOEt
X3C
F
COOR
X3C
OH
COOR
DAST
CH2Cl2, 0°C
F
F
X = H, F
TIPS
Br
TIPS
a
Br
b
Br
Br
c
TIPS
TIPS MOMO
HO
d
O
Si
O
a. BuLi, TIPSCl, THF, -95°C; b. BuLi, o-C6H4Br2, THF, -78°C; c. BuLi, (TMSO)2,
THF, -78°C; d. NaH, ClCH2OCH3, THF, 0°C.
154
Sintesi di Schlosser del Furano di Rosa
centro soft
Br
Br
LDA
O
THF, -78°C
H
Centro hard
CH3
Li
O
Br
Li
Br
CH3I
BuLi
O
O
THF, -78°C
O
Furano di rosa
D)
Scambio Metallo-Metallo
THP-O-CH2-C=C-H + Bu3SnH
hν
ν
THPO
H
C C
H
SnBu3
BuLi
THPO
H
C C
H
Li
O
= THP
155
156
Determinazione del Titolo di
una Soluzione di Butillitio
Impurezze presenti in una soluzione di butilitio commerciale
o non correttamente usata:
C4H9-Li
LiOH
C4H9COOLi
C4H9OOLi
LiH
+
Metodo della Doppia Titolazione
1a Titolazione
C4H9-Li +
LiOH
C4H9COOLi
C4H9OOLi
LiH
+ H2 O
LiOH
Nt =
VH2SO4 NH2SO4
C4H10
LiOH
+
C4H9COOH
C4H9OOH
H2
Vp
2a Titolazione
C4H9-Li + BrCH2CH2Br
LiOH
C4H9COOLi
C4H9OOLi
LiH
Nimp =
+ H2 O
DEE
0°C
C4H9Br + LiBr + CH2=CH2
LiOH
V'H2SO4 NH2SO4
Vp
NC4H9Li =
LiOH
C4H9COOH
+
C4H9OOH
H2
∆V NH2SO4
Vp
157
Il Test di Gilman
Ar
Ar
1. R-Li
2. H3O+
C O
OH
C
Ar
Ar
R
Ar = Me2NC6H4 Chetone di Michler
Ar
OH
C
Ar
I2, AcOH
R
Ar
C R
Ar I
N
C+ R
N
Intensamente colorato
in Verde o Blu
158
159
160
Sintesi con Reattivi di Grignard
A.
Preparazione di Alcooli Primari
1. CH2O
2. H+/H2O
R-MgX
O
1.
2. H+/H2O
B.
R- CH2CH2-OH
Preparazione di Alcooli Secondari
1. R'CHO
2. H+/H2O
R-MgX
1. HCOOEt
2. H+/H2O
C.
R-CH2-OH
R'
CH OH
R
R
CH OH
R
Preparazione di Alcooli Terziari
EtO
R-MgX +
C O
EtO
R
R
C OH
R
161
162
163
164
165
La Riduzione di MeerweinPondorff-Verley
Reattivi di Grignard stericamente molto ingombrati sono
in grado di reagire con chetoni per dare un alchene e
l'alcool prodotto di riduzione del chetone, piuttosto che il
normale prodotto di addizione al carbonile.
R
R2 R1
H
R
C
C
+
C
OMgX
R3 R
R R
R1
R2 C H C
R3 C Mg O
R4
X
4
R1 H
R
R2 C
R
C C
R4
R3 OMgX
R R'
C
CH3
H
CH3
C
O
M
O
A
B
H3C CH
R'
3
R
H
+ C
C
OM
A = Riduzione di Meerwein-Pondorff-Verley
B = Ossidazione di Oppenauer
O
166
COMPOSTI ORGANOMETALLICI
DEL RAME: I CUPRATI
centro hard
H3 C
C
H
H
C
C
1. CH3MgBr
2. H3O+
O
CH3
1. CH3MgBr, CuI
centro soft
2. H3O+
H3C
H
C
OH
C
C
CH3
H
CH3
H H
H3C
C
O
C
C
CH3
CH3
Preparazione:
R-Li + CuI
R-Cu + LiI
Cuprati di 1a generazione
2 R-Li + CuI
R2CuLi + LiI
Cuprati di 2a generazione
3 R-Li + CuI
R3CuLi + LiI
I cuprati sono basi molto deboli se paragonate ai loro
precursori R-Li, ma sono ottimi nucleofili.
Cl
Li
Cl
O
Cl
Cl
H
Cu
O
O
167
REAZIONI DEGLI ORGANOCUPRATI
A. Sostituzioni Nucleophile SN2
R'
R Cu X
R'
R-X + R'2CuLi
R-R' + R'CuX
B. Sostituzioni Nucleofile al Carbonio sp2
I
CH3
(CH3)2CuLi
90%
Br
CH3
(CH3)2CuLi
81%
C. Sostituzioni Nucleofile SN2'
CH3
CH3
+ (CH3)2CuLi
80%
OCOCH3
C C
OCOCH3
C5H11
+ CH3Cu-LiBr-MgBrI
H
C C C C H
5 11
H3C (S)
100%
168
Reazioni di Cuprati
1. tC4H9Li
I
2. CuCN
CuCNLi
DEE, -78°C
OCH3
OCH3
CuCNLi
OAc
C
DEE, -78°C
OCH3
OCH3
Spencer, T. A. et al. J. Org. Chem. 2000, 65, 1919
169
REAZIONI DEGLI ORGANOCUPRATI
D.
Apertura di Epossidi
OH
1. (CH3)2CuLi
O
tipo SN2
2. NH4Cl
OH
1. (CH3)2CuLi
tipo SN2'
2. NH4Cl
O
E. Addizione Coniugata a Composti Carbonilici α,β-Insaturi
O
R
R
1. R2CuLi
R'
O
R
2. NH4Cl
R'
meccanismo proposto:
O
R2Cu(I)
+ R
O
t
Bu
t
Bu
R2Cu(II)
R'
H
R2Cu(II) +
H
R
O
R
1. (CH3)2CuLi
2. NH4Cl
R
R'
+ RCu(I)
O
O
Bu
t
R'
O
R
R'
O
t
t
Bu
Bu +
But
170
REAZIONI DEGLI ORGANOCUPRATI
F.
Addizione ad Esteri Acetilenici α,β-Insaturi
O
O
O
OCH3
OCH3
(R)
OCH3
Cu
H
CuLi
2
Per avere un'ottima stereoselettività la reazione
deve essere condotta rigorosamente a -78°C !!!!
La stabilità del complesso intermedio dipende
marcatamente dalla temperatura e già a -60°C si
può avere l'isomerizzazione del doppio legame
G. Addizione al Triplo Legame C=C
.
C2H5Cu MgBr2 +
Cu.MgBr2
H
H
NH4Cl
ElX
H
El
H
H
Stereospecifica sin
171
172
173
174
Sintesi di Arilchetoni
Regioselettivamente Fluorurati
Br
MgBr
a
F
b
F
OTMS
F
CuBr.LiBr
COOH
c
O
d
EtO
F
F
F
O
MeO
OTMS
Br
F
a
MgBr
F
b
R
F
CuBr .S(CH3)2
O
R
F
F
N
N
c
MeO
d
O
EtO
F
R
a. Mg, THF t.a.; b. CuBr.LiBr o CuBr.S(CH3)2, 3-oxocicloesene,
TMSCl; c. CAN, CH2=CHOEt, MeOH, t.a.; d. H2SO4, 80%, DDQ.
175
CAPITOLO V
COMPOSTI ORGANOMETALLICI
DEI
METALLI DI TRANSIZIONE
176
ORGANOMETALLI DI
ZINCO, CADMIO e MERCURIO
II A
C.I.=
34%
1.2
Mg
II B
d10s2
C.I.
19%
1.6
Zn
Il legame C-M(IIB) ha un carattere
molto meno polare rispetto a
quello del legame C-M(IIA) tali
organometalli sono molto meno
basici e molto più nucleofili dei
reattivi di Grignard.
C.I.
16%
1.7
Cd
C.I.
9%
1.9
Hg
Preparazione
2 RMgX + CdX2
R2Cd + 2 MgX2
2 RMgX + HgX2
R2Hg + 2 MgX2
La reazione ha la sua "drawing force" nella maggiore
tendenza del metallo più elettropositivo (il magnesio)
alla formazione di sali ionici spesso insolubili nel
mezzo di reazione.
