Organic Chemistry Second Edition Janice Gorzynski Smith University

Organic Chemistry, Second Edition Janice Gorzynski Smith University of Hawai’i Chapter 21 Lecture Outline Prepared by Rabi Ann Musah State University of New York at Albany Copyright © The Mc. Graw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. 1

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Introduzione Aldeidi e chetoni contengono un gruppo carbonilico. Un aldeide contiene almeno un atomo di H legato al carbonio carbonilico, mentre un chetone ha due gruppi alchilici o arilici legati. Due caratteristiche strutturali determinano la chimica e le proprietà di aldeidi e chetoni. 2

Aldehydes and Ketones—Nucleophilic Addition Introduzione • Aldehidi e chetoni reagiscono con i nucleofili. • Se il numero di gruppi R attorno all’atomo di carbonio aumenta, la reattività del composto carbonilico diminuisce come descritto dall’ordine di reattività: 3

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Nomenclatura di aldeidi • • Se il CHO è legato ad una catena di atomi di carbonio, bisogna trovare la catena più lunga contenente il gruppo CHO, e sostituire l’ultima lettera –o del nome dell’alcano progenitore con il suffisso –ale. Se il gruppo CHO è legato ad un anello, al nome dell’anello viene aggiunto il suffisso – carbaldeide. Numerare la catena di atomi di carbonio o l’anello assegnando al gruppo CHO il numero 1, ma omettere questo numero dal nome dell’aldeide. Utilizzare poi tutte le altre regole di nomenclatura. Figure 21. 1 Three examples of Aldehyde nomenclature 4

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Nomenclatura di aldeidi • • • Come gli acidi carbossilici, molte aldeidi semplici hanno nomi comuni che sono ampiamente utilizzati. Un nome comune per un’aldeide è formato dal nome comune del composto progenitore aggiungendo il suffisso -aldeide. Si usano lettere greche per assegnare la posizione dei sostituenti qualora si utilizzi una nomenclatura di tipo comune. 5

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Nomenclatura di chetoni • Nel sistema IUPAC, tutti i chetoni sono identificati con il suffisso “one”. • Trovare la catena di atomi di carbonio più lunga che contiene il chetone e modificre il nome della catena cambiando il suffisso da –ano in -one. • Numerare la catena di atomi di carbonio in modo da assegnare al carbonio carbonilico il numero più basso. Applicare quindi tutte le solite regole di nomenclatura. • Con i chetoni ciclici, numerare il ciclo partendo dal carbonio carbonilico, ma di solito il numero “ 1” è omesso dal nome del chetone. La numerazione al ciclo si assegna percorrendo il ciclo partendo dal carbonio carbonilico e proseguendo in senso orario, oppure antiorario per ottenere la numerazione più bassa. 6

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Nomenclatura di chetoni • Molti dei nomi comuni per i chetoni sono formati attraverso il nome di entrambi i gruppi alchilici legati al carbonio carbonilico, in ordine alfabetico, e aggiungendo la parola “chetone”. • Tre dei nomi comuni più adoperati per chetoni semplici non seguono questa convenzione: 7

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Nomenclatura di chetoni Figure 21. 2 Two examples of ketone nomenclature • Talvolta, i gruppi acilici devono essere considerati dei sostituenti. I tre gruppi acilici più comuni sono i seguenti: 8

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Preparazione di aldeidi e chetoni Metodi comuni per sintetizzare le aldeidi: 9

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Preparazione di aldeidi e chetoni Metodi comuni per sintetizzare i chetoni: 10

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Preparazione di aldeidi e chetoni Aldeidi e chetoni sono ottenuti anche come prodotti della scissione ossidativa degli alcheni. 11

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Reazioni di aldeidi e chetoni—Generale [1] Reazioni al carbonio carbonilico—H e Nu sono addizionati al carbonio carbonilico. [2] Reazioni che avvengono sul carbonio . 12

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Reazioni di aldeidi e chetoni—Generale • Con nucleofili carichi negativamente, l’addizione nucleofila segue un meccanismo a due stadi —attacco nucleofilo seguito da protonazione, come mostrato qui sotto. • Questo processo avviene con nucleofili forti, neutri o carichi negativamente. 13

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Reazioni di aldeidi e chetoni—Generale • Con alcuni nucleofili neutri, l’addizione nucleofila avviene solo se è presente un acido—In questo meccanismo, la protonazione precede l’attacco nucleofilo come mostrato qui sotto. 14

