REAZIONI PERICICLICHE
Reazioni concertate che prevedono la formazione e la rottura simultanea di due o
più legami mediante uno stato di transizione ciclico.
Il prodotto di queste reazioni può essere un sistema ciclico o aperto
Le reazioni pericicliche sono reversibili
Le principali reazioni pericicliche sono:
REAZIONI DI CICLOADDIZIONE (CICLOREVERSIONE)
+
+
REAZIONI ELETTROCICLICHE
REAZIONI SIGMATROPICHE
R(H)
R'
R'
R(H)
TEORIA DEGLI ORBITALI DI FRONTIERA
Consente una trattazione semplificata delle interazioni orbitaliche che portano alla
rottura e alla formazione di nuovi legami durante una reazione chimica.
In pratica il decorso della reazione viene analizzato prendendo in considerazione solo
gli orbitali di frontiera che sono così caratterizzati:
HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital
Orbitale molecolare occupato a energia più elevata
LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital
Orbitale molecolare non occupato a energia più bassa
a) ALCHENI
π∗
LUMO
π
HOMO
b) SISTEMI ALLILICI
CATIONE
ANIONE
0.5
0.5
LUMO
- 0.7
0.7
HOMO
LUMO
- 0.7
0.7
0.5
HOMO
0.5
c) DIENI
0.37
0.6
- 0.37
- 0.6
0.6
0.6
LUMO
- 0.37
0.6
- 0.37
0.37
HOMO
- 0.37
0.6
- 0.6
0.6
0.37
0.37
d) ALCANI - SISTEMI CON LEGAMI δ
LUMO
σ∗
HOMO
σ
H
R
H
R
INTERAZIONE DI ORBITALI DI FRONTIERA
L’utilizzo degli orbitali di frontiera consente una trattazione semplificata della
interazione molecolare
La teoria della perturbazione: quando si ha formazione di uno o più legami, il
massimo guadagno energetico si ottiene per interazione di orbitali pieni con
orbitali vuoti dei reagenti
LUMO
LUMO
HOMO
HOMO
Ea
Eb
Il massimo guadagno energetico si ha con interazioni HOMO-LUMO (2Ea > 2Eb)
Interazioni HOMO-HOMO costringono 2 elettroni a disporsi su un orbitale
antilegante ad elevata energia.
Le variazioni di energia che si determinano in una reazione si possono calcolare
tramite l’ Equazione di Klopman (semplificata):
∆E = -
+
ε RAB
∆E
QA e QB
RAB
CA e CB
EHOMO ELUMO
2 (CA CB β)2
QA QB
EHOMO - ELUMO
guadagno energetico della reazione
carica reagente A e B
distanza tra atomi interagenti
coefficienti dell’orbitale molecolare
energie degli orbitali homo-lumo
Il guadagno energetico aumenta quanto minore è la differenza di energia HOMOLUMO.
Quando due molecole reagiscono, le interazioni principali sono di 3 tipi:
1. gli orbitali occupati (leganti) si respingono
2. cariche di segno opposto si attraggono
3. tutti gli orbitali occupati (specialmente HOMO) interagiscono con quelli non
occupati (specialmente LUMO) attraendosi.
CICLOADDIZIONI E CICLOREVERSIONI
Vengono suddivise sulla base del tipo di legame (π, σ) coinvolto; del numero di elettroni
(2, 4 …) e della geometria (suprafaciale, antarafaciale) con la quale le molecole
interagiscono.
CICLOADDIZIONI [2 + 2]
+
a) REAZIONE [π2s + π2s]
Il sistema π di ciascuna molecola reagisce in maniera suprafaciale:
LUMO
repulsione
PROIBITA
HOMO
La reazione è proibita allo stato fondamentale poiché l’interazione tra due orbitali
nello stato di transizione è di tipo antilegante.
Se un elettrone viene fatto passare sull’orbitale LUMO per mezzo di una radiazione
elettromagnetica (reazione fotochimica) il processo diventa possibile nello stato
eccitato.
In questo caso è possibile un’interazione di tipo SOMO-LUMO.
