1

---TIPURI DE REACŢII ÎN CHIMIA ORGANICĂ

PARTEA ÎNTÂIA GENERALITĂŢI PRIVIND OBIECTIVUL CURSULUI

CAPITOLUL 1 CLASIFICAREA REACŢIILOR ORGANICE Moto: Do you ask what the birds say? The sparow, the dove The linnet and thrush say: I love and I love! I love my Love and my Love loves me! Mary Elizabeth Coleridge (1861-1907) 1.1. Obiectivele disciplinei Cursul de faţă se adresează unor studenţi înscrişi la programul de

master „Produse Farmaceutice şi Cosmetice” din cadrul Facultăţii de CHIMIE APLICATĂ ŞI ŞTIINŢA MATERIALELOR, altfel spus, se adresează unor studenţi care au făcut şi absolvit un Curs de Chimie Organica, de Mecanisme de Reacţie sau de Produse Farmaceutice. În consecinţă, cursul trebuie numai să amintească tipurile de reacţii, să le exemplifice şi să le adâncească pe acele folosite în industria de medicamente şi de cosmetice. Astfel, un prim obiectiv al acestui curs va fi familiarizarea cu tipurile de reacţii din chimia organică.

1.2. Clasificarea reacţiilor organice 1.2.1. Componentele unei reacţii organice Într-o reacţie din chimia organică distingem mai multe componente

dintre care nu toate sunt necesare în toate aplicaţiile cunoscute. Cea mai importantă componentă care nu poate lipsi dintr-un procedeu aplicat este substratul ( S ), respectiv compusul organic în a cărei transformare suntem interesaţi. O a doua componentă importantă este reactantul ( R ); spre deosebire de substrat reactantul poate lipsi în unele procese ( de exemplu în reacţiile de izomerizare ). O componentă care nu trebuie să fie neglijată este catalizatorul ( C ), sau mai bine spus întreg sistemul catalitic format din

2

catalizatorul propriu-zis şi unul sau mai mulţi co-catalizatori. În exemplul unor reacţii de acelaşi tip ( acelaşi tip de modificare chimică, ducând la produşi înrudiţi structural etc.) catalizatorul poate lipsi, procesul având loc şi în absenţa sa. Altfel spus, catalizatorul activează reactantul R sau substratul S, reacţia putând decurge mult mai repede şi în condiţii mult mai blânde în prezenţa sa. Ca şi substratul şi reactantul, catalizatorul este implicat direct în procesul chimic care are loc.

Dintre componentele care pot lipsi sau pot fi înlocuite cu alte componente trebuie menţionat solventul – pentru reacţiile decurgând în medii omogene lichide – diluantul gazos – pentru reacţiile decurgând în mediul gazos. Multe reacţii însă decurg într-un mediu heterogen, un fapt nefavorabil proceselor implicând prezenţa lui S şi R în faze diferite.

Pentru orice proces chimic, deosebit de importantă este specificarea tipului de activare fizică a procesului: activare termică, activare fotochimică, sau sonochimică etc.

Menţionarea tuturor acestor factori defineşte perfect tipul de reacţie şi procesul care poate avea loc. În acelaşi timp, aceste date ne permit să facem o prima clasificare a reacţiilor chimice.

1.2.2. Clasificarea după tipul de transformare suferit de substrat După tipul transformării suferită de S, reacţiile organice pot fi

divizate în următoarele tipuri: i) Reacţii de substituţie:

S - X + R S - Y + D

S - X: Substratul continand o grupa deplasabila XR : reactantulS - Y Substratul modificatD: Restul deplasat combinat cu X

(1)

Substratul conţine o grupă X deplasabilă de către reactantul R.

Aceasta grupă se regăseşte combinata cu o parte din reactantul R în D. Exemple:

R - OH + HCl R - Cl + H2O (2)

RNa + R'Cl R - R' + NaCl (3) Reacţia (2) implică obţinerea unui derivat halogenat dintr-un alcool,

în timp ce reacţia (3) constă din condensarea unui compus halogenat (considerat S) cu un derivat sodat (corespunzând reactantului, R).

3

ii) Reacţii de adiţie: R - CH=CH - R R - CHBr-CHBr - R (4)+ Br2

R-CH=O + HCN R - CH(OH)CN (5)

Prima dintre aceste reacţii, (4), corespunde unei adiţii de halogen la

o alchenă, cea de a doua reacţie, (5), este o reacţie cianhidrină. iii) Reacţii de eliminare: Prin astfel de reacţii se introduc legături multiple, de ex., obţinere de

alchene sau alchine:

R-CHX - CHY-R (S)

R-CH = CH-R + (XY) (6)(R sau C)

sau duble şi triple legături, carbon – carbon, sau carbon – heteroatom:

R-CH=N-OH R -C N + H2O (7)(R sau C)

iv) Reacţii de izomerizare; reacţii de transpoziţie : În reacţiile de izomerizare (transpoziţie), formula moleculară a sub-

stratului nu se modifică, se schimbă formula structurală. Procesul este fie catalitic:

C6H12 C6H12

(8a)AlCl3

fie termic :

(8b)temp

sau fotochimic:

hν(8c)

Ultimele două reacţii, (8b) şi (8c), fac parte din clasa reacţiilor

periciclice, o importantă clasă de procese concertate. v) Reacţii de oxido-reducere: Sunt procese de modificare a grupelor funcţionale din moleculă, în

care numărul atomilor de carbon din moleculă nu variază. Procesul poate fi reversibil (9), sau ireversibil (10) :

4

R-CH2-OH R-CH=O-2(H), oxidare

+2(H),reducere

(9)

R-CH=O R-COOH (10)Oxidare

În alte tipuri de reacţii de oxidare, la rândul lor ireversibile, molecula

se rupe, numărul atomilor de carbon din moleculă scade. R-CH=CH-CH3 R-COOH + CH3-COOH, etc. (11)

Oxidare

1.2.3. Clasificarea după natura reactantului sau intermediarilor de reacţie Există două tipuri de reactanţi: reactanţi heterolitici şi reactanţi

homolitici. Reactanţii heterolitici pot fi: a) Reactanţi nucleofili, cu afinitate

pentru nucleul atomului de carbon şi anume: anioni ( anioni de halogen, Cl- , Br-, etc. ), ioni hidroxid şi alcoxid ( HO-, RO- ), sau molecule neutre posedând la atomul central o pereche de electroni neparticipanţi, apă H2O:, amoniac, H3N: si derivaţi organici, amine RNH2 etc. c) Reactanţi electrofili, reactanţi cu afinitate pentru o pereche de electroni. Aceştia pot fi ioni pozitivi, de regulă organici, carbocationi dar şi molecule cu deficit de electroni, de exemplu carbene R2C:, cationi anorganici etc.

Reactanţii homolitici sunt atomi şi radicali liberi. Ţinând seama de natura reactantilor, există două tipuri de reacţii: i) Reacţii heterolitice: Aceste reacţii implică reactanţi ionici sau

neutri, producând modificări polare a unor legături iniţiale. Pot fi reacţii de substituţie, reacţii de adiţie şi reacţii de eliminare. Fiecare dintre acestea, la rândul lor, se pot divide în procese concertate ( ruperea şi formarea legăturilor are loc într-un singur proces ) şi în procese, decurgând în mai multe etape, în etapele cheie identificându-se intermediari caracteristici : carbocationi sau carbanioni.

ii. Reacţii homolitice : Şi aceste reacţii pot decurge într-o singură fază, în care caz reactantul este un atom sau radical liber, sau în mai multe faze, în care intermediarii sunt radicali liberi. Ca şi reacţiile precedente, reacţiile homolitice pot fi reacţii de substituţie, reacţii de adiţie şi reacţii de eliminare.

Trebuie menţionat faptul că în cazul ambelor tipuri de reacţii, nu numai reactantul este important în clasificarea tipului de reacţie. În unele cazuri, foarte importantă este şi considerarea tipului de substrat, de exemplu:

5

substituţia heterolitică alifatică, în care substratul (sau mai corect, centrul de reacţie) este alifatic şi substituţia heterolitică aromatică, în care procesul are loc într-un sistem aromatic.

1.2.4. Clasificare după mecanismul reacţiilor organice Clasificarea reacţiilor organice după tipul transformării suferită de

substrat, indicată la paragraful 2.2, poate fi detailată ţinând seama de mecanismul reacţiilor respective.

Fiecare din tipurile de reacţie menţionate poate fi divizată în continuare după mecanismul intim de reacţie. În Tabelul 1.1 este prezentată clasificarea reacţiilor menţionate la punctul 2.2. Sunt necesare câteva precizări legate de clasificarea prezentată: a. In Tabelul 1.1, prima coloană ţine în special seama de clasificarea făcută la punctul 2.2. O singură diferenţă: se ţine seama de natura atomului de carbon atacat de reactant. b. Defalcarea după tipul mecanismului are loc în coloanele 2 si 3 ale tabelului. În acest caz se ţine seama şi de natura reactantului ( nucleofil, electrofil sau radicalic ). c. Cele două coloane indică de asemenea dacă procesul este concertat (decurge într-o singură etapă ), sau dacă decurge în mai multe etape succesive. Astfel, o deplasare nucleofilă la carbonul alifatic poate decurge după două mecanisme, un mecanism concertat ( SN2 ):

Schema 1.1

C X

R1

R3R2Nu:- Nu.........C...........X

R2R1

R3

Nu C

R1

R2

R3 + X-

Nucleofil (R) Substrat (S) Stare de tranziţie (ST) Produs (D)

În schema de mai sus s-au păstrat notaţiile făcute mai înainte: S -

substrat, R - reactant, D – produs de reacţie. Schema corespunde mecanismului SN2. Schema celuilalt mecanism din acest tip de reacţie, SN1, este redată în Schema 1.2.

Schema 1.2

C X

R3R2

R1

R1R2R3C+ + X- (a)

1 2

6

R1R2R3C+ + Nu:- Nu C

R1

R2

R3 + C

R1

R3R2Nu

2 (S)-3 (R)-3

(b)

Schema 1.2, comparată cu schema 1.1, ilustrează şi stereochimia acestor procese. În timp ce procesul SN2 este stereospecific şi decurge cu inversie de configuraţie, un proces SN1 duce la amestecul celor doi diastereoizomeri, (R) şi (S), în proporţii egale, la un amestec racemic.

Tabelul 1.1. Clasificarea reacţiilor organice după

mecanismul de reacţie _____________________________________________________________

Tipul de reacţie Mecanism Simbol

====================================================== 1. Reacţii de substituţie 1.1 Substituţii nucleofile SN la carbonul saturat a. Substituţie bimoleculară SN2

b. Substituţie unimoleculară SN1 1.2. Substituţii electrofile SE a. Substituţie bimoleculară SE2 b. Substituţie unimoleculară SE1 1.3 Substituţii homolitice

2. Reacţii de substituţie 2.1. Substituţii nucleofile SNAr la carbonul aromatic (SA) 2.2. Substituţii electrofile SEAr

3. Reacţii de adiţie 3.1. Adiţii nucleofile AdN

3.2. Adiţii electrofile AdE 3.3. Adiţii homolitice

4. Reacţii de eliminare 4.1. Eliminări α Εα 4.2. Eliminări β Εβ

4.3. Eliminări γ Εγ 5. Reacţii de transpoziţie 5.1. Transpoziţii nucleofile R+ → R’+

(reacţii de izomerizare) (transpoziţii cationice)

7

5.2. Transpoziţii homolitice R. → R’.

(transpoziţii radicalice) 5.3. Transpoziţii electrofile R:-→ R’:-

(transpoziţii anionice) 6. Reacţii periciclice 6.1. Transpoziţii sigmatropice 6.2. Transpoziţii electrociclice 6.3. Reacţii de cicloadiţii 6.4. Reactii cheleotropice ======================================================

În afara mecanismelor SN trecute in Tabelul 1.1 Există si alte tipuri de mecanisme ( SNi , SNi’ ) mai puţin frecvente şi care vor fi menţionate mai târziu. Foarte importante sunt însă substituţiile aromatice electrofile (SEAr).

Reacţiile de substituţie aromatică (SE) sunt de regulă procese decurgând în etape. O reacţie Fridel-Crafts, de exemplu (Schema 1.3) implica 3 fraze:

Schema 1.3

R-Cl + AlCl3 R+ AlCl4-

R H

+

R

(a)

R+ AlCl4- +

AlCl4-

+ HCl + AlCl3(b) (c)

4 Prin echilibrul (a) se generează reactantul electrofil. Produsul de

substituţie rezultă prin reacţia complexului de aluminiu format cu hidrocarbura aromatică pentru a forma in etapa (b) intermediarul 4. Produsul de substituţie aromatică se formează în ultima etapă a procesului.

Reacţiile de adiţie la dubla legătură alchenică sunt de regulă adiţii electrofile. In Schema 1.4 sunt arătate etapele unei asemenea proces:

Schema 1.4 E - Nu E+ + Nu- ; E+ : Reactant electrofil; Nu- : Reactant nucleofil

R2C = CR2 + E+ R2C - CR2 R2C - CR2

E

+ Nu:-

E

Nu

5

8

Reactantul electrofil ( E* ) se formează în prima etapă a reacţiei. Intermediarul cheie in acest mecanism este cationul 5. Structura formulată mai sus pentru acesta poate fi diferită în unele exemple ( v. cap. ).

Un mecanism similar se poate scrie şi pentru celelalte două tipuri de adiţii. În cazul adiţiei homolitice prima etapa a procesului este generarea unui atom sau radical liber urmată de atacul acestuia la dubla legătură cu generarea unui radical liber intermediar. În adiţia nucleofilă, atacul este produs de un reactant nucleofil iar intermediarul este un carbanion.

Adiţiile nucleofile sunt foarte frecvente la duble legături hetero-atomice ( v. de ex., reacţia (5) ), dar pot avea loc şi la dubla legătură carbon-carbon. În aceste cazuri, dubla legătură trebuie să fie activată, de exemplu prin conjugare cu o grupă carbonil:

CH = CH - CH = O

R

Nu:-HC

R

Nu CH = CH - O-

Nu - CHR - CH = CH - OH Nu-CHR-CH2-CH=O

(12)

(13

5

5- A-

+ AH

6 7 Adiţiile radicalice pot fi procese fotochimice, de exemplu adiţiile de

halogen, sau sunt iniţiate de iniţiatori de reacţii radicalice. Un exemplu de poliadiţie radicalică este reacţia de polimerizare.

Initiator I. + R2C = CR2 I-CR2-CR2 I-CR2-CR2-CR2 -CR2

, .R2C=CR2 etc

8a 8b Aşa cum rezultă din tabel, reacţiile de eliminare pot fi de trei tipuri:

Eliminările α duc la formare de carbene, eliminările β generează alchene, în timp ce eliminările γ duc la formare de ciclopropani.

i)Eliminări α: Prin eliminări α se obţin carbene, :CR1R2, compuşi foarte reactivi, ce trebuie generaţi în mediul de reacţie, în prezenţa reactantului potrivit. Se pot obţine prin eliminări în mediu bazic, în mediu neutru sau în mediu acid. Metodele uzuale folosesc însă eliminările în mediu puternic bazic, de exemplu:

9

(CH3)3C-O- K+ + H-CBr3 (CH3)3C-OH + K+ + -CBr3 (14)

K+ + -CBr3 KBr + :CBr2 (15)

8 9

9 10 În obţinerea dibromcarbenei 10 se foloseşte o bază puternica,

t-butoxidul de potasiu, într-un mediu nepolar. Diclorcarbena 11 se poate obţine printr-un procedeu similar,

folosind în schimb cloroform. Se poate obţine însă şi printr-o eliminare α într-un mediu practic neutru, anume pornind de la sarea de argint a acidului tricloracetic:

Cl3C-COOAg :CCl2

+ CO2 + AgCl (14) 11 12 Azotatul de argint poate fi folosit pentru obţinerea dibromcarbenei în

mediu acid: AgNO3 + CHBr3 :CBr2 + AgBr + HNO3 (15)

10 Obţinerea carbenelor şi utilizarea lor în sinteze chimice va fi

discutată mai pe larg într-un capitol viitor. ii) Eliminarea β : Generează alchene. Şi în acest caz se cunosc trei

tipuri diferite de eliminări: două dintre ele decurg în trepte şi au drept intermediari fie carbocationi ( eliminare E1 ), fie carbanioni ( Eliminare E1cB ). Eliminarea concertata este eliminarea E2.

Mecanismul E1 de eliminare β implică în primă fază o ionizare unimoleculară la Cα , cu formarea unui carbocation, urmată de o eliminare rapida a unui proton de la Cβ:

Schema 1.5

H - CαR2 - CβR2 - X H - CαR2 - CβR2

+- X-

13

SN1

+ Nu- HCR2-CR2-Nu

E1

-H+CR2=CR2

(!6)

(17)

Aşa cum se vede din schema 1.5, eliminarea E1 este întotdeauna

însoţită de o reacţie SN1, sau altfel spus, în orice proces SN1 vor rezulta şi

10

alchene, proporţia dintre produsul de eliminare şi cel de substituţie depinzând de natura cationului 13.

iii)Eliminarea γ : Generează ciclopropani. Este mult mai puţin studiată decât celelalte tipuri de eliminări. Cel mai frecvent decurge prin mecanisme similare eliminării E1cB. Astfel, derivatul esterului malonic 14 poate forma cu uşurinţă combinaţia sodată 15. Aceasta se ciclizează cu uşurinţă la derivatul ciclopropanic 16.

Br CH2

H2C

CHCOOR

COOR

Br CH2

H2C

:CCOOR

COOR-

14 15

COOR

COOR16 Pe lângă acest mecanism, se cunosc şi exemple de solvolize

unimoleculare. Astfel, Winstein şi colaboratorii au stabilit că în solvoliza exo-tosilatului de 2-norbornil, 17, rezultă şi cca 4% nortriciclenul 18 :

OTs OAc+

17 18 19 Evident, produsul principal al acestei solvolize este exo-acetatul de

2-norbornil 19. Şi aceste reacţii vor fi discutate mai în detaliu în capitolele urnătoare.

Următorul tip de reacţii din Tabelul 1.1 îl constituie reacţiile de transpoziţie sau izomerizare . Ambii termeni implică o transformare chimică ( termică, fotochimică sau catalitică ) în care formula moleculară rămâne neschimbată, deşi formula structurală se modifică. Termenul de transpoziţie se foloseşte de regulă pentru procesele concertate (având loc într-un singur proces), indiferent dacă e vorba de o reacţie implicând o specie ionică sau una neutră. Vom ilustra cele spuse cu următoarele două exemple:

11

R1 CH

H

CH = CH - CH = CH R2 R1 CH=CH-CH=CH CH R2

H

Transpozitie sigmatropica de ordinul 1,5

(18)

R1 CH

CH3

CH R2

+R1 CH CH R2

CH3+

Transpozitie Wagner-Meerwein

(19)

Prima reacţie implică specii neutre, în timp ce a doua specii

cationice. Amândouă sunt transpoziţii pentru că în amândouă grupa care migrează ( hidrogenul, în transpoziţia sigmatropică, grupa metil în transpoziţia Wagner-Meerwein ) nu părăsesc molecula. O stare intermediară între substrat şi produs ar putea fi reprezentată astfel:

HC

HCCH

CH

CHH

R1 R2

+HC CH

CH3

R1R2

+

20 21 Starea de tranziţie 20 corespunde transpoziţiei sigmatropice şi indică

faptul că atomul de hidrogen care migrează nu părăseşte molecula, fiind tot timpul legat de aceasta. Acelaşi mers al procesului este indicat şi de 21 pentru migrarea grupei metil. În această secţiune ne vom ocupa numai de reacţii de tipul transpoziţiei Wagner-Meerwein, transpoziţia sigmatropică va fi discutată în cadrul reacţiilor periciclice. Termenul de izomerizare este mai general şi înseamnă transformarea unui izomer într-altul, fără a ţine seama cum se produce această transformare.

Termenul englezesc pentru „transpoziţie” este „rearrangement” sugerând rearanjarea atomilor în interiorul unei molecule ( deci un proces concertat ). Termenul francez utilizat până nu de mult a fost cel de „transposition” dar e din ce in ce mai mult inlocuit de „rearrangement”. Termenul german este „Umlagerung” sugerând schimbarea aranjamentului iniţial.

Transpoziţii nucleofile, sau transpoziţii cationice, primul tip de transpoziţii discutat, au loc în carbocationi şi sunt denumite astfel pentru că grupa care migrează ( de ex., grupa metil din transpoziţia Wagner Meerwein ) migrează cu electronii legăturii, producând atacul la centrul

12

cationic ( desemnat de regulă drept Cα ) similar cu atacul unui reactant nucleofil din reacţiile SN1.

Transpoziţii electrofile sau transpoziţii anionice au carbanionii drept intermediari. Grupa care migrează se află iniţial în β iar centrul carbanionic ce găseşte în α. Pentru ca reacţia să se producă uşor, grupa migratorie să migreye fără electronii legaturii, trebuie ca centrul anionic generat în β să fie stabil, de preferinţă mai stabil decât în α. Un exemplu este arătat în Schema 1.6, ilustrând transpoziţia unui eter benzilic.

Schema 1.6

Ph-CH2 - O -R1 + R2Li Ph−CαH - Oβ - R1..--R2HLi+

Ph-CHR1-O-Li+ Transpoziţiile homolitice implică intermediari radicalici şi sunt mult

mai rar întâlnite decât celelalte tipuri de transpoziţii. Reacţiile periciclice sunt la rândul lor reacţii concertate în care

starea de tranziţie este ciclică. Unele dintre acestea sunt transpoziţii concertate, de exemplu:

i) Transpoziţiile sigmatropice ( v. mai sus reacţia (18) şi starea de tranziţie 20 ); exemplul din reacţia (18) implică o migrare a unei legături σ carbon-hidrogen. Există şi posibilitatea migrării unor legături σ carbon-carbon. Un exemplu este dat prin reacţia (20):

R2

R2

R1

R1

R2

R2

R1

R1

(20)

Ca şi în cazul migrării de hidrogen (18), şi în acest caz starea de

tranziţie este ciclică:

;

R1

R1

R2

R2

22 Dacă în migrarea de hidrogen (18) legătura care a migrat are un

singur capăt, în reacţia (20) legătura care migrează are două capete. În

13

capitolul tratând reacţiile periciclice se va arăta cum pot fi indicate prin nomenclatură cele două tipuri de migrări.

ii) Reacţiile electrociclice. În schema 1.7 sunt arătate două tipuri de transformări electrociclice.

Prima dintre reacţiile prezentate în aceasta schema este transformarea reversibilă a butadienei în ciclobutadienă.

A doua reacţie corespunde transformării reversibile a hexatrienei în ciclohexadiena. Şi în acest caz stările te tranziţie sunt ciclice şi implică o repartizare uniforma a electronilor pe intreaga periferie a atomilor implicaţi (v. stările de tranziţie 23 şi 24).

Schema 1.7

23

;

;

24 Alte două tipuri de reacţii periciclice nu sunt reacţii de transpoziţii

concertate, ele implicând doi parteneri de reacţie. iii) Reacţii de cicloadiţie: sunt reacţii având loc între două

componente prezentând fiecare un sistem π simplu sau extins. În schema 1.8 sunt date două exemple de astfel de reacţii:

Schema 1.8

Cicloaditii 2 + 2 : +

Stare de tranzitie

Cicloaditii 4 + 2: +

Stare de tranzitie

14

Cicloadiţia 4 + 2 este cunoscută în special sub numele de reacţie Diels-Alder. Aşa cum rezulta din schema 1.8, stările de tranziţie ale acestor reacţii sunt de asemenea ciclice.

iv) Reacţii cheleotropice: Sunt reacţii între o componentă prezentând duble legături conjugate şi o componentă având electroni neparticipanţi, de exemplu reacţiia dintre butadienă şi bioxidul de sulf:

+ :SO2 SO2 (21)

Numele acestor reacţii vine de la cuvântul grecesc χηλη (chele)

care înseamnă „gheară, cleşte”. Într-adevăr, privind reacţia (21) avem senzaţia că butadiena prinde bioxidul de sulf ca-ntr-un cleşte.

1.2.5. Alte criterii de clasificare a reacţiilor organice Un alt tip de clasificare al reacţiilor organice este după tipul acesteia

şi a produşilor care se obţin. De exemplu: 1. Condensări de esteri 2. Acilări 3. Condensarea aldolică şi crotonică 4. Transpoziţia benzilică 5. Condensarea benzoinică 6. Oxidarea şi reducerea 7. Ozonoliza 8. Transpoziţie pinacolică etc. Lista în acest caz poate fi foarte lungă şi este uneori adoptată în

lucrări de ansamblu sau cărţi. O altă posibilitate este clasificarea reacţiilor după numele

descoperitorilor ei, de exemplu: 1. Reacţie Arndt - Eistert 2. Transpoziţie Cope 3. Reacţie Diels-Alder 4. Reacţie Friedel-Crafts 5. Reacţie Hunsdicker 6. Reacţie Mannich 7. Reacţie Pschorr 8. Reacţie Wurtz etc Această clasificare sau o combinare dintre cele două este frecvent

adoptată în referate şi cărţi ştiinţifice.

15

1,3. Conţinutul prezentului curs Materialul expus în tratarea de faţă a fost sistematizat în trei părţi.

Prima parte în afara acestui capitol mai conţine un capitol dedicat structurii şi stereochimiei compuşilor carbonului, tratare absolut necesară în discutarea problemelor din părţile următoare. În partea doua vom adopta clasificarea reacţiilor conform clasificării făcute în Tabelul 1.1. Vom ţine de asemenea seama şi de completările făcute la acest tabel privind diversificarea acestor reacţii după tipul de mecanism şi tipul reactanţilor sau substratelor. În ultima parte, reacţiile organice vor fi clasificate după numele descoperitorilor lor ( v. paragraful precedent ). Astfel, luând drept exemplul substituţia aromatică electrofilă ( vezi subcapitolul 1.3 ), aceasta va fi denumită (după cum s-a şi pomenit mai sus), reacţie Friedel-Crafts. În aceasta parte se vor da cele mai multe exemple de aplicaţie a principiilor reacţiilor organice în sinteze de produşi utilizaţi in industria de medicamente.

În cadrul reacţiilor de deplasare nucleofilă suferite de clorurile acide:

C

O

R

ClNu:- C

O

R

Nu + Cl- (22)

vom da ca exemplu şi reacţia Arndt-Eistert menţionata la paragraful 2.3 din acest capitol: R-CO-Cl + CH2N2 R-CO-CH-N=B R-CH2-COOH (23)

Pe lângă astfel de completări, vom acorda o atenţie şi reacţiilor de

oxidare şi reducere, necuprinse în Tabelul 1.1, dar menţionate în secţiunea 2.3 a acestui capitol.

Bibliografie selectivă 1. Jerry March, Advanced Organic Chemistry, John Wiley & Sons,

New York, 4thEd. 1992; 6th Ed. 2007. 2. Jie Jack Li, Name Reactions, Springer , Berlin, 2003. 3. Florin Badea, Reaction Mechanisms in Organic Chemistry,

Abacus Press, Tunbridge Wells, Kent, 1977. 4. Laszlo Kurti and Barbara Czako, Strategic Applications of Named

Reactions in Organic Synthesis, Academic Press, New York, 2005.

16

5. John S. Carey, David Laffan, Colin Thamson and Mike T. Williams, Analysis of the Reactions used for the Preparation of Drug Candidate Molecules, Biomol. Chem. 2006, 4, 2337 – 2347.

1

TIPURI DE REACŢII ÎN CHIMIA ORGANICĂ

CUPRINS

PARTEA ÎNTÂIA GENERALITĂŢI PRIVIND OBIECTIVUL CURSULUI

Capitolul 1. Clasificarea reacţiilor organice 1.1. Obiectivele disciplinei 1.2 Clasificarea reacţiilor organice 1.2.1. Componentele unei reacţii organice 1.2.2. Clasificarea după tipul de transformare suferit de substrat 1.2.3. Clasificarea după natura reactantului sau intermediarilor de reacţie 1.2.4. Clasificare după mecanismul reacţiilor organice 1.2.5. Alte criterii de clasificare a reacţiilor organice 1.3. Conţinutul prezentului curs 1.4 Bibliografie selectivă 15 pagini Capitolul 2. Componentele Organice ale Reacţiilor organice.

Intermediari reactivi în reacţii organice 2.1. Substrat şi Produs de Reacţie 2.1.1. Atomul de carbon 2.1.2. Atomul de carbon tetraedric ( sp3 ) 2.1.3. Atomul de carbon cu hibridizare sp2 a. Cationul metil sau ionul de meteniu, CH3

+ b. Radicalul liber metil şi carbanionul metil c. Etena şi alchene superioare d. Poliene i. Cu duble legături izolate ii. Cu duble legături conjugate e. Energia orbitalilor π f. Compuşi aromatici

2

2.1.4. Hibridizarea sp a. Carbene b. Acetilena şi derivaţi

2.2. Simetria şi chiralitatea compuşilor carbonului 2.2.1. Simetria compu;ilor organici 2.2.2 Elemente şi operaţii de simetrie a. Operaţia de identitate ( E sau I ) b. Operaţia de rotaţie în jurul unei axe ( Cn) c Operaţia de reflecţie într-un punct ( i ) d. Operaţia de reflecţie într-un plan ( σ ) e. Operaţia de rotaţie-reflecţie sau de rotaţie impropie (Sn) f. Produsul a două sau mai multor operaţii de simetrie

2.2.3. Grupuri de simetrie . a. Noţiunea de grup în matematică b. Clasificarea moleculelor după grupurile punctuale 2.2.4. Simetria şi chiralitatea compuşilor organici a. Elemente de chiralitate b. Indicarea configuraţiei 2.2.4. Conformeri 2.2.5. Probleme 32 pagini

PARTEA A DOUA CLASIFICAREA REACTIILOR ORGANICE

DUPĂ MECANISMUL DE REACŢIE Capitolul 3. Substituţia nucleofilă la atomul de carbon saturat 3.1. Tipurile de mecanisme SN la carbonul saturat 3.1.1. Mecanismul bimolecular, SN2 3.1.2. Mecanismul monomoleculare, SN1 3.1.3. SN cu participarea grupelor vecine în substituţa nucleofilă ( SN cu asistenţă π ) 3.1.4. Transpoziţia Wagner-Meerwein ( SN cu asistenţă σ ) 3.2. Transpoziţia alcanilor 3.3. Mecanismul SET în reacţiile SN 3.4. Mecanismul SNi 3.5 Probleme 18 pagini

3

Capitolul 4. Substituţia nucleofilă aromatică 4.1. Mecanismul de substituţie prin adiţie – eliminare 4.2. Mecanismul SN1 4.3. Mecanismul prin arine ( 1,2-dehidroarene ) 4.3.1. Exemple de substituţie prin arine 4.3.2. Structura arinelor 4.3.3. Utilizarea arinelor ( dehidroarenelor ) ăn sinteyă 4.4. Mecanismul radicalic 4.5. Mecanismul substituţiei nucleofile ANRORC 4.6. Mecanismul prin substituţie indirectă ( engl. Vicarious

nucleophilic substitution ) 13 pag. Capitolul 5. Substituţia electrofilă alifatică 5.1. Introducere 5.2. Mecanisme în substituţia electrofilă alifatică 5.3. Mecanismul SE1 5.3.1. Stereochimia reacţiei a. Mecanismul reţinerii configuraţiei b. Mecanismul inversiei configuraţiei c. Mecanismul racemizării d. Mecanismul izoracemizării 5.4. Alte exemple de SE a. Reacţia SE2 b. Reacţia SE1 c. Transpoziţii moleculare anionice ( Transpoziţia Wittig, Favorsky, Reacţia Ramberg-Bäcklund ) 5.5. Probleme 16 pagini Capitolul 6. Substituţia aromatică electrofilă 6.1. Introducere 6.2. Particularităţile substituţiei aromatice electrofile 6.2.1. Electrofilul 6.2.2. Orientare 6.2.3. Intermediarii substituţiei 6.2.4. Control Cinetic 6.3. Reactivitatea relativă în substituţia aromatică

4

6.4. Substituţii electrofile mai importante 6.4.1. Nitrarea 6.4.2. Reacţia de alchilare Friedel-Crafts 6.4.3. Acilarea Friedel-Crafts 6.4.4. Alte substituţii aromatice înrudite cu reacţia Friedel-

Crafts 6.5. Probleme 6.6. Literatură 25 pagini Capitolul 7. Reacţii de adiţie la alchene 7.1. Adiţii de halogen 7.1.1. Ionul de haloniu 7.1.2. Alte etape în adiţia halogenului la alchene 7.1.3. Contribuţia Catedrei de Chimie Organică 7.1.4. Stabilitatea ionilor de haloniu 7.1.5. Alte date confirmând mecanismul adişiei electrofile 7.2. Alte adiţii de electrofili 7.2.1. Adiţia sulfenil clorurilor, R-SCl 7.2.2. Adiţia sărurilor mercurice 7.2.3. Adiţia hidracizilor 7.3. Probleme 7.4. Literatură 20 pagini Capitolul 8. Adiţii nucleofile 8.1. Introducere 8.2. Adiţii nucleofile la grupa carbonil 8 .2.1. Ecuaţia Hammett ( ρσ ) 8.2.2. Adiţia carbanionilor la grupa carbonil a. Condensarea aldolică b. Condensarea Claisen c. Adiţia reactanţilor Grignard d. Reacţia Bazlis-Hillman e. Condensarea benzoinică şi retro-benzoinică 8.2.3. Condensări între aldehide şi cetone 8.2.4. Stereochimia adiţiilor la grupa carbonil

5

8.3. Adiţii la tripla legătură 8.4. Probleme 8.5. Literatură 24 pagini Capitolul 9. Reacţii de eliminare 9.1. Introducere 9.2. Eliminări α ( Eα ) 9.2.1. Stereochimia adiţiei carbenelor la alchene 9.2.2. Sinteze organice care folosesc carbene a. Sinteza Doering – LaFlamme a alenelor b. Sinteza Arndt – Eistert de homologare c. Transpoziţia Curtius 9.3. Eliminarea β 9.3.1. Mecanismul E1cB 9.3.2. Mecanismul E1 9.3.3. Mecanismul concertat în eliminările β ( E2 ) a. Eliminări β de hidracid b. Eliminări E2 din dibrom derivaţi vicinali 9.4. Eliminarea γ ( Εγ ) 9.5. Probleme 9.6. Literatură 34 pagini Capitolul 10. Reacţii periciclice unimoleculare 10.1. Introducere. Istoric 10.2. Reacţii periciclice 10.3. Conservarea simetriei orbitalilor moleculari 10.4. Reacţii sigmatropice 10.4.1. Mecanismul migrării de hidrogen în sisteme polienice 10.4.2. Transpoziţia Cope 10.4.3. Transpoziţia Cope 10.4.4. Transpoziţii sigmatropice în poliene policiclice 10.5. Transformări electrociclice 10.5.1. Transformări electrociclice [1,3] şi [1,5] 10.5.2. Transformări electrociclice [1,6] 10.6. Probleme 10.7. Literatură 26 pagini

6

PARTEA A TREIA CLASIFICAREA DUPĂ DENUMIREA

AUTORILOR

1

CAPITOLUL 2 Componentele Organice ale Reacţiilor organice.

Intermediari reactivi în reacţii organice Moto: Omul respectă regulile Pământului Ren fa Di Cum Pământul urmează regulile Cerului. Di fa Tian Cerul copiază pe Dao Tian fa Dao Iar Dao totdeauna ascultă numai de el însuşi Dao fa zi-ran

Lao Zi – Dao şi Puterea Înainte de începerea oricărei sinteze organice, trebuie să fim bine

informaţi asupra tuturor componentelor procesului chimic respectiv, chiar dacă pentru efectuarea reacţiei respective avem descrierea modului de lucru. Aceasta, în primul rând, pentru a putea înţelege comportarea substratului în toate situaţiile posibile ale desfăşurării procedeului de lucru. În al doilea rând, în caz că nu putem executa ad literam procedeul, să putem decide asupra modificărilor procedeului iniţial cu alte componente mai accesibile, astfel încât să obţinem satisfăcător produsul respectiv. Desigur, şi buna cunoaştere a produsului de reacţie este necesară din motive similare. Comportarea acestor două componente (şi dacă e cazul şi a intermediarilor posibili de reacţie) faţă de mediul de reacţie trebuie cunoscută.

2.1. Substrat şi Produs de Reacţie Atât substratul cât şi produsul de reacţie sunt componentele organice

ale procesului chimic în desfăşurare dintr-o sinteză organică. Pentru buna lor cunoaştere este necesară împrospătarea cunoştinţelor noastre despre structura compuşilor organici.

2.1.1. Atomul de carbon Atomul de carbon are în total 6 electroni, 2 electroni pe stratul

interior K şi patru electroni în stratul exterior L. Acest strat, după cum e bine-cunoscut, poate fi ocupat de maximum 8 electroni care pot fi plasaţi în patru orbitali atomici, ca în cazul neonului, Ne, sau în orbitali moleculari, în cazul compuşilor derivând de la carbon. Astfel de orbitali pot fi ocupaţi numai de doi electroni care trebuie să difere între ei prin spinul lor care poate fi fie +1/2 , fie – 1/2 .

2

Cei patru orbitali atomici ai celui de al doilea strat electronic nu sunt identici: unul este de energie mai joasă ( orbital 2s ) iar trei sunt de energie mai înaltă (orbitali 2p). Orbitalii s şi p au şi simetrii diferite: orbitalii s au o simetrie sferică cu centrul sferei în centrul atomului, în timp ce orbitalii p admit un plan nodal situat in centrul atomului. In plus, cei 3 orbitali p de energii egale sunt orientaţi după cele 3 axe x, y şi z ( vezi Fig. 2.1, A, B. C ), fiind reciproc perpendiculari unul pe altul..

2.1..2 Atomul de carbon tetraedric ( sp3 ) În combinaţiile tetravalente ale atomului de carbon, cei patru

orbitali energetic neechivalenţi se combină între ei pentru a da naştere la patru orbitali moleculari echivalenţi. Unghiul format de doi orbitali vecini este de 109.28o, orbitalii respectivi fiind orientaţi spre colturile unui tetraedru regulat, în centrul căruia se află atomul de carbon. Procesul respectiv este desemnat drept hibridizare sp3. În Fig. 2.1 D sunt înfăţişaţi cei patru orbitali hibrizi ai atomului de carbon tetraedric.

A B C D

Fig. 2.1. Simetria diverselor tipuri de orbitali: A. orbitalul 1s al He2; B. Orbitalii 1s si 2s al Be4; C. un orbital 2p; D. cei 4 orbitali

hibrizi ai carbonului, C6

Orbitalii moleculari 2sp3 se pot combina cu orbitalii 1s a patru atomi

de hidrogen pentru a forma molecula metanului ( Fig. 2.2 ):

H

HHH

Fig, 2.2. Cele 4 legături C – H de doi electroni din metan

3

În hidrocarburile superioare se pot contopi şi 2 orbitali hibrizi sp3 de

la doi atomi de carbon pentru a forma legături C- C ( v. fig. 2.3 ).

R1

CR2

R1C

R3R2

R3

Fig. 2.3. Legătura C-C centrală din R1R2R3C – CR1R2R3 Structura tetraedrică a atomului de carbon tetravalent a permis

înţelegerea chiralităţii compuşilor organici, o proprietate cunoscută de multă vreme, dar înţeleasă mult mai târziu. În Fig. 2.4 se ia ca exemplu un alcool optic activ 1 ( R1≠ R2 ). Se vede că dacă toţi substituenţii sunt diferiţi, aranjarea acestora ca în 1 este complet diferită de aranjarea din 2, cele două structuri nu sunt superpozabile, 1 ≠ 2, comportându-se una faţă de alta ca obiectul şi imaginea sa în oglindă:

R1

R2OHH R2

R1

R1

R2H

OHHHO

==

1 2 (nesuperpozabil cu 1) 2 Fig. 2.4. Structura a doi alcooli enantiomeri, 1 şi 2 ( R1 ≠ R2) Aşa cum rezultă din figură, cele două structuri izomere 1 şi 2 nu

sunt superpozabile. Cu toate acestea, structura lor implicând aceleaşi legături între atomii moleculei şi aceleaşi vecinătăţi între atomii nelegaţi direct între ei, cei doi izomeri vor avea aproape toate proprietăţile lor identice; vor diferi numai prin rotirea planului luminii polarizate şi vor prezenta un comportament biochimic diferit.

2.1.3. Atomul de carbon cu hibridizare sp2 Hibridizarea sp2 este întâlnită la unii intermediari reactivi de reacţie,

de regulă neizolabili ( radicali liberi, carbocationi şi carbanioni ), precum şi la compuşi stabili ai carbonului ( alchene, derivaţi funcţionali oxigenaţi sau

4

azotaţi etc. ). Vom începe cu structura derivaţilor structural cei mai simpli, indiferent de stabilitatea acestora. Din acest punct de vedere cel mai simplu compus cu care vom începe este ionul de meteniu, cationul metil CH3

*. a. Cationul metil sau ionul de meteniu, CH3

* În cationul metil 3 atomi de hidrogen, fiecare cu un electron într-un

orbital 1s se combina cu un atom de carbon având un electron mai puţin; astfel se vor combina 2 orbitali p cu un orbital s, simetria orbitalului sp2 rezultată fiind sp2 . Cei trei orbitali hibrizi sp2 sunt situaţi în acelaşi plan, formând un unghi de 120o între doi orbitali vecini ( simetrie plană, Fig. 2. 5 ).

A B C

Fig. 2.5. Intermediari reactivi de reacţie ai atomului de carbon A. Cationul CH3

*; B. Radicalul CH3: ; C. Carbanionul CH3

- Datorită orbitalului p vacant, carbocationii sunt electrofili puternici.

O hibridizare similară cu cea a cationului metil pot avea şi carbenele. Structura acestora va fi tratată însă separat în acest capitol.

b. Radicalul liber metil şi carbanionul metil Numai structurile A şi B ( carbocation şi radical liber ) din Fig, 2.5

corespund unor structuri stabile. Structura C ( carbanionul metil ) este instabilă; mai săraca în energie decât această structură este structura tetra- edrică D din Fig, 2.6.

HH

H

HH H

D C D' Fig. 2.6. Carbanionul metil. Structura tetraedrica sp3D este numai

cu puţin mai stabilă decât structura plană sp2 C; din aceasta cauză cele două structuri se pot echilibra între ele Diferenţa de energie mică dintre cele două structuri D şi C permite

echilibrarea acestora. În acelaşi timp cu această echilibrare, la revenirea la

5

starea de hibridizare sp3, se poate produce şi o răsturnare a tetraedrului ( D → D’ , Fig. 2.6 ). Acest proces este deosebit de important pentru stereochimie ( v. Procese de racemizare a compuşilor optic activi ).

c. Etena şi alchenele superioare Etena, C2H4, este o moleculă simetrică, deci H2C – CH2. Fiecărui

atom de carbon va trebui să-i corespundă o hibridizare sp2, deci o structură radicalică asemănătoare cu cea a radicalului metil (Fig. 2.7). Dacă electronii liberi de la cei doi atomi de carbon au spin opus, ei vor forma un orbital molecular π extins peste cei doi atomi de carbon:

Fig. 2.7. Orbitalul π din etenă In cazul etenelor 1,2-disubstituite ( alchil, aril, halogen etc. ) este

posibila o orientare diferită a celor doi substituenţi, ca în cazul celor două butene, 3 şi 4 :

C CH

CH3

H3C

H

C CCH3

H

H3C

H

3 4 Prima aranjare, în exemplul dat 3, corespunde dispunerii trans a

celor doi substituenţi ai dublei legături ( în cazul de faţă grupele metil ); cealaltă, orientării cis .

Dacă substituirea unui atom de carbon tetraedric, sp3, putea conduce la enantiomeria compuşilor organici, substituirea atomilor de carbon sp2 dintr-o alchenă poate genera izomeria geometrică ( un tip de diastereomerie ).

d. Poliene Plasarea a două sau mai multor duble legături în structura unui

compus organic poate fi făcută în mai multe moduri: i) Duble legături izolate: Dublele legături pot fi distanţate între ele,

ca în hexadiena 1-5:

H2CHC CH2-CH2-CH CH2

5

6

În acest caz cele două duble legături nu se vor influenţa una pe alta, nici în proprietăţile fizice, nici în cele chimice.

ii) Duble legături alternează cu o singură legătură simplă ( duble legături conjugate ). Drept exemplu vom da hexadiena-2,4 ( 6 ) şi octa-triena-2,4,6 ( 7 ):

CH3-CH=CH-CH=CH-CH3 ; CH3-CH=CH-CH=CH-CH=CH-CH3

6 7 Atât proprietăţile fizice (de ex., absorbţia în UV), cât şi cele chimice

(de exemplu, adiţia de halogen) sunt afectate. Aceasta se datorează faptului ca cei 4 electroni π din 6 ( respectiv 6 electroni π din 7 ) formează un orbital extins peste întreaga moleculă, fapt care se poate arăta în două moduri arătate în fig. 2.8 pentru diena cea mai simplă, buta-1,3-diena 8.

H2C = CH - CH = CH2 H2C - CH - CH - CH2

A. B Fig. 2.8. Conjugarea legăturilor π în buta-1,3-diena 8 A. Indicarea conjugării prin săgeţi. Utilă în înţelegerea

reactivităţii dienei. B. Orbitalul π de enegie cea mai joasă e. Energia orbitalilor π Stabilitatea şi reactivitatea orbitalilor moleculari este dată de energia

şi simetria acestora. Este util ca această energie să fie exprimată funcţie de trei parametri. Unul dintre acestea este integrala Coulomb α, definită astfel:

αi = ∫ φiHφidv (1) şi integrala de legătură sau integrala de rezonanţă βij

βij = ∫φiHφjdv (2)

7

Ultima integrală este integrala de întrepătrundere ( overlap integral ) Sij :

Sij = ∫ φιφjdv (3) unde indicii i şi j indică atomii i şi j între care se stabileşte orbitalul π, iar φι, φj sunt funcţiile de undă orbitale ale atomilor i şi j.

