Appunti di Chimica organica 2 (2/3)

Coloranti azoici e reazioni di trasferimento di fase

Questi coloranti possono essere molto tossici e quindi più recentemente si usano coloranti azoici derivati dal naftolo solfonati, come ad esempio il giallo brunoato, che è usato per esempio nello zafferano. I coloranti azoici sono anche usati come indicatori di pH, questo perché la forma protonata presenta un colore diverso dalla forma non protonata, come nel caso del metilarancio:

• Metilarancio (giallo)
• Metilarancio protonato (rosso)
• pK_a = 3,5

Reazioni e trasferimento di fase

Usare un sale come reagente impone di usare acqua per sciogliere il sale. Se la reazione è una sostituzione nucleofila, è possibile che il nucleofilo del sale sia sostituito dall’acqua, rendendo poco reattivo. Aggiungendo un trasferitore di fase è possibile trasferire il nucleofilo nelle soluzioni organiche dove è presente il partner elettrofilo della reazione, rendendo il processo molto più efficace. Maggiormente usati per questo scopo sono i sali di tetraalcili ammonio o tetraalcili fosfonio come il bromo di esadeciltrimetilfosfonio o il cloro di benzatritemetilammonio. Il meccanismo è il seguente:

Dato che il sale di bario è solubile in acqua, dopo aver usato una fase organica può avvenire l’inversione di fase facendo un doppio scambio con un controione diventando ciano di fosfonio. Tornando nella fase organica rende lo ione CN⁻ non solvatato dell’acqua e quindi disponibile per la sostituzione nucleofila.

Le reazioni o trasferimenti di fase possono avvenire anche in fase solido-liquido, usando il sale cristallino direttamente nella fase organica. Considerando l’esempio del cianuro di sodio, è necessario un complessante per il sodio, rendendo il cianuro libero e quindi in grado di dare sostituzione nucleofila. Per questo scopo si usano polimeri ciclici del glicole etilenico detti eteri a corona ("crown ethers"), ne esistono di varie grandezze per complessare metalli differenti; per il sodio in uso 15-crown-5, dove 15 è il numero di atomi totali e 5 è il numero di ossigeni, per il potassio si usa il 18-crown-6.

• 15-crown-5
• 18-crown-6

Fenoli e lacche fenoliche

Fenoli

• Fenolo
• Catecolo
• Resorcinaolo
• Idrochinone
• O-cresolo
• P-cresolo

Gli alcoli alifatici sono acidi deboli (pKa ≈ 15-16), invece il fenolo ha una certa acidità (pKa ≈ 10), circa come l’acido coniugato di una ammina alifatica. Questo perché se l’alcol viene deprotonato, la carica negativa dell’ossigeno può essere delocalizzata sull’anello.

Il fenato infatti è un forte attivante dell’anello orto-para orientante (+I+ forte). Infatti l’acidità aumenta ulteriormente se sono presenti dei gruppi elettron-attraenti nelle posizioni orto e para (meta no perché non può stabilizzare la carica negativa per effetto mesomero).

Lacche fenoliche

Le lacche fenoliche sono dei polimeri formati dalla reazione di fenolo con formaldeide. Queste reazioni possono avvenire sia in ambiente acido che in ambiente basico. In ambiente acido si ha l'attacco nucleofilo da parte dell'alcool alla formaldeide fino a ottenere il prodotto di trissostituzione. A questo punto in ambiente acido si può avere perdita di acqua per formare un carbocatione benzilico (stabilizzato per risonanza). Il carbocatione può reagire con il fenolo fino ad arrivare al prodotto di bissostituzione elettrofilica aromatica. La reazione prosegue fino alla formazione del polimero.

La reazione può avvenire in ambiente alcalino, nel quale sarà favorita l'uscita di un OH^- con formazione di un intermedio carbonionico alif. insaturo. Se nel fenolo di partenza è già presente un sostituente nella posizione para, la polimerizzazione può avvenire solo nelle posizioni orto ottenendo dei polimeri lineari che possono anche richiudersi con formazione di grandi cicli.

Questi polimeri vengono chiamati calixareni, hanno interessanti applicazioni come leganti. Per capire il motivo di questo comportamento prendiamo in considerazione un sistema coniugato generico che abbia come estremità carboni ibridati sp². Affinché si abbia la formazione dei legami C-C ci deve essere una sovrapposizione orbitale con zone dello stesso segno per avere interazione di legame. Nel caso dell'otteniene, essendo la simmetria dei orbitali HOMO la stessa, per avere sovrapposizione gli orbitali devono ruotare in senso opposto, con un minimo della distorsione. Se invece (come nel caso del butadiene) la simmetria degli orbitali è opposta allora il movimento necessario è nello stesso senso, e si delto conrotatorio.

Prendiamo adesso in considerazione il processo fotochimico: in questo caso l'orbitale HOMO non è più quello dello stato fondamentale ma quello superiore (Ψ_n+1), che avendo simmetria opposta, la eccitazione avviene in senso contrario.