SOMO: Single Occupied Molecular Orbital
LUMO
LUMO
hν
HOMO
SOMO
PERMESSA
b) REAZIONE [π2s + π2a]
L’approccio delle due molecole non è coplanare ma si sviluppa su due piani ortogonali:
HOMO
LUMO
Questo tipo di interazione si chiama SUPRAFACIALE-ANTARAFACIALE ed è una
reazione permessa per simmetria allo stato fondamentale.
Essa è però poco probabile su alcheni comuni a causa della elevata distorsione
richiesta durante l’approccio.
c) REAZIONE [π2a + π2a]
E’ una reazione proibita per simmetria nello stato fondamentale. Inoltre prevede
una doppia distorsione delle molecole interagenti:
repulsione
HOMO
repulsione
LUMO
Sulla base di queste considerazioni è possibile ricavare delle regole di selezione che
sulla base del numero di elettroni messi in gioco durante la reazione permette di
sapere se la reazione è permessa allo stato fondamentale o in quello eccitato.
REGOLE DI SELEZIONE
m+n
4q
4q+2
Permessa (st. fond.)
Permessa (st. eccit.)
Proibita (st. eccit)
Proibita (st. fond.)
SUPRA-ANTARA
SUPRA-SUPRA
ANTARA-SUPRA
ANTARA-ANTARA
SUPRA-SUPRA
SUPRA-ANTARA
ANTARA-ANTARA
ANTARA-SUPRA
m + n = numero elettroni π totali
Se gli alcheni utilizzati per la reazione hanno dei requisiti stereochimici definiti
questi si rifletteranno sulla stereochimica del prodotto (reazione stereospecifica)
Ad esempio: etilene + cis 2-butene
H
H
H
H3C
H
H
H
H 3C
H
H
H
CH3
H
H
H
CH3
π2s+π2s
SUPRA ETILENE
SUPRA 2-BUTENE
hν
CIS
H 3C
CH3
π2s+π2a
SUPRA ETILENE
ANTARA 2-BUTENE
∆
In maniera analoga:
ANTARA ETILENE + SUPRA 2-BUTENE → CIS
ANTARA ETILENE + ANTARA 2-BUTENE → TRANS
TRANS
H3C
CH3
Esempio sintetico di π2s + π2s:
OH
CH3
H
hν
OH
CH3
CuOTf
H
reazioni antarafaciali sono possibili solo in sistemi che impongono una torsione del
doppio legame:
π 2s + π 2s
π 2s + π 2a
1,5-cicloottadiene
Anche alleni e cheteni hanno un sistema p distorto che può favorire reazioni
antarafaciali.
Interazione LUMO CHETENE-HOMO OLEFINA.
π2s + π2a
interazioni
secondarie
interazioni
HOMO-LUMO
Gli orbitali π del carbonio sp sono ortogonali quindi l’allene si comporta come un
legame π semplice.
Il sistema sp non ha sostituenti e ha una bassa richiesta sterica.
Le interazioni secondarie abbassano l’energia del processo.
I cheteni alogenati sono più reattivi (LUMO a più bassa energia).
La stereochimica prevedibile è la seguente:
L
CIS
R
C
R
S
L
SFAVORITA
O
R
O
R
R TRANS
L
C
R
R
O
FAVORITA
R
L
R
R
S
O
CICLOADDIZIONI [4 + 2]
+
Questo processo rappresenta una classica reazione di Diels-Alder.
E’ un processo π4s + π2s
L’interazione più favorevole è di solito HOMO-DIENE con LUMO-ALCHENE:
LUMO
HOMO
Perché la reazione sia possibile il diene deve poter adottare una conformazione di tipo
s-CIS
non reagisce
s-trans
reagisce
s-cis
Quando i sostituenti si trovano fuori dal sistema π la reazione risulta essere più
veloce per un minor ingombro sterico nello stato di transizione.
R
più reattivo di
R
Dienofili sostituiti possono dare prodotti ESO o ENDO. Il prodotto ENDO è più
ingombrato però è favorito. (REGOLA DI ALDER)
O
O ESO-lenta
O
O
O
termodinamicamente
più stabile
O
O
ENDO-veloce
O
O
O
O
O
termodinamicamente
meno stabile
Le interazioni secondarie sono probabilmente reaponsabili della selettività
osservata:
HOMO
interazioni
primarie
interazioni
secondarie
O
LUMO
Le reazioni di Diels-Alder non presentano effetto solvente (non ci sono intermedi
carichi, si usa benzene o toluene).