Folosind aceste notaţii, orbitalul de energie cea mai joasă din etenă are simetria indicată în figura 2.7 şi energia orbitalului fundamental, ε1:

εl = α + β (4) Energia π totală a etenei (Eπ), ţinînd seama că sunt doi electroni π: Eπ = 2(α + β) , (4a)

în care indicile l al energiei arată că este vorba de energia orbitalului de legătură, ocupat în starea fundamentală. Pe lângă acest orbital, exista şi un orbital de antilegătură, vacant în starea fundamentală şi care se poate ocupa cu un electron la excitarea fotochimică a moleculei. În figura 2.9 este reprezentat acest orbital antilegătură, vacant în starea fundamentală.

Fig. 2.9. Simetria orbitalului de antilegegătură π din etenă. A se observa că acest orbital nu este ocupat cu electroni Oricărei legături de doi electroni îi corespund doi orbitali, un orbital

de energie joasă, ocupat în starea fundamentală şi un orbital de energie înaltă, vacant în starea fundamentală, dar care poate fi ocupat la excitarea energetică a moleculei.

În cazul butadienei avem patru electroni π conjugaţi. Aceştia vor da naştere la patru orbitali, de energii şi simetrii diferite. Orbitalul de energie cea mai joasă ( ε1 ), ocupat cu doi electroni, a fost reprezentat în figura 2.8. B. În ordinea creşterii energiei, şi cel de al doilea orbital molecular ( energie ε2 ) este la rândul lui ocupat în starea fundamentală. Următorii doi orbitali ai butadienei, cu energiile ε3 şi ε4, sunt vacanţi în starea fundamentală şi deci sunt orbitali de antilegătură.

În concluzie, un sistem de patru electroni π conjugaţi posedă patru orbitali π, doi orbitali de legătură şi doi orbitali de antilegătură.

8

În Fig. 2.10 sunt arătate simetriile şi energiile celor patru orbitali π Ψ1 − Ψ4 din butadienă:

x x

x x

x x

x x

ε4 = α − 1,6β

ε3 = α − 0,6β

ε2 = α + 0,6β

ε1 = α + 1,6βΨ1;

Ψ2;

Ψ3;

Y4;

Figura 2.10. Simetriile şi energiile orbitalilor π din butadiena; Ψ1, Ψ2 − orbitali de legătură; Ψ3, Ψ4 − orbitali de antilegătură Rezultă din cele arătate mai sus că energia π totală a butadienei este: Eπ = 2(α + 1,6β) + 2(α + 0,6β) = 4α + 4,4β (5) Energia de delocalizare a electronilor peste cei patru atomi de

carbon din butadiena (deci, cu cât un sistem de duble legături conjugate este mai stabil decât un sistem cu duble legături neconjugate) este dată comparând valoarea energiei obţinută în (5) cu energia π a două molecule de etenă:

∆E = 4α + 4,4β − 2(2α + 2β) = 0,4β (6) Dacă energiile orbitalilor se exprimă funcţie de parametrii α şi β,

energiile de delocalizare se exprimă în unităţi β. f. Compuşi aromatici Un caz special al delocalizării electronilor π pe o periferie de mai

mulţi atomi de carbon îl prezintă compuşii aromatici, benzenul fiind cel mai tipic reprezentant al acestei clase de compuşi. Benzenul are pe o periferie ciclică de 6 atomi de carbon, trei legături π alternând cu 3 legături σ, având în consecinţă 6 orbitali π.

În Fig. 2.11 sunt reprezentate energiile acestor orbitali.

9

19

ε1 = α + 2β

ε2 = ε3 = α + β ∆E = 6α + 8β − ( 6α + 6β) = 2β ε4 = ε5 = α − β

ε6 = α − 2β Fig. 2.11. Energiile celor şase orbitali π din benzen si energia sa de dekocalizare ∆E. Numai primii 3 orbitali sunt ocupaţi în starea fundamentală Există şi alte poliene ciclice prezentând o conjugare continuă a

dublelor legături şi care, totuşi, nu prezintă caracter aromatic. Un exemplu îl reprezintă ciclobutadiena 9 şi ciclooctatetraena 10, doi compuşi cu un pronunţat caracter nesaturat.

9 10 În efortul de a găsi şi alte exemple de compuşi prezentând caracter

aromatic, s-a găsit că şi unele poliene ciclice ionice (cationice sau anionice) au un astfel de caracter:

..-

+

+

11 12 13 S-a conchis astfel că pentru a fi aromatic, un sistem ciclic conjugat

continuu (neutru, cationic sau anionic) trebuie să posede un număr de 4n +2 electroni π, în care n are valorile întregi 1,2….. Astfel, dintre sistemele neutre, pe lângă benzen mai sunt aromatice şi poliene macrociclice, cum ar fi ciclodecapentaena. Dintre sistemele ionice, 11 şi 13 sunt cationi cu 2 (n = 0) şi respectiv 6 electroni π, în timp ce 12 este un anion aromatic cu 6 electroni în sistemul conjugat continuu.

10

2.1.4. Hibridizarea sp Dacă hibridizarea sp3 este tetraedrică, cea sp2 trigonală, hibridizarea

sp este o hibridizare liniara şi este întâlnită la metilenă, CH2 şi la acetilene. a. Carbene Carbanele sunt derivaţi ai carbonului divalent ( intermediari reactivi

de reacţie ) Importanţa lor, printre altele, este şi aceea că structura lor poate oscila între o structură trigonală, sp2, si una liniară, sp. Cea mai simplă carbenă este metilena, CH2, la care trecerea între cele două structuri se face relativ uşor.

H H

H - C - H :CH2..

H

H

A B Fig. 2.12. Structurile posibile ale metilenei, CH2. A. Structura triplet, liniară (hibridizare sp) B. Structura trigonală (hibridizare sp2) În carbena triplet sau liniară, numai doi dintre orbitalii atomului de

carbon se hibridizează pentru a lega cei doi atomi de hidrogen a moleculei. Ceilalţi doi orbitali rămân perpendiculari unul pe celalalt, fiecare dintre ei păstrând un electron. Metilena cu această structură are deci un caracter diradicalic, triplet ( Fig. 2.12.A).

În carbena trigonală sau singlet, trei orbitali se hibridizează sp2. Ei vor fi situaţi în acelaşi plan. Doi dintre orbitalii hibrizi se vor lega de cei doi atomi de hidrogen; al treilea orbital hibrid va conţine o pereche de electroni neparticipanţi. Perpendicular pe planul celor trei orbitali hibrizi se găseşte un orbital p vacant. Carbenele singlet ar putea avea fie un caracter nucleofil (prin perechea de electroni neparticipanţi), fie electrofil (prin orbitalul p vacant). În cazul metilenei, structura cea mai stabilă este structura triplet. Ţinând seama de principiul că pe parcursul unui proces termic, multiplicitatea iniţială nu se schimbă pe parcursul procesului şi că majoritatea compuşilor organici în starea fundamentală sunt singlet, metilena proaspăt generată într-un proces termic se va afla in starea singlet.

11

Dacă probabilitatea producerii unei reacţii este mică (de exemplu, diluare cu un inert), ea trece în forma triplet, mai stabilă.

Reacţiile carbenelor vor fi discutate într-un capitol aparte. b. Acetilena şi derivaţi În acetilenă doi atomi de carbon hibridizaţi sp se unesc printr-un

orbital hibrid intre ei. Perpendicular unul pe altul, la fiecare atom de carbon există doi orbitali, ocupaţi cu câte un singur electron. Dacă aceştia sunt orientaţi paralel şi spinul electronilor în câte doi orbitali vecini şi paraleli este diferit, vor lua naştere două legături π, perpendiculare una pe alta (Fig. 2.13)

H H

H - C - C - H

Fig. 2.13. Tripla legătură din acetilenă Datorită orbitalilor π acetilenele au un comportament chimic

asemănător cu al alchenelor: dau reacţii de adiţii, de cicloadiţii etc., chiar dacă reactivitatea lor faţă de reactanţii tipici ai dublei legături e ceva mai mică decât a alchenelor cu acelaşi număr de atomi de carbon.

2.2. Simetria şi chiralitatea compuşilor carbonului Studiul oricăror reacţii organice trebuie să stabilească: a. Considerarea termodinamicii proceselor. În majoritatea tratatelor

de chimie fizică, de la început se precizează: Dacă termodinamica procesului spune că reacţia este imposibilă ( entalpia liberă şi entropia ridicate ) nu merită să-ţi baţi capul cu studiul unei astfel de reacţii.

12

b. În caz că procesul este posibil, experienţele trebuie să identifice şi să precizeze toţi produşii de reacţie. Fără cunoaşterea acestora, studiul tehnologic, preparativ sau teoretic (stabilirea mecanismului de reacţie etc. ) nu poate duce la un rezultat mulţumitor.

c. Cinetica procesului ( vezi capitolele următoare ) d. Stereochimia procesului, deosebit de importantă în special pentru

procesele biochimice. În acest capitol vom dezvolta numai aspectul stereochimic al

proceselor organice, acest aspect fiind strâns legat de cunoaşterea exactă a structurii reactanţilor, respectiv a produşilor de reacţie.

2.2.1. Simetria compuşilor organici Simetria corpurilor ( deci şi a moleculelor ) este asociată cu forme

regulate, proporţii graţioase, cu o periodicitate sau un aranjament graţios. Se consideră adesea că simetria determină frumuseţea. Ea este o proprietate universală a lumii noastre.

Şi totuşi, simetria e o abstracţie a judecăţii noastre. Universul, lumea din jurul nostru, nu sunt perfect simetrice. Asimetria lui se ascunde sub un aspect simetric. De exemplu, Pământul nostru, dacă facem unele abstracţii ale neregularităţilor de la suprafaţă, e simetric. Intr-adevăr, cea mai adâncă groapă în Pacific, groapa Marianne are 11034 m iar cel mai înalt munte, Everestul, are 8848 m, ceea ce însumează 19882 m, faţă de 6.378.388m , cât reprezintă raza pământului. Variaţiile de la suprafaţă reprezintă o deviere de numai 0,15%, ceea ce justifică să-l considerăm practic simetric.

Simetria unui corp ( sau compus ) se defineşte în raport cu un centru de simetrie, o axă de simetrie, un plan de simetrie, sau o combinare a ultimilor două ( axă şi plan ). Astfel metanul ( v. Fig. 2.2 ) are un centru de simetrie, centrul atomului de carbon. Pe lângă acesta posedă şi patru axe de simetrie care trec fiecare printr-o axă C – H. Rotirea în jurul unei astfel de axe cu 120o duce la o nouă orientare care nu poate fi deosebită de orientarea precedentă. Benzenul, o altă molecula foarte simetrică are un plan de simetrie, planul moleculei, dar şi 6 plane perpendiculare pe planul moleculei ( v. mai departe ). Chimiştii organicieni au izbutit să creeze prin sinteză chimică molecule cu cele mai variate şi complexe forme geometrice, aşa precum prismanul ( vezi Fig. 2. 14, A ), cubanul ( Fig. 2.14. B ), adamantanul ( Fig. 2.14. C ) şi dodecaedranul ( Fig. 2.14. D ). Chiar dacă astfel de molecule nu au o utilizare directă, sinteza lor a constituit un succes, confirmând structura şi simetria compuşilor carbonului.

13

H

H H

H

H H

H

HH

H H

H

H

H

H

A B C D Fig. 2.14. Molecule organice prezentând structuri geometrice regulate

Analiza simetriei unui corp implică identificarea tuturor elementelor de simetrie ale acestuia şi totodată, operaţiile de simetrie care se pot efectua în jurul acestora.

2.2.2. Elemente şi Operaţii de simetrie Un element de simetrie este un element geometric fix dintr-o

moleculă. O operaţie de simetrie este operaţia reală sau imaginară care se poate face în jurul acestui element fix pentru a obţine o nouă orientare a corpului sau moleculei, o orientare care nu poate fi deosebită de orientarea iniţială. Dacă pe parcursul executării unei astfel de operaţii închidem ochii şi îi redeschidem după ce operaţia s-a terminat nu ne vom putea da seama că s-a produs o schimbare.

Operaţiile de simetrie sunt: a. Operaţia de identitate ( E ): Nu este propriu zis o operaţie, aceasta

implicând lăsarea corpului exact în poziţia în care se află. Se simbolizează cu E sau I şi a fost introdusă din raţionamente matematice.

b. Operaţia de rotaţie în jurul unei axe, Cn: Rotirea corpului sau moleculei în jurul unei axe poate aduce corpul într-o nouă poziţie ce nu poate fi deosebită de prima. Prin aceasta, orice punct material al corpului de coordonate P(x,y,z) va trece într-un alt punct P’(x’,y’,z’) ( v. Fig. 2.15 ). Simbolul operaţiei de rotaţie este C iar indicele n indică gradul axei de rotaţie. Acesta este ca raportul dintre 360 ( o rotaţie completă ) şi numărul minim de grade cu care putem roti corpul pentru a ajunge într-o orientare care nu poate fi deosebită de prima orientare.

n = 360 / (număr minim de grade) O rotaţie Cn poate fi repetată. Rezultatul celor două operaţii

succesive va fi exprimat prin Cn2, trei operaţii succesive prin Cn

3 etc. Evident, n rotaţii Cn vor aduce punctul în poziţia iniţială, sau:

Cn.Cn… = Cnn = E (7)

14

x P(x,y,z)

x

y

z

P'(x',y',z')

( z- ,y- ,x-)P''

O

Fig. 2.15. A. Rotaţia unui punct P(x,y,z) în jurul axei y. B. Reflecţia aceluiaşi punct în centrul axelor x,y,z. Trebuie specificat faptul că n trebuie să fie un număr întreg. Să

dăm câteva exemple. Un triunghi echilateral posedă o axă de rotaţie perpendiculară pe

triunghi şi care este plasată în centrul triunghiului.

A B

CCr B

C A

120o

3 = 360 / 120 În mod similar, un pătrat va avea o axă C4 , iar un hexagon o axă C6.

O moleculă lineară, de exemplu acetilena, are o axă de rotaţie care trece chiar prin axa moleculei. Pentru a obţine o orientare echivalentă cu prima este suficient să rotim molecula cu un unghi infinitezimal de mic, deci ordinul axei este C∞.

c. Operaţia de reflecţie într-un punct, i Operaţia de reflecţie într-un punct este figurată în Fig. 2.15. Punctul

P de coordonate x,y,z este unit cu centrul de coordonate, iar dreapta rezultată este prelungită dincolo de acest punct cu o lungime egală. Se obţine astfel punctul P’ de coordinate –x, -y, -z. Prin efectuarea acestei operaţii, coordonatele oricărui punct material îşi inversează semnul. De aici, operaţia mai este denumită şi operaţia de inversie, (i).

15

Efectuarea unei operaţii de inversie punctului P’ ne readuce în punctual P, sau, respectând simbolismul matematic folosit înainte:

i.i = i2 = E (8) d. Operaţia de reflecţie într-un plan, σ Operaţia de reflecţie într-un plan este reprezentată în Fig. 2.16.

σ

.P(x,y,z)

.

. P'(x,-y,z

x

z σ.σ = σ2 = Ε

Fig. 2.16. Reflecţia unui punct P(x,y,z) într-un plan σ(x,z). Ca şi în cazul precedent, efectuarea succesivă a două operaţii de

reflecţie σ aduce punctul în poziţia iniţială. e. Operaţia de rotaţie-reflecţie sau rotaţia improprie, Sn Spre deosebire de operaţiile menţionate înainte care sunt operaţii

relativ simple, această operaţie implică efectuarea succesivă a două operaţii, rotirea punctului P(x,y,z) în jurul unei axe Cn pentru obţinerea unui punct P’(x’,y’,z’), urmată de reflecţia acestui punct într-un plan perpendicular pe axa Cn . Ordinul n al unei rotaţii improprii este dat de ordinul n al axei Cn:

Sn = Cnσ = σCn (9) Ordinea în care se execută cele două operaţii elementare nu are

importanţă. Trebuie însă respectată condiţia pentru existenţa acestei operaţii de simetrie şi anume aceea că cele două operaţii elementare constitutive trebuie să fie reciproc perpendiculare una pe alta.

Desigur, un corp poate poseda drept elemente de simetrie atât rotaţia Cn cât şi reflecţia σ. De ce trebuie atunci să mai considerăm şi operaţia Sn?

16

Răspunsul este simplu: pentru ca una sau ambele componente ale lui Sn , anume Cn şi σ, pot să nu se găsească printre elementele de simetrie ale corpului respectiv. Vom da drept exemplu trans-1,2-dicloretena (Fig.2. 17):

C CClb

H

H

Cla

C2

C CClb

H

H

Cla

C2

C CClb

H

H

Cla

σ

C CH

Clb

Cla

H

(A)

C CH

Cla

Clb

H

C CCla

H

H

Clb

(B)

(C)

C2

σ

E2 = σ.C2

Fig. 2.17, Operaţia de rotaţie reflecţie (reflecţie improprie). A. Rotirea în jurul axei moleculei, C2 B. Reflecţia în planul σ perpendicular pe mijlocul axei moleculei. C. Operaţia de rotaţie-reflecţie (rotaţie improprie), E2 Elementele constitutive ale rotaţiei improprii a dicloretenei sunt axa

moleculară C2 şi planul de reflecţie σ, perpendicular pe mijlocul axei C2. Se vede cu uşurinţă că nici una dintre aceste operaţii nu este o operaţie de simetrie a moleculei de dicloretenă ( Fig. 2.17. A şi B ). In schimb executarea celor două operaţii una după alta duce la o nouă reprezentare (C) diferită de reprezentarea iniţială ( interschimbarea celor doi atomi de clor, cu păstrarea însă a orientării iniţiale ), dar totuşi, daca n-am fi marcat cei doi atomi de clor, această schimbare n-ar fi putut fi decelată.

f. Produsul a două sau mai multor operaţii de simetrie În paragrafele precedente am folosit de multe ori simbolistica

matematică în indicarea efectuării succesive a mai multor operaţii de simetrie, de exemplu relaţiile 7-9. Conform exemplelor date, vom defini produsul a două sau mai multor operaţii de simetrie efectuarea succesivă a acestor operaţii. Putem avea produs între operaţii de acelaşi fel, sau diferite.

17

Vom exemplifica produsul unor operaţii de acelaşi fel în cazul rotaţiei C6 , în cazul benzenului. Axa C6 este perpendiculară pe centrul moleculei benzenului.. Efectuarea tuturor produselor operaţiilor C6 posibile şi relaţiile care se pot stabili între ele este aratată în Fig. 2. 18:

1 6 5

6 2 5 1 4 6

5 3 4 2 3 1

4 3 2

2 3 4

1 3 2 4 3 5

6 4 1 5 2 6

5 6 1

C6 C6

C6

C6C6

C6

C3 = C62

C2 = C6

3C6-4

= C3-1

C6-1

Fig. 2.18. Operaţii de rotaţii în jurul axei de ordin superior (C6) din molecula benzenului Se vede cu uşurinţă că: Cn

m = Cp (10) unde n/m = p, numai dacă p este un număr întreg. În

caz contrar. Cn

m = Cnm-n (11)

Figura 2.18 ilustrează perfect aplicarea celor două relaţii. Astfel,

executarea succesivă a două operaţii C6 este echivalentă cu o operaţie C3 : C6.C6 = C6

2 = C3 iar executarea a trei operaţii C6 corespunde unei operaţii C2:

C6.C6.C6 = C63 = C2

Executarea a 5 operaţii C6 ilustrează relaţia (11): C6

5 = C6(5-6) = C6

-1

Efectuarea a patru operaţii de rotaţie C6 ilustrează aplicarea ambelor relaţii, (11) şi (10) :

18

C64 = C6

4-6 = C6-2 = C3

-1

Am văzut că operaţia de rotaţie reflecţie este definită prin relaţia (9);

ţinând seama de această relaţie, putem aplica şi în acest caz ceea ce am stabilit pentru rotaţiile propriu-zise:

Sn

m = σmCnm = Cn

m , pentru m par şi (12a) = σ Cn

m, pentru m impar (12b) Prin aceasta s-a ţinut seama de faptul că

σm

E, pentru m par

σ, pentru m impar Cunoaşterea produsului rezultat din multiplicarea a două sau mai

multor operaţii de simetrie este deosebit de importantă pentru definirea noţiunii de grup de simetrie.

2.2.3. Grupuri de simetrie Elementele de simetrie ale corpurilor solide prezentând aceeaşi

simetrie alcătuiesc un grup. Înainte de a vedea care sunt grupurile de simetrie, este necesar să definim noţiunea de grup.

a. Noţiunea de grup în matematică Un grup este o colecţie de elemente α, β, γ etc. pentru care sunt

valabile următoarele patru proprietăţi: i) În colecţia de elemente se defineşte o operaţie între oricare două

elemente a grupului astfel ca produsul acestei operaţii să dea un alt element al grupului:

α . β = γ (13) unde α, β sunt două elemente oarecare a grupului iar γ un alt element al acestui grup.

ii) Operaţia definită în grup respectă regula asociaţiei, adică: ( α . β ) . γ = α . ( β . γ ) (14)

19

care indică faptul că în efectuarea operaţiei cu trei elemente, ordinea în care se execută multiplicările respective este arbitrară. Această regulă nu implică faptul că operaţiile sunt şi comutative.

iii) În grup se defineşte un element neutru ε care îndeplineşte condiţia: ε . α = α (15)

iv) Pentru fiecare element al grupului α există un element α−1 numit element invers pentru care e valabilă relaţia:

α . α−1 = ε (16)

care arată că multiplicarea oricărui element al grupului cu elementul sau invers generează elementul neutru. Multiplicarea este comutativă.

Elementele de simetrie ale unui corp respectă cu stricteţe cele patru axiome ale unui grup:

a. Operaţia definită în grup este produsul a două operaţii de simetrie. Multiplicarea acestora implică executarea celor două operaţii una după alta. Aşa cum rezultă din secţiunea precedentă, dar mai ales din figura 2.18, executarea succesivă a două operaţii de simetrie generează o altă operaţie de simetrie specifică corpului respectiv ( de exemplu, multiplicarea axelor C6 specifice benzenului generează şi axele C2 şi C3 care, la rândul lor, sunt elemente de simetrie caracteristice benzenului.

b. Operaţiile de simetrie specifice unei molecule ascultă de legea asociaţiei. Vom lua ca exemplu tot operaţiile de simetrie indicate în figura 2.18 pentru benzen:

( C3.C6). C2 = (C2).C2 = C2

2 = E produs care este obţinut şi dacă efectuam operaţiile în cealaltă ordine:

C3 . ( C6. C2 ) = C3 . ( C64) = C3.C3

-1 = E c. Elementul neutru al unui grup de simetrie este operaţia de

identitate. Necesitatea de a clasifica corpurile sau moleculele după elementele lor de simetrie ne-a obligat să introducem operaţia de identitate printre operaţiile de simetrie.

d. Pentru fiecare element din axa de rotaţie C6 a benzenului, aşa cum rezultă şi din Fig. 2.18, există un element invers, C6 îl are pe C6

-1, elementul invers al lui C3 este C3

-1. Operaţia C2 corespunde în acelaşi timp şi elementului său invers.

20

b. Clasificarea moleculelor după grupurile punctuale Clasificarea se face pe baza identificării tuturor elementelor de

simetrie caracteristice moleculei. Există trei tipuri de grupuri: Tipul 1: cuprinde grupuri punctiforme de simetrie joasă ( C1 , Ci , Cs şi C2 ); Tipul 2: cuprinde grupuri de simetrii intermediare ( Sn, Cnv, Cnh, Dnh şi Dnd ); Tipul 3 : este de simetrie înaltă ( grupul tetraedrului, Td, grupul octaedrului, Oh şi grupul icosaedrului Ih ).

Tipul 1: Cuprinde patru grupuri de simetrie, din care se dau câteva exemple în Figura 2.19.

COOH

CHO CH3

H

A

C CHO

HOOC

H

HOH

COOHB

; ;xi

X

C

σR

H

H

R

C2

D Fig. 2.19. Exemplu de molecule prezentând simetrii joase A. Molecula cu atom de carbon asimetric ( C1 ); B. Exemplu de compus cu simetrie Ci ; Naftaline cu simetrie Cs ; Ciclopropani cu simetrie C2 Grupul C1 : Moleculele din această grupă nu posedă decât operaţia

de identitate, E. Ca rezultat sunt asimetrice, din această clasă făcând parte toate moleculele cu atom de carbon asimetric.

Grupul Ci : Au în grup doar doua elemente. Identitatea E şi reflecţia într-un punct, i. În Fig. 2.19 s-a dat drept exemplu acidul mezo-tartric. Moleculele făcând parte din acest grup sunt achirale.

Grupul Cs : Grupul posedă doar operaţia de identitate E şi reflecţia într-un plan, σ. În exemplu de mai sus s-a indicat o naftalină substituită în poziţia 1. Şi derivaţii de benzen 1,3,4-trisubstituiţi intră în această clasă.

Grupul C2 : Moleculele din această clasă au în grup doar operaţia de identitate E şi o rotaţie C2. . Moleculele din această clasă, deşi posedă o oarecare simetrie sunt totuşi chirale. Astfel, ciclopropanii 1,2-disubstituiţi cu substituenţi identici posedă o axă de rotaţie C2, care taie jumătatea axei C1-C2 şi trece prin C3. Totuşi, aceştia cu imaginea lor în oglindă nu sunt super-pozabili, fiind astfel chirali.

Tipul 2 : Cuprinde grupurile Sn, Cnh, Cnv, Dnh şi Dnd. Grupurile Sn : Au drept elemente caracteristice axe improprii de

rotaţii, exceptând S2. Intr-adevăr: S2 = σC2 = i

21

Acest fapt rezultă clar din examinarea figurii 2.15. Ca regulă, dacă identificam o grupă Sn, trebuie să verificăm dacă nu există şi alte operaţii care să ne permită să încadrăm molecula într-un grup superior. Un exemplu în acest sens este dicloretena din fig. 2.17 şi pe care am explicat axa de rotaţie improprie. Pe lângă S2, molecula mai posedă un plan de simetrie orizontal σΗ , planul moleculei, şi perpendicular pe acesta o axă C2. Vom putea încadra molecula în grupul C2h, un grup superior conţinând 4 elemente: C2, σΗ, S2 = i şi E.

Un exemplu al unui compus prezentând simetrie S4 este arătat în Fig.2.20 :

H R

HR

H HR R

S4 = σH C4

S42 = (σΗ C4)2 = C4

2 = C2

S43 = ( σΗ C4 )3 = σH C4

3= C4-1

S44 = ( σH C4 )

4 = C44 = E

Fig. 2.20. Operaţiile de simetrie din grupul punctiform de simetrie S4 Spiranul din figură are simetrie S4. A se observa că nici axa C4 şi

nici planul σH ( care trece prin atomul de carbon spiranic şi e perpendicular pe axă ) nu sunt elemente de simetrie ale acestuia. Numărul de elemente din grup este de 4 elemente

Grupurile de simetrie Cnh In Fig. 2.21 se dau două exemple de compuşi cu simetria C3h:

OB

O

O

H

H

H

O

OO

H

H

H

C3h , σΗ , C3-1,

Operatii

S3 , S3-1, E

Total 6 operatii = 2n

Fig. 2.21. Compuşi cu simetrie C3h. Numărul de elemente este 6

22

Numărul de elemente în grupurile Cnh este 2n. Grupurile Cnv. O axă de rotaţie Cn rezultată prin întretăierea a n

planuri verticale. Exemple de molecule făcând parte din grupul C3v sunt cele mai numeroase, de exemplu molecula cloroformului, clorurii de metil, dar şi molecule anorganice, cum ar fi amoniacul, :NH3.

H

CCl Cl

Cl

H

Cl

Cl Cl HN

HH

;

Fig. 2.22. Molecule posedând simetrie C3v Elementele din grupul C3v sunt : E, C3 , C3

-1, σv , σv’ , σv’’, în total 6 elemente. Ca şi în cazul precedent, numărul elementelor dintr-un grup Cnv este 2n.

Grupurile Dn : Un Dn este generat de o axă de rotaţie de ordin superior ( n ≥ 2 ) şi n axe C2 perpendiculare pe ea. Din punctul de vedere al chimiei, grupul acesta nu este interesant. De interes este asocierea acestui grup fie cu un plan orizontal σH , grupurile Dnh sau cu n planuri diagonale, grupurile Dnd

Grupurile Dnh : Moleculele plane simetrice fac de regulă parte din aceste grupuri ( Fig. 2.23 ).

+

D3h D2h sau D4h D5h D7h Fig. 2.23. Molecule posedând simetrii Dnh În figura de mai sus nu apare benzenul, făcând la rândul lui parte din

familia moleculelor cu simetrii Dnh ( v. Fig. 2.18 ). Elementele de simetrie din grupul D6h din care face benzenul sunt axele asociate cu C6 ( 2C6, 2C3, C2 ), 6 axe C2 conţinute în planul nucleului, 3 tăind câte două laturi opuse şi 3 două unghiuri opuse ) planul moleculei şi 6 planuri perpendiculare pe acesta (şi care generează axele C2 din plan) σH, în total 24 de elemente.

23

Numărul elementelor din grupurile Dnh este de 4n. Grupurile Dnd : Aceste grupuri rezultă prin asocierea elementelor lui

Dn cu n planuri diagonale. Drept exemplu putem cita ciclohexanul forma scaun ( v. Fig. 2. 24 ). Prin planimetrarea formulei conformaţionale A, se obţine formula B în care cercurile gri reprezintă atomii C-1, C-3 şi C-5, iar cercurile negre reprezintă atomii C-2, C-4 şi C-6:

H

H

H

HH

H

H

H

H

H

HH

σd

σd'

σd''C3

A B

Fig. 2.24. Elementele de simetrie ale grupului D3d: E, C3, C3

-1, 3σd 3C2, 3S2 = 3i Cele trei planuri σd bisectează fiecare câte două unghiuri opuse şi

determină împreună axa de rotaţie C3. În acelaşi timp câte o axă C2 (în total 3) taie mijlocul a două laturi opuse ( nefigurate ), fiecare axă C2 fiind perpendiculară pe câte un plan diagonal σd, determinând 3 axe improprii de rotaţie, S2.. Aşa cum e arătat în legenda figurii 2.24, numărul total de operaţii de simetrie în grupul D3d este 12 = 4 x 3.

Rezultă din acest exemplu că numărul elementelor în grupurile punctiforme Dnd este tot 4n, ca şi în cazul grupurilor Dnh.

Tipul 3 : Acest tip corespunde grupurilor Td, Oh , Id, corespunzând tetraedrului, octaedrului şi icosaedrului. Toate grupurile sunt de simetrie înaltă şi pot fi foarte uşor recunoscute. Intr-adevăr grupurile enumerate până acum, chiar dacă posedă mai multe axe de rotaţie, nici unul nu posedă decât o singură axă Cn de ordin superior ( n > 2 ). Prin aceasta, tipul 3 de grupuri de simetrie devine uşor de recunoscut, în ciuda faptului că numărul operaţiilor de simetrie din grup este foarte mare ( Td conţine 24 elemente, Oh are 48 de elemente în grup, in timp ce Id are 120 ). Toate aceste grupuri au însă un număr mai mare de axe de rotaţie de ordin superior: Td are 4 axe C3,

24

fiecare trecând în cazul metanului prin câte o axa C – H ; Oh are 3 axe C4 iar icosaedru posedă 12 axe C5.

2.2.4. Simetria şi chiralitatea compuşilor organici Chiralitatea ( din cuvântul grec χειρ − χειροζ : mână ) este

proprietatea prin care sunt chirale anumite figuri geometrice care nu sunt superpozabile cu imaginea lor în oglindă, aşa cum mâna dreaptă nu se suprapune peste mâna stângă ( Lord Kelvin, 1893 ). O proprietate caracteristică a compuşilor chirali este activitatea optică, rotirea planului luminii polarizate. Alături de folosirea termenului de chiral pentru compuşii optic activi, se foloseşte şi termenul de compuşi asimetrici ( care nu posedă decât operaţia de identitate E ) pentru aceşti compuşi. Aşa cum rezultă de mai jos folosirea acestui din urmă termen nu este corectă în toate cazurile. În fig. 2.25 se arată corespondenţa dintre grupurile de simetrie şi aceste proprietăţi: asimetrie, simetrie, chiralitate şi achiralitate.

Asimetric: Disimetric:

C1 C2 C3 C4....Cn Dn Sn Cnh Cnv Dnh Dnd Td Oh Id

simetric

chiral achiral

Grup punctual

Fig. 2.25. Corespondenţa grupurilor de simetrie cu termenii folosiţi

În studiul reacţiilor chimice suntem deosebit de interesaţi în

recunoaşterea şi indicarea corectă a configuraţiei reactanţilor şi produşilor de reacţie. În plus, chiar şi în cazul compuşilor achirali, este foarte important să indicăm geometria corectă a reactanţilor şi produşilor de reacţie, prin atribuirea acestora grupul punctiform corect. Pentru compuşii chirali, trebuie să identificăm elementul de chiralitate din moleculă, să stabilim o ordine de prioritate a substituenţilor direct legaţi de elementul de chiralitate, o regulă de privire a moleculei şi de indicare corectă a configuraţiei (geometriei) acesteia.

a. Elemente de chiralitate Elementele de chiralitate, ca şi în cazul elementelor de simetrie, pot

fi: centru de chiralitate, axă de chiralitate sau plan de chiralitate:

25

C

R4

R1 R3R2

C C CH

RH

R;

R

A B

C

σ

C

σv

Fig. 2.26. Elemente de chiralitate: A. Centru; B. Axă; C. Plan. Un centru de chiralitate este de regulă localizat într-un punct

material, în atomul de carbon asimetric ( A în figura 2.26 ) cu aranjament Cabcd. Un aranjament similar este întâlnit şi la sărurile cuaternare de amoniu, aminele secundare şi terţiare cu substituenţi diferiţi:

R1

+ NR2 R4

R3

NR1 X

R2

X = H sau R3

SR1

R2R3

+

Aminele secundare şi terţiare au structuri similare carbanionilor. Ca

şi în cazul acestora, structurile de acest tip nu sunt stabile, are loc o rehibridizare cu adoptarea unei structuri plane şi revenirea la o structură de tip tetraedric. Prin aceasta, nu se pot obţine amine secundare sau terţiare optic active.

26

O axă de chiralitate ( Fig, 2.26. B ) este întâlnită la alene substituite la cele două capete cu doi substituenţi diferiţi ( unul poate fi H ). Ce două planuri corespunzătoare celor două duble legături sunt perpendiculari unul pe altul. Aceste duble legături pot fi înlocuite cu cicluri, ca în spiranii 14 :

R2

R1R1

R2

A

B

B

A 14 15 Un caz aparte îl reprezintă derivaţii de difenil 15. In jurul legăturii

dintre cele doua nuclee poate exista rotaţie libera, axa care trece prin cele două nuclee şi prin legătura care le uneşte, nefiind o axa de chiralitate. Dacă însă în poziţiile orto există substituenţi A, B voluminoşi, aceştia vor împiedica rotaţia liberă şi axa devine o axă de chiralitate.

În toate cazurile de mai sus ( D în Fig. 2.19, B în Fig. 2.26, 14 sau 15 ) , axa de chiralitate este o axă C2. Se cunosc şi cazuri de molecule chirale posedând o axă de ordin superior, de exemplu o axă C3, ca în 16.

Un plan de chiralitate este întâlnit la derivaţii de paraciclofan ( Fig. 2.26 C ). Paraciclofanul nesubstituit este achiral. El posedă un sistem de mai multe planuri de reflecţie: un plan perpendicular pe planurile celor două inele aromatice şi trecând prin mijlocul lor şi un plan paralel cu inelele benzenice şi tăind cele două legături dintre nuclee exact la mijloc ( linia punctată, σv, în Fig. 2.26 ). Dacă într-unul dintre nuclee ( σ în figură ) se introduce un substituent, acest plan devine un plan de chiralitate şi molecula este chirală.

b.Indicarea configuraţiei la atomul de carbon asimetric Atomul de carbon asimetric are toţi patru substituenţii diferiţi.

Pentru a indica configuraţia, în primul rând trebuie să ne decidem cum să privim molecula. Pentru a putea face aceasta, trebuie să dăm un rang celor patru substituenţi (liganţi) din jurul atomului de carbon asimetric. Rangul acestora se stabileşte funcţie de masa atomului direct legat de centrul de chiralitate. Cu cât aceasta e mai mare, cu atât rangul substituentului va fi mai mare. Apoi, se priveşte atomul de carbon chiral astfel încât substituentul (ligantul ) de rang cel mai mic să fie cât mai depărtat de noi. În final stabilim sensul în care rangul celor trei liganţi dinspre noi descreşte. Dacă descreşterea este în sensul acelor ceasornicului, configuraţia este R ( de la

27

cuvântul latin rectus , în caz contrar, configuraţia este S ( de la cuvântul latin sinister ).

Centrul de chiralitate nu e obligatoriu să fie un centru material, localizat într-un atom chiral. Acest centru poate fi şi imaterial, cum este cazul derivaţilor de adamantan tetrasubstituiţi cu substituenţi neidentici la cei patru atomi de carbon terţiari din moleculă, 17.

R1

R4

R3

R2

H

C3

16 17 Atât în moleculele cu atom de carbon asimetric cât şi în cazul

derivaţiilor de adamantan 17, aranjamentul este Cabcd ( C reprezintă in acest caz centrul de chiralitate ). Se cunosc însă şi altfel de aranjamente chirale cu centru de chiralitate, respectiv aranjamente Caabb , Cabbb şi chiar Caaaa ( v. Fig. 2.27 :

HN

OC NH

OC

NH

COHN

CO

A B Fig. 2.27. Aranjamente chirale diferite de aranjamentul Cabcdş A. Aranjamentul Caabb. B. Aranjamentul Caaaa

28

Faţă de cele două aranjamente indicate în figura 2.27, trebuie amintit şi aranjamentul Cabbb pe care-l are hidrocarbura triciclică 16.

In cazul chiralităţii axiale, ne fixăm un capăt de axă de unde vom privi molecula. Substituenţii de la acest capăt vor avea rangul cel mai mare. Un exemplu de stabilire a configuraţiei unei alene este arătat în Fig. 2.28.

C C CAB

B

A

A B

B

ADaca A > B, atunci ordinea de descrestere este: A > B > A > B , deci R

Fig. 2.28. Stabilirea unei alene tetrasubstituită cu substituenţi A şi B În cazul derivaţilor de paraciclofan ( v. Fig. 2.26 ), pentru a stabili

configuraţia derivaţilor chirali, ce alege un atom a vecin planului de chiralitate σ şi în vecinătatea atomului c de care este legat substituentul care determină chiralitatea sistemului ( v. mai jos, 18 şi 19 ):

R

σ

σv

ab

c

σ

σv

R

ab

c

18 19 Dacă sensul parcurgerii drumului a – b – c este sensul acelor

ceasornicului ( ca în 18 ), configuraţia este R. În schimb, dacă este ca în 19, configuraţia este S.

29

2.3. Conformeri Cunoaşterea conformerilor unui reactant poate fi deosebit de

importantă în înţelegerea mersului unei reacţii. A existat uneori părerea în literatură că diverşii conformeri posibili ai unei substanţe corespund unui alt tip de izomerie. Totuşi, această părere contravine principiul dichotomiei, atât de valabil în ştiinţele naturii. Redăm mai jos o schemă a diverselor forme de izomerie, admisă cel mai frecvent în cazul compuşilor organici. În mare, izomeria este de două feluri, izomerie structurală şi izomerie sterică.

IZOMERIA COMPUSILOR ORGANICI

Izomerie Izomerie sterica structuralaA. a compusilor B. a compusilor A Enantiomerie B. Diastereomerie saturati nesaturati R S A,.comp. nesat. B..comp.sat. trans cis polichirali

Dacă conformerii ar reprezenta un alt tip de izomerie, ei ar trebui încadraţi în izomeria sterică. Cu toate acestea, acest mod de clasificare contravine principiului dichotomiei din ştiinţă, izomeria sterică urmând astfel să se dividă în trei şi nu în două subclase.

Conformerii sunt geometrii ale aceluiaşi compus rezultate prin rotaţii libere în jurul axelor din moleculă. Ei sunt întâlniţi în cazul tuturor izomerilor posibili, fie aceştia izomeri structurali sau sterici.

Caracterizarea conformerilor se face prin indicarea distanţelor dXY între doi atomi X şi Y nelegaţi direct unul de altul ( v. Fig. 2.29 ), cât şi prin unghiurile de torsiune ΦXY între diverşii liganzi ai moleculei.

X

HH

H Y

H

X

HH

H H

Y

X

HH

Y H

H

dXY dXH -dXY

dYH

dHH

ΦXYΦXH

Fig. 2.29. Conformerii etanilor 1,2-disubstituiţi şi caracterizarea acestora prin dXY si ΦXZ Cei trei conformeri, în odinea de mai sus sunt : sinclinal sau gauche,

antiperiplanar sau simplu anti. Ultimul este evhivalent cu primul, –sinclinal.

30

Cel mai stabil dintre cei trei conformeri este conformerul anti. Pe lângă aceşti 3 conformeri stabili, există şi 3 conformeri instabili, conformeri eclipsaţi, în care valorile lui ΦXY sunt 0o, 120o şi -120o . Concluziile trase din considerarea conformerilor etanului disubstituit sunt valabile în cazul tuturor hidrocarburilor saturate şi derivaţiilor acestora, fie aciclici, fie ciclici. Astfel, ciclopropanul, ciclobutanul, ciclopentanul şi derivaţii lor sunt mai puţin stabili decât ciclohexanul nu numai datorită tensiunii lor din ciclu. Un alt factor contribuind la stabilitatea lor mai mică decât cea a ciclohexanului este dat şi de faptul că toate legăturile lor sunt eclipsate.

Stabilitatea mai mare a ciclohexanului se datorează pe lângă lipsei tensiunii în ciclu şi faptului că toate legăturile, cel puţin într-unul din conformerii posibili, sunt neeclipsate ( v. 20 ).

H

H

H

H

H

H H

H

H

HH

H

H

HHH

H

H

HH

H

HH

H

H

H

H

HH H

H H

;CH2

CH2

20 21 Acest conformer este conformerul scaun ( engl. chair, germ. Sessel ),

Pe lânga acest conformer, mai poate exista şi un conformer baie ( engl. boat; germ. Wanne ), mai puţin stabil datorită faptului că posedă patru legături C-C eclipsate ( v. 21 ). S-a admis că acest conformer ar interveni în trecerea unei conformaţii scaun într-altă conformaţie scaun. S-a constatat că această trecere are loc printr-o conformaţie mai săracă în energie decât conformaţia baie, dar mai bogată în energie decât conformaţia scaun. Conformaţia baie este însă obligată să existe în hidrocarburile cu punte ( 21, 22 ) sau în derivatul heterociclic 24.

O

; ;

22 23 24 Un substituent R în ciclohexan poate fi plasat fie axial ( 20a ), fie

ecuatorial, De regulă, conformerul axial este mai puţin stabil ( datorita interacţiilor cu legăturile C-H axiale din poziţiile 3 şi 5. Cealaltă posibilitate, ilustrată în 20b, este conformaţia ecuatorială, mult mai stabilă având numai 4 interacţiuni gauche C-R – C-H (v. Fig. 2.30). O energie conformaţională foarte mare prezintă grupa t-butil ; în derivaţii de t-butil-ciclohexan, grupa t-butil este întodeauna plasată ecuatorial.

31

R

HH

H

H

H

HH

H

H

H

HR

H

H H

R

H H

H

HR

(17)

Fig. 2.30 Plasarea preferenţială a unui substituent R în poziţia ecuatorială din ciclohexan În multe cazuri, reacţiile unei anumite grupe funcţionale au loc

numai din poziţia axială, ceea ce ne obligă să ţinem seama de energiile conformaţionale cu care ne confruntăm.

2.4. Probleme 1. Identificaţi grupul punctual de simetrie pentru următorii compuşi:

ClR

R;

a. b. izomer 1,2 d. e. c. izomer 1,3

2. Din ce grupuri de simetrie fac parte conformerii ciclohexanului ? 3. Stabiliţi configuraţia R sau S a următorilor compuşi optic activi.

32

H

CCl CH3

COOH C3 C C1FPhCl

Ph; ;

Br

CNA B C

Pentru alena B stabiliţi configuraţia fie observând descreşterea

rangului substituenţilor de la C1, fie de la C3. 4. Din cunoştinţele de chimie organică, arătaţi respectarea

principiului dicotomiei în cazul izomeriei structurale. 5. Consideraţi cei doi izomeri ai 1,2-dibrom ciclohexanului şi

pentru fiecare în parte scrieţi cele două conformaţii scaun posibile. Scrieţi ce produşi pot rezulta din fiecare prin eliminare.

1

PARTEA A DOUA CLASIFICAREA REACŢIILOR ORGANICE DUPĂ

MECANISMUL DE REACŢIE

CAPITOLUL 3 Substituţia Nucleofilă

la Atomul de Carbon Saturat Motto: Zbor, Urc, sunt pajură nu ciocârlie, Sus, tot mai sus! Xin Di ( n. 1912 ) O substituţie nucleofilă implică interacţiunea dintre un partener de

reacţie posedând o pereche de electroni neparicipanţi ( reactant: anion, carbanion, heteroatom cu electroni neparticipanţi, de exemplu azot etc. ) şi un partener de reacţie cu un deficit de electroni ( substrat: carbocation sau un precursor al acestuia, compuşi având la atomul central un deficit de electroni, de exemplu derivaţi de bor sau aluminiu etc. ). Distingem: a. Substituţie nucleofilă la atomul de carbon saturat; b. Substituţie nucleofilă la atomul de carbon aromatic; c. Alte tipuri de substituţii nucleofile.

Simbolul unor astfel de reacţii este SN la care se fac unele precizări privind tipul de mecanism.

3.1. Tipurile de mecanisme SN la carbonul saturat Studiul mecanismelor reacţiilor SN la carbonul saturat îl datorăm în

primul rând şcolii de chimie organică engleze a lui E. D. Hughes şi C. K. Ingold şi colaboratorilor lor in Anglia şi apoi echipelor de cercetare ale lui P. D. Bartlett, Saul Winstein, W. Doering, Herbert C. Brown, George Olah şi a multor altora din Statele Unite ale Americii.