177
REAZIONI DEGLI ZINCOORGANICI
La reazione di Reformatsky
O
HO
O
+ Br-H2C
OEt
H3O
+ Zn
ZnBr2 + 2 K
2 KBr + Zn
Zn + HgCl2
Zn(Hg) + ZnCl2
zinco di Rieke
zinco amalgama
O-ZnBr+
O
Br-H2C
O
CH2COOEt
+
+ Zn
EtO
OEt
1. CH3CHBrCO2Et
Zn/Hg
2. H2O/H+
HO
CHCOOEt
Et2O, rifl.
F
F
H3O+
H3C CHCOOH
H3C CHCOOEt
DDQ
F
F
178
REAZIONI DEI COMPOSTI
ORGANOMETALLICI DELLO ZINCO
ADDIZIONE DI DIALCHILZINCO ALLE ALDEIDI
R
*
R'
OH
CH3
H
(R'CH2)2Zn
Me
(S)
O
(S)
N Me
Zn
R'
CH3
(S)
(S)
R'
R'
Me
N Me
O
Zn
Zn
R'
O
(S)
O
R'
R
Zn
R'
Zn
R'
H
RCHO
CH3
CH3
(S) Me
N Me
(S)
O
R'
Zn
R'
(S)
N
Zn
Me
Me
R'
179
ADDIZIONE ENANTIOSELETTIVA DI
DIETILZINCO ALLE ALDEIDI
Aldeide = 2-Naftaldeide
R (cat.)
H3C
H
H
N
Zn O
O
Zn
H3C
Zn
H
N
O
O H Zn
C
H
Fenyle
1-Naftile
attacco alla
faccia si
attacco alla
faccia re
OH
OH
(R)
(S)
t-Butile
i-Propile
gem-Difenile
Conf.
cat.
Resa
%
ee, %
(config.)
Rp
80
53 (S)
Rp,R
98
84 (R)
Rp,S
98
83 (S)
Rp,R
97
88 (R)
Rp,S
97
90 (S)
Rp,R
Rp,S
44
87
52 (R)
Rp,R
Rp,S
47
86
49 (R)
99 (S)
Rp
100
67 (S)
99 (S)
(RpS), R = tBu
Aldeide
Resa
%
ee, %
(conf.)
H
Zn
O N
Zn
O
O ZnN
2-Naftaldeide
87
99 (S)
H
Zn O
H3C
H
H3C
1-Naftaldeide
84
98 (S)
Benzaldeide
84
97 (S)
o-Tolualdeide
80
98 (S)
m-Anisaldeide
82
98 (S)
p-Anisaldeide
32
96 (S)
Cicloesan-3-carbaldeide
98
> 99 (S)
3,5-bis(CF3)benzaldeide
98
99 (+)
OH
OH
3-piridincarbossaldeide
92
74 (S)
(S)
(R)
Cinnamaldeide
49
84 (S)
TS5 (meno favorito)
attacco alla
faccia si
minoritario
G. Ricci, R. Ruzziconi Tetrahedron: Asymmetry 2005, 16 (10), 1817.
TS6 (più stabile)
attacco alla
faccia re
maggioritario
H
180
REAZIONI DEI MERCURIOORGANICI
I sali di mercurio, in virtù della loro tendenza a reagire con
legami π, sono impiegati molto spesso come catalizzatori
nella idratazione di alcheni ad alcooli secondo Markownikoff.
1. Hg(OAc)2
2. NaBH4
OAc
R
H
R'
H
+
1. HgX2
2. Nu
R'
Nu
R
Nu
R'
R
Hg
OX
NaBH4
HgOX
Meccanismo
Nu
R'
R
Nu
R'
R
NaBH4
HgOX
Nu
R'
R
Nu
R'
R
HgH
Nu
R'
R
Nu
R'
R
Hg
HgH
H
Hg
Nu
R'
R
181
REAZIONI DEI MERCURIOORGANICI
R
ClHg
Me3SiO
R
HgCl2
R
HI
H
+
R
R
O
R
O
H +H B
O
O
B2H6
H
Hg(OAc)2
B O
O
R
R
H
H
Hg
OAc
3B
Hg(OAc)2
Br
R
Br2
R
HgOAc
REAZIONI DEI CADMIOORGANICI
I composti cadmio-organici sono molto meno reattivi
dei corrispondenti litio- e magnesio-derivati e sono,
pertanto molto più selettivi. Essi sono utilmente
impiegati in quelle reazioni dove è determinante la
chemoselettività.
O
O
O
Cl
+ Cd(CH3)2
O
CH3
182
COMPOSTI ORGANOMETALLICI DEI
METALLI DI TRANSIZIONE
Il Processo di Polimerizzazione Ziegler-Natta
[M]-CH2-CH2R +
CH3
[M]-(CH2-CH)n-CH2-CH2R
H3C
Il Processo Wacker (Sintesi dell'Aldeide Acetica)
CH2=CH2
Pd(II)
+ O2
Cu(II)
CH3CHO
Il Processo Fischer-Tropsch
[Cat.]
CO +
Idrocarburi Cn
H2
[Cat.] = Co : ThO2 : MgO
100
5
8
L'Idrogenazione Catalitica
H2
(Ph3P)3RhCl
(Ph3P)3RhCl catalizzatore di Wilkinson
H
H
183
Effetti della Coordinazione sulla Reattività
dei Composti Organici
In generale la coordinazione di un composto organico con un
metallo di transizione ha come effetto una marcata
alterazione della struttura elettronica di tale composto da
fargli subire diversi tipi di reazione altrimenti impossibili con
la molecola libera.
d2s2
d3s2
d4s2
d5s2
d6s2
d7s2
d8s2
4e
5e
6e
7e
8e
9e
10e
3
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Kr, 3d104s24p6
4
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Xe, 4d105s25p6
5
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Rn, 5d106s26p6
M, dns2; M, dn+1s1; M
Gas nobile
dn+2s0
La Regola dei 18 elettroni
Molti di questi metalli coordinano una varietà di ligandi in
modo da raggiungere la configurazione stabile di 18 elettroni
(configurazione elettronica del gas nobile successivo).
Nel caso di Ti, Zr, Ni, Pd, Pt uno degli orbitali d ha
un'energia talmente elevata per la coordinazione da rendere
possibili complessi stabili a 16 elettroni.
184
TIPI DI LIGANDI
Ligandi non Idrocarburici
Sono classificati in base al numero di elettroni con cui
partecipano al complesso.
0e
Acidi di Lewis: AlX3,
1e
-X (alogeno), -H, -NO, -CN
2e
Basi di Lewis: :PR3, :P(OR)3,
:C≡
≡O+, R-C≡
≡N:,
R-N+≡C:-, R3N:,
R2O:, R2S:
3e
:NO
BH3, .......
185
TIPI DI LIGANDI
Ligandi Idrocarburici
Sono classificati in base al numero
di carbonio legati al metallo)
η1 (1 C)
-R, -Ar,
η2 (2 C)
(numero di atomi
σ
n
π
η3 (3 C)
η
π
η4 (4 C)
η5 (5 C)
η6 (6 C)
η7 (7 C)
η8 (8 C)
Vengono considerati solo gli atomi di carbonio coinvolti nel
legame con il metallo
186
Calcolo del Numero di elettroni
Esterni in un Complesso
N° di elettroni del metallo nel suo stato fondamentale
+
Somma dei valori di η dei ligandi idrocarburici
+
Somma degli elettroni donati da altri ligandi
+
Numero di cariche negative sul metallo (o del complesso)
-
Numero di cariche positive sul metallo 8 (o del complesso)
η5
η5
Fe(8e)
η5
8 + (2 x 5) = 18 e
(8e)
2e
Ph2P Ru Cl 1e
PPh2
2e
5 + 8 + (2+2+1) = 18e
η5
Mo (6e)
2e OC
ON
3e
η3
6 + (5+3) + (3+2) - 1 = 18e
η5
Fe (8e)
2e OC
OC
2e
η2
8 + (5+2) + (2+2) - 1 = 18e
187
IL LEGAME DI COORDINAZIONE
(LEGAME IDROCARBURO- METALLO)
Il Modello di Chatt-Dewar-Duncanson per l'etilene
HOMO
LUMO
M -
- +
M
+
-
+
+
-
-
+
M M
LUMO
HOMO
-
+
-π
La grandezza dei due effetti (donation e back-donation)
dipende dalla natura del metallo per cui.......
....... un idrocarburo coordinato al metallo può risultare
una specie più ricca (nucleofilo) o meno ricca (elettrofilo)
di elettroni rispetto all'idrocarburo libero.