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Reazioni di aldeidi e chetoni—Generale E’ importante sapere quale nucleofilo si addizionerà al gruppo carbonilico. • Cl¯, Br¯ e I¯ sono ottimi nucleofili nelle rezioni di sostituzione al carbonio ibrido sp 3, ma sono pessimi nucleofili nella reazione di addizione. • Quando questi nucleofili si addizionano ad un carbonile, rompono il legame C—O, formando un alcossido. Poichè X¯ è una base molto più debole dell’alcossido formato, l’equilibrio favorisce i prodotti di partenza, e non il prodotto di addizione. 15

Figure 21. 7 Specific examples of nucleophilic addition 16

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila di H¯ e R¯—Un sommario Trattamento di un aldeide o un chetone con Na. BH 4 o Li. Al. H 4, seguito dalla protonazione forma un alcol 1° o 2°. Il nucleofilo in queste reazioni è H: ¯. La riduzione con ione idruro avviene con un meccanismo a due stadi. 17

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila di H¯ e R¯—Un sommario Il trattamento di un’aldeide o di un chetone con un composto organolitio (R”Li) o un reattivo di Grignard (R”Mg. X) seguito da acqua forma un alcol 1°, 2°, o 3° che contiene un nuovo legame C —C. In queste reazioni, R”¯ è il nucleofilo. L’addizione nucleofila avviene attraverso un meccanismo a due stadi. 18

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila di ¯CN • Trattamento di un’aldeide o un chetone con Na. CN e un acido forte come HCl risulta nell’addizione di HCN al legame C—O, con ottenimento di una cianidrina. • Il meccanismo coinvolge i soliti due stadi della reazione di addizione nucleofila—l’attacco nucleofilo seguito da protonazione. 19

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila di ¯CN • Le cianidrine possono essere ritrasformate nei corrispondenti composti carbonilici per trattamento con basi. Questa reazione è l’inverso della reazione di addizione di HCN: deprotonazione seguita da eliminazione di ¯CN. • Il gruppo nitrile è facilmente idrolizzato a gruppo carbossilico per riscaldamento della cianidrina con acidi e basi acquose. 20

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di ammine 10—Formazione di immine • Le ammine sono classificate come 1°, 2°, o 3° in funzione del numero di gruppi alchilici legati all’atomo di azoto. • Trattamento di un’aldeide o di un chetone con un’ammina 1° fornisce un immina (detta anche base di Schiff). 21

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di ammine 1°—Formazione di immine • Poichè l’atomo di N dell’immina è circondato da tre gruppi (due atomi e un doppietto elettronico), questo è ibridato sp 2, per cui l’angolo di legame C—N—R è circa 120°, (non 180°). La formazione di immine è più veloce quando il mezzo di reazione è debolmente acido (p. H 4 -5). 22

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di ammine 1°—Formazione di immine 23

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di ammine 1°—Formazione di immine • Per la formazione di un’immina, sono necessari acidi deboli per la protonazione del gruppo ossidrile nello stadio 3 per formare un buon gruppo uscente. • In condizioni fortemente acide, la velocità della reazione diminuisce a causa della protonazione dell’ammina nucleofila—nessuna coppia elettronica è libera, e la molecola non è più nucleofila. 24

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di ammine 2°—Formazione di enammine • Un’ammina 2° reagisce con un chetone o un’aldeide formando un’enammina. Le enammine hanno un atomo di azoto legato ad un doppio legame C—C. 25

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di ammine 2°—Formazione di enammine 26

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di ammine 2°—Formazione di enammine Figure 21. 10 The formation of imines and enamines compared 27

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Idrolisi di immine ed enammine • Poichè sia le immine che le enammine sono formate da una serie di reazioni reversibili, entrambi i composti possono essere convertiti nel carbonile di partenza per idrolisi con acidi deboli. • Il meccanismo dell’idrolisi è esattamente l’inverso del meccanismo scritto per la formazione delle immine e delle enammine. 28

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di H 2 O—Idratazione • Il trattamento di composti carbonilici con H 2 O in presenza di quantità catalitiche di acidi o basi fa sì che i gruppi H e OH si sommino al legame C—O, favorendo la formazione di un gemdiolo o un idrato. • Le rese di gem-dioli sono buone solo quando si usano aldeidi non ingombrate o aldeidi con un gruppo elettron attrattore. 29

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di H 2 O—Idratazione Sia acidi che basi catalizzano la reazione di addizione di H 2 O al gruppo carbonilico. • In presenza di basi, il nucleofilo è ¯OH, e il meccanismo segue il solito meccanismo a due stadi: attacco nucleofilo seguito da protonazione. • La velocità di reazione aumenta in presenza di basi perchè la base converte H 2 O a ¯OH, un nucleofilo più forte. 30