STEREOCHIMICA: come tutte le reazioni pericicliche che sono concertate, la
reazione di Diels-Alder è stereospecifica.
CO2Me
CO2Me
CO2Me
MeO2C
CO2Me
CO2Me
CO2Me
CO2Me
OAc
OAc
CO2Me
CO2Me
90 °C
+
OAc
OAc
La natura dei sostituenti influenza enormemente la velocità e l’efficienza della
reazione.
In generale secondo la teoria degli orbitali di frontiera:
-
gruppi elettronattrattori: abbassano EHOMO-LUMO;
- gruppi elettrondonatori: aumentano EHOMO-LUMO.
Questo principio è di carattere generale e quindi valido PER TUTTE LE REAZIONI
CHIMICHE, non solo per quelle pericicliche.
La reazione di Diels-Alder è quindi favorita da:
gruppi elettrondonatori sul diene
gruppi elettronattrattori sul dienofilo.
E
L
L
L
L
L
H
H
L
H
H
H
H
X
Z
Energie degli orbitali di frontiera di vari dienofili:
3.0
E
(eV)
1.5
LUMO
1.0
0.0
- 9.0
- 9.1
HOMO
- 10.5
- 10.9
C
C= Ph, CH=CH2
Z= C
Z
O
; CN; NO2; COOR
X
X = MeO; Me2N; Me
H
L’esempio seguente illustra chiaramente l’effetto pronunciato dei sostituenti nella
reazione di Diels-Alder:
165 °C - 17 h
+
900 atm - 78%
O
O
20 °C - 24 h
+
O
O
100 %
O
O
Effetto di sostituzione in C-1 nei dieni.
2.5
E
(eV)
1.0
LUMO
0.5
- 0.5
- 8.5
- 8.2
HOMO
- 9.1
- 9.5
C
Z
X
La sostituzione in C-2 produce lo stesso effetto ma di minore intensità. Ciò avviene
perché i coefficienti degli orbitali centrali sono più piccoli rispetto a quelli dei
carboni terminali (vedere equazione di Klopman).
0.371
- 0.371
0.6
- 0.6
HOMO
REGIOSELETTIVITA’
Nell’interazione HOMO-LUMO è favorito il legame tra atomi che hanno
coefficienti di grandezza simile (grande-grande o piccolo-piccolo).
Z
X
LUMO DIENOFILO
X
C
Z
X
C
Z
HOMO
DIENE
Ciò favorisce lo sviluppo di reazioni maggiormente regioselettive com e si può vedere
dai seguenti esempi:
Ph
Ph
Ph
Ph
Ph
+
+
Ph
8
Ph
1
Ph
Ph
+
:
Ph
+
Ph
:
20
1
O
O
+
Ph
H
H
MeO
MeO
+
CHO
Ph
CHO
Ph
O
+
Me O
O
O
H O
O
CATALISI
La reazione di Diels-Alder è catalizzata da acidi di Lewis:
CO2Me
+
+
CO2Me
CO2Me
CONDIZIONI: 120°C /6h
AlCl3 / 20°C / 6 h
70
30
95
5
L’acido di Lewis non funziona solo da catalizzatore poiché influenza anche la
distribuzione dei prodotti.
Quando sul dienofilo sono presenti dei gruppi carbonilici l’acido di Lewis ha un
duplice effetto:
1- abbassa l’energia del LUMO dienofilo
2- diminuisce il valore del coefficiente orbitalico sul carbonio in α al C=O.
O
AlCl3
O
H
+
AlCl3
H
- 0.39
E (eV)
2.5
- 0.09
O
O
H
H
- 7.0
FATTORE 1: reazione più veloce
FATTORE 2: reazione più regioselettiva.