188
EFFETTI ELETTRONICI DELLA
COORDINAZIONE
COOH
COOH
OC Cr CO
OC
pKa = 5.68
pKa = 4.77
π
COOH
M
COOH
O2N
pKa = 5.68
pKa = 4.48
COOH
Cr
pKa = 6.15
OC
PPh3
OC
π
M
Gli effetti elettronici di coordinazione dipendono anche
dalla natura degli altri ligandi: il -C O+ è un ligando buon
accettore di elettroni mentre la :PPh3 è un ligando buon
donatore di elettroni.
189
EFFETTI ELETTRONICI
DELLA COORDINAZIONE
R
R
OH
OH
Cr
OC
CO
OC
Sostituente
pKa1
pKa2
p-CH3
H
11.28
11.02
7.32
7.09
m-COOMe
10.05
6.77
m-COMe
9.99
6.82
p-COOMe
9.17
6.40
p-COMe
8.81
6.31
Ph
BuOK, DMSO-d6
H
Cr
OC CO
OC
D
Ce(IV)
D
H
Cl
+
CH3ONa
+
CH3ONa
Cl
65°C
OC Cr
OC CO
nessuna reazione
OCH3
Cr
OC
CO
OC
H
H
Cr
OC CO H
OC
Ph
t
t
BuOK, DMSO-d6
D
D
OC Cr CO H
OC
190
EFFETTI ELETTRONICI
DELLA COORDINAZIONE
Delocalizzazione della carica
C
C
Cr
OC
OC
Cr
CO
OC
OC
CO
AcOH
CH2Cl
CH2Cl
OC Cr CO
OC
k1
CH2OAc
AcOH
k2
k2
= 100
k1
CH2OAc
OC Cr CO
OC
191
EFFETTI ELETTRONICI
DELLA COORDINAZIONE
La Natura del Metallo
COOH
COOH
pKa = 7.00
pKa = 7.00
COOH
COOH
Fe
OC
CO
OC
OC Fe CO
OC
pKa = 7.50
pKa = 7.25
O
CH3COCl
SnCl4
OC Fe CO
OC
OC Fe CO
OC
CH3
Contrariamente al cromo tricarbonile, il ferro tricarbonile si
comporta come un donatore di elettroni. Tuttavia, per effetto
mesomero esso è in grado di stabilizzare anche una carica
negativa.
192
EFFETTI STEREOCHIMICI
DELLA COORDINAZIONE
OC
OC
R
OC
R
CO
Fe
Fe
OC
OC
CO
CO
Enantiomeri
CO
CO
Enantiomeri
MeO
OMe
CH3
OC
OC
H3C
Cr
CO
OC
CO
CO
OMe
CH3
Ligandi prochirali
1. NaH
2. CH3I
O
Cr
CO
(-)
R
R
Cr
Enantiomeri
OC
OC
Fe
R R
Fe
CH3
(R)
OC
OC
O
Cr
decompl.
H
CH3
CO
(-)
(R)
(-)
O
H
193
IL CICLO CATALITICO
Per agire come catalizzatore il metallo deve poter
cambiare il numero degli elettroni ad esso associato di
2 o 4 unità. Poichè il numero totale di elettroni non può
essere superiore a 18, molte specie catalitiche
possiedono 14 o 16 elettroni.
Processi fondamentali coinvolti nel ciclo catalitico
Coordinazione - Dissociazione
coordinazione
(+2e)
[M] + :L
[M]-L
dissociazione
(-2e)
Addizione - Eliminazione Pericicliche
addizione
(+2e)
[M] + Z-Y
eliminazione
(-2e)
[M]
Z
Y
194
Migrazione di Ligandi
Migrazione dal ligando
al metallo (+2e)
O
[M]
R
Migrazione dal metallo
al ligando (-2e)
Migrazione dal ligando
al metallo (+2e)
[M]
η1
H
Migrazione dal metallo
al ligando (-2e) (β
β-elimin.)
O
C
[M]
R
[M]
H
η2
195
IDROGENAZIONE CATALITICA
L = :PPh3
L3RhCl
(16e)
:L
L2RhCl
+ H-H
add. peric.
(14e)
H
H
H
L Rh H
L
Cl
(16e)
coord.
L Rh
L
Cl
(16e)
H
L Rh
L
Cl
(16e)
migr.
H
+ H-H
add. peric.
H
L Rh
L
Cl
(18e)
196
IDROFORMILAZIONE
HCo(CO)4
(18e)
- CO
+ CO
HCo(CO)3
(16e)
coor.
CO
OC
elim.
peric.
H
OC
OC
OC H
Co
OC
H
(18e)
O
coor.
H-H
H
migr.
OC
OC
OC Co
OC
(16e)
O
O
OC Co
OC
(16e)
coor.
CO
migr.
OC
OC Co
OC CO
(18e)
197
NICHEL
Il processo più importante che coinvolge complessi del
nichel come catalizzatori è il "coupling" di alogenuri
alchilici, vinilici ed arilici. La reazione procede attraverso
le fasi di coordinazione o di addizione periclica e di
eliminazione periciclica.
A.
1
Reazioni di coupling coinvolgenti complessi η
R
[Ni]
R-R + [Ni]
R
Esempi:
Br
2
Ni[COD]2
2 N C
Br
Ni[COD]2
II
N C
(18e)
N
MeO
+ NiBr2
(18e)
C N
+ NiBr2
N
Ni(PPh3)4
OMe
(18e)
MeO
OMe
+ NiI2
NiX2 + Zn
4 PPh3
Ni(0)(PPh3)4 + ZnX2
198
REAZIONI DI COUPLING
CATALIZZATE DAL NICHEL
1. BuLi.
NH2
2. H3CO
H
N
CO2CH3
O
THF
OCH3
(R)
HCl conc.
N
Br
H
N
POBr3
O
120°C, 1.5 h
NiCl2 6H2O, PPh3, Zn
DMF, 50°C, 1h
H3
H9s'
H
H
N
H
H10s'
N
H9s
H10s
N
N
H3'
(R,R)
(R,R)
NiCl2.6H2O, PPh3, Zn
DMF, 50°C, 1h
O
NH
Br
POBr3
100°C, 7 h
N
(H3PO4)n
110°C, 30 min
O
O
NH
H2NCH2CH(OEt)2
Cl
DDE, 20°C
MeO
OMe
G. Ricci, R. Ruzziconi, E. Giorgio J. Org. Chem. 2005, 70, 1011
(R)
199
Reazioni di CROSS-COUPLING
In presenza di complessi di Ni(0) si possono avere
anche reazioni di cross-coupling fra aril- e vinil
alogenuri e composti organometallici di Mg, Li, Zn, Zr,
Al. Il primo passaggio consiste nell'addizione periciclica
dell'alogenuro vinilico o arilico al metallo per dare
complessi aril- o vinil- nichel.
L2Ni X2 + R-MgX
Ar
Ar-X
L2Ni
(II)
(0)
L2Ni(II)
(14e)
(16e)
(16e)
X
R-MgX
Ar-R
Ar
L2Ni
(II)
(16e)
Ph2P
Cl +
Cl
Ni
R
PPh2
Cl
MgBr
98%
I+
MgBr
Ni(PPh3)4
84%
I + R
ZnCl
Ni(PPh3)4
R
87%
Ni[COD]2 =
Ni
COD
C4H9
200
Reazioni di CROSS-COUPLING
Se nelle reazioni di cross-coupling catalizzate da complessi
del nichel vengono impiegati reattivi di Grignard secondari, si
possono ottenere prodotti di coupling riarrangiati.
Ni(II)
Cl + XMg
Ph3P
Ph3P
Ni(0)
Ph3P
(14e)
Cl
Ni(II) + XMg
Ph3P
Cl
Cl
XMg
Ph3P
Ph3P
Ni
Ph3P
(16e)
H
Ni
Ph3P
Cl
(16e)
η1
trasf. lig.
Ph3P
Ni
H
Ph3P
(18e) η2
Ph3P
Ni
Ph3P
(16e)
elim. per.
Ph3P
+
Ni
Ph3P
201
B. Reazioni di coupling coinvolgenti
complessi η3 del nichel
La possibilità da parte del nichel di formare complessi di
tipo η1 e η3 con ligandi idrocarburici permette di ottenere
prodotti di eterocoupling per formazione del legame
carbonio-carbonio. Così, i complessi [(η
η3-allile)NiBr]2,
ottenuti facilmente dalla reazione di bromuri allilici con
Ni(COD)2 o Ni(CO)4, reagiscono con alogenuri alchilici per
dare olefine sostituite.
Ni
Br
Br
(14e)
Br
2
Ni
R-X
Br
Ni X
R (16e)
Ni
S
Solvente d.a.