Pe baza unor studii cinetice sistematice, Hughes, Ingold şi şcoala lor au demonstrat că în SN sunt două tipuri de reacţii:

a. Într-una dintre acestea, viteza de reacţie depinde atât de concentraţia substratului organic conţinând o grupă deplasabilă legată de un

2

atom de carbon saturat ( R – X ), cât şi de concentraţia reactantului nucleofil care poate să aibă sau să n-aibă o sarcină negativă ( Nu:- ).

Nu:- + R – X → Nu – R + X:- (1) Viteză = k [ RX ] [ Nu:- ] (2) În celălalt tip de reacţii, viteza de reacţie depinde numai de

concentraţia substratului, R – X. Se trage concluzia că reacţia trebuie să decurgă în două etape, cu prima etapă lentă, în timp ce a doua trebuie să fie foarte rapidă. Aceasta din urmă, deci, nu va fi cuprinsă în ecuaţia de viteză:

R - Xlent

R+ + X- (3)

R+ + Nu- f. rapidR - Nu (4)

Primul dintre aceste mecanisme (mecanismul direct) a fost desemnat

drept mecanism bimolecular, SN2, celălalt – în trepte – drept mecanism unimolecular, SN1.

Cinetica reacţiei de substituţie nucleofilă este unul din criteriile de bază în atribuirea unuia dintre cele două mecanisme de reacţie. Dintre celelalte criterii de stabilire a mecanismului corect de reacţie mai trebuie menţionate: identificarea tuturor produşilor de reacţie şi stereochimia tuturor produşilor formaţi. Înainte de a discuta fiecare mecanism în parte, trebuie să menţionăm faptul că adoptarea uneia sau a alteia dintre rutele posibile în formarea produşilor de reacţie depinde foarte mult de structura substratului şi mai ales de natura şi numărul substituenţilor de la centrul de reacţie. Astfel dacă atomul de carbon de care este legată grupa care urmează a fi deplasată, grupa fugace ( în engleză: leaving group* ) este un atom de carbon primar, au loc foarte uşor reacţiile de tip SN2, în timp ce procesele unimoleculare nu sunt observate decât în cazuri excepţionale. Dacă centrul de reacţie este un atom de carbon secundar se observă ambele mecanisme, pentru ca în cazul unui C-tertiar mecanismul SN2 să nu mai fie observat; în schimb mecanismul SN1 decurge cu viteză mare ( v. Fig. 3.1 şi Tabelul 3.1 ).

Tabelul 3.1. Viteze specifice relative a unor bromuri de alchil în hidroliza bazică în EtOH 80% Bromură CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBr de alchil Viteză relativă 1 0,0795 0,0135 47,5

3

** *

Cpr Csec Ctert

Viteza

SN2

SN1

Fig. 3.1. Variaţia vitezelor unor reacţii SN cu natura atomului de C Pe lângă aceste două mecanisme ulterior s-au mai identificat şi alte

mecanisme, unele intervenind mai frecvent (de exemplu: substituţia nucleofilă asistată de grupe vecine); în schimb altele sunt mai rare ( de exemplu: substituţia nucleofilă internă, substituţia nucleofilă SET ).

Despre toate aceste mecanisme precum şi despre mecanisme similare substituţiilor nucleofile (de exemplu, transpoziţia hidrocarburilor) vom discuta în secţiunile următoare ale acestui capitol.

3.1.1. Mecanismul bimolecular SN2

Reactantul nucleofil, Nu:-, atacă centrul de reacţie prin partea opusă

grupei fugace. Pe măsură ce se apropie, legătura nouă se formează treptat şi legătura veche se rupe treptat. Un astfel de proces va avea întotdeauna drept rezultat o inversie de configuraţie ( Schema 3.1 ):

SCHEMA 3.1

C X

R1

HNu:-

R2

Nu...............C...................X

R1

R2H

δ− δ−

Stare de tranzitie

Nu C

R2H

R1

Configura'ie inversata

Reacţiile de tip SN2 decurg cel mai uşor în solvenţi polari, iar dintre aceştia în solvenţi aprotici dipolari de tipul: dimetil formamidei Me2NCHO (DMF), dimetilsulfohidului, MeSOMe (DMSO) etc. Intr-adevăr, în solvenţi protici, reactanţii nucleofili ionici sunt solvataţi prin legături de hidrogen puternice; în solvenţi aprotici dipolari reactivitatea reactantului nucleofil se poate manifesta întreagă ( vezi Tabelul 3.2 ).

4

Tabelul 3.2. Viteze relative ăn substituţia nucleofilă: Me-I + Li+Cl- → Me-Cl + Li+Cl- (5) ( Reacţie Finkelstein )

__________________________________________________________ Solvent: MeOH H2NCHO Me2N-CHO MeCOMe Me2N-CO-Me __________________________________________________________ Constantă Dielectrică 33,6 109 37,6 21,2 Viteza re- lativă: 1 12 1,2.106 1,6.106 7,4.106

___________________________________________________________ Vitezele relative depind pe de o parte de lipsa în dizolvant a unor

protoni acizi, iar pe de altă parte de polaritatea dizolvantului măsurată prin constanta sa dielectrica.

Cu toate acestea nu este posibil întotdeauna să avem în acelaşi mediu atât substratul, cât şi reactantul nucleofil, în cele mai multe cazuri o sare greu solubilă în solvenţi organici. Există un mijloc prin care acest inconvenient poate fi înlăturat. Pentru aceasta se folosesc aşa numiţi catalizatori de transfer de fază, aşa cum ar fi eterii coroană. Mai jos sunt date numai două exemple,

O

O

O

OO

O

O

O

O

O

;

1 2 Eterii coroană pot solvata în cavitatea lor ioni. Ei sunt astfel gazde

( termenul englez hosts ), în timp ce cationii vor fi oaspeţi ( termenul englez guests ). Cavitatea pe care o au astfel de catalizatori are mărimi care se potrivesc unui anumit cation. Astfel, 1 ( dibenzo-1,4,7,10-tetraoxo-dodecan ) este potrivit pentru cationul de litiu dar nu poate complexa cationul de potasiu. Pe de altă parte, în 2 ( dibenzo-1,4,7,10,13,16-hexaoxo-octadecane ) pot încăpea uşor cationi mai mari, ca de exemplu K* şi Hg2*.

Mecanismul acţiunii acestor catalizatori este arătat in Schema 3.2.

5

Reacţia care se urmăreşte să se realizeze este o banală substituţie nucleofila dintre un derivat clorurat, R-Cl şi cianura de sodiu. Reactantul însă nu se poate dizolva în faza organică şi se dizolvă numai în apă. Dizolvând în apă şi clorură de amoniu, cianura de amoniu aflată în echilibru cu clorura de amoniu va fi preluată de catalizatorul de transfer de fază şi ionul cian va fi transportat în faza organică, făcând reacţia posibilă:

SCHEMA 3.2 Organic Phase: R4N +CN_ + R-Cl R - CN + R4N+Cl-

-------------------------------------------------------------------------------

Aqueous Phase: R4N+CN- + Na+Cl- Na+CN- + R4N+Cl- Eterii coroană 1 şi 2 sunt exemple relativ simple. Se cunoaşte astăzi

un număr foarte mare de compuşi care servesc drept catalizatori de transfer de fază. Unii dintre aceştia sunt chirali şi pot favoriza un anumit mers stereochimic al procesului respectiv. Dar, astfel de exemple vor fi date în capitolele următoare.

3.1.2. Mecanismul monomolecular SN1 Mecanismul SN1 a fost prezentat sumar prin reacţiile (3) şi (4).

Chiar şi din această simplă reprezentare putem trage unele concluzii privind uşurinţa cu care are loc un astfel de proces.

Spre deosebire de reacţiile SN2, astfel de procese vor avea loc mult mai uşor în solvenţi protici polari, ţinând seama de faptul că solventul va „trage” grupa fugace din moleculă, solvatând-o ( efect pull, v. Schema 3.3 ).

SCHEMA 3.3

R1

C

R3R2X.............H-S C R3

R2R1 +

+ { X....H-S }-

R1

C

R3R2Nu Nu C

R1

R3R2

6

Atacul nucleofilului va avea loc cu egală probabilitate pe ambele feţe ale planului cationului rezultat. Dacă substratul iniţial este optic activ, produsul de solvoliză rezultat va fi un amestec racemic ( Schema 3.3 ).

Aşa cum s-a arătat mai înainte, dacă grupa fugace este legată de un atom de carbon primar, mecanismul SN1 nu se poate produce decât în cazuri cu totul speciale ( carbocation stabil şi mediu de reacţie bun ionizant ). Un astfel de exemplu este cationul benzil 4, generat din derivaţi de benzil 3:

CH2-X CH2+ CH2

+

CH2

+

CH2

+

3 4 În alte cazuri, în ciuda faptului că atomul de carbon de care este

legată grupa fugace este terţiar ( 6 şi 7 ), reacţia practic nu are loc:

Br

CMe Me

MeBr Br

vitezarelativa 1 10-8 10-14

5 6 7

În 6 şi 7 atomul de carbon terţiar de care este legat bromul nu poate

adopta structura plană. Adoptarea acesteia este cea mai dificilă în cazul derivatului de norbornil, lucru demonstrat şi de vitezele relative ale acestora.

Br

Br

CPh Ph

Ph

8 9Vitezarelativa 1 10-23

Bromura de tritil 8 este desigur mai reactivă decât bromura de tert-butil 5. Ne-am aştepta ca 9 să fie la rândul său reactiv, ceea ce nu-i cazul.

7

Şi în acest caz motivul este imposibilitatea cationului corespunzător de a adopta o structură plană.

Winstein şi colaboratorii la Universitatea din Los Angeles în 1956 a dovedit cinetic următoarea schemă în reacţiile de tip SN1. Conform acestor autori, ionizarea substratului produce iniţial o pereche intimă de ioni, 10. Aceasta, prin intervenţia solventului, poate produce o pereche intimă de ioni despărţită de molecule de solvent, 11. Dacă carbocationul este suficient de stabil, perechea intimă de ioni despărţită de molecule de solvent poate trece in ioni disociaţi, 12. Reacţii sunt posibile din fiecare specie ionică. Dacă substratul iniţial este chiral, reacţiile din 10 vor furniza un produs cu configuraţie inversată însoţit şi de ceva racemic. În schimb ionii disociaţii vor da numai produs racemic.

R - Xk1

k-1R+X-

10perecheintima de ioni

R= // X- R+ + X- (6)

11 12pereche in-tima de ionidespartita de solvent

ioni disociati

k2

k-2

k3

k-3

SH SH SHks ks' ks''

Produsi Produsi Produsi Aproape douăzeci de ani mai târziu, tot la UCLA, Yankee, Badea,

Howe şi Cram au studiat reacţia de izomerizare a derivaţilor ciclopropanici 13. Pentru ca izomerizarea să se producă este necesară ruperea unei legături cu formarea amfiionului 14 şi reciclizarea la produsul izomerizat 15. Formarea amfionului este uşurată de substituenţii inelului de trei: sarcina pozitivă este stabilizată de fenil sau doi fenili, sarcina negativă de grupa cian şi grupa esterică. Trebuie observat ca amfiionul poate corespunde unei perechi intime de ioni care nu poate trece în ioni disociaţi.

Ph

R

COOR

CN

Ph

R

COOR

CN

Ph

R

CN

COOR13 14 15

+ -

R = Ph sau H Viteza de izomerizare depinde dramatic de natura lui R. În caz că R

= H, viteza decurge rapid la 50oC, în caz că R = Ph, reacţia e lentă chiar la 180o, deşi ne-am aştepta să fie invers. Explicaţia: Pentru ca rotaţia să se producă în 14, trebuie ca cele două sarcini să fie separate de solvent.

8

Altfel spus, perechea intimă de ioni să treacă în pereche de ioni despărţită de molecule de solvent. Ori, solvatarea lui 13 cu R = Ph se va face mult mai greu decât solvatarea lui 13 cu R = H.

3.1.3. SN cu participarea grupelor vecine în substituţia nucleofilă ( SN cu asistenţă π ) Solventul uşurează în mare măsură atât reacţiile SN2, cât mai ales

reacţiile SN1. Ajutorul unui solvent de tipul :S – H poate fi de două feluri: un efect de împingere afară din moleculă a grupei fugace prin electronii neparticipanţi de la un heteroatom din moleculă şi un efect de tragere din moleculă a grupei fugace, efectul global fiind denumit efect push – pull.

R

CR'H X: .......H - S:S:

H

Fig, 3.2. Efectul push-pull al solventului Desigur, un efect push mult mai eficace decât efectul solventului ar

fi produs de o grupă vecină din moleculă, situată favorabil faţă de centrul de reacţie ca în exemplul de mai jos.

SCHEMA 3.4.

O

C

HH3C

C

Br

CH3H

CR

O

treooptic activ

CO

C C

O

R

+

H CH3

HH3C

ROCO

C

HH3C

C

OOCR

CH3H

R-COO-

+

β α

mezo

C C

ROCO

HH3C OCOR

CH3

H

Atac α

Atac β

mezo

opticinactiv

Aşa cum rezultă din schema de mai sus, participarea unei grupe

vecine centrului de reacţie, pe lângă faptul că uşurează ruperea legăturii C-X permite şi păstrarea configuraţiei relative, fără însă a conserva şi configuraţia absolută a celor două centre, α şi β.

9

O astfel de asistenţă a unei grupe vecine este denumită asistenţă anchimerică ( greceşte: χιµαιρικοζ : ideal : ανα : în spate ) este frecvent întâlnită în solvolize. Grupa vecină trebuie situată la carbonul Cβ , vecin centrului de reacţie Cα. În acelaşi timp, grupa trebuie să posede o anumită nucleofilicitate, de exemplu să posede electroni neparticipanţi la atomul atacant, ca oxigenul din exemplul din Schema 3.4.

Şi alte grupe vecine heteroatomice pot asigura asistenţa în reacţii de ionizare, ca de exemplu atomi de halogen vecini, cel mai uşor Br şi I, clorul mai greu. In cazul fluorului nu se cunosc exemple certe.

Br

Cβ

H3CH Cα

CH3H

OSO2ArCa

Br

Cβ

H3C CH3H H

+ atac Ca sau Cb- ArSO3-

Br

CH3C

H CCH3

H

Nu

Nu:-

optic activ racemic 16 17 18 Arilul vecin este un alt exemplu de asistenţă anchimerică a unei

grupe vecine ( v. Schema 3.5 ): SCHEMA 3.5

Cβ

H3CH Cα

CH3H

OSO2ArCaCβ

H3C CH3H H

atac C a- ArSO3

-

CH3C

H CCH3

H

OAc

optic activ

racemic

+

AcO:-

AcO: -atac Cβ

C CH3CH

AcOCH3H

Participarea arilului vecin a fost studiată de Winstein şi colaboratorii

în cazul 2,2-difeniletil tosilatului ( tosilat = p-toluensulfonat, p-MeC6H4SO2 = Ts ) şi care prin solvoliză trece ireversibil în derivaţi de 1,2-difeniletanol:

HC CH2-OTs

C6H5

C6H5

C6H5 - CH - CH2 - C6H5

OCOCH3

AcOH

19 20

10

Ireversibilitatea transpoziţiei se explica prin stabilitatea mult mai mare a cationului benzilic secundar, 21, în comparaţie cu cationul primar 22.

HC CH2-C6H5+ CH CH2

+

21 22 Rezultatele lui Winstein privind transpoziţiile reversibile în seria

2,2-diariletanilor au fost confirmate în numeroase alte lucrări publicate după aceea. Totuşi, în studiile efectuate în Catedra de Chimie Organică din Politehnica Bucureşteană de către Neniţescu, Ciorănescu, Banciu şi colaboratorii lor în cazul derivaţilor de dibenzocicloheptenă, de exemplu 23, au arătat că în acest caz o astfel de transpoziţie este reversibilă. Intr-adevăr, dacă tosilatul 23 este supus unei solvolize netamponate ( deci în AcOH ce va conţine cantităţi crescânde de acid TsOH ), se obţine cca 90% numai acetatul 24 netranspus:

CH2-OTs

CH2-OAc

AcOH

AcONa

AcOH

TsOH+

OAc

23

24

25

+

Dacă dimpotrivă, solvoliza se face tamponată ( în prezenţă de

AcONa ) se obţine peste 90% acetatul transpus 25. Mai mult, dacă acesta se încălzeşte în AcOH conţinând acid TsOH, se transformă în acetatul 24 cu ciclul median de 7 atomi.

11

Se va observa că tosilatul 23 şi acetatul 24 sunt derivaţi de 2,2-diariletil, în timp ce acetatul 25 e un derivat de 1,2-diariletil. Rezultatul de mai sus e un exemplu de reversibilitatea transpoziţiei în unii derivaţi de 2,2-diariletil în derivaţi de 1,2-diariletil.

Cum se explică această excepţie de la cele observate de Winstein et al.? Explicaţia demonstrată ulterior fără dubii de îndoială este următoarea: Ionizarea lui 23a este asistată de arilul vecin. Intermediarul format trece rapid în ionul de dibenzo-homotropiliu 26 destul de stabil să se echilibreze cu ionul benzilic 27. Acesta este transformat în acetatul 25 care, în mediu tamponat nu va regenera cationul 27. În mediu acid transformarea este posibilă şi acetatul 24 se poate reforma.

CH2-X CH2

+

+

etc. 23a 26 27 Ionizarea centrului de reacţie mai poate fi asistata anchimeric şi de o

dublă legătură. Astfel, Winstein şi colaboratorii au demonstrat asistenţa pe care poate s-o furnizeze o dublă legătură situată favorabil faţă de centrul de reacţie:

OTs OTs OTsTsO

vitezarelativa 1 104 1011 1014

Studiul cinetic în acest caz nu lasă nici un dubiu cu privire la

asistenţa ionizării de către dubla legătură. 3.1.4. Transpoziţie Wagner – Meerwein. Cationul de norbornil ( SN cu asistenţă σ ) Transpoziţia Wagner-Meerwein este o deplasare 1,2 a unui ion de

hidrură sau a unei grupe alchil cu electronii legăturii la centrul cationic vecin. O asemenea reacţie de transpoziţie este cunoscută – aşa cum s-a arătat şi în capitolul introductiv – drept o transpoziţie carbanionică.

12

C C

H3C

RH R'H

+H3C

R R'HH

+ C C

CH3

R'HRH

+

Intermediar sauStare de Tranzitie?

28a 29 28b Transpoziţia este intramoleculară, grupa care migrează nepărăsind

nici un moment molecula. Se pune întrebarea dacă structura 29 reprezintă un intermediar al transpoziţiei sau reprezintă structura de energie maximă în trecerea de la cationul 28a la cationul 28b ( v. Fig. 3. 3 )?

coordonatade reactie

energie

.

.Stare Tranzitie

Intermediar

Fig. 3.3. Stare de tranziţie sau intermediar in migrările 1,2 ? Există numeroase argumente pro şi contra formării unui intermediar

pe parcursul unei transpoziţii Wagber – Meerwein. Cel mai simplu model al unui astfel de intermediar este ciclopropanul protonat, 30 :

HC CH

CH H

H

+H HH H

H HH

30 Calcule teoretice au arătat că structura stabilă a acestuia corespunde

unui ciclopropan protonat în colţ, 30, fapt confirmaz apoi şi experimental. O dovadă interesantă cu privire la formarea acestuia e fost adusa de Deno şi Lincoln în 1966. Aceştia au tratat ciclopropanul cu brom molecular şi FeBr3

13

şi au obţinut un amestec de 1,3-dibrom propan, 1,1- dibrompropan şi 1,2- dibrompropan, demonstrând următorul mers al reacţiei:

SCHEMA 3.6

FeBr3 + Br2Br+ + FeBr4

-

+ Br+H2C CH2

C

BrHH

BrCH2-CH2-CH2Br

BrHC CH2

C

HHH

Br2CH-CH2-CH3 +BrCH2-CHBr-CH3

Calcule teoretice au arătat ca ciclopropanul protonat este mai stabil decât cationul primar de ciclopropil, dar ceva mai puţin stabil decât cationul de izopropil.

Un caz aparte în studiul transpoziţiilor de tip Wagner-Meerwein îl ocupa transpoziţiile în seria norbornanului ( vezi Schema 3.7 ).

SCHEMA 3.7

1 25

6

7

X

H

H

X

12+

Nu:

Nu:

atac C-2

atac C-1Nu

Nu

Nu

Nu

imaginea in oglinda

retinereaconfigura'iei C-1

31-exo

31-endo

32

33

+

14

Există doi izomeri ai derivaţilor de 2-norbornil, 31, un izomer exo şi un izomer endo, fiecare dintre ei putând apare în două forme enantiomere. Acetoliza tosilaţilor de 2-norbornil ( în Schema 3.7, X = OTs; Nu: = AcO- ) decurge diferit. Astfel, izomerul 31-exo optic activ îşi păstrează integral configuraţia relativă ( se obţine tot un exo-acetat ), dar o pierde pe cea absolută ( se racemizează ). Izomerul endo optic activ în acetoliză îşi păstrează parţial activitatea optică ( cca 10-15% ), dar reacţionează de 250 de ori mai încet decât izomerul exo; în caz că X = OBs ( brosilat, p-brom-benzensulfonat ) solvoliza decurge de 350 de ori mai încet decât în cazul izomerului exo, dar cu o viteză comparabilă cu a brosilatului de ciclohexil.

Toate aceste fapte l-au îndreptăţit pe Winstein să considere că ionizarea izomerului exo este asistată de legătura σ C6 - C1 cu formarea unui ion neclasic de norbornil, 32 ( ruta σ ). Ionul de norbornil structural este asemănător ciclopropanului protonat.

Teoria rutei σ şi existenţa ionului neclasic de norbornil a fost criticată şi contestată ani de-a randul de către H.C. Brown. Principalele argumente împotriva rutei σ şi a ionului neclasic de norbornil sunt următoarele:

a. Raportul mare kexo/kendo nu se datoreşte asistenţei anchimerice a legaturii C6 – C1 din derivatul exo , deoarece izomerul exo are o reactivitate comparabilă cu a derivatului de ciclopentil, cel cu care trebuie făcută comparaţia. Raportul mare se explică prin împiedecarea ionizării izomerului 31-endo de către hidrogenul din endo de la C6 ( vezi formula 34 ):

H

H

H

X

H3C C

X

H

H

HH H3C C

H

X

H

HH

34 35 36 După Brown, toate datele observate anterior se pot explica printr-o

ionizare obişnuită urmată de o echilibrare rapida a celor 2 ioni posibili (transpoyiţiţie 1,2, transpoziţie Wagner-Meerwein obişnuită.

Argumentul a fost combătut prin studiul solvolizei brosilaţiilor de apoizocamfil 35 ( izomer exo ) şi apocamfil 36 ( izomer endo ). In cazul acestor derivaţi, din motivele invocate de Brown, ionizarea izomerului exo ar trebui să fie impiedecată de una din grupele metil de la C1. În realitate şi în acest caz kexo/kendo este foarte mare, respectiv 4100, mult mai mare decât cea observată la compuşii de norbornil, 31 ( 450 pentru brosilat, corectat pentru întoarcerea internă, 1600 ).

15

Este interesant de menţinut că în natură se găsesc derivaţi ciclopropanici, iar biosinteza lor adopta adesea o rută trecând prin ciclopropani protonaţi. Un exemplu de biosinteză a unui asrfel de produs natural, enzima U-106305, este dat în schema 3.8:

SCHEMA 3.8

n+

Transfer de

CH3

nR

O

R

O

ngrupametil

R

O

n

CH3+

R

O

n

CH2

- H+

etc. Precursorul compusului ciclopropanic natural este un derivat de acid

nesaturat polienic. Acesta acceptă printr-un sistem enzimatic o grupî metil care trece în ciclopropanul protonat.

3.2. Transpoziţia alcanilor Înrudite într-un fel cu reacţiile SN1 sunt şi reacţiile de transpoziţie ale

alcanilor. Într-adevăr, reacţiile de transpoziţie sunt însoţitoare frecvente ale reacţiilor SN1. Totuşi, în prezenţă de catalizatori adecvaţi şi hidrocarburile pot suferi astfel de reacţii. Un exemplu simplu a unei astfel de reacţie este izomerizarea n-butanului.

SCHEMA 3.9 Exemple de reactii de transpozitiea. In reactii SN1:

CH3-CH-CH2-CH3+ C C

C

H3CH H

H

H HH

+

(CH3)2CNu-CH3(CH3)2C-CH3+

-X-..HS

b. In transpozitia alcanilor si cicloalcanilor

Catalizator(pull effect)

H-CatalizatorCH3-CH-CH2-CH3 v. mai sus

+

H3C CH CH2

X......HX

CH3

H3C CH CH2

H

CH3

Nu:-

Aşa cum rezultă de mai sus, transpoziţia alcanilor poate fi privită ca o

transpoziţie care intervine într-o reacţie SN1 banală, în care grupa fugace

16

este un atom de hidrogen. Catalizatorul trebuie să fie suficient de puternic pentru a exercita un „efect pull” asupra hidrogenului care urmează să fie extras.

Neniţescu şi Cantuniari au făcut studii sistematice în domeniul izomerizării alcanilor şi cicloalcanilor cu clorură de aluminiu. Ei au putut demonstra ca reacţiile de transpoziţie sunt procese reversibile, între hidrocarbura iniţială şi hidrocarbura transpusă stabilindu-se un echilibru. În plus, dacă AlCl3 este proaspăt purificată şi reacţia se execută într-o atmosferă uscată, transpoziţia nu se produce. Ei au putut demonstra că urmele de apă sunt un activator al clorurii de aluminiu:

H2O + AlCl3 H+[ AlCl3(HO)]- (7)

37 Complexul 37 care rezultă este un acid foarte puternic, disociat în

întregime. Protonul este cel care exercită efectul de tragere ( pull ), generând carbocationul corespunzător:

Initiere: CH3-CH2-CH2-CH3 + 37 CH3-CH-CH2-CH3 + H2

etc.; v.Schema 3.9

+

O anumită transpoziţie poate fi urmată de o alta şi aceasta de o alta

(efect domino). Un exemplu tipic este transpoziţia adamantanică: SCHEMA 3.10

Transpoziţia adamantanică

H

H

H

HH

HH +

HH

H+

HH

H+ H

+

+

+

Materia primă în această transpoziţie este dimerul hidrogenat al

ciclopentadienei. Desigur, ne-am gândi că cel mai uşor s-ar extrage un atom de hidrogen de la un atom de carbon terţiar. Aceasta nu se întâmplă pentru că ori carbocationul care ar rezulta este prea instabil ( nu poate adopta

17

structura plană ), ori reacţia nu ar progresa mai departe ( reacţie invizibilă ). Carbocationul format iniţial suferă în cascadă o serie de transpoziţii pană se obţine adamantanul.

3.3. Mecanismul SET în reacţiile SN În anumite reacţii în care aparent este implicată o substituţie

nucleofilă, se demonstrează intervenţia clară a radicalilor şi/sau radical ionilor. Prima treaptă a acestor reacţii implică un transfer de electroni între substrat şi nucleofil:

Etapa 1: R – X + Y:- → R – X.- + Y. (8) În următoarea etapă se generează un radical liber: Etapa 2 : R – X.- → R. + X- (9) Ultima etapă poate să aibă două variante: Etapa 3 : R. + Y. → R – Y (10a)

sau: R. + Y:- → R – Y.- → R – Y etc (10b) Una dintre dovezile unui astfel de mecanism este decelarea

radicalilor liberi ( sau a radical ionilor ) prin esr pe parcursul acestor reacţii. 3.4. Mecanismul SNi Unele reacţii de substituţie nucleofilă decurg cu păstrarea

configuraţiei, chiar în acele cazuri în care nu există grupe vecine care s-o asigure. Astfel de reacţii au primit simbolul SNi ( substitution nucleophilic internal ). În aceste cazuri, nucleofilul este o parte a grupei fugace şi se detaşează de această grupă în cursul procesului. Un exemplu este transformarea clorosulfiţilor.

SCHEMA 3.11 Mecanismul SNi

R - OH + SOCl2 R - OSOCl

R - OSOCl R+O-

S = OCl

R - Cl + SO2

O altă desemnare a acestui mecanism este : DN + ANDN ( Disociere

nucleofil şi asociere nucleofil ).

18

3.5. Probleme 1. Indicaţi mersul stereochimic în următoarele reacţii:

a)

Cl

(-) - trans

OAc

(?) - trans

b) CH3CHBr-CH(OH)CH3

AcOH

HBrCH3CHBrCHBrCH3

(+)-treo (?)-treo

c) CH3CHBrCH(OH)CH3 CH3CHBrCHBrCH3HBr

(+)-eritro ( ? )-eritro 2. Indicaţi configuraţia compuşilor în următoarea succesiune de

reacţii:

C6H5-CHCl-CH3 C6H5-CH(N3)-CH3C6H5CH-CH3

N(CH3)3+

1. H2/cat

2. CH3I

+ N3-

acetonaanhidra

R ? ? Indicaţi şi structura şi configuraţia intermediarului nefigurat mai sus. 3. Aşa cum a fost menţionat, compuşii 6 şi 7 nu pot suferi uşor

reacţii de tip SN1 pentru că ionul de carbeniu respectiv nu poate adopta o structură plană. Se cere:

a. Explicaţi diferenţa de reactivitate dintre cei doi compuşi. b. Dacă nu pot da reacţii SN1 cu uşurinţă, pot oare da mai uşor reacţii

de tip SN2. Se cere să argumentaţi răspunsul dat. 4. Dintre halogeni, fluorul este cel mai electronegativ şi are tendinţa

cea mai mare de a forma anion de fluor. Într-o reacţie SN2 : Nu:- + R – X → Nu – R + X- , unde X = F, Cl, Br, I, care

va fi grupa fugace cea mai eficientă ( va fi deplasată cel mai uşor )?

1

CAPITOLUL 4 Substituţia Nucleofilă Aromatică

Motto: I have been woo’d, as I entreat you now, Even by the stern and direful god of war, Whose sinewy neck in battle never did bow, Who conquers where he comes in every jar; Yet has he been my captive and my slave, And begged for that which thou unasked shalt have William Shakespeare, Venus and Adonis Substituţia nucleophilă aromatică ( SNAr ) implică deplasarea unei

grupe fugace (substituent) legat(ă) direct de un nucleu aromatic: X

Z

+ Nu:_

Nu

Z

+ X:- (1)

X : Grupa fugace ( deplasabila )Z : Grupa atragatoare de electroni ( activatoare )

Pentru ca reacţia să poată să aibă loc, de nucleul aromatic trebuie să

fie direct legată şi o grupă Z, puternic atrăgătoare de electroni. Prezenţa acesteia este impusă de necesitatea de a activa poziţia atacată de nucleu. Totuşi, prezenţa acesteia nu e impusă în toate substituţiile nucleofile aromatice. Într-adevăr, se cunosc mai multe mecanisme pentru SNAr şi anume:

1. Mecanismul de substituţie prin adiţie-eliminare (SNAr propriu-zis). 2. Mecanismul SN1 - aromatic 3. Mecanismul prin benzin ( eliminare – adiţie ) 4. Mecanism radicalic SNR 5. Mecanismul ANRORC ( în engl.: Addition of Nucleophile with

Ring Opening and Ring Closing = Adiţie de nucleofil cu deschidere de inel şi închidere de inel )

6. Mecanismul prin substituţie indirectă ( în engleză: Vicarious Nucleophilic Substitution ).

2

În cele ce vor urma, vom discuta pe rând aceste 6 mecanisme de substituţie nucleofilă aromatică.

4.1. Mecanismul de substituţie prin adiţie-eliminare( SNAr) Mecanismul de substituţie nucleofilă prin adiţie eliminare este cel

mai important mecanism pentru substituţia aromatică. El necesită ca pe lângă grupa fugace, de nucleu să mai fie legate una sau mai multe grupe atrăgătoare de electroni, care să poată stabiliza şi intermediarul de adiţie O grupa foarte eficace în acest sens este o grupă nitro aflată în orto sau para faţă de grupa fugace:

X

+ Nu:_

NO2

Nu X

NO O-

+-

Nu

NO2

+ X-

1 2 3 Izolare unui intermediar de tipul doi constituie şi una din

principalele dovezi în sprijinul acestui mecanism. Astfel, încă din 1902, Meisenheimer a obţinut sarea 5 din 1-metoxi-2,4,6-trinitrobenzenul 4:

OMe

NO2

MeO OEt

NO O-

+ EtO:_

+-

O2N

OO2N NO2

O-

O- O

NO2

O2N NMeO OEt

NO2

N NO2

MeO OEt

NO2

4

5

-

-

3

Sarea obţinută nu este altceva decât un intermediar de tip 2 din substituţia nucleofilă aromatică. Din această cauză, intermediarii acestei substituţii mai poartă denumirea şi de complecşi Meisenheimer.

Se pune întrebarea dacă seamănă fie cu reacţia SN2, fie cu reacţia SN1. În ambele mecanisme, legătura C – X se rupe în etapa determinantă de viteză şi prin aceasta, viteza de reacţie determinată experimental depinde dramatic de natura grupei fugace X. Dacă substituţia aromatică nucleofilă SNAr ar fi similară cu unul dintre mecanismele substituţiei nucleofile la carbonul saturat ( SN2 sau SN1 ), ar trebui să observam o dependenţa similara de natura lui X. Dimpotrivă, dacă mecanismul indicat mai înainte ( adiţie – eliminare ) este cel corect, dependenţa de natura lui X trebuie să fie nesemnificativă, legătura C – X nerupându-se în etapa determinantă de viteză. Într-adevăr, dacă în reacţia (2) de mai jos în substratul 6 X este Cl, Br, I, SOPh, SO2Ph sau p-nitrofenoxi, reacţiile au variat numai cu un factor de 5.

X

NO2

NO2

N

H

O2N

NO2

N+ + HX (2)

6 7 8 În cazul reacţiei dintre clorura de picril ionul HO- s-au găsit dovezi

pentru intervenţia a doi intermediari în SNAr, primul dintre ei fiind un complex π care poate trece apoi într-o treaptă sau două în complexul de tip Meisenheimer .

Cl

NO2O2N

NO2

Cl

NO2O2N

NO2

OH

NO2O2N

NO2

Cl OHO2N NO2

NO2

-

HO-

complex π

In 2005 s-a publicat o sinteză asimetrică, pornind de la 6 ( X = F ):

4

N

H2C Ph

H

N

CHOH2C

Ph

F

NO2

NO2

O

COOEt

H

O2N NO2O

COOEtPhCH3 ,

randament : 89% ee : 87%

9

10

+

8 2,4-Dinitrofluorbenzenul se tratează cu reactantul precursor chiral,

9, folosind drept catalizator un derivat dibenzilic al cinconidinei, 8. Se obţine compusul chiral. 10, cu 89 % randament şi 87% exces enantiomeric.

4.2. Mecanismul SN1 Mecanismul SN1 este implicat în reacţiile sărurilor de diazoniu

aromatice şi implică două etape : Etapa I-a: Etapa a II-a

+N N+

- N2

+Nu:-

Nu

;

9 10 10 11 Sarea de diazoniu 9 se descompune în etapa determinantă de viteză

în cationul fenil 10; în etapa următoare, acesta reacţionează rapid cu nucleofilul pentru a da produsul de substituţie. Cinetic se constată că reacţia depinde de concentraţia ionului de diazoniu, dar este independentă de concentraţia nucleofilului. Pentru mecanismul de mai sus pledează şi alte

5

date cinetice. Astfel, alţi substituenţi ai inelului afectează viteza procesului, în sensul previzibil pentru o reacţie în care se generează un carbocation, Dacă în orto faţă de grupa diazo în loc de hidrogen se găseşte deuteriu, se determină un efect izotopic mult prea mare ( 1,22 ), ducând la concluzia că ionul de fenil incipient este stabilizat probabil astfel:

H

H

10 12 În caz că în loc de hidrogen avem deuteriu, stabilizarea ionului 10

prin dehidrobenzen ( benzin ) 12 nu mai este posibilă. 4.3. Mecanismul prin arine 4.3.1. Exemple de substituţii prin arine Mecanismul a fost propus şi studiat sistematic de J.D. Roberts şi

colaboratorii săi în 1956.

R

X

R R R

B: Nu:-

( B:- )Nu

Nu(3)+

13 14 15a 15b Formarea celor doi izomeri 15a,b din 13 nu poate fi explicată decât

prin formarea intermediară a dehidrobenzenului 14. Totuşi, observaţii similare cu cele redate în reacţia (3) de mai sus au

fost făcute cu mult mai înainte de cercetările lui Roberts. Astfel, în 1902, Stoermer şi Kahlert au făcut o observaţie similară:

O

Br

+ EtO-

O

OEt

OOEt+

16 17a 17b

6

Brombenzofuranul 16 cu etoxid de sodiu dă cei doi izomeri 17a,b ai etoxibenzofuranului.

Şi totuşi, cel care a făcut prima propunere a intervenţiei arinelor în astfel de reacţii a fost Wittig. Wittig în 1942 a dorit să litieze benzenul pornind de la fluorbenzenul 18. În loc să obţină benzenul litiat el a obţinut alchilbenzenul litiat, 21. Formarea acestuia o explică prin intermediul formării dehidrobenzenului (benzinul) 21.

F+ RLi

- RH

F

Li

+ RLiR

Li 18 19 20 21

În 1956 ( anul publicării şi a lucrării lui J.D. Roberts ) el

demonstrează intervenţia benzinului în reacţia de mai sus, captând benzinul printr-o sinteză Diels Alder:

F

Br

Li(Hg)O+ O (4)

22 20 23 24 Reactivitatea benzinului în sinteze Diels Alder este atât de mare

încât şi benzenul se comportă faţă de acesta ca o filodienă:

+

20 25 Când obţinerea de aducţi Diels+Alder este scopul urmărit, benzinul

se generează şi prin alte reacţii decât cele menţionate mai sus.

COOH

NH2

COO-

N2+

+ CO2 + N2 (5)

26 27 20

7

Una dintre posibilităţi este de a porni de la acidul o-aminobenzoic, 26 care se diazotează la sarea de diazoniu 27. Descompunerea acesteia va da benzinul 20.

Şi alte săruri de diazoniu la descompunere pot genera arine ( v. şi subcapitolul precedent la sfârşit ). Un exemplu îl constituie descompunerea sării de diazoniu 28. Benzinul rezultat din aceasta poate da fie sinteză dien, fie o reacţie cu un nucleofil.

But

But

N2+

But

But

O

But

But

+ O

+ X-

Bu

Bu

X

28 29

30

31 Studii teoretice au indicat o structură a benzinului în care caracterul

benzenoid al benzinului se păstrează. 4.3.2. Structura arinelor Formularea uzuală a arinelor este cu o triplă legătură în inelul

benzenic. Totuşi, aşa cum se ştie, acetilenele au o structură liniară şi ciclul cel mai mic în care se poate introduce o triplă legătură este de 8 atomi. Mai corect ar fi pentru acestea o structură diradicalică :

;;

.

..

.

.

.

20 Diradical 1,2 Diradical 1,3 Diradical 1,4 Folosind metoda de generare a benzinului din acid o-aminobenzoic

şi pentru generarea 1,3- şi 1,4-dehidrobenzenilor, se constată că 1,2-dehidrobenzenul ( benzinul ) este cu mult mai stabil decât ceilalţi doi.

8

Aceasta indică faptul că 1,2-dehidrobenzenul se bucură de o stabilizare în plus faţă de ceilalţi, structura aromatică contribuind la aceasta.

Un studiu MINDO/3 în care s-a ţinut seama şi de abaterile de la structura benzenoidă, a indicat pentru benzin o structură singlet care permite reţinerea caracterului benzenoid.

4.3.3. Utilizarea arinelor în sinteze Arinele sunt din ce în ce mai mult utilizate în sinteze de

medicamente şi de compuşi naturali biologic activi. O să dăm mai jos numai câteva exemple.

Un prim exemplu este o sinteză în tandem a derivaţilor de 9-amino-antracenului 36, pornind de la triflatul 32:

OTf

Tms

N

N

N

NMe

CH3

Reactie Diels-Alder

- CH3-CNN-CH3

ReactieDiels-Alder

NMe

NH3C

Tms : trimetilsilil

OTf : triflat = OSO2CF3

32

20

33 34 35

36

Acesta generează foarte uşor benzinul 20 care dă o sinteză Diels-

Alder cu N-metilimidazol, pentru a da aductul 33. Acesta elimină acetonitril şi reacţionează cu o nouă moleculă de benzin. O a treia moleculă de benyin reacţionează cu aductul 35 pentru a da amino antracenul 36. Toate aceste reacţii au loc într-un singur proces tandem, folosind iniţial la un mol de N-metilimidazol 3 moli de triflat 32.

Trebuie atrasă atenţia că ultima reacţie din procesul de mai sus reprezintă adiţia la tripla legătură a benzinului a unei legături σ.

9

4.4. Mecanismul radicalic, SNR Mecanismul acesta a fost identificat într-un studiu al reacţiilor de

formare de arine prin eliminarea cu baze puternice de hidracid din halogeno derivaţii izomeri 37 si 38 . Aceştia ar trebui să dea naştere aceleiaşi dehidro-arene 39, care cu amoniac va forma un amestec de aniline 40 şi 41. Prin varierea halogeului ( X = F, Cl, Br, I ) raportul 40 / 41 , în limita erorilor experimentale, va trebui să fie acelaşi.

Me

Me

MeX

Me

Me

Me

X

Me

Me

Me

Me

Me

MeH2N

H2N

Me

Me

Me

B:- B:-

NH2- -: NH2

37 39 388

40 41 Aceasta se verifică în cazul primilor trei halogeni ( F, Cl, Br ),

raportul fiind destul de constant, 1,5. Daca insă halogenul este iod, depinzând de condiţiile de lucru, raportul variază între 0,63 şi 5,86. În mod evident, mecanismul pentru X = I trebuie să fie diferit de mecanismul pentru ceilalţi halogeni. Acesta este un mecanism radicalic:

Donor de electroni + Ar - I Ar - I.

Ar - I. Ar. + I-

Ar. + H2N- ArNH2.-

ArNH2.- + ArI ArNH2 + Ar-I.

Spre deosebire de mecanismele precedente, acest mecanism este

mult mai rar întâlnit.

10

4.5. Mecanismul substituţiei nucleofile ANRORC Mecanismul ANRORC ( Adition Nucleophile Ring Opening and

Ring Closure ) permite explicarea produşilor şi distribuţia lor în unele substituţii nucleofile aromatice, în special în cazul unor compuşi hetero-ciclici. Mecanismul a fost amplu studiat în cazul derivaţilor de pirimidină cu nucleufili cum ar fi amidura de sodiu:

N

N

Ph

Br

NaNH2

N

N

Ph

N

N

Ph

NH2

NH3

42 43 44 Astfel, 4-fenil-6-brompirimidinei 42 cu amidură de sodiu în amoniac

lichid la temperaturi joase formează numai 4-fenil-6-aminopirimidina 44. Dacă substituţia nucleofilă ar fi mers prin mecanismul arin discutat mai înainte, arina 43 ar fi dat naştere alături de 44 şi la izomerul 4-fenil-5-amino- pirimidina, aşa cum se întâmplă în toate cazurile care decurg prin arine ca intermediari.

O indicaţie asupra tipului de mecanism posibil s-a adus prin marcarea izotopică cu deuteriu a pozoţiei 5 din 42. Efectuarea aminării cu amidură de sodiu sau potasiu la temperaturi joase ( -75o ) a dus la obţinerea 4-fenil-6-aminopirimidina în care jumătate din deuteriul din poziţia 5 a fost înlocuit cu hidrogen. Un mecanism probabil este arătat în Schema 4.1.

Conform acestei scheme, atacul nucleofilului nu se produce în poziţia 6, cum ar fi de aşteptat, ci în poziţia 5, cu formarea compusului de adiţie 45. Acesta suferă o deschidere de ciclu cu formarea bromurii de imină 46, care poate elimina acid bromhidric pentru a da nitrilul 47. Prin intermediul izomerului acestuia ( 48 ) are loc schimbul D – H care va duce în final la produsul de substituţie aromatica nucleofilă în care deuteriul a fost inlocuit cu hidrogen.

Mecanismul din Schema 4.1, deşi este plauzibil, nu este categoric. Marcajul cu deuteriu nu reprezintă decât cca 3% şi erori în acest caz pot să fie posibile.

11

SCHEMA 4.1 Mecanismul de substituţie ANRORC

N

N

Ph

Br

D

N

NH

Ph

D

BrH

H2N

N

CHHN

Ph

Br

D

H2N

N

CH C

NH2 N

Ph

D (H)N

CH C N

D

H

Ph

NH

N

NH

Ph

H

NH

N

N

Ph

H

NH2

KNH2 ; NH3

- 75o

42

45

46 47 48

49

44

Dovada categorică asupra mecanismului din Schema 4.1 a fost

făcută prin marcarea izotopică a celor doi atomi de azot din inelul pirimidinic. Conform schemei de reacţie propusă, ( v. Schema 4.2 ) se vede că unul din atomii de azot din inelul pirimidinic este înlocuit cu azotul din reactantul nucleofil, azotul din ionul de amidură. Dacă acest acest atom de azot nu este marcat izotopic, jumătate din azotul izotopic din molecula iniţială de pirimidină va trebui să dispară în proces. Acesta a fost şi rezultatul obţinut, mecanismul ANRORC fiind astfel dovedit.

12

SCHEMA 4.2 Rezultatul marcării izotopice a azotului

din pirimidină

N

N

Ph

Br

N

NH

Ph

BrH2N

N

CHHN

Ph

BrH2N

42

45 46

N

CH C

NH2 N

Ph

47

N

NH

Ph

NH49

N

NH

Ph

O49

N

N

Ph

Br42

**

*

*

*

*

*

*

*

**

*

NaNH2

NH3; -75o

N : Azot marcat izotopic

*

4.6. Mecanismul prin substituţie indirectă (în engleză:

Vicarious Nucleophilic Substitution) În substituţiile nucleofile aromatice discutate până acum, nucleofilul

deplasa din nucleul aromatic o grupă fugace mai mult sau mai puţin eficace ( de exemplu halogen : F, Cl, Br, I ). În reacţiile decurgând prin acest mecanism grupa fugace este un ion de hidrură ( v. şi capitolul precedent, Reacţii de Transpoziţie ).