REATTIVITA’
O
OMe
NO2
+
Et2O
85%
25 °C
NO2
SO2Ph
+
PPh3
+
OMe
SO2Ph
∆
PPh3
O
H3 O
∆
O
O
Zn-Ag
74%
H
OHC
R3SiO
72%
O
SiO
Br
Br
CHO
CHO
C6H6
SiO
96%
OMe
H
+
94%
135 °C
Et2AlCl
62%
OHC
H
OSiR3
REAZIONI ELETTROCICLICHE
Prevedono la formazione di un legame singolo agli estremi di un sistema lineare
contenente k elettroni π e naturalmente il processo inverso.
K−2π
Kπ
a) Reazione butadiene → ciclobutene
La reazione di chiusura (o apertura se si considera il processo inverso) può avvenire
con due distinti meccanismi:
•
Movimento CONROTATORIO dei legami terminali nel quale il senso di rotazione
è lo stesso.
•
Movimento DISROTATORIO con un senso di rotazione opposto.
conrorotatoria
HOMO δ
PERMESSA
∗
disrorotatoria
LUMO δ
PROIBITA
Allo stato fondamentale è permessa unicamente la reazione conrotatoria perché il
legame del sistema ciclobutenico finale è di tipo legante (HOMO δ).
In maniera analoga il ciclobutene si convertirà un butadiene solo attraverso un
processo di apertura conrotatorio
REGOLE DI SELEZIONE:
K
Permesse (termiche)
Proibite (termiche)
Proibite (fotochimiche)
Permesse (fotochimiche)
4q
CONROTATORIE
DISROTATORIE
4q+2
DISROTATORIE
CONROTATORIE
K = numero elettroni π;
q = 0, 1, 2, 3 ……
Chiusura dell’ 1,3,5-esatriene → 1,3-cicloesadiene:
L’analisi degli orbitali di frontiera da il seguente risultato:
LUMO π
conrotatoria
PROIBITA
LUMO δ
HOMO (2 nodi)
LUMO π
disrotatoria
PERMESSA
HOMO δ
HOMO
Le reazioni elettrocicliche possono essere applicate anche a sistemi ionici:
disrotatorio
conrotatorio
conrotatorio
Implicazioni di tipo stereochimico:
1
R
R
1
R
CIS
1
CIS-TRANS
R
2
2
2
R
R
1
R R
R
CIS-CIS
1
2
TRANS
R
1
2
2
R
R
TRANS-TRANS
Si forma solo prodotto TRANS-TRANS per ragioni steriche.
CICLOADDIZIONI 1,3-DIPOLARI
Sono reazioni [π 4s + π 2s] permesse per simmetria, danno luogo alla formazione di
anelli a 5 termini.
dipolo
b
a
b
c
a
d e
c
d e
dipolarofilo
1,3-dipoli sono isoelettronici con l’anione allile:
NITRILE OSSIDO
R C N O
R C N O
AZIDI
R N N N
R N N N
DIAZOMETANO
H2C N N
H2C N N
R
NITRONI
O
C N R
R
R
NITRILE IMMINE
O
C N R
R
R C N N R
R C N N R
Per reazioni concertate queste reazioni sono stereospecifiche:
OC3H7
Ph N N
N
H3C
OC3H7
OC3H7
Ph N N N
FENILAZIDE
Ph N N
N
H3C
OC3H7
Reazioni a stadi possono infatti comportare rotazioni che possono compromettere i
requisiti stereochimici della reazione:
N
R C N O
N
O
Considerando le interazioni HOMO-LUMO:
HOMO
N
N
N
LUMO
O
N
LUMO
HOMO
La situazione nelle reazioni 1,3-dipolari è più articolata rispetto alle Diels-Alder.
Vediamo il caso del diazometano con vari dipolarofili:
3.0
E
(eV)
1.8
1.8
1.8
1.0
0.0
-8.0
-9.0
-9.0
-9.0
-9.0
-10.9
H 2C N N +
C
H2 C N N+
Z
H 2C N N +
X
Le reazioni 1,3-dipolari possono in funzione della natura dei reagenti essere HOMO o
LUMO controllate
Sostituenti elettronattrattori: HOMODIPOLO-LUMOOLEFINA;
Sostituenti elettrondonatori: HOMOOLEFINA-LUMODIPOLO.