(16e)
el. per.
R
Br
+
Ni
R-X
+ NiBrX
+ NiBrX
R
2
Il processo può essere reso catalitico per aggiunta di zinco
metallico. Nel sistema allilico possono essere presenti
diversi gruppi , come OCH3 o COOEt.
Br
Br
NiBrX + Zn
ZnBrX + Ni(0)
Ni
2
202
Reazioni dei Complessi η3 del Nichel
Br
MeO
+
Ni
R-X
O
MeO
2
R
R
O
MeO
Br
Br
Il complesso
acetonile
MeO
è l'equivalente sintetico del gruppo
Ni
2
Esempi:
O
OCH3
Br
+ MeO
Ni
Br
2. H3O+
2
O
COOCH3
DMF
O
OCH3
BH4-
O
O
O
O
NaH
O
O
N
H
Br
O
Br
+
Ni
2
N
H
203
Reazioni dei Complessi η3 del Nichel
I complessi [(η
η3-allil)NiX]2 reagiscono con alogenuri allilici per
dare i dieni-1,5. La reazione globale consiste nel "coupling" di
due alogenuri allilici. L'applicazione più importante è la sintesi
di anelli medi, grandi e macrolidi attraverso il coupling
intramolecolare catalizzato da Ni(CO)4 di una molecola avente
due sistemi allilici terminali. Ecco alcuni esempi:
Br
Br Ni(CO)4
Br
Ni
DMSO
OAc
OAc
2
Ni
OAc
59%
n=12
Br
+ Ni(CO)4
Br
n=14
75%
n=18
80%
Alcoli allilici e β-idrossichetoni possono essere sintetizzati
per reazione di complessi η3- NiX2 e chetoni
Br
Ni
+
OH
O
2
Br
MeO
Ni
2
1. R2C=O
2. H3O+
OH O
R
R
204
LA REAZIONE DI FELKIN
+ 2 CH3MgBr
L2NiCl2
CH3
CH3 +
OH
+
CH3
Meccanismo:
A.
B.
C.
L2Ni(0) + R-R + 2 MgClX
L2NiCl2 + 2 R-MgX
OH + R-MgX
OMgX
+ R-H
OMgX
R
L2Ni(0)
(14e)
R
XMgO
η2
L
Ni
L
2
(16e) η
L
(16e)
R L L
Ni
3
(18e) η
Ni
L
R-MgX
- MgO, MgX2
205
Aspetti Stereochimici della
Reazione di FELKIN
H3C H
(S)
OH
+ 2
MgBr
Meccanismo probabile
H3C H
Ph-[Ni]
L2NiX2
Inver.
CH3
H
CH3
H
ee = 23% (-)-R
Ph-[Ni]
(S)
OH
(S)
(S)
CH3
XMgO H
OMgX
Ph-[Ni] CH3
H
(R)
Ph-[Ni]
Ph-[Ni]
CH3
H
inv.
CH3
H
inv.
Ph
CH3
H
(R)
H3C [Ni]-Ph
H
Ph-[Ni]
(-)-R
CH3
(S)
rit.
CH3
H
Ph-[Ni]
H
CH3
H
Ph
CH3
H
Ph-[Ni]
rit.
Ph-[Ni] H
CH3
206
Aspetti Stereochimici della
Reazione di FELKIN
L'impiego di ligandi chirali del nichel nella reazione di Felkin
permette di ottenere olefine otticamente attive. Tuttavia gli
ecessi enantiomerici non sono eccezionali. La reazione non
ha un elevato valore sintetico.
Esempi:
C6H5
(R)
Ph2P
OH
+ R-MgX
Ni
(-)-DIOPNiCl2
C6H5
Ph2P
Ni
OMgX
PPh2
R
H
OH + CH3-MgBr
R
(R)
O,O'-Isopropilidene-2,3-diidrossi1,4-bis (difenilfosfino)butane
ee = 15%
H
L2*NiCl2
H3C
Ph Ph
O
Cl
P
(R)
Ni
(R)
Cl
P
O
Ph Ph
(-)DIOPNiCl2
PPh2
R
(S)
L*
Ni L*
CH3
H
ee = 15%
C6H5
(R)
Ph2P
PPh2
Ni
Cl Cl
(R)-(-)-1,2-bis(difenilfosfino)1-feniletano
207
PALLADIO
Nella chimica dei composti organometallici del palladio è bene
tener presenti quattro aspetti fondamentali:
1.
Le reazioni catalizzate dal palladio avvengono generalmente in presenza di ligandi che coordinano il palladio e
possono giocare un ruolo chiave sia per quanto riguarda
la reattività dell'intermedio sia per quanto riguarda la
regiochimica del processo.
2. Il legame C-Pd è relativamente debole specialmente in
presenza di idrogeni in posizione β. Lo stadio finale di molte
reazione catalizzate dal palladio consiste nell'eliminazione di
Pd(0) e H+.
Questa tendenza verso l'eliminazione distingue i composti
organometallici del palladio da tutti gli altri organometalli.
3. Le specie organopalladio con due sostituenti organici
mostrano la stessa tendenza alla decomposizione e
ricombinazione dei gruppi organici esibita dai composti
organometallici del nichel.
4. I complessi organici del palladio son specie elettrofile.
HOMO
LUMO
Pd
-
-
+
208
A. Complessi π del Pd(II), η2
I complessi organopalladio vengono generalmente preparati
"in situ"; nei processi più importanti il palladio viene usato in
quantità catalitiche. Gli alcheni reagiscono con Palladio (II) per
dare complessi η2 soggetti ad attacco nucleofilo.
Pd+
Nu
Pd++
+ Pd(II)
R
R
R
η2
-H
R
Nu
eliminazione
Pd+
+
-[Pd(0)]
R
Nu
1
η
Nu
[H]
-[Pd(0)]
R
Nu
riduzione
209
IL PROCESSO WACKER
Un importante processo industriale che sfrutta i complessi η2
del palladio (II) è il processo Wacker per la sintesi dell'aldeide
acetica per ossidazione dell'etilene.
Pd+2
+ Pd(II)
HO
H2O
H
Pd+2
H
O
HO
1/2O2
2 Cu+
Pd2+
OH-
2 Cu2+
Pd(0)
HO
CH3CHO
Pd2+
H2O
HO
Pd+
H+
H H HH
CH2=CH2 + 1/2 O2
CH3CHO
O
O
PdCl2
CuCl2, H2O
O
68%
210
Complessi η3 del Palladio
I complessi η3 del Palladio possono essere ottenuti sia
dalla reazione di acetati allilici, o altri derivati allilici con più
o meno buoni gruppi uscenti, con Pd(0), sia dalla reazione
di alcheni aventi idrogeni allilici con PdCl2 o Pd(OTFA)2 .
(0)
R' L2Pd
R
R
R'
Pd
L
X
L
X
R' Pd++
R
H H
L
L Pd++
R
2L
R
R'
Pd+
L
L
R'
R
R'
Pd+H H
L
L
H H
Pd++
R
-X-
Pd(0)
R
Pd+ X
L
L
R
-
X
Nu
R
R
+
CuCl2
Nu
Nu
L2Pd(0)
+X-
L Pd L
X
211
Reazioni dei Complessi η3
del Palladio
L
OCOMe
MeO2C
Pd(PPh3)4
L
Pd+
MeO2C
CO2Et
C
MeO2C
CO2Et
C H
CO2Et
H
CO2Et
L
NaH
MeO2C
PhO2S
OCOMe
NaH
O
Pd(PPh3)4
O
O
Pd(PPh3)4
+
Pd+L
MeO2C H
PhO2S
O
O
O
O
O
L
Pd+
PhO2S CO2Me
PhO2S CO2Me
L
212
SOSTITUZIONE NUCLEOFILA
ALLILICA CATALIZZATO DA Pd(0)
EtO
OSiMe3
O
CAN,
MeOH, t.a.
O
NO2
+
EtO
ONO2
EtO
55:45
NaHC(CO2Me)
Pd(PPh3)4
THF, t. a.
O
Ph3P
Pd
PPh3
O
COOMe
EtO
EtO
COOMe
+
MeOOC
O
COOMe
5
EtO
EtO
O
OSiMe3
O
O
CAN,
ONO2
+
MeOH, t.a.
ONO2
OEt
OEt
O
O
60:40
N
Pd(PPh3)4
THF, t. a.
O
O
O
O
+
OEt
OEt
O
O
97:3
95
213
MeO2C
HC(COOMe)2
[PN]cat., 5%
CH2Cl2, t.a.
