reattivita’ degli anelli eteroaromatici. la presenza di eteroatomi influenza la reattività:...
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REATTIVITA’ degli ANELLI
ETEROAROMATICI
La presenza di eteroatomi influenza la reattività:
Eteroaromatici di tipo piridinico
diminuiscono la densità di carica negativa sull’anello
Eteroaromatici di tipo pirrolico aumentano la densità di carica negativa sull’anello
N
HN
nella reazione con ELETTROFILI sono più attive le posizione 3 e 5, oltre che l’azoto piridinico
nella reazione con NUCLEOFILI è più attiva la posizione 4, e 2-H e 6-H sono i protoni più acidi
PIRIDINA
PIRROLO
le reazioni con ELETTROFILI sono possibili in qualunque atomo di carbonio: in generale, la reazione di sostituzione elettrofila è più favorita che nel benzene
i NUCLEOFILI reagiscono con il protone pirrolico
PIRROLO
Supponiamo che una reazione possa procedere da A al prodotto B, o da A al prodotto C e che alle due reazioni siano associate due energie diverse come riportato nel grafico.
B A CB A CEn.
c. di reaz.
La reazione che porta a B va sotto controllo termodinamico (lunghi tempi di reazione e alte temperature): B è il prodotto termodinamicamente più stabile, a energia più bassa.
La reazione che porta a C va sotto controllo cinetico (tempi più brevi di reazione, temperature più basse), essendo coinvolta la più bassa energia di attivazione.
en
. di
att
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on
e
∆G
di
reazi
one
A
B
C
c. di reaz.
Entrambe le reazioni irreversibili: si forma in quantità maggiore il prodotto con energia di attivazione minore (C): favorita la reazione più veloce.
Entrambe le reazioni reversibili:dapprima si forma più C che B. Nel tempo, però, le reazioni si spostano in modo da formare in quantità maggiore il prodotto più stabile (B)
C ridà A più di quanto faccia B, che è il prodotto termodinamicamente più stabile.
B A CB A C
Reazioni con elettrofili es. : solfonazione naftalene
veloce e reversibile
elettrofili: H+, acidi di Lewis, ioni metallici, R-X, alogeni, peracidi
es. : reazioni di elettrofili con la piridina
più difficile da far avvenire e irreversibile
elettrofili: H+, NO2
+, SO3, Cl+, RCO+, R+, O3
La reattività dell’azoto con elettrofili in composti eteroaromatici:
anione del pirroloN
reagisce molto facilmente
N
H
pirrolo reattività quasi nulla: il doppietto è funzionale a mantenere le condizioni di aromaticità
N
La reattività dell’azoto con elettrofili in composti eteroaromatici:
piridina reagisce facilmente
N
R
ione piridinio
reattività nulla: il doppietto è già impegnato nel legame con -R
La reattività dell’azoto con elettrofili in composti eteroaromatici:
-Altri gruppi elettron-donatori nella molecola ne aumentano la reattvità. Viceversa i gruppi elettron-attrattori.
- Elettrofili possibili: H+, acidi di Lewis, ioni metallici, alogeni.
- Generalmente non avvengono reazioni di sostituzione all’azoto.
- Quando sono presenti più atomi di azoto, reagisce quello con doppietto libero:
La reattività del carbonio con elettrofili in composti eteroaromatici:
-Gruppi elettron-donatori favoriscono la reazione. Viceversa gruppi elettron-attrattori -Le reazioni non sono identiche ma simili a quelle del benzene
- elettrofili: H+, NO2+, SO3, Cl2, RCO+, R+, O3
Attacco di un elettrofilo a un azoto piridinico
Paragoniamo l’azoto a quello di un’ammina terziaria:esso reagisce più o meno facilmente con molte specie elettrofile
protoni Saliacidi di Lewis composti di coordinazioneioni di metalli di transizione complessialogenuri reattivi Sali quaternarialogenuri addottiagenti ossidanti N-ossidiagenti ammidanti N-ammino derivati
N
Se l’elettrofilo è H+
pka
9.7
5.2
il doppietto dell’azoto occupa un orbitale sp3
il doppietto dell’azoto occupa un orbitale sp2, più elettronegativo e con minore disponibilità a formare legami N
CH3C N ≈0 il doppietto dell’azoto occupa un orbitale sp, ancora più elettroneativo.