Ph N N N
-
kvel
R
N
Ph
R
N
R
N
R
HOMO
LUMO
N
CO2Me
log k vel
?
CO2Me
EHOMO
REGIOSELETTIVITA’
E’ opportuno considerare i coefficienti orbitalici negli orbitali di frontiera. Cambiando
la natura dell’interazione si possono avere considerevoli cambiamenti nella
regioselettività del processo fino ad avere una inversione della stessa.
HOMO
E (eV)
R N N N
azide
(-11.5)
LUMO
E (eV)
R N N N
(0.1)
0.4
0.58
R N N N
0.62
0.41
O
R2 C N R
nitrone
(-9.7)
R2 C N O
(-0.5)
R2 C N O
0.5
R2 C N N
diazoalcano
(-9.0)
R2 C N N
(1.8) R2 C N N
0.68
R C N O
nitrile ossido
(-11.0)
R C N O
0.5
(-0.5)
0.3
R C N O
I coefficienti HOMO-LUMO dei dipolarofili sono così caratterizzati:
LUMO
HOMO
2
L
C
Z
X
C
Z
X
L
-0.5
0
L
-9
H -11
Controllo LUMO
H -9.7
-10.9
H
CH3
H3C
O
N
H
Controllo HOMO
O
H 3C C N O +
L
-0.5
COOMe
H3C C N CH3 +
H
CH3
MeOOC
O
N CH
3
Da notare: nelle Diels-Alder è preferibile la reazione tra dieni elettronricchi e
dienofili elettronpoveri; nelle 1,3-dipolari la reazione può essere favorita da entrambe
le combinazioni.
L’ ingombro sterico presente nei substrati può modificare la regiochimica rispetto
a quella prevedibile sulla base di semplici considerazioni orbitaliche
R C N O
+
R
Y
Y
5
O
N
R
Y
+
4
O
N
2-isossazoline
R
Y
5
4
C6 H5
COOMe
95
5
C6 H5
OBu
100
0
SO2Ph
91
9
Cl
Cl
Applicazioni sintetiche:
a)
CH3NHOH
H
O
O
N
CH3
O
N
b)
Ph
H
S
O
N
NHOH
O
O
N
Ph
OH
Zn
HN
Ph
AcOH
S
c)
Ph
S
S
O
O
R'
H
R
R
C N O
N
O
R'
REAZIONI SIGMATROPICHE
Riguardano la riorganizzazione concertata di elettroni durante la quale un gruppo
attaccato attraverso un legame σ migra su un legame più lontano attraverso un legame
π coniugato:
2
2
1
[3,3]
3
1
1
3
1
3
3
2
2
2
1
2
3
1
H
H H
4
[1,5]
3
1
4
5
5
D
H
D
D
D
Le reazioni sigmatropiche vengono identificate con due numeri che a partire dagli
atomi del legame che si rompe vanno agli atomi che andranno acostituire il nuovo
legame.
MIGRAZIONE DI IDROGENI:
a) Migrazione di tipo [1,3]:
Anche in questo caso la migrazione può avvenire in due maniere distinte: suprafaciale
o antarafaciale:
SUPRA
H
PROIBITA!
SUPRA
H
HOMO
ANTARA
LUMO
ANTARA
H
PERMESSA!
Reazioni [1,3] ANTARA sono teoricamente possibili ma sono in pratica impedite da
fattori sterici.
Nello stato eccitato:
SUPRA
H
PERMESSA!
SUPRA
H
LUMO
ANTARA
SOMO
ANTARA
H
PROIBITA!