OCOCH3
CO2Me
(s)
ee, 60%
N
P
[PN]cat.
P
P
N
H N Pd
H
H
H
H
H
Pd
H
H
H
H
(R)
P
H
H
N
P
Pd
H
H
(S)
N
H
H
H
H
Pd
H
H
P
H
H N Pd
H
H
H
(R)
214
Complessi η1 del Palladio
Alogenuri alchilici, arilici o vinilici reagiscono con alcheni in
presenza di quantità catalitiche di palladio(0) per dare prodotti
di sostituzione dell'alogenuro con un gruppo alchenile. Questo
processo prende il nome di
La reazione di HECK
Y
Br +
Y
(Ph3P)2Pd(OAc)2
Base
80-90%
La reazione ha inizio con l'addizione ossidativa (Add. periciclica)
dell'alogenuro su una specie del Palladio (0) generata in situ da
Pd(II) (in genere Pd(OAc)2.
Pd(OAc)2 + 2 PPh3 + CHY=CH2
Br
Pd(PPh3)2 +CHYCH2OAc + AcOH
PPh3
Pd Br
PPh3
PPh3
Pd Ph3
Pd(PPh3)2
Y
PPh3
Ph3P Pd
Y
+
HN+(C2H5)3
N(C2H5)3
Y
H
H
Y
215
Complessi η1 del Palladio
Esempi della reazione di HECK
C4H9
Pd(0)
Br +
C4H9
C4H9
Br
+
Pd(0)
Pd(OAc)2
(R)-BINAP
K2CO3; Tol.
H3CO
H3CO
(S)
OTs
62%, 95% ee
216
Complessi η1 del Palladio
La reazione di SONOGASHIRA
La reazione di Sonogashira è concettualmente molto simile alla
reazione di Heck e consiste nel "coupling" di un aril alogenuro ed un
alchino terminale. La reazione è catalizzata da complessi di
palladio(0) ed usa come co-catalizzatore un sale rameoso
(generalmente CuI).
R
Br +
R
(I)
Pd(PPh3)4/CuI
R
base
80-90%
Il meccanismo della reazione di Sonogashira è molto simile a quello
della reazione di Heck. Unica variante la presenza di un sale rameoso
che forma inizialmente un alchinilcuprato che, in seguito, subisce la
transmetallazione con il palladio.
R
H
N(C2H5)3/CuI
PPh3
Pd Br
PPh3
Br
Pd(PPh3)2
R
Cu
Cu
PPh3
Pd
Ph3
R
R
R
217
Complessi η1 del Palladio
Esempi della reazione di SONOGASHIRA
La reazione di Sonogashira è molta adatta alla sintesi di bisarilalchini non simmetrici che possono essere preparati con una
reazione one-pot applicando la cosiddetta reazione silaSonogashira.
R
Br +
R
Pd(PPh3)4
R
Si(CH3)
Si(CH3)3
(I)
80-90%
R'
Br
R
Si(CH3)
R'
R
Na2CO3,Pd(PPh3)4
Si(CH3)3
I
Br +
Si(CH3)3
Br
Si(CH3)3
HO
Br + B
HO
Pd(OAc)2
Na2CO3
CF3
OH
F3C
OH-/H2O
CF3
OH
F3C
218
Complessi η1 del Palladio
La reazione di uno stannano (o composto organometallico
dello stagno) con un carbonio elettrofilo catalizzata da palladio
prende il nome di
La reazione di STILLE
R1X + R2Sn(R3)3
Pd(0)Ln
R1-R2 +
(R3)3SnX
La reazione ha inizio con l'addizione ossidativa (Add. periciclica)
dell'alogenuro su una specie del Pd (0) generata in situ da Pd(II) (in
genere Pd(OAc)2 aggiungendo un leggero eccesso di stannil
derivato.
Pd(II)
R2Sn(R3)3
Pd(0)L2
R1-X
Add. Ox
R1-Pd-L2-X
R1-R2
R2Sn(R3)3
El. Rid.
R1-Pd-L2-R2
Transmetallazione
XSn(R3)3
La reazione di Stille va assumendo un'importanza crescente in chimica
organica sintetica in quanto in essa possono essere usati molti e
diversi tipi di substrati.
219
Complessi η1 del Palladio
La tabella seguenteenumera una serie di possibili elettrofili al carbonio e
di stannani che possono essere accoppiati in ogni combinazione con la
reazione di STILLE.
R1-X
R2-SnR3
R1-X
H-SnR3
Ar-CH2-X
O
R
R2-SnR3
SnR3
(X = Cl, Br)
Cl
R'
SnR3
X
(X = Cl, Br)
Ar-X
(X = Br, I)
SnR3
SnR3
X
X
(X = I, OTf)
COOR
(X = Br, I)
SnR3
R'
R'-SnR3
NB. Il trasferimento di semplicic gruppi alchilici R (-CH3, -C4H9) dallo stagno al
palladio è un processo molto lento paragonato al trasferimento di R2.
Esempi della reazione di STILLE
Ph-Sn(CH3)3
Pd(PPh3)2Cl2
I
O
Br
O
Br
THF, t.a.
Ph
MEMO
O
O
O
MEMO
I
Ph
SnBu3
(S)
OH O
Pd(0)
H3O+
O
HO
(S)
O
220
Complessi η1 del Palladio
Nel caso della reazione di Suzuki un composto organoboro,
generalmente un acido boronico, viene fatto reagire con un aril
(o alchenil, o alchinil) alogenuro in presenza di palladio(0)
come catalizzatore.
La reazione di SUZUKI
R X + R'B(OH)2
(X = Br, I)
Pd(0)L2
R-R'
Base
Come nelle reazioni di Heck e di Stille, la reazione ha inizio con
l'addizione ossidativa (Add. periciclica) dell'alogenuro su una
specie del Palladio (0) generata in situ da Pd(II) (in genere Pd(OAc)2.
Pd(OAc)2 + 2 PPh3 + CHY=CH2
Pd(PPh3)2 +CHYCH2OAc + AcOH
Pd(II)
CHY=CH2
Pd(0)L2
R-R'
R-X
Add. Ox
L
R-Pd-X
L
El. Rid.
L
R-Pd-R'
L
OH
R' B Base
OH
Transmetallazione
Base-B(OH)2
+ X-
221
Complessi η1 del Palladio
Esempi della reazione di SUZUKI
Br
C4H9Li
Li
CH3
1. B(iC3H7)3
2. HCl aq.
OH
B
OH
CH3
CH3
H3C
H3C
OH
+ Cl
B
OH
H3C
CH3
OCH3
+
B
OCH3
Si
Pd(PPh3)2
Na2CO3 acq.
CH3 H3C
Pd(PPh3)2
Br
Na2CO3 acq.
F
Si
F
I
+
(HO)2B
OH
Pd(0), Base
OH
NB. La reazione di Suzuki tollara un buon numero di gruppi funzionali.
Contrariamente alle reazioni di Heck e di Stille, La reazione di Suzuki non
avviene in condizioni neutre.
222
Reazioni di Alogenuri Aril e Vinilici con Reattivi
di Grignard Catalizzate da Pd(0)
H
H
C6H13
I
Pd(PPh3)4
+ BrMg
C6H13
75%
Meccanismo:
L
Pd
R
L
X
R'-M
L
R
- M-X
Pd
L R'
elim.
peric.
R
R'
+ L2Pd(0)
Esempi:
CH3
CH3
ZnCl + Br
ZnCl +
NO2
I
Pd(PPh3)4
Pd(PPh3)4
NO2
223
Sintesi di Esteri da Alcheni Catalizzata
da Palladio(II) (Carbonilazione)
+
CO
R
Pd(II)
R
CH3OH
H3CO
2Cu+
OCH3
O
R
++
Pd
2Cu++
[Pd(PPh3)2I2]
Pd(0)
Pd++
OMe
R
O
R
CH3OH
OMe
R
CH3OH
O
+
Pd
OCH3
Pd+
-
:C O+
I
+ -:C O+
R
OCH3
O
Pd(II)
OMe
MeOH
Meccanismo
Pd(II)
I
Cu++
(0)
Pd
+
Pd-I
O
OMe
CO
MeOH
Pd-C=O
O
Pd
224
Sintesi di Lattoni Catalizzate
da Palladio(II)
H3C
H3C
Pd(PPh3)2Cl2
I
CH3
CO
HO
O
CH3
O
99%
H3C
H3C
PdL2Cl2
I
CH3
L Pd
I L HO
HO
CH3
:C O+
H3C
L
O
L
H3C
CH3
Pd HO
I L
migr.