NO2

H

+H

CH

Z

EWG

B:

- HBH

CN

-O O-EWG

Z

H

+ B:

- HXB

CH

EWGN-O O-

+ H+

N

CH2EWG

O O-

EWG : Grupa atragatoare de electroni( Electron Withdrawing Group )

48

49

5051

13

În schema de mai sus se indică o astfel de reacţie de substituţie în cazul nitrobenzenului. Exemplu indică faptul că substratul aromatic trebuie să conţină cel puţin o grupă puternic atrăgătoare de electroni ( în cazul de faţă, grupa nitro ) şi un reactant capabil să genereze un carbanion ( trebuie la rândul său să aibă o grupă atrăgatoare de electroni, EWG ).

Se cunosc exemple numeroase care au fost prezentate în 1987 de Makosza şi Winarowski într-o publicaţie de prestigiu.

Bibliografie 1. Jerry March, Advanced Organic Chemistrz, Reactions,

Mechanisms and Structure, Ed. IV-a, John Wilez and Sons, New Zork, 1992; Chapter 13, Aromatic Nucleophilic Substitution.

2. F. Badea, Reaction Mechanisms in Organic Chemistry, Abacus Press, Tunbridge Wells, Kent, 1977; Chapter 8, Aromatic Nucleophilic Substitution.

3. J. Meisenheimer, Liebigs Ann. Chem., 1902, 323, 205. 4. Buncel, Crampton, Strauss, Terrier, Electron Defficient Aromatic

and Heteroaromatic Base Interactions, Elsevier, New Zork, 1984. 5. Bunnett, Garbish, Pruitt, J. Amer. Chem. Soc., 1957, 79, 383. 6. R. Bacaloglu, Blasko, Bunton, Dorwin, Orrega, Yucco, J. Amer.

Chem. Soc., 1991, 113, 238. 7. M.Bella, S. Kobbelgaard şi K.A. Jorgensen, J. Amer. Chem Soc.,

2005, 121, 3670-3671. 8. J.D.Roberts, D.A. Semenov, H.E. Simmons şi C.A. Carlsmith, J.

Amer. Chem. Soc., 1956, 78, 601. 9. R. Stoermer şi B. Kahlert, Ber. dtsch. Chem. Ges. 1902, 35, 1633.

10. G. Wittig, Naturwissenschaften, 1942, 30, 696. 11. G. Wittig şi L Pohmer, Chem. Ber. 1956, 89, 1314.

12. M.J.S. Dewar, W.K. Lee, J. Amer. Chem. Soc., 1974, 96, 5569. 13. Chunseng Xie, Yubong Zhang, Org. Lett., 2007, 9(5), 781-784. 14. T. Gerfand, Luc Neville şi Jieping Zhu, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 572. 15. J.K. Kim şi J.F. Bunnett, J. Amer. Chem. Soc., 1970, 92, 7463, 7464. 16. M. Makosza şi J. Winiarski, Accounts Chem. Res., 1987, 20 (8), 282 - 287.

1

CAPITOLUL 5 SUBSTITUŢIA ELECTROFILĂ

ALIFATICĂ Motto: Good reasons must, of force, give place to better.. William Shakespeare, Julius Caesar, Act IV, Scene III 5.1. Introducere. Dacă substituţia nucleofilă alifatică este mult mai importantă şi mai

frecventă decât substituţia nucleofilă aromatică, în cazul substituţiei electrofile situaţia este inversă: substituţia electrofilă aromatică este mai frecventă decât substituţia electrofilă alifatică. Dar, aşa cum în SNAr se cunosc suficiente exemple pentru a defini mai multe tipuri de mecanisme posibile, şi în cazul substituţiei electrofile alifatice se cunosc suficiente exemple cu numeroase aplicaţii în sinteze.

A. Reactii de deplasare la legatura C - H : 1. Reactii de schimb de hidrogen: D+ + R-H 2. Deplasari de hidrogen R1+ + R2-H 3. Alte deplasari la legaturi C - H E+ + R - H ( E+ = Hlg+, NO2

+ etc. )B. Reactii de deplasare la legatura C - C 1. Reactii de dealchilare: H+ + R - R 2. Reactii de decarboxilare H+ + RCOO-

3. Reactii de decondensare:

R - D + H+

R1-H + R2+

R - E + H+

R - H + R+

R-H + CO2

R C

O-

X

Y

H+ R-H + O=CXY

2

C. Reacţii de deplasare la legătura C-Metal E* + R – Metal → R – E + Metal+

În care: E+ : H+ (D+) , R+(RX), X+(X2), CO2 etc. şi MetI : Li, Na, K, HgR (HgX), MgR (MgX) etc. Ca şi în substituţia nucleofilă, se cunosc două mecanisme principale,

SE1 şi SE2, ultimul având însă mai multe variante. 5.2. Mecanisme în substituţia electrofilă alifatică Mecanismul unimolecular, SE1 implică în faza determinantă de

viteză formarea carbanionionului, urmată de o etapă rapidă de reacţie, reacţia cu electrofilul ( vezi subcapitolul 5.3 ).

Mecanismul bimolecular implică ruperea sincronă a vechii legături cu formarea noii legături. Prin aceasta SE2 se asemănă cu SN2.. Există însă şi diferenţe. În mecanismul SN2 avem de repartizat patru electroni intre 3 centre, în timp ce în SE2 numai doi electroni între 3 centre. Aceasta duce la o diferenţă în modul de atac al reactantului la centrul de reacţie ( Fig. 5.1 ).

R1

CR2R3 XNu

δ− δ−

SN2

R1

CNu

R2R3

R1

CR2R3 R1

CR2R3

X

E

+ E

SE2

Stare de tranzi'ie

Stare de tranzi'ie

Fig. 5.1. Geometriile stărilor de tranziţie în SN2 şi SE2 Aşa cum rezultă din figura de mai sus, spre deosebire de substituţia

nucleofilă alifatică, în substituţie electrofilă alifatică ne aşteptăm ca reacţia să decurgă cu conservarea stereochimiei iniţiale a substratului.

Repartiţia electronilor în cele două stări de tranziţie am putea-o compara cu repartiţia electronilor π în anionul alilic, respectiv în cationul ciclopropenilic ( Tabel 5.1 ):

3

Tabel 5.1 Energia totală a electronilor în sistemul alilic

şi ciclopropenilic

Sistem alilic Sistem ciclopropenilic

Cation: 2α + 2,828 β 2α + 4 β

Anion 4a + 2, 828 β 4α + 2 β :

Energia totala a electronilor

* *

* Sarcina + sau -

Starea de tranziţie indicată în figura 5.1 corespunde mecanismului SE2-frontal; există şi un al doilea mecanism bimolecular, SE2-spate: Intr-adevăr, din Tabelul 5.1 se deduce că şi repartiţia a doi electroni între trei centre similară cationului alilic este relativ stabilă, chiar dacă nu atât de stabilă ca cea asemănătoare cationului ciclopropenilic.

C XE+ (1)E C

Acest proces e de aşteptat, ca şi în cazul mecanismului SN2, să

decurgă cu inversie de configuraţie. Există şi o variantă a mecanismului SE2, decurgând tot cu menţinerea configuraţiei. Acesta are loc prin atac frontal a electrofilului legat de purtătorul acestuia. Acesta este desemnat ca mecanism SEi:

CX

EP C

E

XP

(2)

În ecuaţia de mai sus, prin P s-a simbolizat purtătorul electrofil.

Reacţiile bimoleculare vor decurge cu păstrare sau cu inversie de configuraţie. Ne-am aştepta ca reacţiile SE1 , ca şi reacţiile SN1, să decurgă cu racemizare, mai mult sau mai puţin avansată. Nu trebuie uitat însă că,

4

spre deosebire de carbocationi care sunt stabili numai în structura plană sp2, carbanioni au o structură sp3 stabilă şi deci păstrarea de configuraţie se poate observa şi în cazul mecanismului SE1.

5.3. Mecanismul SE1 Mecanismul SE1 este analog mecanismului SN1. Ca şi acesta,

implică două etape: o etapă lentă în care rezultă un carbanion, urmată de o etapă rapidă cu electrofilul. Desemnarea IUPAC a acestui mecanism este DE + AE. Se prezice o cinetică de ordinul întâi şi racemizare, ceea ce s-a şi determinat în mai multe cazuri.

Etapa 1 : R - Xincet R:- + X+ (3)

Etapa 2 : R:- + E+rapid

R - E (4)

Mecanismul SE1 poate avea loc în trei moduri diferite. a) Ionizare unimoleculară la carbanion. Au loc aceleaşi etape ca şi în

ionizarea unimoleculară la carbocationi: R - Z R:-Z+ R:-// Z+ R:- + Z+ (5)

pereche pereche ioni disociatiintima de intima de ioni ioni despartita de solvent

Ca şi în cazul procesului SN1, viteza procesului (5) de mai sus va depinde de natura grupei Z, corespunzând unei grupe fugace X dintr+un proces SN1. Produsul de reacţie cu electrofilul va lua naştere prin reacţia lui E* cu oricare dintre speciile ionice rezultate în (5): pereche intimă de ioni, pereche intimă de ioni despărţită de molecule de dizolvant sau cu ioni disociaţi. Amintim racemizarea derivaţilor ciclopropanici prin intermediul unui astfel de proces ( v. Cap, 3 ).

Ph

R

COOR

CN

Ph

R

COOR

CN

+ -

1 2 b) Ionizarea unimoleculară la carbanion precedată de alte etape

rapide suferite de precursorul de carbanion. Sunt mai multe posibilităţi:

5

a) Grupa fugace este o grupă carbon. Este cazul decondensărilor aldolice, Claisen sau Michael:

R C

OH

Y

X R C

O-

Y

X R:- + XYC=O (6)

3 4 Heteroliza are loc în ionul 4. Sarcina negativă la oxigen şi

stabilitatea lui XYCO constituie forţa motoare a procesului (6), ?nrudit cu acesta este şi decarboxilarea acizilor carboxilici:

R – COOH + B: → BH+ + RCOO- → R:- + CO2 b) Grupa fugace este azotul. Putem avea mai multe cazuri:

R - NH - NH2

R - NH - NH - TsR - N = N - H R:- + N2

+ B:

-BH+(7)

5 Acest procedeu este ilustrat de metoda Kishner-Wolff şi de reacţia

McFezden-Stevens şi implică oxidarea hidrazinei. Intermediar în aceste reacţii este compusul 5, instabil.

c) Generarea carbanionilor printr-un proces bimolecular: R – Z + Acceptor ( Acc ) → R:- + Z – Acc (8) Cel mai simplu exemplu este extragerea unui proton dintr-un

compus organic R – H cu o bază puternică:

R - H + B:- BH + R:- R - D + S:-+ S-D

- SH(9)

În acest exemplu, prima etapă este determinantă de viteză şi procesul

să apară bimolecular, deşi, el implicând un carbanion intermediar, mecanismul este SE1.

5.3.1. Stereochimia reacţiei Informaţiile privind stereochimia reacţiei le avem în special datorită

studiilor efectuate de Cram şi colaboratorii la Universitatea din Los Angeles. Aceştia au arătat că rezultatul stereochimic nu depinde semnificativ de

6

grupa fugace ( Z în formula 6 ) ci în special de natura grupelor R1, R2 şi R3 din 6. Grupe ca CN, RCO, CONR2 sau COOR, stabilizând sarcina negativă, favorizează racemizarea totală.

R1 C

R2

R3

Z Ph C:-

Me

Et 6 7 În schimb, carbanionul 7, generat pe mai multe căi, îşi păstrează în

mare proporţie activitatea optică. Acest fapt este surprinzător pentru faptul ca 7 este un carbanion benzilic plan. Se consideră că solvatarea sa trebuie să fie asimetrică, aceasta explicând păstrarea chiralităţii.

În înţelegerea stereochimiei reacţiilor SE1 un rol important l-au jucat reacţiile de schimb izotopic la centrul chiral. În astfel de reacţii, schimbul ( constanta de viteză ks ) poate fi însoţit într-o măsură mai mare sau mai mică de racemizarea substratului ( constantă de viteză kα ). Mersul stereochimic este indicat de valorile raportului ks / kα ( Tabelul 5.2 ):

Tabelul 5.2

Raportul vitezelor de schimb şi de racemizare (ks/kα) şi stereochimia observată în reacţia (9)

_____________________________________________________________ ks / kα Stereochimie observată ∞ 100% reţinerea configuraţiei iniţiale 1 100% racemizare 0,5 100% inversia configuraţiei iniţiale 0 100% izoracemizare

_____________________________________________________________

În felul acesta, cel puţin patru mecanisme pot fi imaginate: a) Mecanismul reţinerii de configuraţie. Acest mecanism a fost

observat în solvenţi ca tert-butanol ( t-BuOH ), tetrahidrofuran ( THF ), benzen cu adaos de donori de protoni ( PhOH etc ), toţi având constante dielectrice mici şi deci puteri ionizante slabe. După Cram şi colaboratorii, stereo-specificitatea înaltă poate fi explicată admiţând o solvatare asimetrică a perechii de ioni formate. În schema de mai jos, ionul de potasiu din alcoxidul de potasiu (baza necesară formării carbanionului) cu liganzii săi se va roti ( 8→9 ):

7

C D CK

DOR

O - R

CK

HOR

O - R

C H+ -O-R

H - D -K

H - O - R

++

+

retinere deconfigura'ie

8 9 b) Mecanismul inversiei de configuraţie: Acest mecanism intervine

în alcooli mult mai acizi, precum metanolul şi glicolul şi este peste > 60% când ks / kα este între 0,94 şi 0,65.

C D + -O - R R O H C D O R H C

inversareaconfigura'iei

10 O valoare mai mare de 0,5 dar mai mică decât 1 indică faptul că

colapsul lui 10 la produsul cu configuraţia inversată are loc practic la fel de repede ca şi schimbul izotopic.

c) Mecanismul racemizăriii: intervine când ks / kα este 1 şi a fost observat în dimetilsulfoxid, DMSO. Acest solvent aprotic dipolar este un excelent solvent pentru carbanioni:

C D + -O - RDMSO

Me2S+

O

C D-O-RDMSO

C DMSODMSO --

Ionul solvatat simetric prin protonare va genera ambii antipozi în

proporţii egale ( racemic ). d) Mecanismul izoracemizării: Dacă e operant acest mecanism,

racemizarea se va produce înaintea schimbului izotopic. Acest mecanism a fost observat în cazul sistemelor conţinând o amină terţiară şi nici un donor de proton. Un exemplu ni-l oferă fluorenil derivatul 11. în THF cu Et3N sau cu Pr3N, drept baze:

S-au observat valori ks / kα între 0,05 şi 0,2. Mecanismul propus de Cram şi colaboratorii este arătat mai jos:

8

C D

b c

a+ B:

k1

k-1

C

a

b c

DB+ C

a

b c

HB+ + +BH C

a

b cHBk3

C

a

b c+BD C

b cD

a

k2k-2

k-3

k1

k-1

Pentru ca să se observe numai racemizare fără schimb izotopic,

trebuie ca k1, k2 să fie mult mai mari decât k3 . Acest fapt a fost observat în cazul compusului 11. Acesta tratat cu PrNH2 în THF dă produsul racemic în care schimbul s-a produs; cu Pr3N în THF dă numai produsul în care schimbul a avut loc şi s-a produs şi inversarea configuraţiei.

H3C H3C H

O2N CONR2

H

CONR2

11 12 Dacă 11 suferă izoracemizare, compusul 12, analog lui 11, dar fără

să posede grupa nitro ca acesta, nu prezintă acest fenomen. Aceasta se datorează stabilităţii mai mari a carbanionului 13, derivând din nitroderivatul 11. Într-adevăr, sarcina negativă a carbanionului este stabilizată de către grupa nitro, în timp ce în carbanionul 14, derivând din 12, grupa amidică, CONR2, nu e lla fel de eficace ca o grupă nitro.

H3C

N

-O

-O

CONR2+

C

H3C

CONR2

:-

13 14 Carbanionul stabil va avea timpul necesar pentru a suferi

echilibrarea prin k2, k-2, deci să se racemizeze înainte de a suferi schimbul ( deci, k1, k2 mult mai mari decât k3 ).

9

3.4. Alte exemple de reacţii SE a) Reacţii SE2 Am văzut că o reacţie SE2 decurge adesea printr-un atac frontal,

care implică conservarea configuraţiei iniţiale:

C X CX

E

E+

+

C E + H+ (10a)

C+ + H - E (10b)

15 Starea de tranziţie 15, în principiu poate suferi două procese, (10a) şi

(10b), unul ducând la un produs de substituţie la carbon, celălalt dând naştere la un carbocation. Ambele procese sunt cunoscute, multe dintre acestea având loc în aşa numiţii superacizi ( SbF5 – HF, HFSO3, HFSO3 – HF etc ). Amintim că Nenitzescu şi Cantuniari, în cadrul laboratoarelor din Politehnică, au fost primii care să demonstreze intervenţia reacţiei (10b) în izomerizarea reversibilă a hidrocarburilor ( v. cap. 3, subcapitolul 3.2 ). Deoarece reacţiile sunt reversibile, procesul poate fi astfel condus încât să se poată obţine cu randament bun produsul de substituţie electrofilă (reacţie 8a). Dacă carbocationul format prin 10b este suficient de stabil, fără tendinţă să treacă într-un carbocation transpus, atunci produsul de substituţie se obţine cu randamente foarte bune. Un exemplu e arătat mai jos.

H

DFSO3D

D

16 16-D 17

+

;

Cationul terţiar de adamantil, 17, chiar dacă nu poate adopta o

structură perfect plană, este mult mai stabil decât cationii secundari posibili, astfel încât se obţine numai 1-D-adamantanul, 16-D.

Adamantanul 16 a fost utilizat şi în alte reacţii de substituţii electrofile, toate având loc numai la atomul de carbon terţiar:

10

H NO2

16 18

NO2+ PF6

-

În sinteze sunt destul de frecvent utilizaţi compuşii organo-metalici.

Un exemplu îl constituie obţinerea acidului 2-metiloctanoic, 21, pornind de la 2-iodo-octan, optic activ, 19. Acesta este transformat în compusul metalic 20, acesta din urma, prin tratare cu CO2 formează acidul 21.

(-)-CH3(CH2)5CHICH3

BuLi

-70oCH3(CH2)5CHLiCH3

CO2 CH3-(CH2)5-CH(CH3)COOH

19 20 21 Acidul 21 rezultă cu 20% menţinerea configuraţiei. Reacţia

compuşilor vinilici de litiu are loc la rândul ei cu menţinerea configuraţiei iniţiale. La fel şi în cazul compusului litic derivând de la ciclopropan:

Li

Me

Ph Ph

E+

E

Me

Ph Ph

MgR

Me

Ph Ph

;

22a 23 22b În mod similar, şi configuraţia iniţiala a compusului organo-

magnezian 22b se păstrează în reacţii cu electrofili, demonstrând că reacţiile acestora decurg printr-un mecanism SE2-frontal.

Compuşii litiului şi magneziului se pot comporta fie drept compuşi covalenţi ( ca în exemplul de mai sus ), fie pot reacţiona ca şi cum ar fi carbanioni. Un exemplu este următorul:

CH2Li + PhCH=O CH(OH)Ph + CH2=CH-(CH2)2-CH(OH)Ph

24 25 26 Formarea compuşilor 25 şi 26 din 24 nu poate fi explicată decât

dacă admitem că 24 este un carbanion. Acesta (24a) poate fi în echilibru cu

11

carbanionii 27a şi 27b, depinzând de modul ( a sau b ) de deschidere a inelului ciclopropanic:

CH2:-

CH2:-CH2

CH2:-a

b a

b

24

27a

27b Interpretarea aceasta a fost verificată prin marcarea atomului de

carbon din compusul organo-magnezian 28:

CH2=CH-*CH2-CH2MgBr

*

CH2MgBr CH2=*CH-CH2-CH2MgBr

28a 24 28b Repartizarea marcajului între atomii C-2 şi C-3 din sistemul 1-

butenilic demonstrează închiderea carbanionului la ciclopropan şi ruperea cu egală probabilitate a legăturilor din ciclopropan fie pe calea a, fie pe calea b.

Compuşii organo-mercurici reacţionează de obicei prin mecanismul bimolecular şi aceasta e valabil şi pentru compuşii borului. Un exemplu interesant est oferit de derivatul norbornenic 29.

H

B(OH)2H

(HO)2B

H

+HgCl ClHg

29-endo 30 29-exo

+HgCl

Astfel, adiţia clorurii mercurice la derivatii boranici 29 exo şi endo

dă naştere aceluiaşi derivat mercuric al nortriciclenului, 30. Reacţia a avut astfel loc cu menţinerea configuraţiei compusului endo, dar cu inversarea acesteia, în cazul derivatului exo. E un exemplu care arată că cele două tipuri de atac, SE2-frontal şi SE2-spate, atunci cînd primul nu se poate produce din motive geometrice.

În reacţia de substituţie electrofilă a compuşilor mercurici de regulă atacul se produce frontal.

12

b) Reacţii SE1 i) Reacţii SE1 catalizate de baze Printre primele reacţii catalizate de baze studiate au fost reacţiile de

schimb izotopic. Acestea se pot efectua şi în medii puternic acide, când, aşa cum s-a arătat, mecanismul este SE2. În cataliză bazică, într-o etapă lentă, baza generează carbocationul care, ulterior, într-o etapă rapidă, poate suferi schimb izotopic sau racemizare.

Se cunosc cazuri de cetone optic active care pot suferi substituţii electrofile tipice ( schimb izotopic, halogenare ) însoţite de racemizare, atât în cataliză bazică sau acidă. Un astfel de exemplu studiat de Ingold şi colaboratorii sunt cetonele 31 şi 32.

COOH

CH2

H

*

O

; CH - COPH

CH3

CH3-CH2-

31 32 Mecanismul reacţiilor care au loc este arătat în Schema 5.1:

SCHEMA 5.1 Mecanismul transformărilor în cataliză bazică

R1 HC

R2

C

O

R3

R2 HC

R1

C

O

R3

R1 C

R2

C

O

R3 R1 C

R2

C

O-

R3..-+ B:-

incet

rapid

rapidincet

Racemizare Scimb H - D Halogenare viteza = k[cetona][baza]

R1R2CD-CO-R3 R1R2CBr-CO-R3

Dacă în cataliză bazică intermediarul comun in cele trei transformări,

racemizare, schimb izotopic şi halogenare, este carbanionul, în cataliză acidă intermediarul este enolul ( Schema 5.2 )

13

SCHEMA 5.2 Mecanismul transformărilor în cataliză acidă .

R1 HC

R2

C

O

R3

R2 C

R1

C

OH

R3

R1 HC

R2

C

OH

R3 R1 HC

R2

C

OH

R3

R1R2CD-CO-R3

R1R2CBr-CO-R3

+ HA

+

+

Enol

Amestec Racemic

Caateva etape

D+

Halogenare

Importanţa sistemului bază-dizolvant în transformările prototropice

a fost amplu demonstrată de Cram şi şcoala sa. Astfel, derivatul indenic 33 poate trece în 34 cu păstrarea chiralităţii, racemizare, schimb izotopic cu păstrare sau racemizare, depinzând de sistemul bază-dizolvant folosit.

CMe3

H MeH

H CMe3

B:

Solvent

33 34 În sistemul MeOH – MeOK viteza deuterării, în limita erorilor

experimentale, este egală cu viteza racemizării, ks / kα = 1. Dacă reacţia este executată în THF cu PrND2 şi este oprită după ce 46% din hidrocarbura iniţială s-a izomerizat, se găseşte pentru 33 ks / kα = 30, ăn timp ce 53 care a suferit sau n-a schimbul ( 17% ) are configuraţia iniţială neschimbată. Dacă sistemului se adaugă un eter coroană care să complexeze cationul metalic, racemizarea este totală.

Echilibrul ceto-enolic. Echilibrul ceto-enolic depinde de o serie de factori şi anume:

14

i) Sistemul electronic, Cu cât sistemul electronilor π din enol este mai extins, cu atât concentraţia enolului în amestecul de echilibru va fi mai mare. Astfel, acetona, CH3COCH3, conţine numai 0,00025% enol, în timp ce acetilacetona, CH3COCH2COCH3 conţine 80% enol.

ii) Factori conformaţionali. Ciclopentanona şi ciclohexanona conţin numai urme de enol ( 0,0048 şi respectiv 0,020% ). Cu toate acestea, 1,2-ciclopentadiona 35 este 100% enol.

O

O

O

H3CC

CCH3

O

O

OH

35 36 37 Faptul acesta pare a fi ciudat cu atât mai mult cu cât şi alte 1,2-

dicetone, cum ar fi diacetilul 37, nu conţin decât urme de enol. Aceasta se datorează faptului că dicetona aciclică, prin conformaţia care o adoptă, poate minimaliza dipolmomentul ( în 37 se anulează ), în timp ce dicetona ciclică nu-l poate minimaliza decât prin enolizare.

iii) Solventul. Procentul de enol al unui compus carbonilic poate depinde foarte mult şi de solventul în care acesta se găseşte. Astfel, esterul acetilacetic pur conţine 7,5% enol. În acid acetic procentul scade la 5,7, pentru ca în apă să fie numai 0,4%. În schimb în benzen este 16,2% şi ajunge la 49% în hexan. Cu cât solventul este mai puţin polar, cu atât procentul de enol mai puţin polar va fi mai mare.

c) Transpoziţii moleculare anionice. Transpoziţia Wittig: Transpoziţia Wittig este transpoziţia benzil-

eterilor metalaţi, pentru care eliminarea α nu-i posibilă: PhCH2-O-R1 + R2Li PhCHLi-O-R1

Ph-CHLi - OR1 Ph-CH O

R1-

Li+

PhCH

R1OLi

38 În starea de tranziţie 38, grupa migratoare R1 trebuie să acomodeze

parţial sarcina negativă. Aceasta explică oarecum aptitudinile migratoare a diverselor grupe de mai jos:

Alil > benzil > metil > etil > p-nitrofenil > fenil

15

Transpoziţia Favorsky: O bine-cunoscută transpoziţie a α-halogeno- cetonelor este transpoziţia Favorsky. În această transpoziţie, compusul carbonilic α-halogenat, în condiţii bazice, trece într-un acid ( sau un amestec de doi acizi ):

Cα

X

CO Cα'HB:

Cα H Cα' COOH + Cα COOH

Cα'H

39 40 41 Formarea celor doi izomeri a sugerat formarea unei ciclopropanone

tensionate care cu alcoxidul folosit s-ar rupe în derivatul (derivaţii) carboxilic(i) observaţi. Această interpretare a fost verificată, supunând reacţiei o α-clorciclohexanonă 42 marcată cu 13C în cealaltă poziţie α:

O

Cl*

*

*

O

+ B:

- Cl-

- BH

-OR COOR

COOR

*

50%

50%

42 43

44a

44b Se obţine esterul ciclopentan carboxilic marcat atât la C-1 din inelul

ciclopentanic (44a), cât şi la C-3 (44b). Cei doi produşi marcaţi rezultă în proporţii perfect egale, demonstrând formarea intermediară a ciclopropan-onei 43

Înrudită cu transpoziţia Favorsky este şi reacţia Ramberg-Bäcklund. În loc de grupă carbonil, substratul din această reacţie are o grupă sulfonică:

CSO2

CH X-:C

SO2

CX

SO2

+ SO2

45

Intermediarul 45 este o episulfonă care elimină ulterior SO2. Se obţine în felul acesta o alchenă. În caz că în poziţia α’ se găsesc doi atomi de halogen, produsul rezultat este o acetilenă.

16

Ar-CH2-SO2-CCl2-Ar S

Ar Ar

O2 Ar Ar

+ SO2

46 Descompunerea lui 45 sau a lui 46 este înrudită cu aşa numitele

procese cheletropice:

SO2

SO2

+ SO2- SO2

;

47 48 2,5-Dihidrotiofen-1,1- dioxidul, 47, şi 2,7-dihidrotiepin-1,1-dioxidul

se descompun la polienele corespunyîtoare printr-un proces prezis de regulile de simetrie a orbitalilor implicaţi în proces, reacţii care vor fi discutate într+un capitol viitor.

3,5. Probleme 1. Ciclohexanona 49 racemică este tratată cu amina chirală 50 şi

combinaţia ei de litiu. La sfârşit se recuperează 49 optic activ cu randament 46%. Cum explicaţi acest rezultat?

OMe

Me

Me

H

49

;Me

CNH

Me

Ph H PhH

50 Stabiliţi configuraţiile celor doi substituenţi ai aminei secundare 50. 2. Scrieţi etapele care vor avea loc în bromurarea de mai jos.

R2CH - CO - R'

+ Br2

bazaR2CBr - CO - R'

Dacă cetona iniţială este optic activă ( R2 = CH3 şi Ph ; R’ = Ph ),

cum va fi produsul rezultat?

1

CAPITOLUL 6

Substituţia aromatică electrofilă Motto: Das ist doch merkwűrdig, dass man nie und nimmer zur Ruhe kommen kan, dass

es ewig nur Hader und Unzufriedenheit geben muss ! August Strindberg 6.1. Introducere Probabil că dintre toate reacţiile compuşilor aromatici, substituţia

aromatică electrofilă a fost reacţia cea mai intens studiată. Probabil că motivul principal este că substituţiile electrofile sunt deosebit de distinctive pentru definirea caracterului aromatic.

Problema caracterului aromatic a constituit o preocupare continuă a chimiei organice teoretice din momentul în care Kekulė 1 a propus în 1865 formula benzenului. Proprietăţile care definesc această structură a dus încă de la acea dată la numeroase interpretări care să explice caracterul acestuia. Noi şi noi reacţii erau descoperite şi continuu noi şi felurite interpretări ale acestora erau făcute. Thiele care a anticipat caracterul diferit a legăturilor din benzen scria: „Teoria mea poate să apară hazardată. Dacă totuşi se consideră că o teorie este un punct de vedere care trebuie să ne permită o interpretare a faptelor cunoscute şi posibilitatea de a prezice fapte noi, un punct de vedere al cărui înţeles şi valoare poate fi schimbat de progresul ştiinţei, eu cred că concepţiile mele satisfac pe deplin aceste cerinţe2.

La începutul secolului XX apar teoria electronică şi apoi teoria mecanic cuantică. Acestea au permis o înţelegere mai bună a structurii aromatice şi a comportării chimice a acestora.

Substituţia electrofilă aromatică implică de obicei deplasarea unui proton legat direct de nucleul aromatic de către un reactant deficitar în electroni, un electrofil, E*. De regulă acesta nu se găseşte ca atare ci este combinat cu un purtător electrofil. În Tabelul 6.1. se dau exemple din cele mai cunoscute şi des aplicate reacţii de substituţie electrofilă aromatice.

2

Tabelul 6.1. Exemple de substituţii electrofile aromatice

_____________________________________________________________ Tipul Exemplu Reactant Purtator ====================================================== Schimb H/D: ArH + DA → ArD + HA D+ DA Reacţii Friedel Crafts:

a) Alchilare: ArH + RX → ArR + HX R+ R-X-L R-X b) Acilare: ArH + RCOX → ArCOR + HX RCO+ RCOX-L

Nitrare: ArH + HNO3 → Ar-NO2 + H2O NO2+ NO2X

Halogenare: ArH + X2 → Ar-X + HX X+ X2;

X-X-L Sulfonare: ArH + H2SO4 → ArSO3H + H2O SO3 H2SO4

Nitrozare: ArH + HNO2 → ArNO + H2O NO+ NOX Cuplare: ArH + Ar’N2

+ → Ar-N = N-Ar’ Ar-N2+

Mercurare: ArH + HgX2 → ArHgX + HX +HgX

Nitrare Oxidativă : ArR + HNO3 → ArNO2 + (ROH) NO2+ NO2X

Decarboxilare ArCOOH → ArH + CO2 H+ HA ======================================================

L : Un acid Lewis Aşa cum se vede din acest tabel, electrofilul e întotdeauna cuplat cu

un purtător; o problemă în studiul unui mecanism electrofil este de a determina natura reactantului electrofil şi cum acesta ia naştere în proces ( cu un acid Lewis sau Brõnsted ).

O altă observaţie care rezultă din examinarea Tabelului 6.1 este că aproape toate reacţiile menţionate în acest tabel prezintă interes tehnologic ( de exemplu: nitrarea, sulfonarea, halogenarea, cuplarea etc. ). Într-adevăr, multe din reacţiile trecute în tabel sunt utilizate în obţinerea medicamentelor, cosmeticelor, coloranţilor etc. De aici şi interesul manifestat pentru studiul acestor reacţii. Astăzi se cunosc numeroase cărţi, monografii sau articole de ansamblu dedicate acestui subiect.

3

6.2. Particularităţile substituţiei aromatice electrofile În studiul substituţiei aromatice electrofile se utilizează aceleaşi

metode care sunt utilizate în general pentru studiul unei reacţii organice: izolarea analizarea şi identificarea tuturor produşilor rezultaţi în reacţie, cinetica şi termodinamica procesului, efecte izotopice, efectul mediului de reacţie asupra mersului reacţiei etc. Totuşi, substituţia aromatica electrofilă prezintă şi caracteristici aparte care urmează a fi analizaţi mai jos.

6.2.1. Electrofilul Spre deosebire de substituţia nucleofilă în care reactantul nucleofil

este adăugat ca atare odată cu substratul, reactantul electrofil nu este adăugat ca atare în mediul de reacţie. El se preformează înaintea procesului substituţiei propriu-zise, de exemplu:

Ionul de nitroniu: HO-NO2 + H+

Ioni de haloniu: X2 + MXn

Carbocationi : R - X + MXn

NO2+ + H2O (1)

X+ + MXn+1- (2)

R+ + MXn+1- (3)

O altă complicaţie rezidă în aceea că electrofilii pot să nu fie singurii reactanţi implicaţi în proces. Într-adevăr, reacţiile (1) – (3) pot fi toate simbolizate prin reacţia (4). Ori,

E - X + L+ E+ + X-L (4)

Formarea electrofilului prin această reacţie trebuie să aibă loc în două etape, etapele (5) şi (6) :

[ E - X - L ]+

E+ + X-L

(5)

(6)

E - X + L

[ E - X - L ]+

Urmează că în mediul de reacţie vor fi trei electrofili: E-X, [E-X-L]+ şi E+. În plus, nu sunt excluse reacţiile de substituţie radicalică sau cele nucleofile. Prima grijă în studiul unei substituţii aromatice este să dovedim cu precizie natura electrofilă a substituţiei studiate.

6.2.2. Orientare În benzen, datorită simetriei D6h toate poziţiile sunt echivalente,

fiecare atom de hidrogen substituindu-se cu egală probabilitate. Dacă este prezent un substituent, cele 5 poziţii rămase libere nu mai sunt echivalente. Vor fi 3 poziţii neechivalente, orto (2 cu 6), meta (3 cu 5) şi para (poz.4).

4

Pentru compuşii di-, tri- etc. substituiţi, numărul poziţiilor echivalente depinde de natura grupelor R, R’ etc., cele mai multe poziţii echivalente vor fi în cazul în care toţi substituenţii nucleului sunt identici. Astfel, derivaţii disubstituiţi cu R = R’ aflaţi în poziţiile 1,2 şi 1,3 (compuşii orto şi meta), deşi fac parte din acelaşi grup de simetrie ( grupul C2v ) nu sunt ambii la fel de simetrici. Într-adevăr, în cazul compusului orto disubstituit, prin efectuarea tuturor operaţiilor din grup, toţi atomii îşi schimbă poziţia iniţială; în cazul compusului meta-disubstituit, cei doi atomi ( atomii C-2 şi C-5 ) nu-şi schimbă poziţia iniţială. Din această cauză, orto va avea 2 poziţii diferite, formate fiecare din 2 poziţii echivalente, ( 3 cu 6 şi 4 cu 5 ), în timp ce meta-derivatul are 3 poziţii diferite ( 2, 4 şi 6 echivalente între ele şi 5; atomii 2 şi 5 sunt atomii prin care trece axa C2 din planul moleculei ).

D6h

R R

R'

R

R'

RR

R'

R' R''

C2v C2v ; R = R'

C2v ; R = R' D2h ; R = R' D3h ; R = R' = R''

Cel mai simetric derivat disubstituit este compusul p-disubstituit cu

doi substituenţi identici. Simetria lui, D2h face ca toate poziţiile libere să fie echivalente. Prin monosubstituirea unui astfel de compus va rezulta un singur produs.

Dintre compusii aromatici poli-substituiţi, cel mai simetric este compusul 1,3,5 tri-substituit cu substituenţi identici. Cele 3 poziţii libere vor fi echivalente între ele.

Pe lângă complicaţia în a discerne poziţiile echivalente dintr-un compus aromatic este şi complicaţia legată de orientarea exercitată de substi-

5

tuent. Există două tipuri de substituenţi: substituenţi care orientează orto-para cu activarea nucleului şi substituenţi cu orientare meta şi dezactivare.

Orientarea substituţiei de către substituentul preexistent este rezultatul efectelor electronice ale acestuia. Acestea pot fi de două tipuri:

Efecte inductive, I: Acestea sunt transmisibile în orice catenă, intensitatea lor scăzând cu distanţa ( Fig. 6.1 ):

A. Efect atragator de electroni B. Efect respingator de electroni -I +I

X C<___C<____C<____Cδ − δ+ δδ+ δδδ+ δδδδ+

X C___>C____>C____>Cδ + δ− δδ− δδδ− δδδδ−

Fig. 6.1. Variaţia efectelor inductive ( -I, A şi +I, B ) cu distanţa Efectul substituentului, atragător de electroni, -I, sau respingător de

electroni, +I, scade cu distanţa fiind neglijabil la atomul din γ faţa de substituentul X care manifestă efectul electronic respectiv

Efectul de conjugare, E: este întâlnit numai la compuşii conţinând duble legături conjugate ( fig. 6.2 ):

A. Efect respingator de electroni B. Efect atrngator de electroni +E -E

X C C C C X C C C C

Fig. 6.2. Deplasările conjugative +E şi –E într-o catenă conjugată Substituenţii respingători de electroni, +I sau +E, vor orienta orto –

para, în timp ce aceia cu efect opus, -I şi –E, în meta. Cum efectele inductive sunt mai slabe decât cele electromere, decisiv pentru orientare sunt efectele electronice.

In tabelul 6.2 sunt date câteva exemple de derivaţi monosubstituiţi ai benzenului.

Grupele alchil ( metil, etil, izopropil etc. ) au doar un efect inductiv respingător de electroni, +I. Astfel de grupe vor orienta substituţia electrofilă în poziţiile o, p cu activare moderată.

Fenolatul ( grupă O- ) are ambele efecte electronice respingătoare de electroni +I, +E. Rezultatul va fi orientare o,p cu activare puternică.

6

R

O-

Cl

RO

NO–O

+I

CO–O

Tabelul 6.2. Efectele electronice ale Substituentilor benzenului_____________________________________________________________________Efectul observat al Efect elec- Exemplu Efect asupra Substituentului tronic orientarii reactivitatii ============================================================Substituenti de or-dinul întâi:

+I, +E

o, p activare

o, p activare puternica

o, p activare

o,p desactivare

-I, moderat+E, puternic

-I, puternic+E,moderat

+

-I, -Emeta dezactivare

+I, -Emeta sauo, p

dezactivare sauactivare

Substituenti deordinul doi

=================================================

7

Tipul orientării constituie şi astăzi un criteriu pentru stabilirea tipului de substituţie aromatică. Astfel, 3,5-dihalogenobenzen-1,4-diazo oxizii 1 în benzen ( PhH ) formează 4-hidroxibifenilul 2a şi polimeri de tip 3 :

X XO-

N N

X XO

N2

X XOH

Ar

ArH

+

X XO

n

+

1a 1b 2 3

2a: Ar = Ph Formarea acestui polimer a fost la început interpretată ca indicând

un proces radicalic. Schimbând însă benzenul, PhH cu alţi derivaţi aromatici ( ArH ≠ PhH ), s-a constatat că substituţia arilului corespunde unei substituţii aromatice electrofile şi nu uneia radicalice. De fapt, reactantul electrofil propriu-zis, 4, explică nu numai formarea lui 2 prin substituţie aromatică electrofilă, ci şi formarea lui 3 ( veyi Schema 6.1 ):

SCHEMA 6.1

1a- N2

X XO-

+

4

+ Ph-R

R = subst. de.ordinul I

+ Ph-R

R = subst. deordinul II

+ n 4 X XO

n

HO

+

R

HO R + orto

5

6

3

X

X

X

X

Toluenul poate fi aminat cu cloramină în prezenţa de clorură de

aluminiu. Catalizatorul folosit poate sugera o substituţie electrofilă. Totuşi, rezultatul aminării este m-toluidină, în contrast cu o substituţie electrofilă.

8

Cum în reacţie rezultă şi p-clortoluen, mersul cel mai probabil al reacţiei este următorul:

NH2Cl H2N- + Cl+

Ph-Me + Cl+ +

H ClCl

CH3 CH3

H2N-

CH3

NH2 Astfel, m-toluidina este produsul unei substituţii nucleofile, în ciuda

asemănării cu reacţia Friedel-Crafts. Interpretarea aceasta este susţinută şi de alte date privind comportarea cloraminei.

Foarte interesante sunt încercările făcute de a genera carbocationi din compuşii cu punte, derivaţi de 1-norbornil, 7 şi apo-nortriciclen, 8 ( pentru reacţiile lor, v. reacţia (7) şi Schema 6.2 ).

X X7 8

Drept grupă fugace s-a ales grupa cloroformiat, O-COCl, aceasta fiind deosebit de eficace în a genera carbocationi:

- AgCl R-OCO-Cl + Ag+BF4

- → R-OCO+ → R+ + CO2 (7) Dacă se tratează cloroformiatul derivând din 7 ( X = OCOCl) cu un

compus aromatic ( ArH ) şi în prezenţă de AgBF4, atunci se obţine un amestec de produşi de substituţie ( 7, cu X = Ar ) în care raportul orto : para este aproximativ 1:1. Dimpotrivă, dacă se tratează 8 ( X = OCOCl ) în condiţii similare cu aceeaşi compuşi aromatici, se obţine un amestec de produşi 8 ( X = Ar ) în care raportul o:m:p este 9,2:5,1:1, net favorabil formării produsului orto. Interpretarea rezultatelor ţine seama de stabilitatea carbocationilor cap de punte ale unor astfel de sisteme.

9

Aşa cum s-a mai arătat, astfel de cationi nu pot adopta o structură plană corespunzătoare hibridizării sp2 a atomului de carbon cationic. Aceasta structură va fi cel mai greu de adoptat pentru cationul derivând din 8 ; din cauza aceasta, cationul corespunzător acestuia, 9, va trece rapid in radicalul corespunzător 10. Substituţia în acest caz este o substituţie radicalică, demonstrată de preferinţa pentru poziţia orto şi de obţinerea tuturor celor trei izomeri ( v. Schema 6. 2 ).

SCHEMA 6.2

ClOCO

AgBF4+

rapid .Ph-R

C6H4R

8 9 10 11 In cazul compusului 7, cationul corespunzător este mai puţin

tensionat decât cationul 9. Astfel, va avea timpul necesar să reacţioneze ca atare; formarea numai a izomerilor orto-para şi raportul dintre aceştia demonstrează că substituţia a fost electrofilă.

6.2.3. Intermediarii substituţiei Problema intermediarilor din substituţia aromatică s-a născut în

urma unor studii a lui Pfeiffer şi Wizinger din 1928. Aceştia au tratat diaril-alchena 12 cu brom. Aceasta, conţinând în nucleele aromatice grupe puternic donoare de electroni, formează într-o primă etapă o sare, 13, care ulterior se descompune în produsul de substituţie 14.

MeN

MeC CH2

MeN

MeC CH2Br , Br3

-Ar

2

Br2 +

MeN

MeC CHBr2

12 13

14 Au conchis de aici că şi substituţia aromatică trebuie să parcurgă o

rută similară, trecând printr-un intermediar sare:

10

+ Br2 + L

H

Br

+

BrL-Br

+ HBr + L

15 Într-o formă mai generală, interpretarea lor poate fi exprimată prin

schema generală (8), cu intermediarul cationic redat ca 16:

ArH + E+k1

k-1

ArH

E

+k-2

k2

ArE + H+ (8)

16 Tratând reactivitatea compuşilor organici prin metoda orbitalilor

moleculari, Wheland a considerat că specia 16 corespunde unei stări de tranziţie. Brown şi Brady demonstrează că 16 este un intermediar şi se formează în prima etapă a procesului. Pentru etapa următoare – expulzarea protonului – putem întâlni două situaţii: expulzarea este un proces rapid sau este un proces lent. În total, într-o substituţie aromatică electrofilă putem întâlni 3 situaţii:

a. Procesul decurge într-o singură etapă, 16 reprezentând o stare de tranziţie şi nu un intermediar;

b. Procesul decurge în două etape, prima etapă lentă fiind urmată de o etapă rapidă, expulzarea protonului; 16 este un intermediar;

c. Procesul decurge în două etape, prima etapă rapidă urmată de o etapă lentă, expulzarea protonului; 16 este un intermediar.

Cele trei situaţii sunt arătate în Figura 6.3:

A B C

ArH

E

δ+

δ+Ar

E

H

δ+

Ar

E

Hδ+

δ+

δ+Ar

E

H

δ+

δ+ Ar

E

Hδ+

δ+

ArH + E+ ArE + H+ArE + H+

ArE + H+

ArH + E+

ArH + E+

ArE

HE

HAr

+ +

Figura 6.3. Cele trei rute în substituţia electrofilă aromatică A. Substituţia directă; B, C Substituţia în trepte

11

Cele trei situaţii pot fi deosebite prin studiul efectelor iăotopice. Astfel Melande a observat că în halogenarea şi nitrarea benzenului şi a benzenului substituit cu tritiu nu există nici o diferenţă între vitezele lor de reacţie. Ori, atât prin rutele A şi C ar fi trebuit ca să se observe un efect izotopic. Aceasta demonstrează clar ca SEAr decurge printr-un intermediar de tip 16, format într-o etapă lentă şi urmată de o etapă rapidă de eliminare a unui proton ( Cazul B din Fig. 6.3 ).

Spre deosebire de halogenare şi nitrare, sulfonarea prezintă un efect izotopic cinetic. Se consideră că şi în acest caz substituţia decurge prin intermediarul de tip 16, dar că etapa eliminării protonului este lentă ( ruta C ).