Per studiare la basicità degli eterocicli si può utilizzare il pka
nello studio degli equilibri acido base
Più alto è il pka, più basico è il composto
Il pka è una misura qualitativa della reattività degli atomi di azoto verso gli elettrofili
La reattività verso gli elettrofili è influenzata dai sostituenti.
Aumenta in presenza di sostituenti elettron-donatori, in particolare in posizione 2 e 4
AMMINOpiridine:L’aumento di basicità della 2-amminopiridina (+1,7) rispetto alla piridina, è minore che nella 4-amminopiridina (+4,0): l’effetto mesomerico elettron-donatoredel gruppo amminico (+M) è bilanciato dall’effetto induttivo (-I), più forte in posizione 2 che in posizione 4.Gli effetti induttivi diminuiscono con la distanza dall’atomo di azoto, nell’ordine 2 > 3 > 4.
METOSSIpiridine:L’effetto induttivo ha un effetto maggiore in questi composti, tanto che le 2-metossipiridine ha una basicità più bassa (-1.9) della piridina a causa di un forte effetto induttivo –I del gruppo MetO-
POLICICLI eteroaromatici: La presenza di anelli benzenici fusi agli eterocicli influenza poco la basicità dell’eteroatomo rispetto alla piridina.
altri esempi di pka in composti eterocicli
DIMENSIONI: gli effetti sterici, legati alle dimensioni dei sostituenti in posizione 2 e 6, oltre che alle dimensioni dell’elettrofilo, influenzano la reattività dell’eteroatomo
La basicità delle piridine con l’elettrofilo più piccolo (H+) è influenzata solo da sostituenti molto ingombranti come i terzbutili, ma non dai metili
ESEMPIO 1.Le piridine hanno odore sgradevole e le acridine hanno proprietà irritanti e lacrimogene. Tuttavia, la 2,6-di-terzbutilpiridina (1), dopo purificazione su silice, perde il suo caratteristico odore, mentre la dimetilacridina (2) non è irritante né tossica: ciò è dovuto al fatto che la coordinazione dell’azoto con metalli di transizione nei tessuti biologici risulta impedita in questi composti (JOC, 1978, 36-46)
ESEMPIO 2.La N-alchilazione della 2,6-di-terzbutilpiridina risulta sfavorita proprio a causa dell’ingombro sterico sull’azoto. Tuttavia, la reazione può essere condotta ad elevata pressione di 10.000 atm. (JOC, 1982, 1977).
Per trattamento termico, dal sale N-metilpiridinio si ri-ottiene la di-terzbutilpiridina e lo ioduro di
metile.
SOSTITUZIONE ELETTROFILA al CARBONIO
effetto degli eteroatomi:
Gli effetti orientanti e mesomerici sono simili a quelli previsti per il benzene:
Attivanti: -NH2, -OH (fortemente elettron-donatori) [o,p orientanti] -R (debolmente donatori) [o,p orientanti] alogeni (accettori) [o,p orientanti]Disattivanti: -NO2, -COR, -SO2R (accettori) [m orientanti]
Queste reazioni sono possibili in condizioni di reazione più drastiche e/o in presenza di gruppo elettron-attrattori
Esempio: formazione dell’o-nitrofenolo.-il nitrobenzene fuso con potassa in presenza di aria dà l’o-nitrofenolo-il nitro gruppo stabilizza l’intermedio anionico delocalizzando ulteriormente la carica negativa-l’attacco in orto è preferito a causa dell’effetto induttivo –I del nitro gruppo-per ottenere il fenolo 3 è necessario avere un agente ossidante (in presenza di aria) per eliminare lo ione idruro
SOSTITUZIONE NUCLEOFILA al CARBONIO
SOSTITUZIONE NUCLEOFILA al CARBONIO
REAZIONI di SOSTITUZIONE NUCLEOFILA su composti etero-aromatici
E’ più facile che la reazione torni indietro verso i reagenti
in genere è favorita da nucleofili molto forti, come NH2
-, LiR, LiAlH4, ma anche alcuni più deboli come NaBH4, OH-, CN-
In genere, nello ione piridinio, la reazione di sostituzione nucleofila risulta più favoritain modo da neutralizzare la carica positiva sull’azoto
REAZIONI di SOSTITUZIONE NUCLEOFILA su composti etero-aromatici