OC Pd
I L HO
H3C
(0)
O
O
+ L2Pd
CH3
CH3
Cu++ L Pd(II)
2
225
RODIO COBALTO FERRO
Ciascuno di questi metalli è "specializzato" in determinate
reazioni:
Rodio e Cobalto sono catalizzatori impiegati nelle reazioni di
alcheni con H2 e CO per dare aldeidi in condizioni controllate.
RODIO
O
Rh2O3
+ CO + H2
H
100°C
60-150 Atm
Il passaggio chiave di questa reazione è la migrazione del
gruppo alchilico dal metallo al carbonio carbonilico.
H
+
Rh H
O
H
Rh C O+
Rh CO
CO
H
Rh
H
O
O
H2
Rh
226
Reazioni di Decarbonilazione Catalizzate
da Complessi del Rodio
Il passaggio chiave della formilazione, cioè l'inserzione del
carbonile, può essere reversibile cosicchè questa reazione
viene occasionalmente impiegata nella decarbonilazione di
aldeidi e acil alogenuri
O
R
X
+
Ph3P
Rh Cl
Ph3P
Ph3P
Ph3P
Ph3P Rh Cl
Ph3P
PPh3
Rh Cl
O
+ PPh3
X
R
Ph3P
PPh3
Rh Cl
R X
Ph3P
+
X = H, Cl
R-X
227
COBALTO
IDROFORMILAZIONE
HCo(CO)4
(18e)
- CO
coor.
+ CO
HCo(CO)3
(16e)
elim.
peric.
CO
OC Co
OC H
(18e)
C
H
migr.
OC
OC Co
OC
(16e)
O
H
OC C
OC
OCH
O
coor.
H-H
OC O
OC Co
OC (16e)
coor. CO
OC
OC Co
OC CO
(18e)
migr.
228
FERRO
Il ferro viene spesso impiegato nella sintesi organica
come dianione tetracarbonilferrato. Tale anione,
altamente carbonilato, può effettuare la conversione di
alogenuri e tosilati alchilici in aldeidi, chetoni e derivati
degli acidi carbossilici.
=
R
R-X + 2 Na+ Fe(CO)4=
Fe(CO)3
X
(18e)
(18e)
CO
-
R
Fe(CO)3
+ X-
O
H+
(16e)
O2,
R'OH
O
R
R'X, PPh3
O
R
H
O
R'
Fe(CO)3
PPh3
(18e)
R
O R'
O
R
R'
229
CROMO
Da un punto di vista sintetico, i complessi p di composti
aromatici con il cromo più utili sono quelli che si
ottengono con il Cr(CO)6.
+ Cr(CO)6
OC
Cl
Cr CO
CO
(18 e)
Cl
+ Cr(CO)6
Cr CO
CO
(18 e)
OC
I complessi del cromo tricarbonile sono soggetti ad attacco
nucleofilo (si iricordi che il cromo è un metallo "elettronattrattore").
Cl +
Cr CO
CO
(18 e)
CH3
:C CH3
CN
Cr CO
CO
(18 e)
OC
OC
CH3
C CH3
CN
CH3
C CH3
CN
230
CROMO
L'attivazione da parte del cromo tricarbonile nelle sostituzioni
nucleofile aromatiche può essere così forte da permettere
persino la sostituzione di un idruro in composti aromatici non
alogenati.
+ Cr(CO)6
OC
Cr CO
CO
Li
CH3
t
C CO2 Bu
CH3
H3CO
H
OC
O
+
Cr CO
CO
I2
CH3
:C CH3
CN
CH3
CH3
+:C
CO2tBu
OC CO
H
OC Cr
CH3
C
t
H3C CO2 Bu
OC CO
H
OC Cr
CH3
C
H3C CN
H3CO
TFA
H
CH3
C
CH3
NC
H+
H3CO
H
CH3
C
CH3
NC
Tuttavia, non tutti i nucleofili hanno la capacità di
addizionarsi ai complessi aromatici del cromo. Ad esempio,
RLi, RMgX e enolati non reagiscono.
231
232
PARTE TERZA
RIARRANGIAMENTI
233
234
235
236
237
STEREOCHIMICA DEI RIARRANGIAMENTI
Vi sono molte evidenze che dimostrano una ritenzione di configurazione
del gruppo migrante W in uno shift-1,2. Ciò risulta anche intuitivo, visto
che la rottura del legame W-A e la formazione del nuovo legame W-B è
un processo sincrono.
W
W
*
*
Ritenzione di
HOMO configurazione
LUMO
HOMO
LUMO
A
B
A
B
Una diversa situazione si riscontra per gli atomi A e B. In molte reazioni la
questione stereochimica non si pone poiché potrebbe essere possibile
una sola possibilità sterica sia per A, o per B, o per entrambi. Qualora A o
B costituiscano dei centri chirali, in essi si può osservare sia inversione
che racemizzazione.
Ph
H
CH3
Ph
HO
Ph
HNO2
H
Ph
HO
NH2
Ph
Ph
CH3
H
CH3
O
-N2
N2
Inver sione di
conf igurazione in B
Il grado di racemizzazione ci da una misura grossolana della concertazione dei
vari step attraverso cui passa l'intero processo. Se si osserva racemizzazione
in B è molto probabile che il primo passsaggio (la formazione del carbocatione)
abbia luogo prima della migrazione di R. In tal caso il carbocatione costituisce
un intermedio di reazione.
R
R
A B X
A B
R
R
A B X
R
Rac.
3° Step
A B
R
Inv.
A B
3° Step
A B
X
La stereochimica all'origine della migrazione A non è quasi mai coinvolta
poichè nella maggiorparte dei casi non si arriva alla tetredricità di A. Ma
quando in A si verifica un'inversione di configurazione è operante un
meccanismo SN2 su A
A
Y
R
R
B
X
Y
A
B
R
R
A B
Y
A B
Y
238
RIARRANGIAMENTI: ABILITA' DEI GRUPPI A MIGRARE
La trasposizione pinacolica è una reazione che si presta molto bene
allo studio dell'abilità migratoria dei gruppi in un dato riarrangiamento.
OH
H+
H
-H2O
Ph
Ph
H
Ph
Ph
Ph
Ph
HO
Ph
Ph
OH
H+
H
H
-H2O
HO
In questo caso particolare il fattore che
determina la natura del gruppo migrante è la
Ph
stabilità del carbocatione che si forma dopo
protonazione ed eliminazione di una molecola O
di H2O. Ovviamente una volta eliminata la
molecola di H2O, nella migrazione non può
essere coilvolto che l'idrogeno con formazione
della difenilacetaldeide.
H
O
H
H
H
Ph
H
H
La migrazione di un gruppo rispetto ad un altro, entrambi legati allo stesso
atomo di carbonio, è determinata non solo dalla capacità di migrare
intrinseca del gruppo, ma anche dalla sua capacità di stabilizzare la carica
che si viene a creare sul sito origine in seguito alla migrazione. I due esempi
che seguono rendono meglio l'idea di quanto affermato.
H3C
H3C
H3C
H3C
OTs
CH3
H
TsO
CH C H , 80 °C
H 3 6 6
Ph
CH3
H
H3C
H3C
-
Ph
E1
migliore assistenza
anchimerica
H3C
H3C
H
H
H3C
H3C
Ph
H3C
H
C
3
H
+
H
Ph
CH3
H
Ph
H3C
Ph
CH3
H
CH3
CH3
Ph
+
H3C
H3C
H
CH3
Migliore stabilizzazione
del carbocatione
Ph
H3C
CH3 +
CH3
H3C
H3C
CH3
Ph
239
240
TRASPOSIZIONI AL CARBONIO ELETTRON-DEFICIENTE
La trasposizione Pinacolinica
Quando un diolo vicinale (glicole) viene trattato con un acido, esso riarrangia
per dare un'aldeide o un chetone, benchè esistane esempi di reazioni di
eliminazione senza riarrangiamenti.
Il gruppo migrante può essere un alchile, un arile, un idrogeno e persino un
gruppo metossicarbonile (-COOCH3). Nella maggior parte dei casi ciascun
carbonio ossidrilico tiene legato almeno un gruppo alchilico o arilico e molto
spesso è tetrasostituito. Con glicoli non simmetricamente sostituiti, si
possono ottenere più prodotti a secondo del gruppo che migra.
R1
R
R2
HO
4
R
H+
R3
R4
R2
HO
OH
O
R2
HO
R4
R3
OH2
R1
R4
R2
R1
R1
3
OH
-H+
OH
1
R
4
R
R2
R3
R2
R1
R4
R3
R3
Esistono diverse varianti di questa trasposizione che differiscono
essenzialmente per il modo con cui si ottiene il carbocatione intermedio.