Dovezi puternice în sprijinul formării de intermediari de tip 16 au fost aduse de Olah şi colaboratorii. Prin spectrometrie de rezonanţă magnetică nucleară ei au demonstrat fără nici un dubiu existenţa unor astfel de intermediari , cum ar fi 17. Aceştia trec cu uşurinţă în produşii de substituţie corespunzători:

H

NO2

CF3

BF4-+

CF3

NO217

Un ion de benzenium de stabilitate înaltă, 18, a fost obţinut de

Doering şi colaboratorii prin polimetilarea exhaustivă a benzenului cu clorură de metil. Sarea este stabilă chiar şi în apă conţinând HCl 4M. La aciditate mai mică, pierde un proton, formând metilen-ciclohexadiena 19.

Me MeMe

Me

Me

Me

Me

+

Me Me

CH2

Me

MeMe

Me

+ H+

18 19 Existenţa unor astfel de intermediari pare a fi certă. Există încă o

serie de întrebări privind formarea lor. De exemplu, seamănă formarea lor cu cea a formării complecşilor Meisenheimer din SNAr ( substituţia nucleofilă aromatică )? Rezultă complecşi de tip 16 direct sau în mai multe etape?

12

La prima întrebare putem răspunde direct. Dacă e o asemănare, aceasta e numai formală. Reactantul nucleofil va fi respins de norul de electroni π aromatici şi acesta se va îndrepta numai către acele poziţii sărăcite în electroni. Dimpotrivă, în formarea complexului Wheland, reactantul electrofil este atras de întreg norul de electroni π ai nucleului aromatic.

Acesta este şi începutul răspunsului la a doua întrebare. Conform propunerii lui Dewar, în halogenare se formează iniţial un complex neorientat cu molecula de halogen ( 20 ) care trece într-un complex π neorientat al reactantului electrofil derivând din halogen ( 21 ) şi abia în final în complexul σ orientat, 16.

X X X++ X2

E H

+

20 21 16

Calcule mecanic cuantice au indicat faptul că complecşii π de tip 20 sau 21 sunt intermediari plauzibili în substituţia aromatică. Totuşi, existenţa lor nu a putut fi confirmată aşa cum a fost confirmată existenţa complecşilor σ.

OH

N

X X

N

O-

X X

+

+

-N2; -H+

X XO

..4

H

H

X

X

O

X

X

HO

H

+4 +

22 23 Figura 6.4. Model pentru formarea complexului π şi transformarea acestuia în complex σ Acest exemplu, chiar dacă e convingător, nu poate fi generalizat

pentru toate tipurile de substituţii electrofile.

13

6.2.4. Control cinetic Reactivitatea comparată a diferitelor poziţii dintr-un substrat

aromatic (selectivi-tatea de poziţie) şi reactivitatea comparată cu cea a benzenului (reactivitatea selectivă) este de cea mai mare importanţă în determinarea caracterului electrofil al substituţiei aromatice şi tipul stării ei de tranziţie ( târzie sau timpurie ). Totuşi, valoarea exactă a raportului izomerilor orto: meta: para reflectă selectivitatea de poziţie numai dacă amestecul a rezultat într-un proces controlat cinetic.

O altă complicaţie frecvent întâlnită în substituţia aromatică electrofilă este atribuită reversibilităţii procesului. În acest caz, raportul orto: meta:para va ilustra mai mult stabilitatea izomerilor şi mai puţin reactivitatea poziţiilor respective.

Reacţii ca sulfonarea şi alchilarea Friedel-Crafts sunt reversibile, în timp ce nitrarea este complet ireversibilă. Ce determină aceste diferenţe între reacţii decurgând prin acelaşi mecanism de substituţie electrofilă?

Considerând mecanismul admis şi exemplul dat din schema de mai jos ( Schema 6.3 ), putem conchide asupra factorilor care determină această reversibilitate.

SCHEMA 6.3 Mecanismul general al unei

substituţii electrofile reversibile

+ E+L-

E H

L-+

E

+ H+kE

k-E

k-H

kH

X

+ H+[AlBr3(OH)]-

X H

+ +

X X

+ H++

(9)

(10)

X X= F, Cl, Br, I

În exemplul din reacţia (10) s-a considerat disproporţionarea unui monohalogeno - benzen în prezenţa unui acid puternic ( ALBr3 + H2O ) în bezen şi dihalogenobenzen. Fluorbenzenul, chiar la 240o nu reacţionează, iar

14

Clorbenzenul este disproporţionat numai în proporţie de 11%. Brombenzenul este transformat 50% chiar la 30oC. Ordinea de reactivitate este astfel: PhI > PhBr > PhCl >>PhF. Cu alte cuvinte, reversibilitatea substituţiei aromatice electrofile depinde în primul rând de electro-negativitatea lui E din procesul (9) din Schema 6.3.

Dependenţa deraportul k-E-/ k-H ( v. (9) din Schema 6.3 ). În figura 6.3, B şi C sunt redate profilurile energetice a reacţiilor în care intermediar rezultă un complexul σ ( minimul de pe curbă ), fie printr-un proces rapid, fie printr-unul lent. Depinzând de care energie este mai mare, primul maxim sau al doilea, procesul va evolua ori spre starea iniţială ( k-E > k-H ), ori spre produsul de substituţie ( k-H > k-E ). Astfel putem înţelege de ce sulfonarea este un proces reversibil ( profil C ), în timp ce clorurarea ( profil B ) nu este.

Raportul k-E/k-H poate fi modificat în diverse moduri. O posibilitate ar fi o aglomerare la centrul de reacţie, aglomerare care va determina creşterea lui k-E. Varierea temperaturi şi a concetraţiilor sunt alte mijloace posibile de modificare a acestui raport.

O posibilitate adesea folosită este de a adăuga în amestecul de reacţie o componentă cu care electrofilul E să reacţioneze de preferinţă. Astfel, în desulfonare, adaosul de apă e un reactant perfect pentru electrofilul SO3; în reacţii Friedel-Crafts, solventul ( o hidrocarbură aromatică ) şi produşii de reacţie pot ambii acţiona ca acceptori electrofili.

E H

+ +

R

+ +

R

E H

(11)

E, R : grupe alchil

Dependenţa de k-H. Se cunosc cazuri în care raportul k-E/ k-H este mare şi totuşi reacţia este ireversibilă. Astfel, s-a observat un efect izotopic cinetic în nitrarea unor compuşi aromatici cu substituenţi voluminoşi în vecinătatea poziţiei reactive, ceea ce implică o valoare a raportului k-E / k-H supraunitară. Totuşi, reacţia este ireversibilă. Mai mult, în nitrarea polialchil benzenilor cu catene ramificate, grupele alchil voluminoase pot fi scoase din nucleu. Explicaţia trebuie căutată în etapa protonării, constanta de viteză kH, implicată în procesul reversibil.

Vom considera întâi protonarea halobenzenilor. Bazicitatea lor paralelizează uşurinţa disproporţionării. Ionul de areniu derivând din fluorbenzen este destul de stabil:

15

X

+ H+

HH

+

XX H

+ (12)K

X = F, Cl, Br, I 24 25

În cazul fluorbenzenului ( X = F ) s-a identificat numai un singur ion

de benzenium, cel cu structura 24. Ori, pentru ca reacţia să fie reversibilă, acesta ar trebui să fie în echilibru cu un ion 25 care nu se detectează. În cazul celorlalţi halogenobenzeni ( X = Cl, Br, I ), ionii de tip 25 pot fi observaţi alături de ionii de tip 24. Astfel, reversibilitatea trebuie să depindă şi de constanta de echilibru K a reacţiei (12).

Ireversibilitatea nitrării poate fi explicată şi prin absenţa unui echilibru de tip (12). Într-adevăr, ionul de tip 24, în caz că X = NO2, nu va avea nici o tendinţă să treacă într-un ion 25.

HH

+

NO O-

H NO2

+ +

NHO O-++

26

Ionul de tip 25 trece rapid în ionul 26, o specie care nu va avea nici o tendinţă să expulzeze ionul de nitroniu.

6.3. Reactivitate relativă în substituţia aromatică Energia ( E ) a unui sistem π format din n electroni este dată de

relaţia (13): E = nα + Σnjmjβ = nα + Mβ (13) În care: Mj sunt coeficienţii lui β în ecuaţia energiei orbitalilor

moleculari ( MO ), nj sunt numărul de electroni care ocupa orbitalul j. Wheland a arătat că într-o substituţie electrofilă, reactivitatea substratului aromatic trebuie să fie proporţională cu energia de localizare L+ definită prin ecuaţia (14):

L+ = M - M* (14) unde M şi M* sunt coeficienţii lui β în relaţia (13), fie pentru compusul aromatic ( M ), fie pentru starea de tranziţie 16 a teoriei lui Wheland.

16

Pe de altă parte, diferenţa de energie ∆E care corespunde formării ionului de haloniu din hidrocarbura aromatică – de exemplu benzen – poate fi determinată din următoare schemă defalcată a procesului:

SCHEMA 6.4

+

+ +

+

+

Y

H

+ E- + I ( Poten'ial de ioniyare )

.sp2 + L. ( Energie de localizare )

.sp2 + .sp3 - Eh ( Energie de rehibridizare )

+ .sp3 - Eσ ( Energia leg[turii σ )

Y+ + e- Y. - Ea ( Afinitatea de electroni a lui Y+ )

Y.

Pentru procesul global se deduce:

+ Y+ +Y

H- ∆E

unde:∆E = I + L. - Eh - Ea - Eσ (15)

Utilizând acelaşi model al stării de tranziţie şi aplicînd metoda

perturbaţiei, Dewar a dedus relaţia: ∆E = CX – 2β( αor + αot ) (16) în care CX este un parametru care depinde de natura reactantului

particular al substituţiei electrofile, iar αor şi αot coeficienţii orbitalilor moleculari pentru atomii r şi t, vecini poziţiei s atacata de reactant.

17

6.4. Substituţii electrofile mai importante 6.4.1. Reacţia de nitrare Reacţia de nitrare este probabil reacţia de substituţie electrofilă

aromatică cea mai intens studiată. Aceasta în special din două motive: în primul rând pentru că reacţia este ireversibilă şi în felul acesta cinetica nitrării este mai simplă. În al doilea rând, un motiv la fel de important ca primul, pentru că grupa nitro este o grupă dezactivantă a nucleului aromatic şi astfel substituţia se opreşte la faza de mono – nitrare.

Nitrările se pot efectua cu acid azotic, folosind un mediu anorganic de reacţie ( exces de acid azotic, acid azotic – acid sulfuric ), sau mediu ( solvent ) organic ( nitrometan, acid acetic ).

Acidul azotic poate conţine acid azotos. Acesta la rândul lui poate da naştere unui reactant electrofil:

HNO2 + HNO3 N2O4 + H2O (16)

N2O4 NO+ + NO3- (17)

Ionul de nitrzoniu, NO+ este stabilizat prin conjugare, întocmai ca şi

monoxidul de carbon: O+:N :N O+

Din această cauză este puţin reactiv, nu reacţionează decât cu

derivaţii aromatici foarte reactivi, cum ar fi fenolii. Din această cauză nu afectează mersul reacţiei de nitrare. Totuşi, formarea ionului de nitrat în reacţia (17) poate avea un efect de încetinire a reacţiilor de nitrare.

S-au făcut calcule mecanic cuantice pentru a se determina structura cea mai probabilă a intermediarului nitrării. Dintre intermediarii mai săraci în energie care ar putea fi luaţi în considerare sunt ionii ciclici 27 şi 28.

;

27 28

O ON+

N OO+

Nici unul dintre aceştia nu a putut fi dovedit. Intermediari de tipul 24

şi 25 au fost în schimb izolaţi şi identificaţi de către Olah.

18

Nitrarea ipso este o substituţie la un atom de carbon deja substituit. De exemplu, nitrarea p-cimenului dă produsul normal 29 ( cca 82% ) şi 30 ( 8% ) şi 10% p-nitrotoluen:

CH3

CH(CH3)2

CH3

CH(CH3)2

NO2

CH3

CH(CH3)2

NO2

+

29 30

CH3

O2N CH(CH3)2

++CH(CH3)

CH3

NO2CO(CH3)2

31

+NO2+

Nitrarea p-cimenului la temperatură joasă ( 0oC ) în anhidridă acetică

a dus la izolarea lui 32 ( 41% ), alături de 29 ( 41% ) şi a lui 30 ( 8% ) şi p-nitrotoluen. Tratarea lui 32 cu acid sulfuric a dat cantitativ 29.

CH3

CH(CH3)2

+NO2+

CH(CH3)

H3C NO2

CH(CH3)2

CH3H

NO2

CH3

CH(CH3)2

NO2

++

H

CH(CH3)2

NO2

AcO

32 33 29

34 Se deduce astfel că poziţia cea mai reactivă din p-cimen este poziţia

C-1. Proporţia mare de 29 se explică prin transformarea lui 32 în 33.

19

6.4.2. Reacţia de alchilare Friedel-Crafts Alchilarea hidrocarburilor aromatice cu halogenuri de alchil şi

clorură de aluminiu a fost descoperită de către Friedel şi Crafts în 1877. Scurtă vreme după descoperire, reacţia şi-a găsit largi aplicaţii în sinteza chimică organică, precum şi tehnologie. Drept precursor electrofil se foloseşte o halogenură de alchil, R-X sau o halogenură de acil, R-CO-X, şi un catalizator Lewis, MXn. Mecanismul unei astfel de reacţii poate fi redat simplu astfel:

R - X + MXn R - X MXnR+ + MXn+1

-

R - X MXn R+

R H

+

R

- H+

MXn+1- MXn+1

-

35 36 37 Este posibil ca intermediarul 37 să nu rezulte direct şi premergător

acestuia să se formeze complecşii π 35 şi 36. Există indicaţii că toţi trei intermediarii intervin în proces, dar cu siguranţă numai intermediari de tip 37 au fost izolaţi şi identificaţi. Astfel, tratarea toluenului cu fluorură de etil şi trfluorură de bor duce la complexul σ 38 care la -80o este stabil. Acesta la -15o trece în produsul de substituţie ( G.A.Olah, 1958 ).

CH3

+ CH3-CH2-F + BF3

CH3

H C2H5

+ BF4-

CH3

C2H5

+ HF + BF3

38 Trebuie observat că reacţia Friedel-Crafts poate fi privită şi ca o

substituţie nucleofilă la carbonul saturat, în care reactantul este compusul aromatic.

Ar-H + CH2-X

R

Ar

H

CH2RAr-CH2R + H+MXn

-MXn+1

20

În consecinţă, ne aşteptăm ca reacţiile Friedel-Crafts să posede şi alte caracteristici ale reacţiilor de substituţie nucleofilă şi anume cu cele prezentând mecanismul E1. Într-adevăr, în cursul acestor reacţii, depinzând de structura derivatului halogenat, pot avea loc reacţii de transpoziţie:

+ CH3-CH2-CH2-X + MXn

Ph-CH2-CH2-CH3k2

Ph-CHCH3

CH3k1 Raportul dintre cele două hidrocarburi aromatice rezultat depinde de

reactivitatea reactantului aromatic. Compuşi aromatici foarte reactivi dau o proporţie mare de compus netranspus, în timp ce în reacţia cu compuşi aromatici mai puţin reactivi rezultă preponderent produsul transpus.

6.4.3. Acilarea Friedel-Crafts Acilarea Friedel-Crafts a hidrocarburilor aromatice se face cu

halogenuri acide ( R-COCX ) sau anhidride acide, în prezenţa unui acid Lewis ( de ex., AlCl3 ), sau a unui acid Brõnsted ( de exemplu, acid sulfuric ):

RCOX + MXn→ RCO+MXn+1

- + ArH → ArCOR + MXn + HX După Jensen şi Goldman, reacţia de acilare nu poate fi explicată

printr-un singur mecanism de reacţie; se consideră ca trebuie sa fie cel puţin 3 mecanisme

Mecanism A

R C

X

O AlCl3 + ArH R C

X

O - AlX3

ArH+ Produ;i

Mecanism B

ArH + R-CO-X AlX3 R-COArH+AlX4- Produsi

39

40

21

Mecanism C

ArH + RCO+AlX4- +

H COR

R'

AlX4-

Produ;i

41 Mecanismul a corespunde unei reacţii de condensare a unui derivat

carbonilic cu o hidrocarbură aromatica ( condensare de tip aldolic ). Grupa carbonil din cloruri acide, în mod obişnuit nereactivă în acest tip de condensări, este activată de acidul Lewis. Mecanismul acesta este de aşteptat să intervină în reacţiile cu compuşi aromatici reactivi ( de ex., fenoli ).

Mecanismele B şi C sunt echivalente mecanismelor de substituţie aromatică electrofilă discutate mai înainte. În plus, trebuie să specificăm că ionii de oxocarboniu intervenind în mecanismul C sunt ioni stabilizaţi prin conjugare:

R+

C O: R C O+

Pentru R = Ph

+

C O C O

++ C O

etc. Clorurile de benzoil vor reacţiona astfel numai prin acest mecanism. În reacţia de formilare cu HCOF în prezenţă de BF3 nu s-a găsit

nici o dovadă pentru existenţa cationului de formil. Totuşi, complexul σ 42 a putut fi identificat în acest proces:

CH3

+ HCOF + BF

CH3CH3

H H H CHO

+ CO

BF4-

CH3

CHO

+ +

42 43 44 Acesta reyultă în primă fază din toluen şi HCOF, alături de oxid de

carbon. Reacţia ulterioară a complexului 42 cu CO dă complexul σ 43 şi în

22

final p-formiltoluenul 44. Procesul a putut fi verificat , ob’in]ndu/se separat complexul σ 42; Acesta tratat cu CO a dat produsul de reacţie 44.

6.4.4. Alte substituţii aromatice înrudite cu reacţia Friedel-Crafts Există un mare număr de reacţii ale compuşilor aromatici care pot fi

corelate cu reacţia Friedel-Crafts. Un astfel de exemplu este reacţia arenelor cu alchene în prezenţă de catalizatori Lewis sau Br õnsted.

R1 CH = CHR2 + AH R1CH - CH2R2+

R1CH - CH2R2

A

ArH

+

H CHR1

R'CH2R2

HCR1 CH2R2

R'

Uneori, pot avea loc reacţii secundare dacă agentul de alchilare are

două sau mai multe poziţii reactive. Un astfel de exemplu îl reprezintă reacţia (18) dintre benzen şi tetracloretan ( reacţie Anschütz ):

CHCl2

CHCl2

+ +AlCl3

(18)

Un alt exemplu este reacţia Scholl, o reacţie de cuplare

dehidrogenantă. Aceasta, la rândul ei, este înrudită cu alchilarea Friedel-Crafts, aşa cum au arătat Neniţescu şi Balaban.

++ HCl + AlCl3

H H

AlCl4-

H

HH

H

+

În acest caz, reactantul electrofil este complexul σ rezultat din

benzen, acid clorhidric şi clorură de aluminiu.. Un alt exemplu de o astfel de

23

reacţie este transformarea trifenilmetanului în fenilfluoren:

C HAlCl3

HCl

Un mecanism posibil al acestor reacţii este un mecanism radical-cationic. Tipul acesta de mecanism este întărit şi de observaţia ca acizi Lewis de tipul SbCl5 sau SbF5 au un efect catalitic bun asupra acestui tip de reacţii. Ori este ştiut ca aceste halogenuri de Sb au şi un puternic efect oxidant :

R

H+

R H

+

- e-

- H+

H

R

+

.

- H+

R

.

Produs(bifenil)

O altă reacţie înrudită cu reacţiile discutate este reacţia de

halometilare. Potrivit acestei reacţii, compusul aromatic, de exemplu benenul, este tratat cu formaldehidă şi HCl. Reactantul electrofil este stabilizat prin cojugare, +CH2-OH ↔ H2C = O+H:

+ CH2O + HCl CH2Cl + H2O

Un ultim tip de reacţii înrudite cu reacţiile discutate sunt reacţiile de

izomerizare, cum ar fi izomerizarea o-xilenului într-un amestec de m- şi p-xilen. În primă fază rezultă complexul σ corespunzător o-xilenului 45:

Me

Me

+ H+

Me

H+

Me Me

Me+

Me

Me

+

45 46 47

24

Acest complex suferă transpoziţii până ajunge la complexul 47.

Me

Me+

Me H

Me

Me

Me

H

+

+

Me

Me

Me

Me

47

49

50 Acest complex poate în final genera atât m- cât şi p-xilenul. 6.5. Probleme

25

Literatură 1. F. Badea, Reaction Mechanisms in Organic Chemistrz, Abacus

Press, Tunbridge Wells, Kent, 1977: Chapter 7, pag. 337 - 398. 2. Jerry March, Advanced Organic Chemistry. Reactions,

Mechanisms and Structure, 4th Ed. Wilez and Sons, 1992, Chapter 11, pag. 501-568.

3. J. Thiele, Liebigs Ann. Chem., 1898, 306, 86. 4. M. J. S. Dewar, K. Narayanaswami, J. Amer. Chem. Soc., 1964,

86, 2422. 5. P. Kovacic şi colaboratorii, J. Amer. Chem. Soc., 1964, 86, 1650;

1966, 88, 100, 3819; 1973, 95, 2977, 3646. 6. P. Beak, B.R. Harris, J. Amer. Chem. Soc., 1974, 96, 6363. 7. vezi articol de ansamblu privind reactivitate compuşilor policiclici

ăn capătul de punte, R.C. Fort, Jr., în Carbonium Ions ( G. Olah şi P. von R. Schleyer, editori ), Wiley-Interscience, New Zork, 1973, pag. 1783.

8. P. Pfeiffer şi R. Wizinger, Liebigs Ann. Chem., 1928, 461, 132. 9. G.W.Wheland, J. Amer. Chem Soc., 1942, 64, 900.

10. H.C. Brown şi J.D. Brady, J.Amer. Chem. Soc., 1952, 74, 3570. 11. L. Melander, Arkiv Kemi, 1950, 2, 213. 12. G.A.Olah şi S.J. Kuhn, J. Amer. Chem Soc., 1958, 80, 6535, 6540; 1960, 82,2350. 13. G.A.Olah, R.H. Sclosberg, D.R. Kelly şi C.D. Mateescu, J. Amer. Chem. Soc., 1970, 92, 2346; 1972, 94, 2034, 5341. 14. M.J.S. Dewar, J. Chem. Soc., 1946, 406; The Electronic Theorz of Organic Chemistry, Oxford Universitz Press, 1949. 15. C. Friedel şi J. M. Crafts, Compt. Rend., 1877, 84, 1392ş v. şi. G. A. Olah (editor) Friedel Crafts and Related Reactions. vol 2 Alkzlation, Interscience, New Zork, 1964. 16. F. R. Jensen şi G. Goldman, în G.A. Olah ( editor ), Friedel-Crafts and Related Reactions. vol 3, Aczlation, Interscience, 1964; pag. 1003. 17. C.D. Nenitzescu şi A.T. Balaban, Chem. Ber., 1958, 91, 2109.

1

CAPITOLUL 7 Reacţii de adiţie electrofile

la alchene Motto: Men need not always live by bread alone. There is something else.

We do not yet know what it is; but some day we shall find out; and then we will live on that alone; and there shall be no more digging, nor spinning, nor fighting, nor killing

George Bernard Shaw Back to Methuselah; Part I; Act II Orice compus posedând legături multiple ( alchene, acetilene,

compuşi carbonilici şi derivaţii lor funcţionali, nitrilii etc. ) pot da reacţii de adiţie. Şi exact ca şi substituţile, şi adiţiile pot fi adiţii electrofile ( de regulă la alchene ) şi adiţii nucleofile ( la grupa carbonil şi derivaţii acestei grupe, etc. ) În capitolul de faţă vom discuta numai adiţiile electrofile la alchene.

Nu trebuie să rămânem cu ideia ca reacţiile de adişie sunt întălnite numai la compuşi posedând duble legături ( C = C, C = O, C = N etc. ), sau triple legături ( acetilene, nitrili etc. ). Ele pot fi întălnite şi la compuşi care nu posedă astfel de legături şi sunt construite numai din legături simple:

O

CH2H2C+ HX

H2C CH2-OH

X

(1)

Etilen Oxid X = halogen sau:

CH2

CH2H2C+ XY

H2C CH2

X

CH2Y (2)

Ciclopropan La astfel de reacţii ne vom referi numai în legătură directă cu

problema discutată ( de exemplu, mecanismul adiţiei halogenilor ). Capitolul de faţă are directă legătură cu capitolul precedent, unii din

reactanţii întâlniţi în substituţia aromatică electrofilă fiind reactanţi şi în adiţiile la alcchene ( de exemplu, halogenii ).

2

Într-adevăr, în substituţia aramatică un mecanism general poate fi

redat în următoarea schemă simplificată ( v. Schema 7.1 ): SCHEMA 7.1

Comparaţia SE aromatice cu AdE la alchene

E - PL

E+ + L-P

+ E+

E H

+

E

ruta principala

E H

H Nu

ruta secundaraNu:-

- H+

- NuH

:

E - PL

E+ + L-P

C C + E+ C

E

C+

C

E

C

NuNu:-

alti produsi Mecanismul este cu totul asemănător cu mecanismul general al unei

adiţii electrofile. În cele ce vor urma vom vedea şi alte asemănări cu reacţiile discutate până acum

7.1. Adiţii de halogen 7.1.1. Ionul de haloniu Adiţiile de halogen la alchene sunt cunoscute de multă vreme.

Primul care şi-a dat seama că adiţia de halogen implică un mecanism heterolitic a fost Francis în 1925. El a propus mecanismul arătat în Schema 1, suportat de captarea carbocationului intermediar de alţi nucleofili prezenţi in soluţie. Astfel, în adiţia bromului ( în Schema 1, E+ = Br+ ), alături de dibrom derivat, dacă de faţă se găseşte şi ion de clor, se obţine un bromclor-derivat, dacă este prezent ion nitrat, se obţine nitratul unei bromhidrine, în soluţie alcoolică rezultă un brom eter etc.

3

Alte dovezi în acest sens sunt transpoziţiile care pot să se producă în cursul unei adiţii de halogen la diverse sisteme conţinând duble legături. Câteva dintre aceste transpoziţii sunt prezentate în Schema 7.2.

SCHEMA 7.2 Transpoziţii Cationice în Cursul Adiţiilor Electrofile la Alchene

+ Br2

Br+ Br Br Br+

- Br-+ Br-

1 2 3 4

X X

+ X2+

+XX

5 6 7 8 Pe de altă parte, se cunosc exemple în care alchene generând sisteme

cationice cunoscute a suferi cu uşurinţă transpoziţii, în condiţiile adiţiei de halogeni nu suferă transpoziţii, Un astfel de exemplu îl constituie t-butiletena, 9. Aceasta la adiţie de brom, fie în metanol ( adiţie solvolitică ), fie în tetraclorură de carbon, formează produşii netranspuşi, 10 şi 11.

SCHEMA 7.3

H3C C

CH3

CH3

HC CH2

+Br2

MeOHH3C C

CH3

CH3

HC

Br

CH2-OMe H3C C

CH3

CH3

HC CH2Br+

;

9 10 12

Br2

H3C C

CH3

CH3

HC

Br

CH2-Br H3C C

CH3

HC

CH3

CH2Br+

H3C C

CH3

HC

CH3

CH2Br

Z

Z = Br sau OMe 11 14 13

4

Dacă adiţiile ar fi decurs prin carbocationi, conform schemei propuse de Francis, atunci ar fi trebuit să se fi format dibromura 14 ( Z = Br ); în metanol, produsul aşteptat ar fi trebuit sa fie 14 ( Z = OMe ) şi nu 10.

În acest din urmă caz apare un fapt şi mai inexplicabil prin modelul lui Francis, faptul ca în metoxi derivatul obţinut, 10, bromul se găseşte în poziţia 2 şi grupa metoxi în 1. Chiar dacă am explica într-un fel lipsa unei transpoziţii, nu putem explica poziţia bromului şi a grupei metoxi în produsul format.

Mecanismul propus de Francis nu poate explica şi alte date experimentale cunoscute la acea dată. Cele mai multe dintre acestea sunt legate de stereochimia reacţiei de adiţie. Astfel se ştia că alchenele diastereoizomere dau naştere la produşi diferiţi de adiţie: Din acid fumaric, de exemplu, se obţine acidul mezo-dihalogenosuccinic ( achiral ), iar din acid maleic rezultă amestecul racemic al acidului dihalogenosuccinic chiral.

HOOC C

C COOHH

H

H C

C COOHH

COOH

COOH

CH X

CH X

COOH

COOH

CH X

CX H

COOH

X2

ac. fumaric (reans)

mezoCOOH

CX H

CH X

COOH

+X2

Achiral

Amestecracemic

Nici lipsa transpoziţiilor la adiţia de halogeni la alchene de tipul 9 şi

nici stereochimia adiţiei la alchenele diastereoizomere nu poate fi explicată prin modelul simplu prezentat în schema 7.1.

Explicaţia tuturor acestor date a fost posibilă odată cu apariţia lucrării lui Roberts şi Kimball în 1937. Aceşti autori au arătat că într-un carbocation β-halogenat este absurd să admitem că în vecinătatea unui centru cationic ( poziţia α ), se găseşte un atom bogat în electroni neparticipanţi ( halogenul din β ) fără ca acesta să nu interacţioneze cu centrul cationic:

5

Cβ Cα

+:X:..

X+

Nu:-

X

Nu

15 16 17 Se formează astfel un ion de haloniu 16; acest ion va fi atacat de

nucleofil atât în α cât şi în β, după legile care guvernează o reacţie SN2 tipică: va avea loc cu inversia configuraţiei la acel atom de carbon; la celălalt atom configuraţia se păstrează.

Reacţia de adiţie în care adiţia are loc cu păstrarea configuratiei la unul dintre atomii dublei legături şi cu inversia configuraţiei la celălalt se numeşte adiţie trans sau anti. Există şi adiţii sin sau cis, formarea ionului de haloniu corespunzând unei astfel de adiţii. Ea este înrudită cu adiţia carbenelor la alchene, cu formare de ciclopropani:

SCHEMA 7.4 Exemplu de adiţie sin la alchene

C CH

R

R

H

trans trans

+ :CH2

H2C

RH R

H

C CH

R

H

R

H2C

RH H

R

+ :CH2

cis cis Scurtă vreme după aceea, Winstein propune formarea de ion de

bromoniu şi în cursul unor substituţii nucleofile.

Br

CR

HC

HR

Br

Br

R HH R

+- Br-

Nu:-

Br

C CNu

C CBr

NuRH

RH

RH

RH

+

18 19 20a 20b

6

Rezultatul stereochimic în acest caz va fi: configuraţia relativă se păstrează – dintr-un treo derivat se obţine tot un treo derivat – dar se pierde configuraţia absolută – se obţine un amestec racemic. În exemplul dat, dibromura 18 este un eritro derivat şi tot eritro este şi produsul de reacţie 20 În plus se vede că 20b este imaginea în oglindă a lui 20b, deci 20a + 20b este un amestec racemic.

Dacă adiţia de halogen se face în apă, se obţin halohidrine. Evident, şi în acest caz, alchenele diastereoizomere vor da produşi diferiţi de reacţie. În schema de mai jos, reacţiile se ilustrează din nou cu perechea de acizi maleic şi fumaric:

SCHEMA 7.5 Adiţia de Clor în Apă la Ac. Maleic şi Fumaric

H COOH

H

HOOC H

H COOH

COOH

COOH

CCl H

CH OH

COOH

COOH

CH Cl

CH OH

COOH

Cl2 ; H2O

Cl2 ; H2O

Ac maleic Ac.treo-clormalic

Ac. fumaric Ac. eritro-clormalic

+

COOH

CH Cl

CHO H

COOH

COOH

CCl H

CHO H

COOH

Rezultatul acesta a fost cunoscut încă din 1912, fiind descoperit de

către Holmberg şi după acea a fost confirmat de numeroşi alţi cercetători. Ca şi în cazul adiţiei simple de halogen, adiţia la ambii acizi are loc în anti. Totuşi, în 1925 Richard Kuhn arată că dacă adiţia se face la sărurile acizilor maleic şi fumaric, sarea acidului maleic dă 100% acidul eritro-clormalic ( deci adiţie 100% sin ), în timp ce sarea acidului fumaric dă numai 80% acid eritro-clormalic şi 20% acid treo-clormalic ( altfel spus, adiţie preponderent anti, dar şi adiţie sin în proporţie mai mică ).

Pentru ca lucrurile să se complice, acizii dimetil-maleic şi dimetil-fumaric ca săruri de sodiu, prin adiţie de halogen formează halogeno-β-lactone printr-o adiţie stereospecifică:

-OOC C

CH3

C

CO

CH3-O

X+

-OOC C

CH3

C

CO

CH3

O

X

21 22

7

Acizii monometil maleic şi monometilfumaric, la fel ca şi acizii maleic şi fumaric, nu formează astfel lactone.

Adiţia la acetilene decurge de asemenea în anti. Astfel, adiţia bromului la acid dicarboxi-acetilenic 23 duce cu 70% randament la izomrul trans:

HOOC COOH + Br2

HOOC Br

Br COOH 23 24 Alte dovezi privind intervenţia intermediarului ion de haloniu în

adiţiile de halogen la alchene vor fi discutate mai tărziu în acest capitol, precum şi în capitolul următor, dedicat reacţiilor de eliminare.

7.1.2. Alte etape în adiţia de halogen la alchene Ca şi în cazul substituţii aromatice electrofile, în adiţia de halogen la

alchene intervin şi alte tipuri de intermediari, în afara ionului de haloniu. Primul care a admis formarea unor complecşi între alchenă şi molecula de halogen, înaintea formării ionilor de haloniu a fost M. J. S. Dewar în Anglia. Dar cel care a adus şi dovezi experimentale în favoarea formării lor a fos Olah. În SUA.

Schema mai completă a mecanismului unei reacţii de adiţie de halogen este arătată mai jos.

+

X XX

X

X+ Produsi

25

În această schemă, 25 este complexul format iniţial. Dovezi în sprijinul acestei formulări vor fi aduse şi în capitolul următor.

7.1.3. Contribuţia Catedrei de Chimie organică Catedra de chimie organică din Politehnica Bucureşteană are o serie

de contribuţii în studiul mecanismului de adiţie de halogen la dubla legătură. Una dintre acestea priveşte reversibilitatea reacţiei de adiţie şi identificarea prin reacţiile date a celor trei intermediari importanţi din aceste reacţii. Aceste contribuţii vor fi prezentate ăn Capitolul 8.

8

Cealaltă contribuţie se referă la elucidarea diferenţelor care apar între perechile de acizi maleic-fumaric substituiţi cu grupe metil.

S-au reluat lucrările lui Kuhn privind adiţia de halogen la maleatul şi fumaratul de sodiu în apa – pe de o parte – şi ale lui lui Bartlett şi Tarbell privind adiţiile de halogen în apă la acizii dimetilmaleic şi dimetilfumaric, atăt în mediu neutru cât şi bazic. În plus, ceea ce nu fusese discutat în literatură, s-au inclus în studiu şi acizii monometilmaleic şi monometil-fumaric în cele două situaţii : adiţie de halogen în apă la acizii liberi şi la sărurile lor de sodiu.

Rezultatele pot fi rezumate în următoarele: a. Numai acizii dimetilmaleic şi dimetilfumaric dau prin adiţie de

halogen la sărurile de sodiu ale celor doi acizi β-lactone. Acizii monometil-maleic şi monometilfumaric adiţionează halogen în apă normal, ca şi acizii maleic şi fumaric, în schimb, în mediu bazic suferă şi decarboxilare.

CH3-C-COOH

H-C-COOH

Cl2: H2O

COOH

CH3C OH

CCl H

COOH

; C C

H

Cl

COOH

CH3

CH3-C-COOH

HOOC-C-H

Cl2: H2O

COOH

CH3C OH

CH Cl

COOH

; C C

Cl

H

COOH

CH3

26 27 28

29 30 31 Astfel, perechea aceasta de acizi nu se comportă nici ca perechea

acid maleic–acid fumaric, nici ca perechea acid dimetilmaleic – acid dimetil- fumaric. Cum se pot explica aceste variaţii de comportament când modificările structurale par nesemnificative?

Vom considera în primul rând perechea dimetilmaleat de sodiu şi dimetilfumarat de sodiu. În ionul de haloniu 32 care rezultă din dimetilfumaratul de sodiu, înghesuiala de la atomii de carbon Cα şi Cβ face ca atomul de oxigen încărcat cu sarcină negativă să se apropie destul de mult

9

de celălalt atom de carbon. Are loc o deplasare nucleofilă internă cu formarea inelului β-lactonic, 33.

CH3-C-COO-

-OOC--C-CH3

H3C

C

CO

CX

-OOC CH3

+ O- C

C O

COX

CH3

-OOC

CH3

32 33 In cazul adiţiei în mediu bazic la sărurile de sodiu ale acizilor

monometil- maleic şi –fumaric, ionul de haloniu respectiv nu este destul de înghesuit la centrul de reacţie pentru a impune formarea β-lactonei. Acesta ( 34 ) poate fi însă în echilibru cu carbocationul clasic ( 35 ) care se va stabiliza prin decarboxilare, formand 31

CH3-C-COO-

-OOC--C-CH3

H3C

C

COO-

C-OOC H

+

H3C

C

COO-

C-OOC H

X

+

C C

X

H

COO-

CH3

X

34 35 31 Se pune întrebarea în cazul perechii acid maleic – acid fumaric din

ce cauză numai acidul maleic în mediu bazic îşi schimbă în întregime tipul adiţiei ( 100% sin, în loc de 100% anti ) în timp ce acidul fumaric continuă să adiţioneze halogenul + apa 80% anti şi numai 20% adiţionează aceste elemente sin. O explicaţie ar fi că în ionul de haloniu care se formează din maleatul de sodiu şi halogen (36a), respingerea dintre sarcinile celor două grupe carboxil este atât de mare că ionul de haloniu trece în carbocationul clasic 37a pentru a se putea produce rotaţia în jurul axei centrale şi a trece în carbocationul 37b, acelaşi care ar rezulta şi din fumaratul de sodiu.

C C

H H

COO-

C C

X

COO-H

X

C

-OOCH

C COO-H

X

C

-OOCH

C HCOO-+++

H-OOC-OOC 36a 37a 37b Această interpretare desigur e plauzibilă. Apare o nouă întrebare.

Cum la maleat adiţia este 100% sin, trecerea ionului 37a în ion 37b trebuie să fie ireversibilă. Atunci, cum se explică faptul că şi fumaratul de sodiu dă 20% adiţie sin?

10

Ţinând seama de comportarea celorlalţi acizi, putem conchide: ionul fumarat formează ionul de haloniu 36b în care grupele negative nu se mai resping între ele. Ionul nu va avea tendinţa să treacă în 37b

C C

H COO-

C C

X

HCOO-

+

H-OCH-OOC O

C

C C

X

HCOO-

HO-

OC O

X

H

CCOO-H

-OOCH

OH

C C

X

HO

H

-OOC

COO-

H

36b 38

În schimb, ionul 36b va da α-lactona 38 (o inversie de

configuraţie) ; α−lactona 38, spre deosebire de o β−lactona, nu va putea fi izolată, fiind mult mai reactivă; reacţia cu ionul hidroxil va implica o nouă inversie şi rezultatul a două inversii este echivalent cu păstrarea configuraţiei. Rezultă acidul treo-clormalic. α−Lactonele sunt substanţe deosebit de reactive şi nu pot fi izolate. Apariţia lor a fost invocată pentru a explica stereochimia hidroliyei bazice a α-halogenoacizilor.

Comportarea celor trei perechi de acizi dicarboxilici demonstrează clar intervenţia a cel puţin doi intermediari în adiţia electrofilă de halogen: ionul de haloniu şi carbocationul β-halogenat deschis. În capitolul următor vom demonstra şi existenţa unui al treilea intermediar.

7.1.4. Stabilitatea ionilor de haloniu Ionii de haloniu, principalii intermediari din adiţiile electrofile de

halogen, rezultă cu uşurinţă, aşa cum s-a arătat, şi în cursul substituţiilor nucleofile ( v. capitolul 3 şi acest capitol, secţiunea 7.1.1 ), dar şi în cursul unor reacţii de eliminare ( v. capitolul 9 ). Formarea sa este în primul rând favorizată de entropia deosebit de favorabilă. Căldurile de formare ale unor astfel de ioni din dihalogeno-derivaţi depind în mare măsură de grupa fugace şi de natura atomilor de carbon implicaţi în proces.

În Schema de mai jos, s-a considerat formarea ionilor de haloniu din alchenă şi halogen. Nu se consideră transformarea acestuia în produs de adiţie şi s-a luat cazul cel mai favorabil: alchena este trans.

11

SCHEMA 7.6 Formarea ionilor de haloniu din alchenă şi halogen

H

R

R

H

X X

X

RH

HR

X

X

RH

HR

+

A B C

+ X-

Formarea ionului de haloniu C va depinde în primul rând de

afinitatea halogenului pentru alchenă în formarea complexului π B. Apoi, va depinde de uşurinţa cu care ionul de halogen X- se va

desprinde din B să dea C. Atât formarea lui B, cât şi a lui C vor depinde de natura halogenului

şi de tăria legăturilor sale cu atomii de carbon Cα şi Cβ. Astfel, vom putea exclude X = F, fluorul fiind halogenul cel mai electronegativ, fără nici o tendinţă de a pierde electroni şi deci de a forma ion de fluoroniu. În mod surprinzător intervenţia unui ion de fluoroniu – cu inel de cinci, insă – a fost demonstrată pe parcursul unei solvolize a unei fluoralchine ( 38 ) în acid trifluoracetic. Randamentul în produsul 40 este de numai 15%.

HC

C

H2C CH2

CH2

FF+

-HCOCOCF3

F3COCO

F

38 39 40 Reacţia de mai sus nu demonstrează că ar fi posibilă observarea

ionilor de fluoroniu şi în reacţii normale de adiţie. De sigur că iodul ar fi cel mai indicat, acesta putând ceda uşor

electroni şi având legături C – I destul de lungi pentru a permite închiderea unui ion de iodoniu. Vom vedea însă în capitolul tratând despre reacţiile de eliminare că în cazul iodului echilibrul din Schema 7.6 este mult deplasat spre starea iniţială. Cazurile favorabile rămân astfel pentru X = Cl şi Br, ionii de bromoniu fiind mult mai stabili decât cei de cloroniu.

În ceea ce priveşte stabilitatea ionilor de haloniu în comparaţie cu ionii de carbeniu cu care aceştia pot fi în echilibru trebuie subliniat faptul că de câte ori ionul de carbeniu poate fi stabilizat prin conjugări cu sisteme π,

12

ionul de haloniu ori nu se formează, ori – dacă rezultă – trece rapid în ionul de carbeniu:

Br+

+

Br2

cis sau trans

CH-CH-

Br

Astfel, adiţia bromului la cis sau trans stilben va duce fiecare la

ionul de bromoniu corespunzător. Acesta se va deschide la ionul benzilic, stabilizat prin conjugare. Rezultatul: ambii stilbeni vor da acelaşi produs.

7.1.5. Alte date confirmând mecanismul adişiei electrofile Numeroase alte date confirmă mecanismul discutat în secţiunile

precedente. Un exemplu este adiţia la diene conjugate.

H2CHC

HC CH2 H2C

HC CH CH2

X+

H2CHC

HC CH2-X

+

X

+

CH - CH2-Xr

CH - CH2-Xr

CH2 = CH - CHX-CH2X

XrH2C CH

HC CH2X

41 42

43 44

45

46

??

Adiţia halogenului la butadienă poate genera doi ioni de haloniu, fie

ionul de haloniu 41 cu inel de cinci atomi, fie ionul de haloniu 43, cu inel de trei atomi. Ionul 41 trebuie să fie suficient de stabil pentru a reacţiona cu anionul de halogen să formeze 1,4-dibrombut-2-ena cis, 42. În schimb, ionul de haloniu 43, mai puţin stabil, va trece imediat în ionul mezomer 44, mult mai stabil. Cei doi ioni pot genera dibromurile 45 şi 46.

13

Mislow şi colaboratorii au studiat atât clorurarea cât şi bromurarea . In toate cazurile au obţinut numai dibromurile 45 si 46; dibromura cis 41 nu a putut fi identificată. Aceasta arată ca ionul de haloniu cu inel de 5 atomi nu se formează şi ca ionul de carbeniu 44 e singurul intermediar de la care poate fi evidenţiat prin reacţiile sale.

X+

X

X

X2aditie anti

atac C4 atac C2

X

X

X

X

X

+

47 48

50 49 51 Un alt exemplu este adiţia de halogen la norbornenă. J. D. Roberts şi colaboratorii săi da cu halogenii 1,2-dihalogeno+norbornanul trans 48, rezultat dintr-un ion de haloniu normal, 47. Acesta trece însă în ionul neclasic de norbornil 49, responsabil de formarea celorlalţi doi produşi de reacţie.

Un exemplu studiat în catedra noastră este înrudit cu studiile lui J.D. Roberts. Astfel, hidrocarbura 52 formează ionul de bromoniu 53. Datorită faptului că atacul endo în acesta e împiedecat, acesta va trece în ionul neclasic 54. Singura interpretare a formării produsului de reacţie izolat este că ionul 54 trece într-un ion de bromoniu cu inel de 4 atomi.

Br+Br

+

Br+ Br

Br

52 53 54

54 55

Br2

14

Se pare că e singurul exemplu în care s-a semnalat intervenţia unui ion de haloniu cu inel de patru atomi.

Exemplele menţionate în această secţiune a capitolului demonstrează faptul că ionul de haloniu odată format poate trece în alte specii ionice mai stabile decât acesta, specii identificabile prin produşii de reacţie izolaţi şi identificaţi.

7.2. Alte adiţii de electrofili O serie de alţi electrofili, clorura de sulfenil sau sărurile mercurice,

se adiţionează la alchene similar halogenilor 7.2.1. Adiţia sulfenil clorurilor, R-SCl Adiţia clorurii de sulfenil la alchene a fost studiată de Kharasch,

produşii izolaţi rezultând conform următoarei scheme:

+ R-SCl

S

R

+C C

SR

Cl(3)

56 Ca şi în cazul adiţiei de halogen, intermediarul reacţiei are o

structură similară ionilor de haloniu; la fel ca şi acesta. ionul de episulfonium 56 va determina o adiţie anti a clorurii de sulfenil:

Ar-SCl S-Ar+ SAr

Cl 57 58 Obţinerea produsului 58 indică: i) atacul electrofilului la sistemul

norbornenic se face exo; ii) atacul nucleofilului ( Cl- ) este endo; deci intermediarul trebuie să fie 57.