Formazione di esteri ed eteri

Formazione di esteri

Per la deprotezione è sufficiente effettuare una protonazione (nelle stesse condizioni di protonazione alcheni) che porta l'estere ad alcol e toluene. Si tratta quindi di una deprotezione in ambiente neutro.

Gli esteri possono essere generati o per brattamento con alogeni acilici, o con anidridi. Per la deprotezione si deprotegge in ambiente alcalino, con metossido di sodio, si forma l'estere metilico e l'elecot.

Formazione di eteri t-butirici o trifenilmetilici

Questi eteri si deproteggono facilmente in ambiente acido (si usa di solito acido trifosforo acetico). La deprotezione avviene in ambiente acido con la protonazione dell'ossigeno e rottura del legame O-C con formazione di un carbocatione stabilizzato. Si usano acidi forti come l'acido trifluoro acetico formando l'alcol ed il rispettivo trifluoro acetato.

Utilizzo di sili-etere

NB: Questa, a differenza degli altri metodi, è applicabile solo agli alcoli e non alle ammine, perché le ammine danno legami con il silicio molto più deboli. Se quindi uso un clorosilano con un alcol in ambiente basico ottengo un sili-etere.

Nel meccanismo di reazione si ha l’ossigeno del MCPBA che fa da nucleofilo verso il carbonile. La struttura dell’intermedio è simile a quella del pinacolo, invece di avere un carbocatione abbiamo un ossigeno protonato poiché l’ossigeno d’ha un effetto elettroni attrattore del carbonile. Si ha quindi la formazione del doppio legame e la migrazione del legame C_α adiacente sull’ossigeno con formazione del prodotto.

Reazioni chimiche avanzate

Trasposizione di Beckman delle ossime

Le ossime sono derivati da chetoni con idrossilammine, che in ambiente acido si trasformano in ammidici o lattami ciclici.

6-esano lattame: In ambiente acido si avrà la protonazione dell’ossidrile con uscita di H₂O. Successivamente il gruppo alchilico migra sull’azoto con la formazione del catione immonio che può essere attaccato dall’acqua che, per tautomeria, porta al prodotto.

Ossidazione legame C-C tra due ossidrilici

Reazione opposta alla pinacolica, il reagente che di solito viene usato è l’acido periodico HIO₄. Il meccanismo passa per la formazione di un estere iodico ciclico per condensazione ed espulsione di una molecola di acqua. L’acqua è un acido più forte (pKa = 15,7) del chetone (pKa = 20), quindi la reazione sarà spostata verso sinistra, con una costante di equilibrio calcolabile a pari rapporto tra la costante acida del chetone e la costante acida dell’acqua:

K_eq = K_{a chetone} / K_{a H2O} = 10^-20 / 10^-15,7 = 5 · 10^-5

Quindi ho bisogno di una base più forte. Per questo scopo viene usata la litio diisopropilammide (LDA), che ha una pKa di 40, quindi è una base estremamente forte, generata in situ da diisopropilammina con butillitio, e formata a bassa potenziale di scarto. Usando una base sufficientemente forte si ha subito la formazione dell’enolato che poi non reagisce con il chetone perché viene subito esanato. (Keq ~ 10²⁰ con protoni)

Importante: Questo tipo di basi devono essere usate a bassa temperatura (-78°C) perché altrimenti inizieranno a reagire con il solvente scelto (EtOEt, THF).

Reazione aldolica con carbonile non simmetrico

Se il carbonile non è simmetrico si possono generare due enolati, e quello più sostituito sarà quindi quello termodinamicamente più stabile, cui èolato meno sostituito sarà quello cineticamente più stabile perché la reazione è avvenuta con meno ingombro sterico, inoltre la base ha protoni che può strappare (quindi statisticamente). Posso quindi cambiare le condizioni di reazione posso preferire l’enolato cinetico o termodinamico.

A -78°C infatti è preferita la formazione dell’enolato cinetico, mentre a temperatura più alta (0°C) con lieve eccesso del chetone, è preferita la formazione del chetone termodinamico.

• Enolato cinetico: Bassa temperatura (-78°C), Base forte e stechiometrica, Solvente necessariamente aprotico
• Enolato termodinamico: Temperatura maggiore o uguale 0 °C, Base non necessariamente forte e non-stoichiometrica, Solvente anche protico

O-Alchilazione nelle reazione aldolica

L’associazione della coppia ionica Li⁺O^- rende l’ossigeno meno reattivo come nucleofilo, mentre il carbonio può comunque reagire come elettrofilo. In questi due enolati, l’ossigeno è in entrambi radicali, mentre il carbonio è un centro soft, quindi è più facile dissociare la coppia ionica. Variando le condizioni dell’esperimento, le possibilità di produrre O-alchilazione con C-alchilazione. Infatti, questo è la scelta preferita, perché la coppia ionica si sarà molto più associata (la litio) nel processo di C-alchilazione, mentre quello sarà meglio dissociato nel processo di O-alchilazione e rimanendo in soluzione.