O
R1
R2
R3
L.A.
4
R
M
O
M
O
R1
R2
R3
R1
R2
4
R
H 2O
R3
4
R
R1
O
R2
R4
R3
M = H+, BF3-Et2O, MgBr2 Et2O, Cu+2, Fe+3ecc.
T rasposizione "Semipinacolinica"
R1
R2
HO
R3 HNO
2
R4
+
H
NH2
R1
R1
R2
HO
R3
R4
N2
-N2
O
R2
HO
R4
R3
R2
R1
R4
R3
241
TRASPOSIZIONI AL CARBONIO ELETTRON-DEFICIENTE
Il riarrangiamento di Demyanov
(contrazione o espansione d'anello)
Quando una carica positiva viene generata su un carbonio di un cicloalcano, si
può osservare la migrazione di un gruppo alchilico con formazione di un anello
avente un numero di atomi di carbonio inferiore di un'unità (contrazione d'anello).
OH2
-H2O
N2
NH2
HNO2
OH
-N2
H3O+
OH
O
-H+
O
O- R
OH R
R1
Br
NH2
e
on
C
t
on
e
on
i
z
ra
i
ns
pa
Es
H3O+ HNO2
NH2
OH
-H2O
i
PrMgBr
R
Br
R1
R1
MgBr2
O
R
R1
O
O
CH2Br
O
CH2
Bu3SnH
COOEt
COOEt
COOEt
O
O
Bu3SnH
COOEt
CH2
COOEt
242
TRASPOSIZIONI AL CARBONIO ELETTRON-DEFICIENTE
Riarrangiamenti di Aldeidi e Chetoni Acido-Catalizzati.
Riarrangiamenti di questo tipo, in cui un gruppo in posizione a ad un carbonile
scambia con un groppo legato direttamente al carbonio carbolico, avvengono
quando c'è una buona attitudine di un gruppo alla migrazione. Aldeidi possono
essere convertite in chetoni e chetoni in altri chetoni, ma non è mai stata
osservata la conversione da chetone ad aldeide.
1
4
R2 R
H
R4
3
R
R2 R
+
R1
3
R
O
O
R2, R3, R4 = alchile o idrogeno.
Meccanismi
1
R2 R
A)
H+
1
R4
R3
O
R2 R
3
R
R2
R4
R
3
OH
H+
B)
R4
-H+
R1
R
O
R1
R
4
R
OH
R3
HO
R1
R2 -H+
R4
R1
3
OH
2
1R
R3
2
R4 R
R2
O
R3
R4
Secondo il primo meccanismo, si ha la migrazione dei soli gruppi alchilici,
mentre il secondo meccanismo provede la migrazione anche dell'ossigeno. Il
meccanismo può essere individuato attraverso il marcamento del carbonio
carbonilico con 14C.
243
244
IL RIARRANGIAMENTO DI FAVORSKII
Quando un -alochetone (X = Cl, Br, I) viene trattato con un base alcossido o
idrossido, si osserva un riarrangiamento con formazione di un estere. Tale
reazione vva sotto il nme di riarrangiamento di Favorskii.
O
3
R O
X
R1
R
O
-
R3
R
R1
O
R2
-epossichetoni fornisce -idrossiesteri.
La reazione con
O
Ph
C
H2
R2
O
OR1
Cl
O
1
OR
1
Ph
OR
Ph
CH3
Cl
3
*
4
2
5
Cl
1
O
6
*
=
*
O
RO14
C
+
*
O
OR
OR
50 : 50
Il meccanismo prevede la formazione di un ciclopropanone intermedio che viene
aperto dall'alcossido per dare l'estere. ovviamente, l'apertura del ciclopropanone
avviene preferenzialmente in modo da formare il carbanione intermedio più
stabile. Questo spiegherebbe l'esito della prima reazione, la formazione dello
stesso prodotto da due diversi alogeno chetoni.
R3OO
O
R3O-
X
R1
RHC
R
R1 R3O-
R3
O
1
R
+
R3
O
R
2
R2
R2
O
R
O
R
R1
R2
In assenza di idrogeni a la reazione può aver luogo ugualmente. In tal caso si ha
una migrazione vera e propria di un gruppo alchilico o arilico.
R3O-
O
O
X
R
R1
R2
R1
3
R
Inversione!!!
O
R
R2
245
LA SINTESI DI ARNDT-EISTERT
Nella sintesi di Arndt-Eister un alogenuro acilico viene convertito in un acido
carbossilico avente un atomo di carbonio in più. Il primo step consiste nella
formazione di un -diazochetone che, successivamente riarrangia in un
chetene il quale, per trattamento con H2O e AgO (o benzoato di argento +
Et3N o altri catalizzatori propri della Sandmeyer), si trasforma in acido
carbossilico (riarrangiamento di Wolff). Usando un alcool al posto
dell'acqua si ottiene un estere, mentre il trattamento con ammoniaca
fornisce la corrispondente ammide.
O
O
R
R
Cl
O
H 2O
CH2N2
CH2N2
R
Ag2O
OH
Meccanismo
O
O
O
H2C N N
R
R
Cl
C
H
N
N
R
C
H
N
O
N
-N2
R
CH
Nu
Nu = -OH, -NH2, -OR
Nu
O
CH2
R
H2O, ROH, NH3
O C C
H
R
La reazione può avvenire anche in assenza di catalizzatori, per semplice
riscaldamento. Il processo ha una vasta applicabilità, in pratica, con qualsiasi R
(alchile, arile, vinile, ecc. ). Spesso la reazione viene effettuata anche con altri
diazoalcani ed è stata utilizzata per la contrazione di anello a partire da
diazocicloalcanoni.
O
N
C
N
O
Nu
C
Nu
O
O
Nu = -OH, -NH2, -OR
meccanismo alternativo
14
C
O
246
OMOLOGAZIONE DI ALDEIDI E CHETONI
Un processo analogo alla sintesi di Arndt-Eisterche passa attraverso il
riarrangiamento di Wolff è l'omologazione di aldeidi e chetoni.
O
1
R
O
CH2N2
R
R
O
R1
R
O
CH2N2
R
H
CH3
Meccanismo
H2C N N
O
H2C N N
R
1
N N
H
C
2
O
R1
R
R
Con le aldeidi
l'epossido diventa il
prodotto collaterale
più impor tante, f ino a
diventar e il prodotto
principale quando su R
vi sono gruppi elettr on
attrattor i che inibiscono
la migr azione di R1
O
-
R
C
H2
betaina, in qualche
caso isolabile
O
R
R1
CH2
R1
Chetoni ciclici a tre termini e superiori reagiscono particolarmente espandendo
l'anello.
N
O
H2C N N
O N
-N2
O
247
MIGRAZIONE AL CARBONIO DA PARTE DI UN ETEROATOMO
Idrossi-debromo-cine-sostituzione
Quando una sostituzione nucleofila viene effettuata su un substrato avente
un gruppo nucleofilo sul carbonio adiacente al sito di sostituzione, si può
generare un intermedio ciclico che può essere aperto dal nucleofilo sul lato
opposto. Il risultato è una migrazione del gruppo nucleofilo sul sito originale
di sostituzione. Ad esempio, nel caso di b-amino-a-alochetoni, la reazione ha
luogo attraverso la formazione di un aziridinio intermedio che viene aperto
per attacco nucleofilo dell'H2O.
H NR2 O
Ph
H2O
Ph
H Br
H
NR2
Ph
O
Ph
H2O H
Br- Ph
-HBr
H
O
Ph
HO
H
NR2
a-Alo- o a-acilossi epossidi hanno tendenza a riarrangiarsi e spesso lo fanno
spontaneamento senza catalizzatori, benchè nella maggior parte dei casi
necessitano di catalisi acida.
O
R
O
R1
R
X
R1
Cl
In presenza di un catalizzatore di rame, vinil epossidiriarrangiano
a 2,5- diidrofurani. Come pure vinil tiirani sono trasformati in 2,5diidrotiofeni.
O
S
O
S
Un importante riarrangiamento sfruttato sinteticamente è il riarrangiamento di
Meyer-Schuster, secondo il quale un alcool propargilico riarrangia in catalisi acida
per dare un composto carbonilico a,b-insaturo.