Pentru a fi siguri că geometria observata a aductului nu e rezultatul unei împiedecări sterice, Brown a studiat şi reacţia corespunzătoare a 7,7-dimetilnorbornenii, 59. În acest caz, atacul exo al electrofilului trebuie să fie impiedecat de grupa metil din poziţia 7:

15

Ar-SClS-Ar+ SAr

Cl

H3C CH3 H3C CH3 H3C CH3

59 60 Produsul obţinut ( 60 ) are aceeaşi stereochimie ca cel obţinut în

reacţia precedentă, cu observaţia ca reacţia în acest caz e mult mai lentă, dimetilnorbornena reacţionează de 1800 de ori mai lent decat norbornena nesubstituită în 7. Aceasta demonstrează corectitudinea concluziilor precedente, pe de o parte şi intervenţia ionului ciclic de episulfonium, pe de altă parte.

Mueller a tratat cicloocta-1,5-diena cu clorura de metilsulfenil. Chiar când a folosit un mare exces de dienă faţă de clorura de sulfenil, a obţinut un aduct în care raportul diena:clorura de sulfenil este de 1:2

.

Cl

Me

S+

Cl

SMe SMe+

bisaduct

61 62 Aceasta arată că în aductul 1 : 1 ( 61 ) sulful interacţionează cu

dubla legătură rămasă, determinând atacul unei a doua molecule de clorură de sulfenil. Noul intermediar va da naştere aductului 1 : 2 obţinut.

7.2.2. Adiţia sărurilor mercurice Studiul reacţiilor de adiţie la dubla legătură carbon-carbon a

sărurilor de mercur a intrat în atenţie din 1900, în urma studiilor lui Hoffman şi Sand. Natura electrofilă a reacţiilor de adiţie rezultă din mai multe date. Întâi de toate din natura produşilor obţinuţi în adiţiile în medii conţinând diverşi nucleofili:

Formarea intermediară a complexului 63 pare a fi infirmată din următorul exemplu studiat de Brown şi colaboratorii. Mercurarea solvolitică a norbornenei este terminată în 30 de secunde; procesul similar în cazul 7,7-dimetilnorbornenei necesită cel puţin 15 minute.

16

C C + HgX2

C C

C C

C C

C C

HgX

YY-

HgX

OH

HgX

OR

HgX

NR2

H2O

ROH

HNR2

C CHgX

+

63

Se deduce de aici că reactivitatea relativă nu e mai mică de 30 şi nu

e mai mare de 140, ceea ce exclude formarea iniţială a intermediarului ciclic ( v. mai sus şi adiţia sulfenil clorurii la norbornenă şi 7,7-dimetilnorbornena pentru obţinerea aducţiilor 58 şi 60 ).

7.2.3. Adiţia hidracizilo Regioselectivitatea adiţiei hidracizilor la alchene şi la fel a hidratării

acestora catalizată de acizi este cunoscută de aproape 140 de ani. Astfel, se ştie că în astfel de adiţii, halogenul în adiţia de hidracid şi respectiv hidroxilul în adiţia de apă se leagă de atomul de carbon al alchenei cel mai substituit ( Regula lui Markovnikof, 1870 ). Ţinând seama că adiţia e o adiţie electrofilă, regula e uşor explicabilă:

CH3-CH = CH2 + HX CH3-CH - CH3

+- X- + X-

CH3-CHX - CH3 X : halogen, HO In exemplul de mai sus, grupa metil din propenă este respingătoare

de electroni şi astfel regula lui Markovnikov este respectată. Dacă însă, în loc de metilul respingător de electroni avem o grupă puternic atrăgătoare de electroni, regula nu mai este respectată:

CF3 CH = CH2 + HBr CF3-CH2-CH2BrAlBr3

In cazul 3,3,3-trifluor-1-propenei dubla legătură este atât de puternic

dezactivată de efectul grupei trifluormetil încât este nevoie de un catalizator.

17

Adiţiile anti-Markovnikov necesită drept substituent la unul din capetele dublei legături un substituent Z puternic atrăgător de electroni, C=C-Z. Dacă însă alchena este de tipul RCH=CZZ’, atunci adiţia poate fi urmată de o scindare a restului CZZ’:

R-CH = C(CN)2

H2O

H+RCH(OH)-CH(CN)2 R

HC

O-

HC

CN

CN

R C

O

H + -CH(CN)2 H2C CN

CN

64 65 66

Astfel, dinitrilul nesaturat 64 prin hidratare anti-Markovnikov

formează hidroxi-dinitrilul 65. Acesta în mediu bazic va suferi o scindare într-o aldehidă şi dinitrilul malonic.

Aşa cum ne-am aştepta, dacă în carbocationul intermediar sunt posibile transpoziţii, acestea şi sunt observate:

H3C C

CH3

CH3

HC CH2 H3C C

CH3

CH3

CH CH3+

H3C+

C

CH3

CH CH3

CH3

H3C C

X

CH3

CH

CH3

CH3

Reacţiile de adiţie au fost şi ele studiate, confirmând cele stabilite

pentru reacţiile de adiţie la alchene. Multe dintre acestea au aplicţii în sinteza curentă. Astfel, hidratarea acetilenelor duce la compuşi carbonilici

R-C≡C-R + H2O → R-CO-CH2R Reacţia aceasta de obicei se efectuiază în prezenţa sărurilor de

mercur. Intermediar rezultă un compus organomercuric care în mediu acid trece în compusul carbonilic.

Există şi alte reacţii considerate uneori drept adiţii electrofile, cum ar

fi adiţia carbenelor la alchene şi cu formarea de derivaţi ciclopropanici. Această reacţie va fi discutată însă într-un capitol viitor.

18

7.3. Probleme 1. Cum puteţi explica faptul că în adiţia halogenilor la alchenele 1 şi

5 se produc transpoziţii, în timp ce adiţia la alchena 9 are loc fără transpoziţii?

2. Cunoaşteţi o adiţie electrofilă la alchena 9 care are loc cu

transpoziţie? 3. Formulaţi adiţii de: a) brom, b) brom şi metanol c) acid clorhidric

şi d) clorură de sulfenil la: i) propenă ; ii) stiren ; iii) 1,1-difeniletenă Arătaţi mecanismul după care vor decurge aceste reacţii. 4. Cum ar trebui să meargă diverse adiţii electrofile la alchenele A şi

B de mai jos_

A B 5. Grunwald şi Winstein (1948) au aratat că hidroliza bazică a

acidului ( R )-2-clorpropionic duce la acidul ( R )-lactic. Cum explicaţi stereochimia acestei hidrolize.

6. Adiţionaţi brom la următorii compuşi nesaturaţi: i) cis-2-butena; ii) acid maleic iii) acid cis-crotonic Indicaţi mecanismul adişiei şi configuraţia ( R sau S ) a fiecărui

atom de carbon din produsul obţinut. 7. Ciclooctadiena-1,5 poate să existe sub forma a doi izomeri. Care

sunt acestia. Care dintre cei doi izomeri va da bis-aductul mentionat în secţiunea

7.2.1 din acest capitol? Puteţi să-l formulaţi?

19

8. Reacţia de adiţie a HCl la deutero-derivatul de norbornenă C duce la doi produşi, unul normal, netranspus ( D ) şi unul transpus ( E ).

CH3D3C D3C

CH3

Cl+

H3C

Cl

CD3 C D E Se cere : a. Cum explicaţi formarea acestor compuşi? b. Brown a observat că la timpi scurţi de reacţie, produsul netranspus

D predomină net în amestec. La timpi de reacţie mai lungi, D şi E rezultă practic în cantităţi egale. Cum explicaţi aceasta?

9. În adiţia acidului hipocloros ( Cl2 + H2O ) la compuşii alilici F

rezultă clorhidrina G, alături de alţi produşi.

CH2 = CH - CH2-X + HOCl H2CHC

OH Cl

CH2-X + alti produsi

F G Se cere: Cum explicaţi faptul că proporţia lui G în amestecul de produşi

depinde de natura lui X din F şi creşte în ordinea H < OH < Cl 10. Reacţia cis-1,2-di-t-butiletilenei cu clor dă numai produsul de

adiţie anti, în timp ce izomerul trans în plus faţă de aductul anti dă şi o cloralchenă, J, rezultată prin migrarea stereospecifică a unei grupe metil.

C C

But

H C(CH3)3

H

C CBut H

Cl

Cl

HC(CH3)3

C CBut H

Cl

CH3

HC(CH3)=CH2

+

+

H I J Cum explicaţi aceste rezultate obţinute în cazul celor două alchene

cis si trans.

20

7.4. Literatură 1. F. Badea, Reaction Mechanisms in Organic Chemistrz, Abacus

Press, Tunbridge Wells, Kent, 1977: Chapter 10. 2. 2. Jerry March, Advanced Organic Chemistry. Reactions,

Mechanisms and Structure, 4th Ed. Wilez and Sons, 1992, Chapter 15, pag. 734.

3. B.P.D. de la Mare, R. Bolton, Electrophilic Additions to Unsaturated Szstems, 2nd Ed. Elsevier, New York, 1982

4. A.W. Francis, J. Amer. Chem. Soc., 1925, 47, 2340. 5. G. Aschan, Ber. dtsch. Chem. Ges., 1928, 61, 42. 6. S. Winstein, J. Amer. Chem. Soc., 1956, 78, 592. 7. W.H. Puterbough şi M.S. Newman, J. Amer. Chem. Soc., 1957, 79,

5469. 8. I Roberts şi G. E. Kimball, J. Amer. Chem. Soc., 1937, 59, 947. 9. S. Winstein şi H. J. Lucas, J. Amer. Chem. Soc., 1939, 61, 1576,

2845. 10. B Holmberg, Svensk Kemisk Tidskrift, 1912 , 5; Chem. Zentr., 1912, 11, 1932. 11. R. Kuhn şi E. Ebel, Ber. dtsch. Chem. Ges., 1925, 58, 915. 12. M. J. S. Dewar, The Electronic Theory of Organic Chemistry, Oxford University Press, 1949; J. Chem Soc., 1946, 406. 13. G.A. Olah, şi T.R. Hockawender, Jr., J. Amer. Chem. Soc., 1974, 96, 3574. 14. P. D. Bartlett şi D. S. Tarbell, J. Amer. Chem. Soc., 1937, 59, 407. 15. K. Mislow şi H. M. Hellman, j. Amer. Chem. Soc., 1951, 73, 244; 1954, 76, 1175. 16. J. D. Roberts, F.O. Johnson şi R.A. Carboni, J. Amer. Chem. Soc., 1954, 76, 5692. 17. M. Avram, I. Poganz, F. Badea, I,G, Dinulescu şi C.D. Neniţescu, Tetrahedron Letters, 1969, 3851. 18. H.C. Brown, J.H. Kawakami şi K.T. Liu, J. Amer. Chem. Soc., 1973, 95, 2209. 19. W. H. Mueller, J. Amer. Chem. Soc., 1969, 91, 1223. 20. K Hoffman şi J. Sand, Ber. dtsch. Chem. Ges., 1900, 33, 1340. 21. J. Chat, Chem. Rev,. 1951, 48, 7. 22. H.C.Brown şi P. Geoghegan, J. Amer. Chem. Soc., 1967, 89, 1523; H.C. Brown, J.H. Kawakami şi S. Ikegami, ibid., 1967, 89,1525. 23. E. Grunwald şi S Winstein, J. Amer. Chem. Soc., 1948, 70, 841.

1

CAPITOLUL 8 Adiţii Nucleofile

Motto: Αφου δεν µπορω να βλεπω τον κοσµο που θελω, κοιµαµαι. Αθανασουλης Κριτων: Ο Κοσµος τα Ονειρα και ια Χερια Cum nu pot să văd lumea care mi-o doresc, visez

Athanasoulis Kriton ( 1916 – 1979 ): The Cosmos, the Dream and the Hands 8.1. Introducere Dublele legături C=O, C=NR, C=S, precum şi tripla legătură din

nitrili dau reacţii de adiţie în care atacul iniţial este produs de un nucleofil. De fapt, în toate aceste cazuri, dubla legătură are un caracter polar puternic, atomul de carbon din aceste sisteme având caracterul unui ion de carbeniu, stabilizat de heteroatomul negativ:

RC

R'

O O-R'R +

Nu:-

Nu:-

Nu

C O-

R'R

Nu

C O-

R'R

+

După cum se vede, molecula este plană, planul moleculei fiind în

acelaşi timp şi un plan de simetrie. În concluzie, cu egală probabilitate, atacul nucleofilului va putea avea loc de pe ambele feţe ale planului. Dacă R şi R’ sunt două grupe diferite, atomul de carbon atacat devine chiral. În adiţie va rezulta însă amestecul racemic. Putem trage mai multe concluzii:

a. Adiţia nucleofilă formal se aseamănă cu deplasarea nucleofilă: Deplasare nucleofila

Nu:- + R3C - X Nu - CR3 + X- (1)

Aditie nucleofila

Nu:- + R2C = O Nu - CR2 - O- (2)

2

Rezultă de aici că reacţia va depinde de factori similari cu cei discutaţi mai înainte: de natura reactantului şi de mediul de reacţie.

b. Ca şi în substituţia nucleofilă, ionul liat, Nu:- va fi mai reactiv decât specia protonată, NuH. Ţinând seama de echilibrul:

NuH + B: Nu:- + BH+ (3)

vom deduce că adiţiile nucleofile vor fi catalizate de baze

c. În cazul adiţiilor la grupa carbonil, caracterul electrofil al atomului de carbon din această grupă poate fi mărit prin protonare:

R2C = O

+ AH

+ A-R2C = O+H R2C+- OH (4)

Astfel, adiţiile la grupa carbonil vor fi catalizate şi de acizi. Aceasta

este adevărat şi pentru ceilalţi compuşi cu legături multiple susceptibili atacului nucleofil, de exemplu:

R2C = NR' + AH R2C = N+HR' R2C+-NHR' (5)

R-C N: + AH R-C N+H R-C+=NH (6) În cele ce urmează, vom discuta mai pe larg adiţiile nucleofile la

grupa carbonil din aldehide şi cetone. 8.2. Adiţii nucleofile la grupa carbonil Adiţiile la grupa carbonil din aldehide şi cetone sunt foarte frecvent

catalizate de acizi şi baze. Există şi cazuri în care adiţia este specific catalizată numai de baze, sau numai de acizi. Un astfel de exemplu este adiţia acidului cianhidric ( reacţia cianhidrină ). Această reacţie e specific catalizată de baze:

NC- + C O

C-

N C C O-

N C C O- + HCN N C C O-H + N

Dacă ar fi de faţă numai ionul cian, sau componentele reacţiei ar fi

doar acidul cianhidric şi compusul carbonilic, adiţia nu ar avea loc. Aceasta

3

pentru că în acidul cianhidric nucleofil este atomul de azot şi nu atomul de carbon. În schimb, condensarea aldehidelor cu fenoli poate să aibă loc atât în cataliză bazică, cât şi în cataliză acidă

O-

+ R-CH=O

O

H CH

R

O-

OH

CH - OH

R

A. In cataliza bazica

B. In cataliza acidaOH

+ R-CH+-OH

OH

CHR-OH

OH

CHR-OH

+

Produşii de reacţie pot fi totuşi diferiţi în cele două situaţii menţionate, ca în exemplul de mai sus. Totuşi, efectuarea reacţiei în cataliză acidă e singurul proces posibil în cazul condensării cu hidrocarburi aromatice, ca de exemplu cu benzen ( J.J. Hofmann şi A. Schriesheim, 1964 ).

Pot avea loc reacţii de condensare şi cu compuşi conţinând o grupă amino ( R – NH2 , R = alchil, aril, etc )

R - NH2 + C O R - N+H2 - C - O- R - NH - C - OH

R-N = C + H2O

În categoria reacţiilor la grupa carbonil trebuie considerate şi

reacţiile esterilor şi ai altor derivaţi funcţionali ai acizilor carboxilici. În hidroliza bazică a esterilor 1 în care oxigenul carbonilic este marcat izotopic, Moffat şi Hunt au observat că viteza de hidroliză a esterilor este mult mai mare decât viteza schimbului 18O între ester şi apă. Aceasta arată că în intermediarul hidrolizei, 2, transferul protonului cu formarea lui 3 este un proces relativ lent.

4

R1-C

=18O

- O-R2 + HO- R1 C

18O-

OH

OR2 R1-C *O *O- + R2OH

R1 C

18OH

O-

OR2

1 2

3

R1COOR2 + H-*O-*O = 18O

E foarte clar că echilibrul transferului de proton trebuie sa fie cauza

acestei limitări a vitezei de distribuţie a oxigenului marcat. Mecanismul adiţiei nucleofile a fost demonstrat printre altele şi de

datele cinetice. Astfel, adiţia compuşilor aromatici la grupa carbonil poate fi corelată ρσ, în care panta ρ are o valoare pozitivă ( ρ = +1,8 ). Valoarea pozitivă a lui ρ demonstrează că atomul de carbon al grupei carbonil devine în starea de tranziţie mai negativ, în acord cu mecanismul adiţiei nucleofile.

8.2.1. Ecuaţia Hammett ( ρσ ) Relaţia lui Hammett a fost prima încercare reuşită de a corela datele

cinetice obţinute cu structura. Hammett a studiat relaţia derivaţilor benzenului meta- şi para-substituiţi. Pentru aceasta, a studiat două tipuri de reacţii (7) şi (8) a două serii de compuşi aromotici, în ambele serii nucleul aromatic fiind substituit cu aceiaşi substituenţi:

YX

+ A Y'X

ZX

Z'X

Reactie comparata

X = substituentiY = Centru de reactieY' = Grupa rezultata

+ C

Reactie de referinta

kX , KX

k'X , K'X X = substituentiZ = Centru de reactieZ' = Grupa rezultata

(7)

(8)

Hammett a găsit că fie logaritmul constantelor de viteză, fie logaritmul constantelor de echilibru din cele două reacţii se corelează între ele:

log kx = a + ρ log k’X (9)

5

Sau : log Kx = a + ρ log K’X (10) Aceste relaţii pot fi puse în final sub forma:

logKX

KH

sau logkX

kH= ρ log

K'XK'H

= ρ logk'X

k'H Dacă notăm: σx = log k'X/k'H sau log K'X/K'H (11) vom putea scrie în final :

log

KX

KHsau log

kX

kH= ρσX (12)

Astăzi se cunosc valorile σX pentru cei mai mulţi substituenţi

întâlniţi în mod curent. Substituenţii X respingători de electroni au valori negative, cei atrăgători de electroni, prezintă valori pozitive ( v. Tab. 8.1 ):

Tabelul 8.1. Câteva valori σX pentru substituenţi aromatici

-------------------------------------------------------------------------------------------- Substituent X meta para Substituent meta para σm σp σm σp

====================================================== CH3 - 0,060 -0,170 O- -0,708 - 1,00 CH3CH2 - 0,070 -0,151 OH +0,121 - 0,37 Me2CH - 0,068 -0,151 OMe +0,115 -0,268 Me3C - 0,10 -0,197 F +0,137 -0,062 Ph +0,07 -0,01 Cl +0,373 +0,227 CN +0,56 +0,660 Br +0,391 +0,232 COO- -0,1 0.0 I +0,352 +0,276 CF3 +0,43 +0,51 NH2 -0,16 -0,66 ======================================================

O variaţie similară prezintă şi parametrul ρ. Reacţii în care centrul de reacţie devine mai negativ decât este iniţial, vor prezenta un parametru ρ pozitiv; în schimb procesele în care centrul de reacţie devine mai pozitiv au o valoare ρ negativă. În tabelul 8.2 se dau câteva valori ρ, determinate fie din reprezentarea logaritmului constantelor de echilibru, fie din variaţia logaritmului constantelor de viteză cu valorile σ ale substituenţilor.

6

Tabelul 8.2. Valori ρ -------------------------------------------------------------------------------------------- Reacţie Solvent Temperatură ρ ====================================================== Ar-COOH + H2O H2O 25 1,000 Acid 2-metilbenzoic + H2O 50% EtOH 25 1,073 ArOH + H2O → ArO- H2O 25 2,116 Ar-COOH + Ph2C=N=N EtOH 30 0,940 Ar-COOMe + H2O 60% aceton[ 0 2,460 ArO- + CH2-CH2 \ / 98% EtOH 70,4 -0,957 O ArO- + EtI EtOH 42,5 -0,994 ArCOCH3 + Br2 0,5 M HCl in 75% AcOH 25 +0,453 ====================================================== Toate reacţiile în care centrul de reacţie devine mai negativ prezintă valori pozitive; în schimb reacţii în care în starea de tranziţie se dezvoltă o sarcină pozitivă, sau se micşorează sarcina negativă, au valori ρ negative.

În formarea semicarbazonelor benzaldehidelor substituite, linia de corelare are o pantă ρ = +1,8. Valoarea pozitivă indică faptul că atomul de carbon din grupa carbonil devine mai negativ, aşa cum s-a mai spus. Hammett a arătat că formarea semicarbazonei acetonei şi pinacolonei au aproximativ aceleaşi entalpii, ∆H# = 2,0 şi respectiv 1,8 kcal/mol. Totuşi, raportul constantelor lor de viteză este de cca 103. Diferenţa dintre acestea nu poate fi atribuita entalpiilor de activare ci numai entropiilor de activare.

Pe de altă parte, ciclohexanona şi ciclopentanona au entropii de activare practic egale, dar ciclohexanona reacţionează de 53 de ori mai rapid decât ciclopentanona. În acest caz, diferenţa este determinată de de entalpiile de activare ( ∆H# pentru ciclohexanonă este 1,1 kcal.mol-1 şi respectiv pentru ciclopentanonă 4,0 kcal.mol-1 ). În cazul ciclopentanonei, rehibridizarea atomul de carbon carbonilic de la sp2 la sp3 va mări tensiunile Pitzer.

8.2.2. Adiţia carbanionilor la grupa carbonil

Aceste reacţii prezintă o largă aplicabilitate in sinteze în laborator şi în industrie. Fie menţionate numai reacţiile de condensare ale aldehidelor şi cetonelor, condensarea Claisen a esterilor şi altele.

7

a. Condensarea aldolică Condensarea aldolică se poate efectua în prezenţa unei baze, baza

fiind necesară generării carbanionului, reactantul din condensare ( Schema 8.1 ):

SCHEMA 8.1 Condensarea aldolică

CH3COR + B:-k1

k-1

- CH2COR + BH

H3C C

O

R

- CH2CORk2

k-2

H3C C

O-

R

CH2-CO-R

H3C C

O-

R

CH2-CO-R + BHk3

k-3

H3C C

OH

R

CH2-CO-R + B:-

În schema de mai sus, compusul carbonilic CH3COR reprezintă fie

acetaldehida ( R = H ), fie o cetonă ( R = alchil, aril ). Admiţând că reactantul în condensare este carbanionul şi ca

echilibrul ultimii reacţii este rapid, prin aplicarea teoriei fazei staţionare6 se determină relaţia (13):

viteza = -d[RCOCH3]

dt=

k1k2[RCOCH3]2 [B:-]

k-1[BH] + k2[RCOCH3](13)

Ecuaţia de mai sus poate să fie simplificată dacă k-1[BH] <<

k2[RCOCH3]. În acest caz, relaţia (13) devine: viteza = k1[RCOCH3] [ B:- ] (14) Cinetică de ordinul doi ( ordinul întâi în raport cu aldehida şi ordinul

întâi în raport cu catalizatorul ) a fost determinată în condensarea aldolică a acetaldehidei în soluţii concentrate. Mai mult, dacă se lucrează în apă deuterată, aldolul format nu conţine deuteriu. Aceasta arată că protonarea carbanionului ( k-1 ) trebuie să fie mult mai înceată decât reacţia acestuia cu

8

acetaldehida. În soluţii mult mai diluate, se incorporează deuteriu şi cinetica e mult mai complexă.

Dacă protonarea este mai rapidă decât adiţia carbanionului la dubla legătură carbonilică, atunci k-1[BH] > k2[RCOCH3] şi ecuaţia (14) devine:

d[RCOCH3]

dt=

k1k2

k-1KB

[RCOCH3]2[HO-] (15)

în care KB este constanta de echilibru a reacţiei reversibile :

B: + HOH BH+ + HO- Ecuaţia (15) a fost evidenţiată în cazul acetonei şi a altor cetone.

Ionul enolat al acetonei preferă astfel sa se protoneze în loc să se condenseze cu o altă moleculă de acetonă.

Condensarea compuşilor carbonilici în mediu acid corespunde de asemenea unei adiţii nucleofile la grupa carbonil. În acest caz reactantul nucleofil este enolul, mult mai puţin reactiv deât carbanionul, reactantul din condensarea în mediu bazic.

b. Condensarea Claisen Condensarea Claisen implică atacul unui carbanion la o grupă

carbonil nereactivă dintr-un ester: Carbanionul este generat chiar din ester.

B:- + R1CH2COORk1

k-1

BH + HC C

R1 OR

O HC C

R1 OR

O-..-

(16)

(17)

(18)

C

O

OR

R1CH HC C

R1 OR

O..-

R1CH2-C-CHR1-COOR

O-

OR

R1CH2-C-CHR1-COOR

O-

OR

R1CH2COCHR1COOR + RO-

4

5

Esterii sunt mult mai puţin acizi decât aldehidele sau cetonele.

9

Din această cauză sunt necesare baze mult mai puternice decât în condensările aldolice. Mai mult, enolatul 5 are o tendinţă mult mai mare să elimine carbanionul 4 şi să dea esterul mult mai stabil. Totuşi, esterul β-cetonic format este mult mai acid decât esterul iniţial, astfel că reacţia (19) va deplasa toate echilibrele spre formarea anionului esterului β-cetonic.

-R1CH2COCHR1COOR + RO- R1CH2COCR1COOR + ROH (19)

..

Practic, reacţia se execută prin condensare cu sodiu şi urme de

alcool. Acesta cu sodiu declanşează reacţia. Pe parcursul acesteia, alcoolul şi alcoolatul sunt continuu generate, ceea ce se consumă este numai sodiul.

c. Adiţia reactanţilor Grignard Adiţia reactanţilor Grignard la derivaţi carbonilici şi carboxilici este

aplicată foarte des în sinteza organică. În ciuda simplicităţii ei aparente, s-a recunoscut că mecanismul acestor reacţii este destul de complex ( Ashby, 1968, 1974 ).

O primă complicaţie este legată de reactant. Se ştie că legătura carbon – magneziu din reactanţii Grignard este puternic polarizată. S-a observat de multă vreme că în soluţie eterică, se stabileşte cu uşurinţă echilibrul (20):

2RMgX RMgR + MgX2 (20)R2Mg.MgX2 Echilibrul (20) mai este denumit şi echilibrul Schlenk. Astfel, în

mediu de reacţie vom avea trei specii conţinând magneziu, RMgX, RMgR şi R2Mg.MgX2 ; astfel într-un studiu de mecanism va trebui să considerăm şi acest echilibru. În soluţia eterică în care se lucrează, aceste trei speci vor putea genera trei specii solvatate:

R Mg X R Mg R X Mg X

OR2 OR2 OR2

OR2 OR2 OR2 O altă complicaţie în studiul acestor reacţii este că speciile cu

magneziu ( MgX2 inclus ) formează cu compuşii carbonilici complecşi, care fie pot decade în compuşi de adiţie, fie în alcoxizi de magneziu sau simplu, să rămână în soluţie. Mai mult, însuşi complexul rezultat poate fi un reactant pentru grupa carbonil ( vezi Schema 8. 2 ).

10

SCHEMA 8.2 Mecanisme posibile în adiţiile reactanţilor Grignard

A.

B.

C.

R1MgR2 + C O C O.........MgR1R2K k1

Produsi

R1MgR2 + C O C O.........MgR1R2K

k2Produsi

R1MgR2 + C O C O.........MgR1R2K R1MgR2

k3

CO

Mg R1

R2

Mg

R2

R1

Lucrurile se complică şi mai mult în stadiile ulterioare ale reacţiei.

Dar în ciuda acestor complexităţi, reacţia Grignard constituie o metodă sintetică des folosită în sintezele de laborator şi în sinteze de medicamente .

Sinteza Grignard este susceptibilă efectelor sterice. Se ştie de exemplu că cetone foarte împiedecate nu dau reacţia ( Miller et al., 1961 ). În locul reacţiei aşteptate pot avea loc reduceri (21) şi enolizări (22):

R1

CR2

O

H

CR2

CR2

XMg

R1

CH

R2

OMgX

+ R2C = CR2(21)

R2CH-CO-R1 + R2MgX R2C C

OMgX

R1 + R2H (22)

11

Mosher şi colaboratorii săi la tratarea di-izopropil cetonei cu clorura de izopropil-magneziu au stabilit că 70% din cetona iniţială suferă reducere şi 30% se enolizează. În acest caz, atât cetona cât şi derivatul organo-magnezian au cerinţe sterice mari.

Un alt exemplu de reacţie Grignard împiedecată steric a fost găsit în cazul trifenil-ciclobutanonei 6. Aceasta cu bromura de fenilmagneziu dă cetona aciclică 8.

Ph

H

Ph

Ph

O

Ph

H

Ph

Ph

O..-

PhCH = CH - CO - CPh2

-..PhCH = CH - CO - CHPh2

6 7

7 8 Deschiderea inelului ciclobutanonic are loc prin intermediul

carbanionului 7. Extragerea de proton este astfel preferată reacţiei de adiţie a reactivului Grignard la grupa carbonil.

Un alt exemplu de împiedecare sterică în astfel de reacţii a fost observat într-o condensare Claisen. Astfel, când litiu-izopropil-ciclohexil-amida ( LiICA ) este tratată cu acetat de etil în hexan la -70oC se formează numai sarea de litiu a acetilacetatului de etil. Totuşi, acetatul de t-butil , în aceleaşi condiţii, dă numai sarea de litiu 9. Prin prelucrare ( filtrare, îndepărtarea fracţiilor volatile ) se obţine sarea 9 cu 95 – 100% randament, care n-are nici o tendinţă să formeze esterul acetilacetic. Cu cetone reactive, totuşi, sarea dă naştere la β-hidroxi esteri ( reacţie Reformatsky ).

2 CH3COOBut + LiICAhexane; -78o

LiCH2COOBut

R-CO-R' + LiCH2COOButR

CR' CH2COOBut

OH

2 etape

9

9

Reacţia Reformatsky este la rândul ei o reacţie de adiţie a

carbanionilor la grupa carbonil, cu formare de β-hidroxiacizi:

12

R C

O

R' +R''

CR''' Br

COOEt1. Zn R

CR'

OH

C

R'''

R''

COOEt2.hidroliza

Compusul carbonilic se tratează cu esterul unui acid α-halogenat şi

zinc. Carbanionul este generat de esterul halogenat şi metal. Spre deosebire de reacţia Grignard, derivatul organo-metalic ia naştere chiar în mediul de reacţie, fără a fi nevoie să fie preparat în prealabil.

d. Reacţia Baylis – Hillman Reacţia Baylis – Hillman implică formarea unei legături C – C între

poziţia α a unui compus carbonilic α,β-nesaturat 10 ( ester, amidă ) şi un electrofil de tipul unei aldehide sau cetone, în prezenţa unei amine terţiare, cel mai bine DABCO ( 1,4-diazabiciclo[2,2,2]octan, 12 ) drept catalizator.

R

O

XH

+ R1-CO - R2R3N sau

DABCOC

O

X

H

R1 R2

OH

R;

N

N

DABCO 10 11 12 Mecanismul acestei reacţii implică în prima treaptă adiţia aminei

terţiare cu formarea unui enolat, 13 Acesta este reactantul nucleofil care se va adiţiona la dubla legătură carbonilică:

R

O

X

R3N: R3N

RCH

O-

X

R2C = O

R3N

RC

O

X

-OR

R

H

R3N

RC

O-

X

HOR

RR

C

O

X

HO RR

+ +

+13 14

15 16

13

Prin reacţia enolatului 13 cu compusul carbonilic rezultă alcoolatul 14 ; mutarea protonului de la Cα la oxigen formează enolatul 15, din care apoi se expulzează amina terţiară, catalizator, formându-se produsul final de reacţie.

Se cunosc numeroase aplicaţii în sinteză ale acestei reacţii. Astfel, pornind de la aldehida salicilică, 17 prin tratare cu 1-alchene ( 17, R = alchil: Me, Et etc. sau aril ) se obţin produşi de tip 16, în cazul de faţă fenolul 19 care se poate cicliza la 2H-cromena, 20.

CHO

OH

H R DABCO

OH

R

OH O

R

17 18 19 20

Pornind de la derivaţi substituiţi în nucleul benzenic cu diverse alte

grupe, se obţin asemănător derivaţi substituiţi în nucleul benzenic ai 2-cromenei.

e. Condensarea benzoinică şi retrobenzoinică Condensarea benzoinică constă în tratarea unei aldehide aromatice

cu ion cian pentru a rezulta benzoina, o aciloină sau α-hidroxi cetonă. Mecanismul reacţiei implică adiţia iniţială a ionului cian pentru a

genera în două etape reactantul nucleofil propriu zis, 21. Acesta e cel ce atacă dubla legătură carbonilică

O

CAr H

+ -CN Ar C

O-

CN

H

Ar C:-OH

CN

21

C Ar

O

H

Ar C

OH

CN

C

O-

H

Ar Ar C

O-

CN

C

OH

H

Ar Ar C

O

C

OH

H

Ar

22 23 24 Se obţine produsul de adiţie 22 în echilibru cu izomerul său 23. Din

acesta din urmă se expulzează ionul cian şi rezultă benzoina 24.

14

În orice condensare benzoinică, reactanţii cheie sunt cele două molecule de aldehidă aromatica. Una dintre acestea are funcţia de donor, cealaltă pe cea de acceptor. Benzaldehida poate îndeplini ambele funcţii, dar alte aldehide, pot funcţiona fie numai ca donoare, fie doar drept acceptoare. Un exemplu de aldehidă numai donoare este p-dimetilaminobenzaldehida.

Condensarea benzoinică, aşa cum rezultă din cele arătate în paragraful precedent, are un mecanism asemănător cu cel discutat mai sus. Catalizatorul, în acest caz ionul cian, se adiţionează la o legătură multiplă, la o grupă carbonil dintr-o aldehidă aromatică, când se generează reactantul nucleofil 21. Acest reactant ar putea fi asemănat cu 13 din reacţia Baylis – Hillman.

Destul de recent ( Breslow, 1996; Knight şi Leaper, 1998; Davis şi Forrester, 1999 ) s-au propus drept catalizatori săruri de tiazolium. Mecanismul propus de Breslow este arătat mai jos:

Schema 8.3

Mecanismul condensării benzoinice cu săruri de tiazolium

N

SH

+ B:-N

S

N

SC

N

SC

O = C

R

H

- BH+ BH

R

HHO

N

SC

R

HHO

-:BR

OH O=CHR

N

SC C

R

HOH

R

OH

BH

N

SC C

R

HOH

R

OH

B:-

24 25

25 26 27

27

24 + R-CHOH-CO-R

Potrivit acestui mecanism, pe lângă sarea de tiazolium este necesară

şi prezenţa unei mici cantităţi dintr-o bază ( trietil amină ), care cu sarea de tiazolium să genereze nucleofilul catalizator, 24. Acesta se adiţionează la aldehidă, după care etapele sunt similare celor din cataliza prin ion cian.

15

Inversul acestei reacţii, numit condensarea retro-aciloinică, este frecvent aplicată pentru prepararea de cetone. Dăm mai jos câteva aplicaţii ale acestor reacţii. Într-unul din exemple este dată obţinerea desoxi-benzoinei 28:

PhC

O

C

Ph

OH

Ph KCN; DMFPh-CH=O +

PhPh

O

28 Condensarea retro-benzoinică este adesea folosită în industria de

medicamente sau de cosmetice. Un exemplu îl constituie obţinerea anti-inflamatorilor 4,5-diaril-imidazolici, ca de exemplu 4-(4-metilsulfonilfenil) -5-fenil-2-trifluormetil-1H-imidazol, 29 :

HN N

CF3

SO2Me29 După Barta şi colaboratorii ( 1998 ), sintezele unor astfel de anti-

inflamatorii au la bază astfel de condensări. Mai jos este dată schematic sinteza lui 29.

CHO1.TMSCN ZnI2

2. Prelucrare

CHO CN 1. Me3Si-NLi-SiMe3

LiHMD THF/ -78OC

2. MeS CH=O

C

HC

SMe

OH

O

H

30 31

mai multe etape29

Exemplul condensării benzoinice este deosebit de instructiv. O

reacţie cunoscută de multă vreme şi tot de atâta vreme aplicată in laborator şi industrie, îşi găseşte noi aplicaţi şi noi desvoltări.

16

8.2.3. Condensări între aldehide şi cetone Grupa carbonil aldehidică este mult mai reactivă decât grupa

carbonil cetonică. Din această cauză, în mod obişnuit nu vom putea face o condensare aldolică între o cetonă şi o aldehidă. În exemplu de mai jos, încercând să obţinem fie aldolul 32, fie cetona nesaturată 33 din benzofenonă şi acetaldehidă vom obţine numai aldehida crotonică, 34:

CO

CH3-CH=O

Ph2C(OH)-CHO sau Ph2C = CH - CHO

CH3-CH = CH - CHO

32 33

34 Şi totuşi, Wittig a găsit o posibilitate de a obţine 32, apelând la baze

Schiff metalate ( 1968). Metoda a fost descoperită în cursul studierii benzinului ( 1,2-dehidrobenzenului ) din fluorbenzen, fenil-litiu şi în prezenţă de dietilamină. În afara produsului dorit, a mai obţinut şi α-fenil-dietilamină:

F

PhLi

C6H6

LiNEt2H

Li

+N

HC

Et

Me

LiN

C

Et

MePhH

35 36 37 38 Formarea acesteia implică acceptarea de către dehidrobenzenul 35 a

hidrurii de litiu din litiu dietilamină cu formarea fenil-litiului 36, urmată de adiţia acestuia la baza Schiff 37 . Pentru confirmarea acestei ipoteze, benzo-fenona a fost tratată cu litiu-dietilamină, în speranţa de a abţine alături de baza Schiff 37 şi benzhidrol :

COLiNEt2

- CH(OH) - + 37

Se obţine într-adevăr benzhidrol, dar nu se obţine baza Schiff 37 ; în

locul acesteia se obţine un compus litic 38, care prin hidroliză generează aldolul 32 :

17

LiNEt2 + CH3-CH2-N = CH - CH3HNEt2 + LiCH2 - CH = N - Rt

37 38

38 + Ph2COC

O

H2C

CH

NEt

PhPh

Li

H2OPh2C(OH)-CH2-CH=O

39 32 Procedeul lui Wittig a fost confirmat apoi şi de alţi cercetători

( House et al., 1973 ). Metoda are la bază faptul că baza Schiff litiată trebuie să fie mai puţin reactivă decât componentele unei condensări aldolice obişnuite.

8.2.4. Stereochimia adiţiilor la grupa carbonil În introducerea la acest capitol s-a arătat că produsul unei adiţii

obişnuite la grupa carbonil în care atomul de carbon are doi substituenţi diferiţi este de regulă un amestec racemic, cele două direcţii de atac posibile la grupa carbonil fiind la fel de probabile.

Totuşi, dacă unul din cei doi substituenţi este chiral, cele două feţe ale planului grupei carbonil nu mai sunt identice şi unul din enantiomeri va predomina. Conform regulii lui Cram (1952), nucleofilul va ataca molecula din partea cea mai puţin ecranată de substituenţii de la atomul vecin ( Fig.8.1):

C

R

O

mic

Med

M

Nu:-

M

Mediu

mic

Nu

HO

R Fig, 8.1. Ilustrarea regulii lui Cram: Atacul nucleofilului se face din partea mai puţin ecranată Un astfel de atac va corespunde la o adiţie stereospecifică. Această

regulă stereochimică implică o inducţie asimetrică-1,2 ( centru asimetric vecin ). Foarte importantă este şi inducţia asimetrică-1,4, intervenind în reducerea esterilor chirali ai acizilor α-cetonici.

18

Să considerăm reacţia cu compus organo-magnezian a esterului etilic al acidului fenilglioxilic:

C6H5-CO-COOC2H5 + CH3MgX C6H5-C-COOC2H5

CH3

H

C6H5-C-COOC2H5

H

CH3

+

50% 50% Din fenilglioxilatul de etil rezultă astfel amestecul racemic al

esterului acidului atrolactic. Dacă însă acidul fenilglioxilic este esterificat cu un alcool optic actic, atunci rezultă un amestec din cei doi enantiomeri din care unul va predomina. În Schema 8.4 este indicată reducerea a doi esteri cu alcooli optic activi: unul natural, (-)-mentolul şi celălalt un produs de sinteză, derivat de bifenil. In acesta, R1 este CH = CH – Ph şi R2 CH = CH2 :

SCHEMA 8.4

Sinteze asimetrice de acid atrolactic

C6H5-CO-COOR* + CH3MgX C6H5-C-COOR*

CH3

H

C6H5-C-COOR*

H

CH3

+

R*OH : alcool optic activ

C6H5-C-COOH

CH3

H

C6H5-C-COOH + R*OH

H

CH3

+R*OH =

H

PriH3C

H

OH

H

( - )Mentol 55% 45% 100%

OHH3CO

R1 R2

OCH3

93% 7% 100%

19

Utilizarea (-)-mentolului a constituit unul din primele exemple de inducţie asimetrică-1,4 iar rezultatul a fost relativ modest. Utilizarea unui produs de sinteză, derivatul de bifenil, este însă un succes în domeniu.

Se pot realiza sinteze asimetrice prin inducţie asimetrică folosind şi alte derivări cu mulţi alţi agenţi optic activi. În exemplu din Schema 8.5 reactantul chiral cu care se face derivarea este o hidrazină optic activă, un derivat de 1-aminopirol, 40:

SCHEMA 8.5 Sinteza asimetrică a 4-metil-3-heptanonei

CH3-CH2 C

O

CH2-CH3

N

OCH3

H

NH2

*+ CH3-CH2 C

N

CH2-CH3

N

OCH3

H *

CH3-CH2 C

N

CH-CH3

N

OCH3

H

*

CH2-CH2-CH3

1. (i-Pr)2NLi

2. n-Pr-I

S-40 41

CH3-CH2 C

O

C

CH2-CH2CH3

CH3

H

*HCl

pentan

S-4342

Se porneşte de la 3-pentanonă care se trateaza cu S-40 pentru a da

hidrazona 41. Tratarea acesteia cu di-i-propil-aminolitiu urmată de tratare cu iodură de n-propil şi în final hidroliza hidrazonei 42, duce la obţinerea cetonei S-43 ( 4-metil-3-heptanona ).

În loc de un auxiliar chiral, ca în cele două exemple precedente, se poate utiliza un reactiv chiral, exemplul de mai jos fiind ilustrativ:

Ph C

O

COOH +

N

H3C

CH2-Ph

H

Mg2+Ph C

H

OH

COOH +

N

CH3

CH2OH CH2OH

CH2Ph

+

Acid S-(+) mandelic44 45

20

Acidul S-(+)-mandelic este obţinut din acidul benzoilformic prin tratare cu reactivul chiral, 44, care poate ceda doi atomi de hidrogen pentru a trece în sarea de piridiniu 45.

O posibilitate deosebit de importantă, fiind direct legată de procesele biochimice din celula vie este folosirea de mediu sau catalizator chiral. Vom da un singur exemplu, in care catalizatorul este o enzimă, fumaraza.

C C

Cl COO-

-OOC H

H2O

fumaraza

Cl

CH COO-

C-OOC H

OH(-)-treo

Ultima posibilitate este ca o reacţie fotochimică să fie executată în lumină circular polarizată. Nu s-au obţinut rezultate mulţumitoare până în prezent, dar cel puţin s-a demonstrat că şi această posibilitatea ar putea fi utilizată.

8.3. Adiţii la tripla legătură Alchinele prezintă un interes deosebit în tehnologia chimică, fiind

aplicate pe scară mare în industrie. Ele pot prezenta atât adiţii electrofile, cât şi adiţii nucleofile. De interes sunt şi adiţiile la tripla legătură carbon-azot din nitrili, cianaţi.

Un mecanism care survine frecvent în adiţii la aceste legături este desemnat drept mecanism Ad3 ( Fahey şi colab., 1966 ). În astfel de adiţii, sunt implicate 3 molecule: acetilena, reactantul ( o moleculă sau două ) şi eventual catalizatorul. Astfel, adiţia hidracizilor la acetilene decurge astfel:

C C + 2 HX C C

−Xδ

H.....Xδ−

C C

X

H

Trebuie observat că acest mecanism ( Ad3 ) duce la produşi de adiţie

în anti Probabil că cea mai studiată reacţie a acetilenei este hidratarea

acesteia în prezenţă de sulfat mercuric şi acid sulfuric. Spre deosebire de reacţia precedentă, aceasta implică în primă fază adiţia electrofilă a mercurului la tripla legătură:

21

H C C H + XHg+ XHg-CH = CH+ XHg-CH = CHOH CH3-CH=O

46 Intermediarul cheie în proces este cationul vinilic 46. Acest

mecanism se pare că a fost propus pentru prima dată de Neniţescu ( Chimia Organică vol. 1, Bucureşti ).

Nucleofili puternici, ca ionul tiofenoxid, se pot adiţiona la tripla legătură tot printr-un mecanism Ad3, în anti :

Me - C C - COOR + Ph-S- C = C

ROOC

Me

S-Phδ−

EtOH

Me - C = C - COOR

H

Ph-S

Iniţial s-a crezut că un astfel de mecanism are un caracter electrofil.

Mai târziu s-a înţeles totuşi că la reacţii decurgând astfel poate predomina fie caracterul nucleofil, fie cel electrofil, dar întotdeauna vor fi prezente ambele caractere. În elucidarea unor astfel de probleme un raport l-au adus doi compatrioţi de-ai noştri, soţii Bacaloglu, Martin şi Nadolski ( 1971-1974 ). Studiile lor au privit adiţia la aril-cianaţi a aminelor şi fenolilor.