In definitiva quindi le [1,3] possono avvenire solo SUPRA [ragioni steriche] e nello
stato eccitato [l’unico permesso per simmetria].
b) Migrazione di tipo [1,5]:
H
LUMO
PERMESSA
SUPRA
S
H
A
HOMO
ANTARA
PROIBITA
H
c) Migrazione di tipo [1,7]
ANTARA
H
PERMESSA
H
La [1,7] SUPRAFACIALE è proibita, quella ANTARA è permessa e avviene in
pratica perché il sistema contiene più atomi e quindi a causa della sua maggiore
flessibilità consente all’atomo che migra di trovarsi nella posizione corretta per la
formazione del nuovo legame:
Ph
Ph
[1,7]
H
H H
Se il sistema è chiuso in un ciclo l’ANTARAFACIALE non può più avvenire e quindi
allo stato fondamentale avviene la [1,5] SUPRA permessa:
H
H
[1,5]
5
CH3
6
5
H
4
H
7
[1,7]
1
7
CH3
H
CH3
2
3
Una conferma che le [1,5] sono SUPRA si può avere esaminando queste evidenze
sperimentali:
Me
H
s
D
Me Et
250 °C
H
Me
R
D
Me
Et
La migrazione di idrogeno avviene in maniera stereospecifica: da uno stereocentro di
tipo S si forma un nuovo stereocentro di tipo R. Ciò è possibile esclusivamente con una
reazione suprafaciale.
Questo triene è stabile e non si converte in toluene perché l’unica maniera con la quale
può avvenire il processo è attraverso delle reazioni [1,3] o [1,7] SUPRA le quali sono
proibite allo stato fondamentale. La [1,7] ANTARA non può avvenire per la rigidità
dell’anello.
CH3
[1,3] o [1,7]
H
H
REGOLE DI SELEZIONE
1+j
SUPRA
ANTARA
4n
TERMICA PROIBITA
TERMICA PERMESSA
FOTOCHIMICA PERMESSA
FOTOCHIMICA PROIBITA
TERMICA PERMESSA
TERMICA PROIBITA
FOTOCHIMICA PROIBITA
FOTOCHIMICA PERMESSA
4n+2
2. MIGRAZIONI AL CARBONIO
RIARRANGIAMENTI [3,3]: COPE E CLAISEN
Sono riarrangiamenti permessi per simmetria allo stato fondamentale
Il riarrangiamento di COPE è un processo reversibile:
275 °C
COOEt
COOEt
Permesso termicamente allo stato fondamentale, passa attraverso uno stato di
transizione a sedia
HOMO
2'
1
1'
LUMO
3
3'
2
Eventuali sostituenti presenti nel sistema si dispongono in maniera equatoriale in
modo da minimizzare le interazioni relative.
Ph
H
Ph
H3C
CH3
H
H3 C
CH3
(R)
(E) CH3
Ph
CH3
Ph
H
(S)
H3C (Z)
Ph
CH3
(R)
13%
87%
A causa della reversibilità di queste reazioni viene favorita la formazione
dell’isomero termodinamicamente più stabile.
350 °C
CH3
CH3
H
(E)
Tensioni di anello abbassano l’energia richiesta per il processo:
- 40 °C
Metalli di transizione (Pd+2) catalizzano la reazione ma in questo caso essa non è
più una reazione periciclica poiché avviene a stadi.
R
R
R
Pd+2
R
Pd+2
Pd+2= PdCl2(CH3CN)2
Se in posizione 3 c’è un ossigeno carico negativamente si osserva un aumento
consistente nella velocità del processo.
La reazione corrispondente prende il nome di OXY-COPE.
O
O
OXY-COPE
H
H
O
ANIONICA
H
O
KH
OH
THF
∆
98%
H
KH
25 °C
OH
75%
O
Il RIARRANGIAMENTO DI CLAISEN è analogo alla COPE:
O
O
H
Il meccanismo è simile:
H
O
O
O
La reazione di CLAISEN è stata studiata originariamente su aril allil eteri:
O
R
O
R
OH
H
R
Se entrambe le posizioni orto sono occupate da sostituenti si hanno due reazioni di
Claisen consecutive :
R
R
O
R
O
R'
R
R
OH
O
R'
R'
R
R
R
R'
La reazione su allil vinil eteri è uno dei processi più utilizzati su sistemi lineari:
OH
+
H+
OMe 125 °C
O
O
O
Metodo ortoestere (Reazione di Claisen- Johnson):
R
OH
+
CH3C(OCH3)3
H+
R
O
H3CO
H+
(-CH3OH)
OCH3
R
O
O
OCH3
OCH3
OCH3
O
R
R