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di H 2 O—Idratazione • La velocità di reazione aumenta in presenza di acidi perchè l’acido protona il gruppo carbonilico, rendendolo più elettrofilo e così più suscettibile di attacco nucleofilo. 31

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di alcoli— Formazione di acetali • Aldeidi e chetoni reagiscono con due equivalenti di alcoli per formare gli acetali. • La formazione di acetali è catalizzata da acidi, come Ts. OH. • Notare che gli acetali non sono eteri. 32

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di alcoli— Formazione di acetali • Quando si utilizza un diolo come il glicol etilenico invece dei due equivalenti di ROH, si forma un acetale ciclico. • Come nella formazione di gem-dioli, la sintesi di acetali è reversibile, e spesso, l’equilibrio favorisce i reagenti. • Nella sintesi degli acetali, poichè si forma acqua come sottoprodotto, l’equilibrio può essere spostato a destra se si rimuove H 2 O dall’equilibrio non appena si forma. Lo spostamento di un equilibrio verso destra per rimozione di uno dei prodotti è un’applicazione del principio di 33 Le Châtelier.

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di alcoli— Formazione di acetali • Il meccanismo di formazione degli acetali può essere diviso in due parti, il primo dei quali è l’addizione di un equivalente di alcol per formare un emiacetale. 34

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di alcoli— Formazione di acetali • La seconda parte del meccanismo coinvolge la conversione dell’emiacetale in acetale. 35

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Addizione di alcoli— Formazione di acetali • Poichè la conversione di un aldeide o un chetone ad acetale è una reazione reversibile, un acetale può essere idrolizzato ad aldeide o a chetone per trattamento con acidi acquosi. • Dal momento che la reazione è anche un processo di equilibrio, può essere spostato a destra usando un largo eccesso di acqua per l’idrolisi. 36

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Emiacetali ciclici Gli emiacetali ciclici a cinque e sei termini sono composti stabili e sono facilmente isolati. 37

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Emiacetali ciclici Gli emiacetali ciclici sono formati per ciclizzazione intramolecolare di idrossi aldeidi. Queste reazioni intramolecolari per formare anelli a cinque e sei termini sono più veloci delle corrispondenti reazioni intermolecolari. I due gruppi funzionali che reagiscono, (OH e C=O), si trovano molto vicini, e questo aumenta la 38 probabilità della reazione.

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Emiacetali ciclici La formazione di emiacetali è catalizzata sia da acidi che da basi. 39

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Emiacetali ciclici Ciclizzazione intramolecolare di un idrossi aldeide forma un emiacetale con un nuovo centro stereogenico, ma si formano quantità uguali dei due enantiomeri. Gli emiacetali ciclici possono essere convertiti ad acetali per trattamento con alcoli ed acidi. 40

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Emiacetali ciclici 41

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Emiacetali ciclici • Nella conversione di emiacetali ad acetali, il risultato totale è la sostituzione dell’ OH emiacetalico con un gruppo OCH 3. • Questa reazione avviene facilmente perchè il carbocatione che si forma nello stadio 2 è stabilizzato dalla risonanza. Questo comportamento rende un gruppo OH di un emiacetale molto differente da quello del gruppo ossidrile presente in altri alcoli. • Così, quando un composto contiene sia un gruppo OH alcolico sia un gruppo OH emiacetalico ed è trattato con un acido, solo l’OH emiacetalico reagirà, formando un acetale. 42

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Introduzione ai carboidrati • I carboidrati, che comunemente vengono chiamati anche zuccheri e amidi, sono costituiti da poliidrossi aldeidi e chetoni, o da composti che mediante idrolisi possono venir trasformati in poliidrossi-aldeidi e -chetoni. • Molti carboidrati contengono acetali ciclici o emiacetali. Esempi sono il glucosio ed il lattosio. 43

Aldeidi e chetoni— Addizione nucleofila Introduzione ai carboidrati • Gli emiacetali negli zuccheri sono formati per ciclizzazione di idrossi aldeidi. • L’emiacetale del glucosio è formato per ciclizzazione di una poliidrossi aldeide aciclica (A), come mostrato. • Quando l’OH in posizione C 5 funge da nucleofilo, la ciclizzazione dà luogo ad un anello a sei termini, e questa ciclizzazione è favorita. • La ciclizzazione forma un nuovo centro stereogenico—il nuovo 44 gruppo OH dell’emiacetale potrà occupare o una posizione assiale o una equatoriale.