Ar1-O-C N + R2NHAr2OH

Ar1-O-C - NR2 (23)

NH

Ar1-O-C N + Ar2OHR2NH

Ar1-O-C - OAr2 (24)

NH Reacţiile au fost urmărite fie prin titrare potenţiometrică, fie

spectrofotometric. S-au determinat entalpii de activare relativ joase ( ∆H# = 9,6 kcal.mol-1 pentru reacţia (23) şi 8,8 kcal.mol-1 pentru (24) ). În schimb entropiile de activare sunt puternic negative ( ∆S# cca -43 u.e. pentru ambele reacţii). Aceasta indică faptul că reacţiile sunt controlate entropic.

Cele două stări de tranziţie propuse – în acord cu entropia foarte negativă determinată – sunt 47 şi 48.

22

X1

OC

N

O

H

X2

NH

Me

X3

X1

OC

N

N

H

X2

OH

X3

Me

47 48 Lucrări ulterioare au arătat că vitezele acestor reacţii se corelează cu

parametri Hammett pentru substituenţii X1 – X3 din cele trei componente, parametri ρ demonstrând caracterul electrofil – nucleofil al acestor reacţii.

8.4. Probleme 1. Cum explicaţi produşii diferiţi rezultaţi în reacţia fenolilor cu

aldehide, în cele doua tipuri de cataliză, bazică şi acidă ( v. şi pag. 3 din acest capitol ).

2. Explicaţi din ce cauza pentru fluor, valoare σm e pozitivă, în timp

ce valoarea σp e negativă ? Discutaţi şi diferenţele în semn şi valoare ale celor doi parametri

pentru grupele OH şi OMe ( v. Tebelul 8.1, pag 5 din capitol ). 3. Comentaţi valoarea ρ pozitivă pentru reacţiile acetil-arenelor cu

brom ( v. Tabelul 8.2 pentru alte date ) 4. În condensarea aldolică a aldehidelor, dacă se lucrează în apă

deuterată, aldolul rezultat nu conţine deuteriu. a. Ce arată aceasta ? b. Explicaţi de ce ar trebui să conţină deuteriu aldolul rezultat dacă

raportul constantelor de viteză ar fi altul ( v. şi Schema 8.1, pag. 7 ). 5. Cum explicaţi diferenţa de reactivitate dintre acetaldehidă şi

acetonă în condensarea aldolică ( v. pag. 7 – 8 ). 6. Explicaţi modul în care îşi deschide ciclul ciclobutanona 6 la

cetona aciclică 8 ?

23

Dacă ciclobutanona 6 nu ar fi substituită cu cele trei grupe fenil, cum ar decurge reacţia cu compusul organomagnezian ?

7. Cum s-ar putea prepara ciclobutanona 6 ? Dar cetona 8? Încercaţi

să denumiţi aceşti compuşi conform regulilor nomenclaturii chimice adaptate la limba română.

Indicaţie: Vezi: D. Purdelea, Nomenclatura Chimiei Organice, Editura Academiei Republicii Socialiste, România, Bucureşti, 1986,

8. Indicaţi fiecare treaptă din mecanismul obţinerii desoxibenzoinei

( 28 ) prin reacţie de condensare retro-benzoinică ! 9. Cum vă imaginaţi obţinerea anti-inflamatorului 29 prin aplicarea

condensării retro-benzoinice? 10. Ce fel de chiralitate prezintă fenolul din Schema 8.4, utilizat

intr-o inducţie asimetrică-1,4 ? Puteţi desena cei doi enantiomeri, R şi S , ai acestuia? 11. Figuraţi cei doi enantiomeri, R şi S, ai 4-metil-3-heptanonei. 12. Cum se pot obţine 1-pirolidinil-aminele? 8.5. Literatură 1. László Kürti şi Barbara Czakó, Strategic Applications of Named

Reactions in Organic Synthesis, Elsevier, Academic Press, 2005 2. J.J. Hofmann şi A. Schriesheim, în Friedel- Crafts and Related

Reactions ( G.A. Olah, editor ), Interscience, New York ( 1964 ), p.597. 3. A. Moffat şi H. Hunt, J. Amer. Chem. Soc., 1959, 81, 2052. 4. L.P. Hammett, J. Chem. Educ., 1966, 43, 464. 5. D. J. Cram, Fundamentals of Carbanion Chemistry, Academic

Press, New Zork, 1965. 6. vezi de ex., S.W.Benson, The Foundation of Chemical Kinetics,

McGraw Hill, New York, 1960; p.573. 7. E. C. Ashby, Quart. Rev. Chem. Soc., 1967, 21, 259; E.C. Ashby,

J. Laemmle şi H. M. Neumann, Accounts Chem. Res., 1974, 7, 272. 8. W. Schlenk, Ber.dtsch.chem.Ces., 1929, 62B, 920.

24

9. J. Miller, G. Gregoriou şi H.S. Mosher, J. Amer. Chem. Soc., 1961, 83, 3966. 10. M. W. Rathke, Org. React., 1975, 22, 423. 11. Y.M.A. Yamada, S. Ikegami, Tetrahedron Lett., 2000, 41, 65-69. 12. W.S. Ide, J.S. Buck, Org. React., 1948, 4, 269-304. 13. R.L. Knight şi F.J. Leaper, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 1996, 1891. 14. J.H.Davis, Jr. şi K.J. Forrester, Tetrahedron Lett., 1999, 40,1621. 15. R. Breslow şi C. Schmuck, Tetrahedron Lett., 1996, 37, 8241. 16. T. E. Barta, M. A. Stealey, P. W. Collins şi R. M. Weler, Bioorg. Med. Chem. Lett., 1998, 8, 3443. 17. G. Wittig şi H. Reiff, Angew. Chem., 1968, 80, 8. 19. H.O. House, D.S, Crumine, A. Y. Taranishi şi H. D. Olmstead, J. Amer. Chem. Soc., 1973, 95, 3310. 20. D. J. Cram şi F. A. Abdelhafez, J. Amer. Chem. Soc., 1952, 74 , 5828, 5846. 21. J. D. Morrison şi H.S. Mosher, Asymmetric Organic Reaction, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Zork, 1971. 22. v. de exemplu: J. A. Nieuwland şi R.R. Vogt, The Chemistrz of Acetylene, Reinhold, New Zork 1945. 23. R. C. Fahez şi D. J. Lee, J. Amer. Chem. Soc., 1966, 88, 5535. 24. I. Bacaloglu, K. Nadolski, R. Bacaloglu şi D. Martin, J. Prakt. Chem., 1971, 313, 839; I.Bacaloglu, R. Bacaloglu, D. Martin şi R. Nadolski, ibid.,1974, 316, 529.

1

CAPITOLUL 9 Reacţii de eliminare

Motto: Men need not always live by bread alone. There is something else.

We do not yet know what it is; but some day we shall find out; and then we will live on that alone; and there shall be no more digging, nor spinning, nor fighting, nor killing

George Bernard Shaw Back to Methuselah; Part I; Act II 9.1. Introducere Eliminarea sincronă sau în trepte a două grupe X şi Y dintr-un

substrat X-A-Y pentru a da o moleculă A de nesaturare mai mare decât substratul se numeşte reacţie de eliminare.

Sunt trei clase mari de eliminări: Eliminări α: Cele două grupe X şi Y se găsesc legate de acelaşi

atom. Ele conduc la compuşi instabili, neutri din punct de vedere electric şi posedând în jurul atomului central numai un sextet de electroni:

R2

CR1

X

YR1R2C: + (X) + (Y) (1)

R NX

Y

sincron sau

in trepte

sincron sau

in trepte

RN: + (X) + (Y) (2)

În reacţia (1) a rezultat o carbenă iar în reacţia (2) o nitrenă. Despre

astfel de molecule am mai discutat în capitolul 2 al acestui curs ( secţiunea 2.1.4.a ).

Eliminări β: Cele două grupe X şi Y se găsesc legate de doi atomi vecini. Acestea conduc la compuşi stabili, cele mai importante dintre ele sunt eliminările de la doi atomi de carbon alăturaţi:

R1CHX - CHY-R2 R1CH = CHR2 + (X) + (Y) (3)

2

Rezultă în felul acesta alchene. Despre eliminările ducând la alchene vom discuta mai pe larg în acest capitol.

Eliminări γ : Grupele care se elimină sunt aşezate în poziţii 1,3, produsul eliminării fiind un ciclopropan:

CH2C

C

X

Y+ (X) + (Y) (4)

Ultima reacţie ar părea fi mai bine încadrata drept o ciclizare decât

drept o eliminare. Cu toate acestea ea se încadrează perfect definiţiei dată eliminărilor; în plus, ciclopropanul şi derivaţii ciclopropanici obţinuţi astfel prezintă un caracter nesaturat, putând da reacţii de adiţie foarte asemănătoare cu adiţiile compuşilor nesaturaţi tipici ( de exemplu: alchene, carbene ).

Evident, se cunosc şi reacţii de eliminare care nu implică numai legături ale carbonului. Un exemplu a fost dat prin reacţia (2); un alt exemplu de eliminare β din aceasta categorie de eliminări este reacţia (5)

R - NX - NY - R R - N = N - R + (X) + (Y) (5) Reacţiile de eliminare prezintă şi ele mai multe mecanisme de

reacţie care urmează a fi discutate în cadrul fiecărui tip de eliminare. Pentru moment fie numai menţionat faptul că respectând principiul reversibilităţii microscopice, reacţiile de eliminare fiind inversul reacţiilor de adiţie trebuie să adopte mecanisme similare cu cele ale adiţiilor.

Eliminări neconcertate a celor două legături: Acest tip de ruperi a lui X şi Y poate corespunde la două mecanisme diferite.

Eliminarea E1cB: Primul dintre acestea implică transferarea grupei electrofile la un acceptor cu formarea intermediară a unui anion, urmată de o a doua etapă cu expulzarea anionului:

Y - A - X

acceptor(Acceptor)+-X + Y - A- (6)

Y - A- A + Y- (7) Evident, etapa determinantă de viteză trebuie să fie formarea

anionului. Cel mai frecvent X este H iar acceptorul o bază. In acest caz, eliminarea va fi desemnată drept eliminare E1cB ( eliminare unimoleculară din baza conjugată )

3

Eliminarea E1: O eliminare neconcertată a lui X şi Y poate să implice şi formarea unui carbocation care final expulzează electrofilul. Un astfel de mecanism este denumit Eliminare E1.

X - A - Y X - A+ + Y- (8) X - A+ A + (Acceptor)+-X (9) Eliminările E1 însoţesc frecvent reacţiile SN1 care au un intermediar

comun cu acestea, un carbocation. Şi la fel eliminările E1 pot fi însoţite de reacţii SN1, din aceleaşi motive.

Eliminarea E2: Pe lângă aceste două mecanisme, eliminarea poate implica şi ruperea concertată a celor doua legături:

X – A – Y → A + (X) + (Y) (10) Acest mecanism este desemnat drept mecanism E2. Mecanismul carbanionic are o variantă, mai rar întâlnită şi care

implică într-o primă etapă formarea unui intermediar. Acesta suferă apoi un atac bimolecular dând produsul de eliminare ( Schlosser şi Ladenberger, 1967 ):

Ph-CH = CHCl+ RLi

- RHPh-CH = CClLi (10)

Ph-CH = CClLi + RLi-RH

-LiClCLiPh - C (11)

Carbanionul intermediaar poate fi captat şi identificat, confirmând

astfel mecanismul propus. Această eliminare a fost desemnată drept Eliminare E2cB.

Există numeroase cărţi şi articole de ansamblu dedicate acestor tipuri de reacţie. Dintre acestea vom cita numai unele dintre ele ( citatele 1 – 6 de la sfârşitul capitolului ).

9.2. Eliminarea α (Εα) În această secţiune ne vom ocupa în special de eliminarea α de la

atomul de carbon, eliminare care duce la formare de carbene:

R2CXYk1

k-1

R2C X..- k2

k-2

R2C: + X- (12)

Produ;i

4

Carbenele rezultate nu sunt produşi stabili. Pentru identificare ele trebuie captate, de obicei cu o alchenă, produsul fiind un ciclopropan.

Aşa cum se obţin carbenele ( prin eliminări α ) şi se identifică prin captare, astfel se obţin şi alţi intermediari reactivi:

R – N: ; :SiR2 ; R2C = C: ; R2C = C = C: ; O = C = C:

1 (Nitrena) 2 (Sililena) 3 (Viniliden- 4 (aleniden- 5 (carboxo- carbena) carbena carbena) Structura carbenelor a fost tratată în Capitolul 2 al cursului

( secţiunea 2.1.4. a ). Reamintim că ele pot avea două tipuri de structuri. O structură în care atomul de carbon are o hibridizare sp determină o

structură liniară ( carbenă triplet ); în cealaltă structură, atomul de carbon central are o hibridizare sp2 si molecula este plană ( carbenă singlet ).

H H

H - C - H :CH2..

H

H

Prin metodele de eliminare care vor fi descrise, chiar dacă pentru

unele carbene ( de exemplu pentru metilena. CH2 ) structura cu hibridizare sp este mai stabilă, va rezulta numai carbena singlet care, dacă are timp, poate trece înainte de a reacţiona în specia triplet mai stabilă. Aceasta, pentru că în eliminările din starea fundamentală, multiplicitatea speciilor ( spinul total ) se conservă pe parcursul reacţiei. Toate eliminările α generează astfel numai carbene singlet.

Deşi existenţa carbenelor a fost presupusă de Geuther încă din 1862, abia după circa 90 de ani existenţa lor a fost demonstrată cinetic, în hidroliza catalizată de baze a cloroformului ( Hine, 1950).

HO- + HCXYZ HOH + -:CXZY

-:CXZY X- + :CYZ (14)

(13)

În ecuaţiile de mai sus, X,Y, Z reprezintă atomi de halogen, hidroliza fiind a unor haloformi. Marcarea cu D a demonstrat uşurinţa cu care suferă eliminarea diverşii haloformi:

5

CDI3 = CDBr3 > CDBr2Cl > CDBrCl2 > CDBr2F > CDCl3 > CDCl2F~

Ordinea stabilită corespunde aproximativ cu ordinea stabilităţii

carbanionilor respectivi Etapa a doua din mecanismul eliminării α din haloformi corespunde

unei reacţii SN1 ( sau E1 ); ca şi într-o reacţie SN1, expulzarea anionului trebuie să fie ajutată fie de factori externi ( de exemplu solvent ), fie de factori structurali interni. Totuşi, explozia pricinuită de interesul crescut în chimia carbenelor nu a fost deşteptată de aceste studii cinetice privind eliminarea α din haloformi.

Explozia a avut loc în 1954 odată cu publicarea de către Doering şi Hoffmann a rezultatelor lor privind generarea diclor- şi dibrom-carbenei şi captarea uşoară a acestora cu alchene.

Aceşti autori au folosit o bază foarte puternică, t-butoxidul de potasiu ( tBu-OK ), haloform într-un exces de ciclohexenă:

tBu-OK + HCBr3tBu-OH + -:CBr3

Br- + :CBr2

Br

Br+ :CBr2

6

-:CBr3

Folosirea unui alcoolat de potasiu al unui alcool puternic împiedecat

steric într-un mediu practic aprotic, aciditatea mai mare a haloformilor decât a unui derivat monohalogenat a făcut ca echilibrul extragerii de proton să fie deplasat spre dreapta. Dibromnorcaranul 6 şi diclornorcaranul obţinut din cloroform rezultă cu randamente satisfăcătoare.

Interesul pentru lucrarea lui Doering şi Hoffmann n-a fost datorat numai demonstrării efective a eliminării α prin acest studiu; interesul major a fost provocat de posibilitatea de a obţine ciclopropani cu uşurinţă, ceea ce nu fusese cazul până atunci.

Metoda iniţială a fost rapid îmbunătăţită. S-a constatat că nu era necesară folosirea unui exces mare din alchenă pentru obţinerea de randamente bune în ciclopropani; excesul de ciclohexenă asigura un mediu aprotic şi puţin polar, necesar desfăşurării optime a eliminării. Folosirea unei cantităţi de alchenă apropiate de cantitatea stoechiometrică şi completarea volumului cu o hidrocarbură inertă şi nepolară a avut acelaşi rezultat.

6

Foarte curând după aceasta au început să se ridice îndoieli cu privire la aparişia de carbene libere în astfel de eliminări. Asemănarea dintre metoda lui Doering şi Hoffmann de obţinere a derivaţilor ciclopropanici şi reacţia Simmons-Smith a constituit punctul de plecare în această critică.

Metoda Simmons-Smith constă în tratarea diiod metanului cu zinc. Zincul folosit în reacţie se prepară din praf de zinc cu CuCl sub azot:

CH2I2 + Zn CH2I-ZnI

CH2

I

ZnICH2

I

ZnI

CH2

Compusul cu zinc, I-CH2-ZnI, se comportă ca un carbanion în

adevăratul înţeles al cuvântului, dând toate reacţiile specifice carbanionilor. În acelaşi timp, are proprietăţi de electrofil ( v. reacţia de mai sus ).

Reacţia Simmons-Smith în forma menţionată mai sus nu poate fi aplicată decât diiodmetanului, nu merge cu clorură sau bromură de metilen. S-a încercat obţinerea derivatului litic, mult mai reactiv, din clorură de metilen:

CH2Cl2 + RLi LiCHCl2 + RH (15) 7 Compusul organo-litic format are toate proprietăţile unui carbanion,

extrage un proton din alcooli dând alcoolaţi şi regenerând diclormetanul etc. În acelaşi timp, se comportă ca un electrofil, formând cu alchene ciclo-propani:

Cl

H

+ LiCHCl2 (16)

Toate aceste date au făcut chimiştii să se întrebe dacă în eliminarea

cu alcoolaţi din haloformi rezultă cu adevărat carbene libere. S-a conchis că dihalocarbena rezultată astfel formează un complex cu cationul şi anionul care se elimină, o aşa numită specie carbenoidă, putând manifesta şi caracter nucleofil şi caracter electrofil.

X

CX

K

XClCH

Li

Cl 8 7

7

Structurile 7 şi 8 explică caracterul nucleofil-electrofil al acestor specii.

O altă dovadă că în eliminarea α descrisă de Doering şi Hoffmann nu apar dihalocarbene libere, în ciuda reacţiei specifice carbenelor, cicloadiţia 2 + 1 cu formare de ciclopropani. Carbene generate prin alte metode, ca de exemplu metilena, :CH2 , cu alchene dau şi reacţii de inserţii la legături C – H. Astfel, metilena cu ciclohexena, pe lângă biciclo[4,1,0]-heptan 9, formează şi metil-ciclohexene, din care izomerul 10 predomină:

+ LiCHCl2 (17)+

CH3

+.......

9 10 Starea de tranziţie a inserţiei metilenii la legătura C – H ( 11 ) este

asemănătoare cu starea de tranziţie a adiţiei metilenei la dubla legătură, 12 .

CH2

C H

CH2

;

11 12 Pentru a dovedi că în cele două tipuri de cicloadiţii 2 + 1 , cicloadiţia

metilenei pe de o parte şi cicloadiţia diclorcarbenei generată prin eliminare α, pe de altă parte, Closs şi Coyle ( 1965 ) au generat diclorcarbena din diclordiazometanul 13 :

Cl2C = N = N :CCl2 + N2

R1-CH = CH - CH2 - R2 + :CCl2CCl2

- CH2-R2R1- + R1-CH = CH - CH - R2

CHCl2

13

14 15 În acest caz, pe lângă derivatul ciclopropanic 14 rezultă şi compusul

15 de inserţie la o legătură carbon – carbon.

8

Redăm mai jos metodele de generare ale dihalocarbenelor aplicate în laborator:

a. Metode de generare în mediu bazic:

1. t-BuO- + HCX3t-BuOH + :CX2 + KX

2. Cl3C-CO-R1 + R2O- R1-COOR2 + :CCl2 + Cl+

R1 = Alchil, R2O

3. RLi + CCl4 RCl + LiCl + :CCl2

b. Procese termice (neutre)

4. PhHgCCl3 PhHgCl + :CCl2

5. PhHgCBr3 PhHgBr + :CBr2

6a. CCl3COOAg CO2 + AgCl + :CCl2

6b. CCl3COONa

7. Cl2C = N = N

CO2 + NaCl + :CCl2

N2 + :CCl2

c. Mediu acid

8. AgNO3 + CHBr3 AgBr + :CBr2 + HNO3

Ag+ + Cl3C-COO- AgCl + +CCl2COO-:CCl2

Câteva din reacţiile menţionate mai sus necesită încă o scurtă

discuţie. Cu privire la primul tip de metode, generarea dihalocarbenelor prin tratarea haloformilor cu o bază, de regulă alcoxizi, a cunoscut o modificare după ce eterii coroană şi alţi criptanţi au devenit accesibili. Potrivit metodei folosind astfel de catalizatori de fază, alchena şi haloformul se găsesc în faza organică. În faza apoasă se găsesc dizolvaţi o sare de tetra-alchilamoniu şi hidroxidul de sodiu ( Makosza ).

Faza hidrocarbonatã: R4N+ HO- + HCX3 R4N+X- + H2O + :CX2

------------------------------------------------------------------------------------------------------ Faza apoasã : R4N+HO- + NaCl R4N+Cl- + NaOH

În felul acesta, în locul t-butoxidului de potasiu – un produs scump –

se poate utiliza banalul hidroxid de sodiu. Şi metoda următoare – cu cetona sau esterul Cl3C-CO-R1 – cunoaşte

o variantă mai ieftină ( v. mai jos, metodele 6a,b ). Dintre metodele termice m-aş referi în special la metodele folosind

săruri ale acidului tricloracetic. Cele două metode au fost elaborate în acelaşi

9

timp de către noi în laboratorul Prof. Neniţescu şi în Olanda, de către Prof. Wagner.

În procedeul nostru am folosit sarea de argint, considerând că ionul de argint va extrage un anion de clor:

Ag+ + Cl3C-COO- AgCl + +CCl2COO-:CCl2

Diclorcarbena rezultată poate reacţiona mai departe cu o moleculă

de tricloracetat de argint, pentru ca în final să genereze o altă carbenă, 16, nemenţionată în literatură:

:CCl2 + CCl3COOAg CCl3COOCCl2Ag CCl3COO-C-Cl + AgCl

16 Această carbenă, la rândul ei, se descompune în oxid de carbon şi

clorura acidului tricloracetic.

CCl3-COOCCl CO + CCl3COClCCl3COOAg

- AgCl 17CCl3CO-O-COCCl3

Mecanismul pentru descompunerea tricloracetatului de argint, redat

mai sus, a fost propus de noi bazându-ne pe formarea unui amestec de gaz CO şi CO2 în raport 1:1 şi a anhidridei tricloracetice.

Complicaţiile acestea nu intervin în descompunerea sării de sodium a acidului.

Ultima metodă, cea în care s-a folosit bromoform şi azotat de argint a fost de asemenea studiată de noi. Reacţia trebuie să decurgă astfel

Ag+ + Br-CHB2 → AgBr + +CHBr2 Ag+ NO3

- + +H-CBr2 → :CBr2 + HNO3 + Ag* Procesul este înlănţuit. La data când am făcut noi aceste studii,

pentru dihalocarbene nu erau cunoscute decât eliminări bazice. Scopul studiilor noastre a fost să arătăm că acestea pot fi generate prin toate tipurile de eliminări α, ceea ce am izbutit să arătăm.

9.2.1. Stereochimia adiţiei carbenelor la alchenet Cicloadiţia 2 + 1 a carbenelor singlet la alchene este stereospecifică.

10

Cele două alchene diastereoizomere dau produşi de cicloadiţie ( ciclopropani ) diferiţi. Astfel, cicloadiţia diclorcarbenei la cis şi trans 2-butenă va duce fiecare la un 1,2-dimetil-3,3-diclorociclopropan 19 diferit:

H3CC

H

CH

CH3

HC

H3C

CH

CH3

trans-18 trans-19

cis-18 cis-19

Cl2C

CH3HH3C

H

Cl2C

CH3HH

H3C

Dimpotrivă, dacă la aceeaşi pereche adiţionăm metilenă generată

prin descompunerea fotochimică a diazometanului, fiecare butenă va da acelaşi amestec din cei doi 1,2-dimetilciclopropani 20.

SCHEMA 9.1

H3CC

H

CH

CH3

HC

H3C

CH

CH3

trans-18 trans-20

cis-18 cis-20

H2C

CH3HH3C

H

H2C

CH3HH

H3C

+ CH2=N=N

∆

∆

hνtrans-20 + cis -20

Descompunerea diazometanului se poate face şi termic. Dacă fiecare

din cele două alchene sunt tratate cu diazometan în fază gazoasă, fără diluant, fiecare va genera doar unul dintre cei doi dimetilciclopropani, anume pe cel cu aceeaşi stereochimie ca şi alchena iniţială ( v. Schema 9.1 ). Dimpotrivă, dacă amestecul este diluat cu un gaz inert, ambele vor da acelaşi amestec din

11

cei doi dimetilciclopropani 20. Ce arată aceasta? Datele sunt o ilustrare a principiului conservării

spinului total. În starea fundamentală, cu puţine excepţii, moleculele se găsesc într-o stare singlet. Conform principiului enunţat, diazometanul va genera, prin descompunere termică, metilena singlet, deşi aceasta e mai puţin stabilă. Dacă concentraţiile sunt mari, probabilitatea ciocnirii metilenei singlet cu alchena înainte de a trece în forma triplet stabilă este mare; fiecare alchenă va reacţiona stereospecific. Dacă diluţia e mare, înainte ca metilena să se ciocnească cu alchena, va trece în forma triplet stabilă, cicloadiţia va fi nestereospecifică.

9.2.2. Sinteze organice care folosesc carbene a. Sinteza Doering-LaFlamme a alenelor În 1958, Doering şi Laflamme au elaborat o sinteză de alene în două

etape pornind de la alchenele cu un atom de carbon mai puţin decât alena dorită. Sinteza constă în tratarea alchenei cu diclor- sau dibrom-carbenă, urmată de tratarea aductului format cu Na sau Mg în eter, sau prin tratare cu un derivat organometalic.

R1

C

R2

CR3

R4

:CX2

X=Cl sau Br

X2C

R4R3

R2R1

R1

C

R4

C C

R3

R4

Na sau Mg;

RLi; RMgX

21 22 23 Dacă în locul unei alchene aciclice se foloseşte o alchenă ciclică,

atunci se pot obţine alene ciclice 26:

n n X

X

C

n

CX2 Na sau Mg

RLi sau RMgX

24 25 26

Mecanismul desfacerii inelului ciclopropanic la sistemul alilic implica atacul unui compus organometalic cu formarea unui derivat de litiu al ciclopropanului. Acesta va elimina halogenura de litiu ( eliminare α ), formând carbenă ciclică; deschiderea ciclului acesteia va duce la alena 23 sau 26:

12

C

R4

R3

R1

R2

X

X

LiRC

R4

R3

R1

R2Li

X

C:

R4

R3

R1

R2

-LiX23

22 27 28

b. Sinteza Arndt-Eistert de homologare. Metoda constă în a trata o clorură acidă cu diazometan ( 2

echivalenţi ), când rezultă o α-diazometilcetonă. În etapa următoare, diazo-cetona este supusă unei transpoziţii Wolf. Această etapă este condusă în prezenţă de oxid de argint-apă sau benzoat de argint-trimetilamină. Dacă reacţia se execută în prezenţa unui alcool sau o amină primară sau secundară, rezultă esterul homologat respectiv, sau amida sa.

R Cl

O

R CH=N=N

O+ 2CH2=N=N

+ H 2O

-N2

- CH3Cl, - N2

R-CH2-COOH

+ Ag2O

+ ROH R-CH2-COOR+ R2 NH R-CH2-CONR2

28 29 30a-c Mecanismul acestei reacţii implică la rândul său apariţia inter-

mediară a altor carbene, ca rezultat al descompunerii diazocetonei 29, formată în prima treaptă a reacţiei:

R Cl

O-:CH2-N N

+

R CH=N=N

O

- HCl

- N2

R CH:

O O

R H

CR

O

H

..

O = C = CHRNuH

30a-c

28 29 31a 31b

32 31c Descompunerea diazocetonei 29 generează cetocarbena 31a , în

echilibru şi cu cetocarbena 31c. Cetocarbenele trec în 32 şi în final în 30.

13

c. Transpoziţia Curtius Transpoziţia Curtius implică transformări similare cu cele din reacţia

precedentă, cu deosebirea că în loc să implice intermediari carbenici, aceasta implică nitrene. Nitrenele, RN, corespund carbenelor: ca şi acestea, atomul central este neutru şi grupează în jurul său numai 6 electroni; sunt specii electrofile se prepară prin metode asemănătoare şi dau reacţii înrudite cu ale carbenelor. O astfel de reacţie înrudită este si aceasta:

Dăm mai jos câteva dintre reacţiile acilnitrenelor rezultate din azidele acizilor carboxilici:

R - CO - Cl R - CO - N=N=N R - CO - N: R - N = C = O

nitrenã izocianat

RNHCOOHR-NH2- CO2

+H2O

RNH-CO-NHR

RNH2

RNH+COOR

ROH

Derivaţi de uree Carbamati Azidele acizilor carboxilici pot fi obţinute în diverse moduri din

cloruri acide. O metodă mai nouă constă în a trata acidul carboxilic cu difenilfosforilazida, (PhO)2P(O)N3 (DPPA) şi a obţine direct azida acidului carboxilic.

9.3. Eliminarea β Eliminarea β, aşa cum s-a specificat mai înainte, este eliminarea

generatoare de alchene.

R1CHX - CHY-R2 R1CH = CHR2 + (X) + (Y) Spre deosebire de tipul de eliminare precedent, în acest caz cele trei

tipuri de mecanisme sunt exact dovedite, deşi unele sunt mai puţin frecvente. 9.3.1. Mecanismul E1cB Mecanismul E1cB poate fi reprezentat prin ecuaţiile (18) şi (19):

B: + H - CβR2 - CαR2 - X BH+ + -:CβR2 - CαR2 - X (18)

-:CβR2 - CαR2 - X R2C = CR2 + X- (19)

k1

k-1

k2 Utilizând metoda stării staţionare, ecuaţia de viteza poate fi redată prin relaţia (20) :

14

viteza =

k1k2 [ substrat ] [ B:]

k-1[BH+] + k2

(20)

Dacă viteza protonării carbanionului este mică în comparaţie cu

eliminarea anionului X- , atunci ecuaţia (20) devine: Viteză = k1 [ substrat ] [ B: ] (21) Ca mecanismul E1cB să poată fi operant, trebuie ca la Cβ să existe o

grupă puternic atrăgătoare de electroni pentru a acidifia legătura Cβ−Η; în acelaşi timp trebuie ca această grupă să nu poată fi expulzată ( altminteri am avea o eliminare α ). O astfel de situaţie a fost pentru prima dată evidenţiată în cazul izomerului β a hexaclorciclohexanului:

ClCl

Cl

ClCl

Cl

H

HH

H

H

H

Cl

H

ClCl Cl

Cl

Cl..-

Cl

H

H ClCl

H

Cl

HCl H

33 34 35 Totuşi, în cazul de faţă reprotonarea carbanionului 34 este posibilă,

în care caz, totuşi, nu se formează izomerul iniţial 33 ci izomerul δ, 36 :

Cl

H

ClCl Cl

Cl

Cl..-

H

ClCl Cl

Cl

ClCl

HH

H

H

H

34 36

35rapidk-2

k2k3

În 36 un clor şi un hidrogen din β se află ambii în poziţii axiale;

eliminarea E2 poate fi rapidă şi va duce la acelaşi compus nesaturat, 35. Evident, eliminarea ar putea avea loc numai din 36, ţinând seama că k-2 >>k’3 şi atunci, chiar dacă formarea carbanionului 34, eliminarea nu este E1cB. Dacă se utilizează însă EtONa în EtOD şi se opreşte reacţia după 50% transformare, se găseşte că 1,3,4,5,6-pentaclorociclohexena 35 conţine foarte mici antităţi de D în poziţia 2. Acest rezultat nu exclude mecanismul E1cB.

15

Un alt exemplu studiat îl constituie perechea de sulfone cis- şi trans-37. Grupa sulfonică este o grupă puternic atrăgătoare de electroni – deci acidifiază legătura Cβ-H şi în acelaşi timp stabilizează perfect carbanionul ( deci, k-1[BH+] << k2 ). Izomerul trans nu va avea tendinţa să treacă în izomerul cis şi va da eliminare E1cB.

H

SO2ArOSO2Ar

Htrans-37 38 39

SO2Ar

OSO2Ar

H

..- - ArSO3- SO2Ar

H

SO2ArH

OSO2Ar

:B

cis-37

39

k1

k-1k2

k3

În schimb, în izomerul cis-37 , grupele X şi Y sunt aşezate favorabil

( ambele axial ) şi acesta va suferi numai eliminare E2. În exemplele de mai sus, nu există siguranţa că tot produsul

nesaturat a rezultat printr-o eliminare E1cB. Există bănuieli că acesta ăn parte ar proveni şi dintr-o eliminare concertată, E2. Aceasta datorită stereochimiei speciale a derivaţilor 1,2-disubstituiţi ai ciclohexanului Un exemplu în care astfel de dubii nu mai sunt posibile a fost studiat în cazul sării de difosfoniu 40 :

Ph3P - CH2 - CH2 - PPh3Ph3P - CH - CH2 - PPh3

Ph3P - CH = CH2-PPh3

40 41 42

++ ++ +-

Se obţine sarea de monofosfoniu 42. De fapt, intenţia iniţială a

autorilor a fost de a prepara o bisilidă, 43 :

Ph3P - CH - CH - PPh3

- -+ +

43 Totuşi, acest compus nu s-a format, s-a izolat numai compusul de

eliminare 42. Este deci foarte plauzibil ca acesta să fi rezultat printr-o eliminare E1cB. Studii ulterioare ( Cristol et al.,1975 ) au confirmat aceasta.

16

O grupă trifluormetil poate şi aceasta să acidifieze un proton de la atomul de carbon vecin. Streitwieser şi colaboratorii săi ( 1967 ) au studiat reacţiile derivatului fluorenic 44 ( 9-trifluormetilfluoren ) care cu metoxid de sodiu trece în 9-trimetoximetil-fluoren ( 48 ), prin intermediul unui produs de eliminare E1cB:

H CF3

H C(OMe)3H CF2OMe

CF3

T CF3

..-CF2

44

48 47

4645

49 Formarea intermediară a carbanionului 45 a fost dovedită prin

schimbul hidrogen – tritium. O eliminare interesantă a fost observată de Zimmerman (1956) în

cazul cetonei biciclice 50. Chiar dacă o grupă carbonil acidifiază destul de bine protonul de la carbonul vecin, bromul nu este o grupă fugace foarte bună. Tratarea cetonei cu t-BuOK în t-BuOH oferă după 7 minute la 40oC cetona nesaturată biciclică 52, cu un randament de 74 %.

O

Br

O

Br- :

O

50 51 52 Se ştie din lucrările lui Cram şi Yankee (1970) că deşi o legătură

C – C este o grupă fugace proastă, heteroliza unei legături C – C din ciclopropan poate avea loc relativ uşor. Ionizarea legăturii C – Br poate de asemenea facilita migrarea legăturii din inelul ciclopropanic.

17

Formarea acetilenelor prin reacţii de eliminare se crede că implică tot un mecanism E1cB. În unele cazuri, carbanionul intermediar a putut să fie captat, ca în exemplul de mai jos:

H

Cl

Cl

Cl

CCl

Cl

Cl

D

Cl

Cl

Cl

Cl C C Cl

..- SD

- Cl-

Efectele izotopice ale atomilor mai grei au fost de asemenea

recomandate pentru identificarea mecanismului E1cB. Astfel, cian-compuşii 53 şi 54 cu baze elimină acid cianhidric. Faptul că grupa cian activează legătura Cα-H ( mai ales când sunt două grupe cian ) şi că în acelaşi timp această grupă este o grupă fugace slabă, a dus la convingerea că eliminarea observată este E1cB.

N

CαH CN

CβNC CN

H

CαHCβ

HNC

CN

Me Me

53 54 Dacă atomul de carbon al grupei fugace ( C - CN ) este înlocuit cu

14C, atunci apare un efect izotopic k12/ k14 de 1,04 pentru 53 şi de 1, 16 pentru 54. Se consideră că un astfel de efect izotopic indică o stare de tranziţie timpurie pentru a doua etapă a reacţiei. Într-un mecanism E2, de exemplu, starea de tranziţie, fiind târzie, ar fi condus la un efect izotopic mult mai mare. În 53 conjugarea centrului Cα cu grupa dimetilamino din nucleul aromatic, pe de o parte şi dezvoltarea formării dublei legături, pe de altă parte, va uşura plecarea grupei cian.

Datele cunoscute privind eliminarea E1cB confirmă cerinţele stabilirii acesteia: O aciditate mărită a legăturii Cβ−Η şi o grupă fugace potrivită la Cα − X nu foarte uşor ionizabilă, dar totuşi, uşor de îndepărtat.

18

9.3.2. Mecanismul E1 O eliminare E1 are aceeaşi etapă determinantă de viteză ca şi o

reacţie SN1.

H CβR2 - CαR2 Xk1

k-1

H CβR2 - CαR2

+

SN1

H CβR2 - CαR2 NuNu:-

E1 CβR2 = CαR2 + H+

Cum atât în reacţia SN1, cât şi în procesul E1, viteza de formare a

carbanionului nu depinde de etapele ulterioare, viteza observată va corespunde sumei kSN1 + kE1 şi nu va depinde de concentraţia bazei.

Viteză = k1 [Substrat] ; k = kSN1 + kE1 (22) Această concluzie a fost dovedită experimental în studiile clasice ale

scolii englezeşti de chimie ( Hughes, 1935 – 1937 ). În cazurile în care substratul care suferă ionizarea este ramificat la

Cα, există posibilitatea să rezulte mai multe alchene, de exemplu:

H3C CH2 C Br

CH3

CH3

H3C CH2 C+

CH3

CH3

CH3-CH = CCH3

CH3

CH3-CH2 - CCH2

CH3

72%

28% S-a observat, ca şi în reacţia de mai sus, că dacă pot rezulta mai

multe alchene, rezultă de preferinţă alchena cea mai substituită. Aceasta arată că ionul de carbeniu format este în echilibru cu alchena şi astfel alchenele care pot rezulta vor fi supuse controlului termodinamic ( regula lui Saytzeff ).

Excepţiile de la această regulă sunt determinate de factorii sterici. Astfel, în cazul alchenei 55 pot rezulta prin eliminare alchenele 57 şi 58. Alchena care ar trebui să predomine conform regulii lui Saztyeff este alchena 58 :

19

H3C C

CH3

CH3

CH2 C

CH3

CH3

X

H3C C

CH3

CH3

CH2 C

CH2

CH3

H3C C

CH3

CH3

CH C

CH3

CH3

H3C C

CH3

CH3

CH2 C+

CH3

CH3

55 56

57 58

k1

k-1

+ X-

- H+ - H+

În realitate, alchena 58 rezultă în cantităţi infime, produsul principal

al eliminării E1 fiind alchena 57. Într-adevăr, în alchena care ar trebui să rezulte conform regulii lui Saytzeff, o grupă metil de la Ca va trebui să se plaseze în dreptul grupei voluminoase t-butil.

Alte excepţii de la regula lui Saytzeff pot avea însă şi alte cauze, de exemplu modificări ale structurii carbocationului intermediar. Asrfel, solvoliza tosilatului de mentil 59 a condus la 3 produşi de reacţie ( Hückel, 1967) :

OTs

MeOH

OMe

59 60 61 62

+ +

85,5% 2,5% 12%

Este clar că în acest caz, cationul secundar rezultat prin ionizarea lui

59. poate genera cationul terţiar 63:

+

+ 60 61 62++

63 64

20

Acesta va trece în cationul terţiar 64, mai stabil, printr-o deplasare de ion hidrură. Ionul 64 ar putea genera toţi produşii observaţi; proporţia mare de alchenă 60 indică faptul că o parte din aceasta a rezultat şi prin eliminare din ionul rezultat iniţial, 63.

Proporţia de alchenă faţa de produsul de substituţie depinde mai puţin de grupa fugace din substrat, în schimb depinde puternic de natura solventului. Astfel solvoliza halogenurilor de t-butil ( X = Cl, Br, I ) nu depinde practic de natura halogenului, dar depinde de natura solventului. Este de în jur de 5 – 6 % în apă ( 25 – 75oC ), în EtOH la 75oC absolut este de 32-44% pentru ca în AcOH la aceeaşi temperatură să fie de în jur de 70 % pentru toţi trei halogenii.

Este dovedit faptul că în solvenţi puţin polari, neionizanţi, eliminarea are loc în perechea de ioni. Cu cât va fi mai bazic anionul, cu atât va fi mai mare proporţia de eliminare. Astfel, în solvoliza tosilatului 65, studiile efectuate în Catedra de Chimie Organică au arătat că proporţia cea mai mare de alchenne rezultă în acid pivalic, cel mai puţin polar dintre solvenţii încercaţi.

CH2OTs CH2

+

+ produsi de solvoliza65 66 67

Se remarcă în acelaşi timp că eliminarea este însoţită şi de

transpoziţia scheletului hidrocarbonat. În prezentarea eliminărilor E1, trebuie menţionată şi deshidratarea

alcoolilor. Sunt posibile mai multe mecanisme, dar ori care ar fi acestea, prima treaptă trebuie să fie formarea unei sări de oxoniu, 68. Aceasta ar putea suferi atât o reacţie E2, cât şi un proces E1:

H - CR2 - CHR - OH + H+k1

k-1

H - CR2 - CHR - OH2

+

68

(23)

E2 : H - CR2 - CHR - OH2

+

68

B: BH+ + R2C = CR2 + H2O (24)

E1 H - CR2 - CHR - OH2

+

68 69

H2O + H - CR2 - CR2

+CR2=CR2 (25)

21

Mecanismul E2 intervine în caz că 68 nu poate genera un carbocation stabil. Dacă se poate forma un carbocation stabil, 69, atunci probabil că va opera un mecanism E1. Cele două mecanisme pot fi deosebite prin metodele discutate deja de identificare a intermediarilor carbocationici: cu ajutorul metodei nmr se pot observa ambele specii cationice, 68 şi 69 identificate ambele în medii acide.

Metodele cinetice sunt şi în acest caz de ajutor. Astfel, alcooli 70, substituiţi în ambele nuclee cu substituenţi în meta şi para, dau în mediu acid stilbeni substituiţi în nucleele aromatice.

HC

OH

CH2

X YCH = CH

X Y

kXY

70 71

log kXY = - 3,78 ( σX + 0,233σY ) - 3,19 (26) Constantele de viteză determinate, kXY, se corelează prin ecuaţia

(26); aceasta demonstrează prin coeficienţii celor două valori σ că mecanismul trebuie să fie în trepte, si anume E1.

În cursul deshidratării alcoolilor se pot produce transpoziţii, dovezi de necontestat pentru apariţia carbocationilor în proces:

H3C C

CH3

CH3

CH2 - OH H3C+

C

CH3

CH2 - CH3 H3C C

CH3

CH - CH3

+H+

-H2O

Fie spus că pe lânga mecanismele E2 şi E1 observate în

deshidratarea alcoolilor, nu trebuie exclusă şi o eliminare Eα.

H - CR2 - CHR - OH2

+

68 69 72

H - CR2 - CHR+ H - CR2 - CR R2C = CHR

În acest caz, pe lîngă sarea de oxoniu 68 şi carbocationul 69 mai

trebuie să apară un intermediar, carbena 72. Acest tip de reacţie nu a fost exact dovedit încă.

22

Probabil că una din dovezile cele mai convingătoare a fost adusă de Badea (1964). Acesta a observat că tratarea esterului mezo-dibromsuccinic ( 74 ) cu acetat de argint în acid acetic şi ciclohexenă dă ester fumaric 76 alături de bromacetoxiciclohexan, 78.

ROOC - CHBr - CHBr - COOR + Ag+

ROOC - CHBr - CH - COOR74 75

ROOC - CHBr - CH - COOR + ROOC-CH=CH-COOR +

H

Br+

75 76 77H

Br+

+ CH3COOH

H

BrH

OAc77 78

+

+

Singura explicaţie este că ionul de argint extrage un anion de brom

din 74, dând carbocationul 75. Acesta transferă ionul de brom pozitiv ciclohexenei, carbocationul 77 format fiind captat de acid acetic,

Experienţa redată mai sus demonstrează nu numai intervenţia mecanismului E1 în eliminarea bromului din esterul mezo-dibromsuccinic dar şi faptul că acest mecanism este cuplat cu mecanismul AdE a bromului la alchene.

9.3.3. Mecanismul concertat în eliminările β, ( E2 ) a. Eliminări β de hidracid Mecanismul E2 implică ruperea sincronă a celor două legături Cα−X

şi Cβ−Y ( Cβ - H ). În caz ca Y = H, eliminarea este o reacţie catalizată de baze:

B:- + H - CβR2 - CαR2 - X BH + R2C = CR2 + X- (27)

Legătura Cβ - H nu trebuie să fie prea acidă pentru a evita intervenţia

mecanismului E1cB; de asemenea, X nu trebuie să fie o grupă fugace foarte bună pentru a nu face posibil un mecanism E1.

23

Cinetica unei reacţii de eliminare E2 este exprimată prin ecuaţia generală de viteză (28) :

Viteză = k [ substrat ] [ B: ] (28) Totuşi, această expresie a vitezei nu este specifică acestui mecanism,

ea putând corespunde şi mecanismului E1cB ( atât pentru Eα, cât şi pentru Eβ ).

Situaţia ideală în care ambele legături, Cβ - H şi Cα−X se rup perfect sincron, probabil, nu intervine niciodată. Procesul începe cu alungirea uneia dintre cele două legături, situaţia semănând fie cu starea de tranziţie a unei eliminări E1, fie E1cB. Dacă cealaltă legătura, fie Cα−X , fie Cβ - H, nu diferă semnificativ de legătura polarizată, aceasta va induce polarizarea legăturii vecine. Astfel. Înainte ca prima legătură ( Cα-X sau Cβ-H ) să se fi rupt în întregime, cealaltă legătură ( Cβ-H sau Cα-X , respectiv ) e în curs de rupere şi dubla legătură e în curs de formare. Evident, minimul de energie va corespunde fie unei stări de tranziţie a unei eliminări E1 ( 79 ), sau a unei eliminări E1cB ( 81 ) ; evident, între aceste două posibilităţi extreme, vor exista foarte multe alte geometri, geometria 80 redând oarecum geometria eliminării E2:

R2C CR2

H

Xδ−

B:-

79 80 81

; R2C CR2

Hδ+

Xδ−

Β δ+; R2C CR2

Hδ+

X

Bδ− δ−

Structura substratului şi condiţiile de lucru ( sistemul solvent-bază,

temperatură ) pot determina geometria efectivă a stării de tranziţie a eliminării E2..