OH
H+
-H2O
H2O
H+
-H+
H
O
OH
248
249
250
251
252
253
254
MIGRAZIONI CARBONIO
AZOTO
LA REAZIONE DI SCHMIDT
Reazione_di_alcoli e alcheni_con_HN3
Gli alcoli e gli alcheni rreagiscono con HN3 dando alchilazidi (R-N3), che
durante la reazione riarrangiano per dare immine. La conversione di alcoli
nelle corrispondenti azidi può essere effettuata attravesro la reazione di
Mitsunobu anche utilizzando un reagente alternativo (PhO)2PON3.
:PPh3
O
N
N
EtO
OEt
HN3
PPh3
O
N
H
EtO
O
N
N3OEt
O
O
EtO
R-OH
R-N3
N3-
N
H
N
(PhO)2PON3
DBU
R2
R3
1
4
R
DBU
N3- + R-OPO(OPh)2
R
HN3
TiCl4 cat.
o AlCl3
N3
R2
R1
N
R3
H
R4
Esempio
N
N
HN3
H2SO4
N
CH3
N
H3C
OEt
O
R-O PPh3
oppure
R-OH
H
N
+ N2
255
MIGRAZIONI CARBONIO
AZOTO
IL RIARRANGIAMENTO DI STIEGLITZ E REAZIONI RELATIVE
Certe N-aloammine, quando solvolizzate in presenza di AgNO3, subiscono
un riarrangiamento.
AgNO3
N Cl
N
CH3OH
OCH3
La reazione è simile al riarrangiamento di Wagner-Meerwein ed inizia con la
rimozione di uno ione cloruro ad opera dell'Ag+. Reazioni simili sono state
impiegate per espansioni e contrazioni di anelli.
HO
Cl
N
Ag+
R
HO
N
R
HO
N
R
R
O
- H+
N
- AgCl
Il nome di riarrangiamento di Stiegklitz si applica, in genere, al riarrangiamento
delle tritil N-aloammine e idrossilammine e sono simili al riarrangiamento delle
delle alchil azidi.
Ar
Ar
Ar
NHX
Base
Ar
Ar
Ar
Ar
N
Ar
Ar
NHOH
PCl5
Ar
N
Ar
Ar
Una reazione simile è quella delle tritilammine con Pb(OAc)4.
-
Ar
Ar
Ph
NH2
Pb(OAc)4
C 6H 6
Ar
Ar
Ar
Ar
H
N Pb(OAc)2
OAc
N
H
OAc
Ar
N
Ar
Ar
Pb(OAc)2 + AcOH
256
MIGRAZIONI CARBONIO
OSSIGENO
IL RIARRANGIAMENTO DI BAEYER-WILLIGER
Il trattamento di un chetone con peracidi (m-CPBA, PACA) in condizioni di
catalisi acida porta alla formazione di esteri per migrazione di un gruppo
alchilico. Dal perossiacido, per riduzione, si forma l'acido carbossilico
corrispondente. Oltre ai peracidi citati è stato usato anche l'oxone KHSO4KHSO5-K2SO4.
O
R
O
R
1
O
[ H+]
2
+ R
R
O OH
O
O
R1
+
R2
OH
La reazione è spesso usata per ottenere lattoni da chetoni ciclici
O
HO
O
R
2
O
O
O
O OH
O
R2
O
[H+]
Con chetoni non simmetrici l'ordine di migrazione dei gruppi R è
approssimativamente: terziario > secondario >primario > metile. L'abilità di
migrazione del fenile è aumentata dalla presenza di gruppi elettron-donatori.
-dicheoni (enolizzabili) non reagiscono, mentre da -dichetoni si ottengono
anidridi. Aldeidi danno acidi, e questo può spiegare il meccanismo di ossidazione
delle aldeidi ad acidi carbossilici.
R2
R2
Meccanismo
O
O
R
OH
H+
R1
R2
O OH
R
R1
O
O
HO
O
R
R1
La scarsa capacità di migrare del metile fa si che
questa reazione sia adatta alla formazione di fenoli
a partire da metil aril chetoni dopo idrolisi dell'acetato
arile risultante.
O
O
HO
O
R1
R
- R2CO2H
O
R
O
R1
257
258
259
MIGRAZIONI AZOTO
CARBONIO
IL RIARRANGIAMENTO DI STEVENS
R3
R2
N
C
H
H
R1
Z
R3
R2
N
C
H
R1
Z
Base
Esempi
Ph
Ph
N+
CH3
N+
CH3
CH3
Ph
N
NaNH2
-NH3
Ph
Ph
t
H3C N+
Ph
BuOK
DMSO
Ph
H3C N+
Ph
H3C N
Ph
Diverse reazioni possono competere con il riarrangiamento di Stevens. Ad
esempio, se Z = arile, si può osservare il riarrangiamento di Sommelet-Hauser,
mentre in presenza di idrogeni in b all'azoto può essere possibile l'eliminazione
di Hofmann.
Riarrangiamento di Sommelet-Hauser
R
N+ R NaNH2
CH3 - NH3
CH3
C
H2
R
R
N+ R
N+ R
CH3
CH2
R
R
R
N
R
H N
R
C
H2
N R
+
CH2
260
261
262
263
INDICE
PARTE PRIMA
LAREATTIVITA’ CHIMICA
CAPITOLO I – Orbitali di Frontiera e Reattività Chimica
Legami omonucleari
Legami etero nucleari
Il sistema allilico
Dieni coniugati, l’1,3-butadiene
Interazioni HOMO-LUMO e HOMO-HOMO
L’equazione di Klopman e Salem
Nucleofili ed elettrofili hard e soft
Nucleofili bidentati
Enolati
Elettrofili bidentati
L’effetto a
Effetti stereo elettronici
6
14
16
18
23
24
31
39
40
46
48
49
CAPITOLO II – Reazioni Pericicliche Termiche e Fotochimiche
Cicloaddizioni
Reazioni [2+2]
Ciclo addizioni 1,3-dipolari
La regola di Woodward Hoffmann
Reazioni chelotropiche
Riarrangiamenti sigma tropici
Il riarrangiamento di Cope
Il riarrangiamento di claisen
Reazioni elettrocicliche
Effetti stereo elettronici secondari
La reazione di Diels-Alder
Cicli addizioni 1,3-dipolari
Reazioni fotochimiche
Regole di Woodward-Hoffmann “fotochimiche”
52
53
55
57
58
63
66
70
72
74
75
90
101
103
CAPITOLO III –-Reazioni Radicaliche
Caratteristiche generali
Confronto tra reazioni radicali che e ioniche
Formazione del legame C-C radicalica
Il metodo ossidativo
La sostituzione omolitica aromatica
108
117
121
125
126
264
PARTE SECONDA
COMPOSTI ORGANOMETALLICI E LORO REAZIONI
CAPITOLO IV –-Organometalli Polari
Classificazione
Nucleofilicità e basicità degli organometalli polari
Effetto del solvente sulla reattività degli organometalli polari
Effetto di additivi coordinanti sulla reattività degli organometalli polari
Preparazione degli organometalli polari
Lo scambio idrogeno-metallo
Lo scambio alogeno-metallo
Lo scambio metallo-metallo
Determinazione del titolo di organometalli polari in soluzione
Sintesi con reattivi di Grignard
La riduzione di Meerwein-Pondorff-Verley
Composti organometallici del rame
Reazioni degli organocuprati
129
130
136
138
140
141
147
150
152
156
161
162
163
CAPITOLO V –- Organometalli di Metalli di Transizione
Organometalli dello zinco, del cadmio e del mercurio
Composti organometallici dei metalli di transizione
Tipo di ligandi dei metalli di transizione
Il modello di Chatt-Dewar-Ducanson
Effetti elettronici della coordinazione
Effetti stereochimici della coordinazione
Il ciclo catalitico
Organometalli del Nichel e loro reazioni
La reazione di Felkin
Organometalli del palladio
Complessi η3 del palladio eloro reazioni
Complessi η1 del palladio e loro reazioni
Complessi organometallici del rodio, del cobalto e del ferro
Complessi organometallici del cromo
172
176
180
182
184
188
189
193
200
203
206
210
221
225
PARTE TERZA
RIARRANGIAMENTI
CAPITOLO VI –- Riarrangiamenti
Classificazione
Riarrangiamenti nucleofili
229
230
265
Stereochimica dei riarrangiamenti
Trasposizioni al carbonio elettron deficiente
Migrazione di un eteroatomo al carbonio elettron deficiente
Migrazione dal carbonio all’azoto elettron deficiente
Migrazione dal carbonio all’ossigeno elettron deficiente
Migrazione dall’azoto al carbonio elettron deficiente
Migrazione dall’ossigeno al carbonio elettron deficiente
231
233
241
243
250
252
255