Astfel, în eliminarea cu etoxid în etanol din ariletil derivaţii 82 se determină o corelare Hammett cu valorile σz :

ZCH2- CH2 -X + EtO-

ZCH = CH2 + EtOH + X-

82 X : Br, +SMe2 , +NMe3 Parametrul ρ în această corelare este +2,1 pentru bromură, +2,7

pentru sărurile de sulfoniu şi creşte la +3,77 pentru sărurile de amoniu ( W. H. Saunders et al.,1957 - 1968 ). Semnul pozitiv al parametrului ρ indică

24

faptul că în starea de tranziţie Cβ devine mai negativ decât în starea iniţială. Aceasta e în acord cu un mecanism E1cB sau cu un mecanism E2 în care starea de tranziţie seamănă cu starea de tranziţie a eliminării E1cB ( de exemplu, 81 ). Variaţia acestui parametru cu natura grupei fugace este de asemenea în acord cu o eliminare cvasi sincronă.

Dacă lângă Cα sunt două poziţii vecine posedând o legătură C – H , Cβ − Η şi Cβ’ – H, alchena majoritară rezultă în general potrivit regulii lui Saytzeff, alchena cea mai substituită. Cantitatea de alchenă marginală depinde însă şi de cerinţele sterice ale acesteia: cu cât acestea sunt mai mari, cu atât proporţia de alchenă marginală va fi mai mare. În seria alcoxizilor, cerinţele sterice cresc în ordinea : MeO- > EtO- >> Me3CO- > Et3CO-; cu aceste baze, proporţia de alchenă marginală creşte în aceeaşi ordine.

In cazul 2-halogenopentanilor, proporţia de 1-pentenă depinde şi de natura halogenului:

CH3-CH2-CH2- CHX- CH3 CH3-CH2 - CH = CH - CH3 + CH3-CH2-CH2-CH = CH2

X = F 18,3% 81,7%X = Cl 63,8% 36,2%X = Br 75,4% 24,6%X = I 80,2% 19,8%

EtONa

- EtOH

Cea mai mare proporţie de alchenă marginală este data de 2-

fluoropentan, şi cea mai mică de 2-iodopentan. Dacă proporţia de alchenă marginală ar depinde numai de volumul ocupat de halogen, cea mai mare proporţie de 1-pentenă ar fi rezultat în cazul 2-iodopentanului.

O altă interpretare ar fi că în starea de tranziţie fluorul este cel mai bine solvatat dintre cei patru ioni de halogen şi astfel volumul său efectiv este cel mai mare. S-a putut demonstra că nici această interpretare nu e corectă.

Cea mai plauzibilă explicaţie este însă fluctuaţia dintre o stare de tranziţie tip E1 ( 79 ) , sau tip E1cB ( 81 ), ultima primând în cazul 2-fluor-pentanului, cealaltă, în cazul 2-iodpentanului.

Eterii coroană şi-au găsit largi aplicaţii în reacţiile care necesită ioni liberi, acestea sunt substituţiile nucleofile şi reacţiile de eliminare.

Ph

H

H

OTs

H

H

Ph

HPh

+

83 84 85

25

În eliminarea din fenil-tosilatul 83 rezultă două alchene, una prin eliminare sin ( 84 ), cealaltă prin eliminare anti ( 85 ). În absenţa eterilor coroană, alchena 84 predomină ( cca 90% ). În prezenţa unui eter coroană potrivit, proporţia lui 84 scade de la 90 la 30%.

Un fapt similar a fost observat în eliminarea din tosilatul de 2-exo-norbornil, 86. Acesta cu baze formează norbornena 87 şi nortriciclenul, 88, acesta din urmă rezultând în urme. Prin marcare cu deuteriu în poziţia vecină, s-a demonstrat că eliminarea este exo-sin.

OTsD H

H+

HH

86 87 88

urme

Dacă se foloseşte un eter coroană, eliminarea exo-sin scade de la cca

99% la 70%. Explicaţia este următoarea: În eliminările sin, starea de tranziţie stabilită între substrat şi bază este ciclică. Structura acesteia depinde foarte mult de structura substratului, poate fi ca în 89 pentru X = halogen, OTs etc., sau ca în 90, pentru X = +NR3 :

H Xδ+δ+

+NR3HO-

R

δ+

89 90

O-M

R

δ−

În cazul că nu se folosesc eteri coroană, se stabileşte o stare de

tranziţie de tip 89 şi eliminarea va fi sin. Dacă se folosesc eteri coroană, ionul metalic va fi prins în cavitatea acestuia şi starea de tranziţie 89 nu se va mai putea stabili.

b. Eliminarea E2 din dibrom derivaţi vicinali Eliminarea de halogen din derivaţi 1,2-dihalogenaţi se poate face

prin metode descrise şi unele au fost deja menţionate în capitole precedente.

26

Un tip specific de eliminare este întâlnit în cazul derivaţilor dibromuraţi vicinali, eliminarea respectivă făcându-se cu ion de iod. Mecanismul acestei eliminări a fost propus încă din anii 1939 de către Winstein şi Young.

C C

R H

HR

Br

Br

I-

H

R

H

R

+ IBr + Br-

2I- + IBr I3- + Br-

Reacţia conform acestui mecanism ar trebui să fie stereo-specifică şi

în unele cazuri stereo-specificitatea a fost dovedită. De exemplu, mezo-2,3-dibromobutanul dă naştere trans-2-butenei, în timp ce izomerul d,l duce la cis-2-butenă. În alte cazuri, însă, din ambii diastereoizomeri ai dibrom derivatului rezultă aceeaşi alchenă, alchena trans. Este cazul celor două dibromuri ale acizlor şi esterilor dibrom-succinici. Ambele dibromuri, mezo şi d,l dau numai acid (ester) fumaric.

S-a pus problema dacă nu-i posibil să se realizeze această eliminare şi cu alte halogenuri de sodiu sau potasiu. În solvenţi obişnuiţi, tratarea dibromurilor cu bromură de sodiu nu duce la eliminare, cel mult la izomerizarea dibromurii: d,l- dibromderivat → mezo-dibromderivat

S-a constatat, însă, că situaţia se schimbă dacă se foloseşte un solvent aprotic dipolar, ca de exemplu dimetilformamida, DMF, HCONMe2:

COOR

CH Br

CH Br

COOR

COOR

CH Br

CBr H

COOR

H COOR

ROOC H

NaBr

DMF

mezo

d,l

27

Astfel, esterii mezo-dibromsuccinic şi d,l-dibromsuccinic sunt transformaţi cantitativ în ester fumaric la tratare cu NaBr în DMF.. Un rezultat similar se obţine şi dacă reacţia se execută în dimetilsulfoxid, DMSO, sau N-metilpirolidonă.

Tratarea trans-1,2-dibromciclhexanului cu ion bromură în DMF a dus însă la un amestec de ciclohexenă, ciclohexadiena-1,3 şi 1-bromciclohexenă. Dacă reacţia se întrerupe înainte de terminare, amestecul mai conţine şi cis-1,2-dibromciclohexan.

Acest din urmă rezultat a permis tragerea concluziilor cu privire la mecanismul reacţiilor cu ion halogenură, de ce eliminarea de brom reuşeşte satisfăcător numai cu ion iodură, de ce pentru ca eliminarea să fie mulţumitoare şi cu ion bromură e nevoie de solvent aprotic dipolar şi de un dibromderivat conţinând la Cα şi Cβ grupe puternic atrăgătoare de electroni ( de ex., COOR) şi de ce izomerii mezo şi d,l dau amândoi numai alchena trans.

Interpretarea rezultatelor obţinute cu trans-dibromciclohexan sunt arătate în Schema 9.2.

SCHEMA 9.2 Reacţia trans-1,2-dibromciclohexanului cu NaBr în DMF

Br

Br

Br-Br Br+

Br

H+

H

BrH

Br

Br

Br-

E2H

Br

H

+

E1

E2

Br-

SN2

Br

HH

Br

H

H

1

23

6

Br- HBr

91 92 93

9495

H

BrBr

H

Br-

Atacul ionului de brom la unul din atomii de brom ai trans-dibrom-

ciclohexanului 91 va da naştere complexului π 92 şi de aici, ionului de bromoniu 93. Procesul este reversibil, dar 93 poate genera ciclohexenă şi

28

carbocationul 94, de asemenea în echilibru cu 93. Un alt proces care poate avea loc este o reacţie SN2 a dibrom-

derivatului 91, cu formarea cis-1,2-dibromciclohexanului, 95. Acesta are o legătură Cβ−Η în anti faţă de legătura Cα−Br, putând uşor genera 1-bromciclohexena printr-o eliminare E2 de acid bromhidric.

Conformaţia lui 91 cu cele două legături C – Br axiale generează nu numai ciclohexena, prin eliminare E2 de brom; aceeaşi conformaţie are bromul de la C-2 o legătura C – H în anti la C-3, iar bromul de la C-1 are similar un hidrogen în anti la C-6, poziţii favorabile pentru eliminarea E2 de HBr. Astfel, 91 va forma şi ciclohexadiena-1,3.

Izomerul cis formează 1-bromciclohexena. Acelaşi compus ar putea rezulta şi din ionul de carbeniu 94.

Din aceste date rezultă următoarele: a. Eliminarea E2 din dibrom-derivaţi vicinali cu ion de brom este

inversul adiţiei electrofile a bromului la dubla legătură, parcurgând intermediari similari cu intermediarii adiţiei electrofile.

b. Faptul că eliminarea cu ion de brom nu este observată în toate cazurile – aşa cum este observată eliminarea cu ion de iod – are mai multe cauze, din care menţionăm numai pe cele mai importante:

i) reacţia este reversibilă şi echilibrul este deplasat spre dibrom derivat, ceea ce nu se întâmplă când reactantul este ionul de iod ( bromul este transformat în ion bromură şi iodul format este captat ca I3

-; ii) cei doi substituenţi de la Cα şi Cβ ( în afara celor doi atomi de

brom ) sunt grupe puternic atrăgătoare de electroni care favorizează atacul la brom şi împiedecă ionizarea sa ( ca ion Br- ); aşa cum s-a dovedit, eliminarea de brom nu are loc la acizii liberi, efectul de activare al carboxilului liber fiind mult mai mic decât al carboxilului esterificat;

iii) reactantul ( ionul de brom ) trebuie să-şi manifeste întreaga sa activitate, să fie liber; din această cauză are nevoie de un solvent potrivit, solvenţii aprotici dipolari;

iv) cu dibromderivaţii simpli, la care substituenţii atomilor Cα şi Cβ sunt H, alchil, eventual aril, legaturile C – Br sunt uşor ionizabile şi pot avea loc reacţii SN1 şi SN2, eliminări de hidracid E2.

v) faptul că izomerul d,l-3,4-dibromsuccinic nu elimină brom să dea esterul maleic ci dă tot ester fumaric ca şi esterul mezo-3,4-dibromsuccinic se datorează unui efect de eclipsare. În Figura 9.1 sunt arătate conformaţiile stabile ale celor doi izomer treo şi eritro a unui derivat RCHX-CHYR’ din care urmează să facem o eliminare β a lui X şi Y. A reprezintă izomerul eritro, B izomerul treo,:

29

R'

Y H

HR

X

HR

X

H HR

X

R

X

HR

X

HR

X

Y

H R'

H

R' Y

R'

H Y

H

Y R'

Y

R' H

A

B

1 2 3

Fig. 9.1. Conformerii stabili ai celor doi izomeri RCHX-CHYR’

A. izomerul eritro; B. izomerul treo

Pentru ca eliminarea sincronă E2 să se producă, grupele X şi Y trebuie să se găsească în anti. La izomerul eritro ( corespunzător lui mezo dacă R = R’ şi X = Y ) conformaţia necesară este arătată în figură prin conformaţia 2; în cazul izomerului treo ( corespunzător lui d,l pentru R = R’ şi X = Y ) conformaţia necesară este conformaţia 3.

Aşa cum rezultă din Fig. 9.2, pentru izomerul eritro nu există probleme în adoptarea stării de tranziţie a eliminării E2 ( A în figura 9.2 ). În schimb pentru izomerul treo ( B în fig. 9.2 ), în starea de tranziţie a eliminării E2, grupele voluminoase R şi R’ se vor apropia, respingându-se.

R' H

X

Y

R HH R'

X

Y

R H

A B

Fig. 9.2. Stările de tranzitie ale eliminării din RCHX-CHYR’ A. Starea de tranzitie pentru eitro: B. pentru treo

30

În felul acesta, izomerul treo ( sau d,l ) va prefera să treacă printr-o reacţie SN2 în izomerul eitro care nu ridică probleme la eliminare. Aşa cum s-a arătat, aceasta se şi întâmplă.

9.4. Eliminarea γ ( Εγ ) Eliminările γ au ca produs de reacţie derivaţi de ciclopropani. Ca şi

în cazul eliminărilor β, eliminările γ pot avea loc prin toate cele trei mecanisme menţionate: E1cB, E1 şi E2. Totuşi, aceste eliminări sunt mai puţin studiate decât eliminările β.

Mecanismul E1cB este favorizat dacă în poziţia γ faţă de grupa fugace se găseşte o grupă puternic atrăgătoare de electroni, favorizând formarea centrului carbanionic. Un astfel de exemplu este reacţia Perkin, Jr. de sinteză a ciclopropanilor:

CH2

H2C

CBr

COOR

COOR

H CH2

H2C

CBr

COOR

COOR

H2C

H2C

C

COOR

COOR

- : - Br-EtO-

Sarcina negativă va fi stabilizată de prezenţa celor două grupe

COOR. Dacă substituentul din γ nu-i foarte eficace în a stabiliza sarcina negativă, atunci eliminarea γ poate fi însoţită de o eliminare β, ca în cazul de mai jos:

Ph-CH2-CH2-CH2-X

kβ

kγ

Ph-CH2-CH = CH2

Ph-CH CH3

CH2

În exemplul de mai sus, dacă X = F ( grupă fugace slabă ) se formează numai ciclopropan ( eliminare γ ). Dacă însă X = Br ( grupă fugace bună ), produsul principal este benziletilena ( eliminare β predominantă ).

Mecanismul unimolecular, E1, operează în acele cazuri în care legăturile sigma asistă ionizarea ( formarea de ioni neclasici ). Astfel, aşa cum s-a arătat solvoliza tosilatului de 2- exo-norbornil duce şi la nortriciclen.

31

Eγ

Sn1

OTs

H

OAc

H

+

86

88

96

97 Intermediarul 96 se formează prin asistenţa legături C6 - C1 în

ionizarea grupei tosil de la C2. Acesta va putea da fie produsul de eliminare γ, 88, fie produsul de solvoliză, 97.

Mecanismul bimolecular a fost observat la tratarea lui 86 cu t-butoxid de potasiu în t-butanol. Marcarea cu deuteriu în poziţia 6 a ambilor izomeri posibili, tosilatul 2-exo, 86, şi 2-endo a condus la 4 izomeri, denumiţi cu literele sugerate de forma desemnată de atomii implicaţi în studiu:

OTs

H

OTs

H

H

OTs

H

OTsD

D

D

D

[ U ] [ W ] [ exo-S ] [ endo-S Pentru tosilatul exo mersul preferat este este exo-S, în timp ce pentru

tosilatul endo, eliminarea preferată este din U.. Concluzile acestor rezultate sunt bazate pe principiul deplasărilor minime ( PLM – principle of least motion , v. Rice et al., 1938, 1939: aplicare la reacţii de eliminare, Hine, 1966).

9.5. Probleme 1. Meerwein a obţinut triciclenul 98 astfel:

+NN–

+ N2

32

Se cere: a) Propuneţi un mecanism pentru această reacţie! b) Cum se poate obţine diazo-derivatul iniţial? 2. Reacţia de mai jos ( F.G. Bordwell şi B.B. Jarvis, J. Amer. Chem.

Soc., 1973, 95, 3585 ) duce la formarea stilbenului:

Ph-CHBr - SO2 - CHBr - PhPh3P

Ph - CH = CH - Ph

mezo sau d,l Se cere: a. Cunoaşteti o reacţie asemănătoare cu aceasta? b. Scrieţi un mecanism pentru această reacţie. c. Considerând că centri chirali din sulfonă îşi păstrează activitatea,

ce stereochimie preziceţi pentru alchena rezultată funcţie de stereochimia sulfonei iniţiale ( mezo sau d,l )?

3. Se dă reacţia :

C: CO C

CH2COOMe

CH2COOMe

A B C

? ?

Se cere:

a. Cum se poate ajunge de la cetona A la carbena B ? b. Cum se produce transformarea lui B în C? Care va fi partenerul

de reacţie al lui B ca să se obţină C? 4. În eliminarea β din halogenurile de 2-hexil cu metoxid de sodiu se

obţin 4 produşi A-D

CH3-(CH2)3- CHX -CH3 C4H9-CH = CH2 + CH3-CH = CH -C3H7 2-MeO-C6H13

A B trans D C cis

Se cere : a. Cum va varia proporţia alchene : produs de substituţie cu natura

halogenului? b. Dar proporţia dintre alchena marginală şi cele două alchene cis şi trans. Dar proporţia trans : cis ?

33

9, 6. Literatură 1. C. K. Ingold, Structure and Mechanism in Organic Chemistry,

Cornell University Press, Ithaca, New York, ed. II-a, 1969, p.649. 2. F. Badea, Reaction Mechanisms in Organic Chemistry, Abacus

Press, Tunbridge Wells, Kent, 1977, Chapter 9, p. 425. 3. J, March, Advanced Organic Chemistry. Reactions, Mechanisms,

and Structure, J. Wiley & Sons, ed. IV, chapter 17, p. 982. 4. C. K. Ingold, Proc, Chem. Soc (London),1962, 265. 5. G. Wittig, Angew. Chem., 1962, 74, 479. 6. W. T. Ford, Accounts Chem. Res., 1973, 6, 410. 7. M. Schlosser şi V Ladenberger, Chem. Ber., 1967, 100, 3877,

3893, 3901. 8. A. Geuther, Liebigs Ann. Chem., 1862, 123, 121. 9. J. Hine, J. Amer. Chem. Soc., 1950, 72, 2438; J. Hine şi colab.,

ibid.,1957, 79, 1406, 5487, 5493; 1958, 80, 819. 10. W. von E. Doering şi A. K. Hoffmann, J. Amer. Chem. Soc., 1954, 76, 6162. 11. H. E. Simmons şi R. D. Smith, J. Amer. Chem. Soc., 1959, 81, 4256; 1964, 86, 1347. 12. G.L. Closs şi L. E. Closs, J. Amer. Chem Soc., 1959, 81, 5991. 13. G. L. Closs şi R. A. Moss, J. Amer. Chem. Soc., 1964 , 86, 4042. 14. W. Kirmse, Carbene, Carbenoide und Carbenanaloge, Verlag Chemie, 1969. 15. G. L. Closs şi J. J. Coyle, J. Amer. Chem. Soc., 1965, 87, 4270. 16. Dehmlow, Dehmlow, Phase TransferCatalysis, ed. II-a, Verlag Chemie, 1983. 17. Makosza, Pure Appl. Chem., 1975, 43, 439. 18. V. Ioan, F. Badea, E. Ciorănescu şi C.D. Neniţescu, Angew. Chem., 1960, 72, 416. 19. W. M. Wagner, Proc. Chem. Soc., 1959, 229. 20. F. Badea şi C. D. Neniţescu, Angew. Chem., 1960, 72, 415. 21. W. von E. Doering şi P. M. LaFlamme, Tetrahedron, 1958, 2, 75. 22. F. Arndt şi B.A. Eistert, Ber. dtsch chem Ges., 1935, 68B, 200. 23. H. Cristol, H. J. Cristau şi M. Soleiman, Tetrahedron Letters, 1975, 1385. 24. E. W. Zankee şi D. J. Cram, J. Amer. Chem. Soc., 1970, 92, 6328, 6329, 6331. 25. E. D. Hughes, J. Chem. Soc., 1935, 255. 26. E. A. Cooper şi E. D. Hughes, J. Chem Soc., 1937, 1183.

34

27. W. Hückel şi M. Hanack, Angew. Chem., 1967, 79, 555. 28. E. Ciorănescu, A. Bucur, F. Badea, M. Renţea şi C.D. Neniţescu, Tetrahedron Letters, !969, 1867 29. F. Badea, Teză de doctorat, Institutul Politehnic Bucureşti, 1964. 30. W. H. Saunders, Jr. şi colaboratorii, J. Amer. Chem. Soc., 1957, 79, 3712; 1958 , 80, 4099; 1968, 90, 1775. 31. S. Winstein, D. Pressman şi W.G. Young, J. Amer. Chem Soc., 1939, 61, 1645. 32. S. Winstein şi H. J. Lucas, J. Amer. Chem. Soc., 1939, 61, 1576, 2845. 33. F. O. Rice şi E. Teller, J. Chem. Phzs., 1938, 6, 489; 1939, 7, 199. 34. J. Hine, J. Amer. Chem. Soc.,1966, 88, 5525.

1

CAPITOLUL 10 Reacţii periciclice unimoleculare

Motto: When my love swears that she is made of truth I do believe her, though I know she lies ……………………………………………….. The truth I shall not know, but live in doubt, Till my bad angel fire my good one out ! William Shakespeare, The Passionate Pilgrim 10.1. Introducere. Istoric Era cunoscut de multă vreme că sisteme π delocalizate pot suferi

transformări în sisteme ciclice, sau că două sisteme π pot genera împreună un sistem ciclic printr-un proces termic, necatalitic. Până în 1930 astfel de transformări au fost studiate numai incidental, fără a li se acorda un interes deosebit. In 1925, Diels şi colaboratorii au descoperit adiţia dienelor la ester diazodicarboxilic; scurtă vreme după aceea, în 1928, Diels şi Alder publică prima lor lucrare în sinteza dien ( Reacţie Diels-Alder ). Lucrări ulterioare ale lui Alder au demonstrat generalitatea reacţiei şi stereoselectivitatea ei. Astfel s-a născut unul dintre cele mai noi şi incitante capitole din istoria reacţiilor organice şi al mecanismelor acestora.

Pasul următor a fost făcut în 1940 când Cope şi Hardy descoperă o transpoziţie a unor diene neconjugate, o reacţie prezentând aceleaşi caracteristici experimentale cu sinteza Diels-Alder. La acea dată, caracteristicile celor două reacţii ( la care se adaugă şi a unor reacţii înrudite, de exemplu “Transpoziţia Claisen” ) erau derutante: reacţiile decurgeau printr-un proces termic necatalitic, cu egală uşurinţă în fază gazoasă şi în fază condensată, polaritatea solventului prezintă un efect minor asupra mersului reacţiei, în timp ce acizii Lewis sau Brõnsted nu afectează mersul acestor reacţii. Aparent, reacţiile păreau înrudite cu reacţiile homolitice. Astfel, nu este surprinzător că primele propuneri de mecanism au fost pentru reacţii decurgând în două etape. Astfel, sinteza dien se credea că decurge printr-un diradical, acesta ciclizîndu-se în final. Apoi s-a constatat că reacţiile nu erau afectate de promotori şi inhibitori ( caracteristici ale reacţiilor radicalice ), în timp ce substituenţi polari ai sistemelor nesaturate afectau drastic viteza proceselor. Şi mai ales, last but not least, stereospecificitatea lor.

2

Evans ( 1938, 1939 ) a fost primul care a propus pentru astfel de reacţii stări de tranziţie ciclice:

+ Diels-Alder

Cope

Această interpretare explică în acelaşi timp şi asemănările

experimentale dintre cele două reacţii, reacţia Diels-Alder, pe de o parte, şi transpoziţia Cope, pe de altă parte.

Obţinerea compuşilor heterociclici prin adiţii la duble sau triple legături a unor reactanţi specifici a fost un alt domeniu mult utilizat în sinteze incă de la inceputul anilor 1900. Mecanismul acestor reacţii, însă, era obscur şi nici nu preocupa prea mult pe cei care aplicau astfel de reacţii. La sfârşitul anilor 50 din secolul trecut şi începutul anilor 60, lucrările lui Huisgen în acest domeniu sunt meritorii. El a arătat că reactanţi ca diazoalcani, azide etc. pot fi consideraţi ca dipoli-1,3 care se adiţionează concertat la legături multiple:

a+

bc:- c

ba

Huisgen a stabilit astfel legătura dintre adiţiile 1,3+dipolare şi

reacţia Diels-Alder. Paralel cu aceste studii, într-un cu totul alt domeniu, se studiau

transformările fotochimice ale steroizilor nesaturaţi. În cazul ergosterolului, de exemplu, Havinga a demonstrat că transformările sunt stereospecifice şi că diferă de transformările termice ale acestor compuşi. A început să fie din ce în ce mai clar că atât transformările termice, cât şi cele fotochimice pot fi în anumite cazuri transformări sincrone şi stereospecifice.

În anii 60 ai secolului trecut s-au acumulat suficiente date privind transformările termice şi fotochimice ale sistemelor nesaturate pentru ca aceste transformări să fie tratate teoretic. Aceasta a fost făcută de Woodward şi Hoffmann în 1965.

3

Numele generic dat acestor tipuri de reacţii concertate este de Reacţii periciclice.

10.2. Reacţii periciclice Woodward şi Hoffmann au introdus termenul de reacţie periciclică

pentru a defini o reacţie în care starea de tranziţie a transformării este ciclică, procesul fiind stereospecific iar stereoselectivitatea acestuia depinzând de numărul de electroni π şi σ implicaţi în formarea sau ruperea legăturilor din proces. Exemple de astfel de reacţii sunt date în Tabelul 10.1 ( Reacţii periciclice unimoleculare ) şi în Tabelul 10.2 ( reacţii periciclice bimoleculare )

TABELUL 10.1 Reacţii periciclice

A. Procese unimoleculare =====================================================================================Tipul reactiei si exemple Tarea de tranzitie Numar de electroni=========================================================================1. Transpozitii sigmatropice a. Transpozitia Cope (proces termic)

b. Transpozitia Claisen (proces termic)

c. Deplasari de hidrogen ( termic si fotochimic )

2..Transpozitii electrociclice

6

O

H2C

CH

CH2

OH2C

CH

CH2

H

CH2

CH

H2C

O

6

R2C=CH-(CH=CH)n-CHR'2 R2CH-(CH=CH0n-CH=CR'2 R2C - (CH - CH)n - CR'2

H4q + 2 , sau 4q

2

4

6

======================================================================================

4

TABELUL 10.2 Reacţii periciclice

B. Procese bimoleculare

Tipul reactiei si exemple Starea de tranzitie Numar de electroni

===============================================================================================================================================

==========================================================================================================================================

1. Reactii de cicloadi'ie a. Sinteza Diels-Alder (termica)

6

b. a+b

c:-bc

a 6

c.

+

+

+4

2. Reactii cheleotropice

a. Aditia carbenelor la alchene

+ :CR2 CR2CR2

2

b. Aditia SO2

+ SO2SO2

SO26

3. Deplasare intermoleculara de hidrogenH

NN

H+ N2 +

HH

NN

H

H6

====================================================== Anumite comentarii privind reacţiile din aceste tabele sunt necesare.

Astfel, înrudirea transpoziţiei Claisen a alil eterilor fenolilor este clar înrudită cu transpoziţia Cope prezentată mai înainte şi nu necesită alte comentarii. Cele trei transpoziţii electrociclice trecute în tabelul 10.1 necesită un comentariu separat. Principala deosebire între ele nu e tipul de compus implicat ci numărul de electroni π şi σ implicaţi în proces. A se observa că acest număr, în ordine crescătoare este de 2, 4 şi 6. Toate trei pot fi redate generic prin formula 4n + 2 electroni, unde n poate fi 0, 1, 2 etc. Această diferenţă este deosebit de importantă, aşa cum va fi arătat mai

5

departe. Trebuie să subliniem că în tabelul 10.2 observăm diferenţe asemănătoare în numărul de electroni implicaţi în procesele bimoleculare din acest tabel.

O menţiune se impune în cazul reacţiilor cheleotropice. Aceste reacţii sunt perfect asemănătoare cu reacţiile de cicloadiţie. Diferenţa o constituie faptul că cele două legături care se dezvoltă în starea de tranziţie pornesc de la acelaşi atom, spre deosebire de cicloadiţii unde acestea se dezvoltă la doi atomi diferiţi.

10.3. Conservarea simetriei orbitalilor moleculari În capitolul 2 al acestui curs s-a discutat despre simetria orbitalilor

moleculari, proveniţi din orbitali atomici. Pentru ca doi orbitali atomici să poată interacţiona şi să genereze un orbital molecular, aceştia trebuie să posede o anumită simetrie, să fie simetrici în raport cu un plan oglindă dintre ei ( vezi Fig. 10.1 )

A. Legaturi σ B. Legaturi π

simetric antisimetric simetric antisimetric Fig. 10.1. Simetria orbitalilor de legătură. A. Orbitali σ B. Orbitali π Pentru respectarea acestui principiu, când interacţionează doi

reactanţi şi noile legături trebuie să se formeze ascultînd acest principiu. Nu cunoaştem care va fi simetria exactă a orbitalilor din starea de tranzişie, dar cunoaştem simetria orbitalilor din starea iniţială şi finală. Deducem astfel că noile legături vor lua naştere prin interacţiunea orbitalului ocupat suprtior ( HOMO = Highest Occupied Molecular Orbital ) şi a obitalului vacant inferior ( LUMO = Lowest Unoccupied Molecular Orbital ). Aceşti orbitali poartă denumirea de orbitali de frontieră.

6

Ţinând seama de cele arătate în capitolul 2 ( v. De exemplu, Fig. 2.10 ), interacţiunea orbitalilor de frontieră pentru sinteza dien (Diels-Alder) este redată în fig. 10.2.

HOMO

LUMO HOMO

LUMO

A B Fig. 10.2. Interacţiunea unei molecule de butadienă cu etena A. Butadiena HOMO, etena LUMO B. Butadiena LUMO, etena HOMO Desigur, din punct de vedere aplicativ, sinteza Diels-Alder dintre

butadienă şi etenă, chiar dacă ar fi uşor de realizat, este puţin interesantă din punct de vedere aplicativ. De regulă, diena este substituită şi etena e mult prea puţin reactivă pentru a fi un partener bun de reacţie; astfel şi ea este substituită cu una sau chiar două grupe, ca în exemplul de mai jos:

Ph

COOR+

Ph

COOR(1)

1 2 3 Desigur, nu putem găsi nici un element comun de simetrie între

1-fenilbutadiena 1 şi esterul acrilic 2, pe de o parte şi produsul de reacţie, esterul 3, aşa cum putem găsi între butadiena şi etenă pe de o parte şi ciclohexenă pe de altă parte ( Fig. 10.3 ).

Totuşi, butadiena cu etena – sistemul care manifestă simetria maximă dintr-o sinteză dien – conţine acelaşi sistem de orbitali π implicaţi în transformare ca şi sistemul format din diena 1 şi filodiena 2. Concluziile trase pentru sistemul de simetrie maximă vor fi valabile şi pentru reacţia (1).

7

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

S-π

S-π

A-π

S-π

A-σ

S-σ

S-π8

A-π∗

A-π∗

A-σ∗

S-σ∗

A-π∗

Fig. 10.3. Diagrama de corelare pentru cicloadiţia 4 + 2 După cum rezultă din figură, simetria orbitalilor implicaţi în

transformare se corelează perfect cu simetria orbitalilor π şi σ din ciclohexena rezultată. De aici şi concluzia importantă : Pe parcursul unei reacţii periciclice, simetria orbitalilor moleculari implicaţi în transformare se conservă.

O concluzie foarte importantă este şi aceeia ca pe tot parcursul reacţiei nivelele de legătură nu se incrucişează cu cele de antilegătură.

8

Să considerăm acum cazul cicloadiţiei 2 + 2 dintre două molecule de etenă. Diagrama de corelare este arătată în Fig. !0.4.

............................................................................................................................................................................

SS

SA

SA

AA

AS

AA

+

SS

AS

Fig. 10.4. Diagrama de corelare pentru cicloadiţia 2 + 2 Spre deosebire de cazul precedent, în acest caz nivelurile de legătură

se întretaie cu nivelurile de antilegătură. Cum şi în acest caz trebuie respectat principiul conservării simetriei orbitalilor moleculari. Două molecule de etilenă nu se pot combina într-un proces concertat pentru a da ciclobutan. Procesul este simetric interzis.

Pentru ca procesul să fie posibil, trebuie ca doi electroni să fie deplasaţi într-un orbital de antilegătură, ceea ce se întâmplă numai într-un proces fotochimic. Dacă cicloadiţia concertată 4 + 2 poate decurge termic, cicloadiţia 2 + 2 nu poate decurge termic concertat; procesul concertat poate fi realizat numai fotochimic.

9

Vom cunoaşte în acest capitol că şi alte procese sunt concertat-interzise termic, dar sunt posibile fotochimic. Alegerea căii termice sau fotochimice depinde de numărul de electroni implicaţi în proces. Dacă acest număr este 4n + 2 ( n = 0, 1, 2…) electroni, procesul este termic posibil; dacă numărul de electroni este 4n ( n = 1, 2 etc ) procesul este termic interzis, dar posibil fotochimic.

Dacă un anumit proces este interzis termic să decurgă concertat şi totuşi el este observat, aceasta arată că procesul observat decurge în trepte, de exemplu, diradicalic. Vom întâlni şi astfel de cazuri

10.4. Reacţii sigmatropice O reacţie sigmatropică de ordin [i,j] implică migrarea unei legături

flancată în cele două capete de unul sau mai multe sisteme π într-o poziţie nouă a cărei capete sunt îndepărtate peste i – 1 şi respectiv j – 1 atomi, faţă de vechea locaţie a legăturii. Astfel transpoziţia Cope şi transpoziţia Claisen sunt transpoziţii sigmatropice de ordin [3,3]:

01

2

2'

1'3'

Legaturacaremigreaza

21

0

9'

1'

2'

i-1 = j-1 = 2

i = j = 3

4a 4b Cea mai simplă reacţie sigmatropică implică migrarea unui atom de

hidrogen dintr-un sistem polienic conjugat:

R2C = CH - (CH = CH)k - CHR'2 R2CH - (CH = CH)k- CH = CR'2 (2)

1 2 .............................j 1 ....................j-1.......j 5a 5b Cum legătura de hidrogen C – H care migrează are un singur capăt,

migrarea de hidrogen este de ordinul [1,j]. Mecanismul electronic al unei reacţii sigmatropice a fost discutat de Hoffmann şi Woodward (1965).

10.4.1. Mecanismul migrării de hidrogen în sisteme polienice Se presupune iniţial că reacţia nu e concertată şi că decurge în trepte,

radicalic. În felul din 5 se va forma radicalul polienic 6 :

10

5a R2C = CH - (CH = CH)k CR'2.

5b 6 Simetria orbitalului HOMO dintr-un radical polienic de tipul 6 este

cunoscută şi este redată mai jos:

. , .. . . .

1 2 3 4 5 6 7 8.............j Coeficienţii atomilor pari sunt zero iar semnul coeficienţilor

atomilor impari alternează. Astfel, acelaşi semn al coeficientului cu atomul 1 vor avea atomii 5, 9, 13 etc., în timp ce coeficienţii atomilor 3, 7, 11 etc. vor avea semnul minus.

În momentul acesta punem condiţia ca procesul să fie concertat. Urmează că lobul orbitalului atomului de carbon de la care se desprinde atomul de hidrogen ( să spunem atomul 1 ) trebuie să aibă acelaşi semn ( deci aceeaşi simetrie ) cu lobul orbitalului atomic al carbonului la care migrează hidrogenul. Acesta poate fi situat pe aceeaşi parte a planului moleculei:

. , .. . . .

sau poate fi situat pe cealaltă parte a planului molecular:

. , .. . .

Primul tip de migrare se numeşte migrare suprafacială, celălalt tip,

migrare antarafacială. Woodward şi Hoffman au formulat următoarea regulă: O transpoziţie sigmatropică de ordinul [1,j] va implica în starea fundamentală o migrare suprafacială dacă în 5 (formula generală a polienei) k este impar, k = 1,3,5… şi antarafacială dacă acesta este par ( 0, 2, 4…). Ţinând seama că în radicalul 6 coeficienţii atomilor 1 şi j în LUMO au semnul schimbat faţă de cel din HOMO, regula se inversează pentru

11

procesele fotochimice: migrarea va fi suprafacială daca k este par ( 0, 2…) şi antarafacială daca k este impar ( 1, 3, 5…).

Să considerăm câteva exemple: Regulile Woodward-Hoffmann prezic că o deplasare [1,3] de

hidrogen trebuie să decurgă în starea fundamentală printr-o migrare antarafacială. În cazul compusului 7 migrarea aceasta, deşi permisă nu este posibilă din motive geometrice. Chiar dacă vom considera întreg sistemul polienic, migrarea ar trebui să fie de ordinul [1,7], deci tot o migrare prezisă a fi tot antarafacială:

CH2

H

H

CH3

H

H

++ H+

- H+CH3

7 8 9 Şi totuşi, procesul poate avea loc, dar în trepte, catalizat de urme de

acid cu care 7 formează intermediarul 8 şi în final toluenul Un exemplu şi mai interesant este cel al polienei 10 , 1,4-di-(7,7’-

cicloheptatrienil)benzen ( Murray şi Kaplan, 1966 ) :

H

H caldura

HH

hνhν

HH

HH

10 11

12 13

H

H

HH

HH

La iradiere ( λ = 2537 Α ) acest izomer formează izomerul 1,1

( 12 )în timp ce la încălzire formează izomerul 3,3 ( 11 ). Acesta din urmă, la iradiere este convertit în izomerul 13. În toate aceste transformări s-au respectat regulile Woodward-Hoffmann.

12

Nu numai legături C – H pot migra; se cunosc şi migrări [1,j] de legături C – C. În acest caz, dacă i + j = 4q + 2 reacţia va decurge cu retinere totală la ambele capete, în caz că i + j = 4q va avea loc o inversie. O ilustrare este dată în exemplu de mai jos:

H DH

D

Retinere

Inversie

Reacţiile sigmatropice pot avea loc şi în sisteme ionice. Bine

cunoscuta transpoziţie Wagner-Meerwein poate fi considerată drept o transpoziţie sigmatropică de ordin [1,2]:

C C

R

C

R

+ +R = H, alchil etc.

Un exemplu şi mai interesant de astfel de reacţii a fost discutat de

Childs şi Winstein ( 1968-1974 ). Cationul de hexametil-biciclo[3,1,0] 14 la temperatură joasă prezintă semnale n.m.r. diferite pentru grupele metil. La temperaturi mai mari, exceptând semnalul grupei metil legat în capătul inelului de trei atomi, toate celelalte semnale se contopesc într-un singur semnal.

MeH Me HMeH

Me

Me Me

Me

Me

Me

MeMe

MeMe

Me

MeMe

Me

Me

++

+

14a 14b 14c Din modelele de mai sus se vede că are loc o inversie la fiecare

centru de migrare. În schimb, grupa metil din vârful inelului de trei atomi îşi păstrează poziţia orientată spre interiorul sistemului, conservând astfel stereochimia acestui centru. Mişcarea aceasta a inelului de 3 pe periferia inelului de 5 a fost denumită Merry go round ( căluşeii de la circ ).

13

10.4.2. Transpoziţia Cope Cope şi colaboratorii ( 1944, 1947 ) au observat că dialil derivaţii

suferă o modificare a scheletului, fără să fie nevoie de prezenţa vreunui catalizator sau a unui iniţiator de reacţie radicalică:

NC

ROOC150oC

NC

ROOC( 3 )

Me Me

( 4 )300oC

Deşi nu e sensibilă la efectul catalizatorilor, reacţia este puternic

influenţată de polaritatea substituenţilor din sistemul dialilic. Astfel, în reacţia (3) în care sistemul dialilic conţine substituenţi puternic polari, decurge la temperaturi mult mai joase decăt reacţia (4) cu un substituent practic nepolar.

Desigur, procesul concertat necesită entropii de activare mari. Aceasta este clar demonstrat de izomerizarea celor doi divinil-ciclobutani 15 stereoizomeri:

15a 16

15b 16 17

+

Astfel, izomerul cis 15a se transformă cantitativ în ciclooctadiena 16,

entropia de activare fiind – 11,7 ue. Izomerul 15b dă un amestec de produşi, entropia de activare a procesului fiind de – 1,2 ue (Hammond şi Beer, 1964).

14

Într-un studiu foarte elegant, Doering şi Roth au demonstrat rigiditatea stării de tranziţie a transpoziţiei Cope.

HH

H

HO

HH

HO H

HH

HO

H

HH

H OH

140oC

140oC

19a 20a

19b 20b Cei doi stereoizomeri derivând de la diciclopentadienă, optic activi,

se izomeriyează fiecare la 140oC dând alcoolul izomer 20 corespunzător, printr-un proces stereospecific în care se păstrează întreaga activitate optică. Aceasta demonstrează rigiditatea stării de tranziţie,

Există şi posibilitatea ca transpoziţia Cope să decurgă diradicalic. Astfel, Dewar şi Wade (1973) au studiat transpoziţia Cope în seria de mai jos. Dacă R1 = R2 = R3 = H, probabil că reacţia decurge concertat. Un substituent fenil în poziţia 2 sau 3 ( 29c respectiv 29b ) măreşte viteza transpoziţiei de 41, repectiv de 18 ori.

R2

R1

R3

R2

R1

R3 R3

R1

R2

21a R1 = R2 = R3 = H21b R1 = Ph; R2 = R3 = H21c R1 = R2 = H; R3 = Ph21d R1 = H; R2 = R3 = Ph

22

.

.

15

Dacă însă R2 = R3 = Ph ( 21d ) viteza transpziţiei creşte de 2000 de ori. Această creştere serioasă nu poate fi pusă decât pe seama stabilizării di-radicalului 22 de către cei doi fenili plasaţi favorabil în sistem.

10.4.3. Transpoziţia Claisen Transpoziţia Claisen este rearanjarea alil-eterilor fenolilor in

alilfenoli, printr-un proces termic. Natura alilfenolului format în final depinde de substituenţii din poziţia orto faţă de restul eteric.

R R

O - CH2 -CH = CH2

R = H R = Alchil, aril etc.OH

CH2-CH = CH2

OH

CH2-CH=CH2

O

H CH2-CH=CH2

OH

CH2-CH=CH2

RR

RR

23

24a 24b

25a 25b Dacă alileterul fenolului nu are substituenţi în orto, produsul final

este un orto-alil fenol, 25a (Transpoziţie orto-Claisen). Dacă poziţiile orto sunt ocupate, rezultă un para-alilfenol, 25b (Transpoziţie para-Claisen).

Transpoziţiile Claisen nu sunt limitate numai la alil-eteri ai fenolilor.Vinil-alil-eteri şi analogii lor sulfuraţi pot suferi reacţii asemănătoare. Următoarele două exemple arată că transpoziţia Cope şi transpoziţia Claisen sunt reacţii de acelaşi tip ( Vogel, 1962; Takahashi, Oshima, Zamamoto şi Nozaki, 1973 ).

16

O O;

SMeS R

R

SMeS R

R26 27 28 29

De fapt, aşa cum s-a arătat mai sus, produsul unei transpoziţii

Claisen nu este stabil şi se izomerizează rapid în fenol. Doar această primă treaptă corespunde unei transpoziţii sigmatropice, starea de tranziţie a trecerii lui 23 în 24a fiind 30.

OCH2

CH

CH2

30 Transpoziţia orto-Claisen are o cinetică de ordinul întâi şi reacţia nu

este afectată de mediul de reacţie. S-a stabilit fie prin marcare izotopică a atomilor de carbon din restul alilic, fie printr-o substituire potrivită a restului alilic că are loc o inversare a atomilor C-1 şi C-3: dacă în eter, de oxigen este legat atomul C-3, în alil fenol restul alilic se leagă de nucleul aromatic prin C-1. Aceasta nu se poate exolica decât printr-o stare de tranziţie ciclică 30.

Transpoziţia para-Claisen este o succesiune de două transpoziţii sigmatropice. Prima dintre acestea are o stare de tranziţie identică cu 30. Cum produsul format nu se poate aromatiza, urmează o a doua transpoziţie, aceasta fiind o transpoziţie Cope veritabilă:

OCH2

CH

CH2

31

R

R23

OR R

R

OR

CH2

CH2

H

CH

32 33

24b

Spre deosebire de 32 care nu se poate aromatiza, 24b se poate

aromatiza. Schema aceasta a fost dovedită în felul următor: S-a preparat cetona 32 ( cu R = Me ) şi aceasta a fost supusă izomerizării termice. Se formează cetonă 25b ( R ‚ Me ). Alături rezultă însă şi eter alilic 23 (R=Me ) (Curtis şi Crawford, 1957), ceea ce demonstrează reversibilitatea procesului.

17

OMe Me

CH2

CHH2C

23 32 24b

Me Me

OH

CH2-CH=CH2

k2k1

k-1

O-CH2-CH=CH2

Me Me

Aşa cum rezultă de mai sus, în produsul de transpoziţie para-Claisen,

atomul de carbon marginal din eterul alilic al fenolului e regăsit tot ca atom marginal în 24b.

10.4.4. Transpoziţii sigmatropice în poliene policiclice Domeniul studiului transformărilor acestor produşi a devenit posibil

datorită creşterii şi perfecţionării continue a metodelor de spectroscopie nmr. Transformările suferite de aceste sisteme au fost denumite izomerizări degenerate iar moleculele capabile să sufere astfel de transformări molecule fluctuante ( engl. flipping molecules ). Cel mai simplu exemplu este cel al biciclo[5,1,0]octadienei 34.

H1

H1

H2

H2H3

H3

H5

H5

H1

H1

H5

H5

H4

H4

H2

H2

H4

H4

H3

H3 34a 34b În spectrul nmr la temperatură joasă, atomii de hidrogen H1, H2, H3,

H4 şi H5 sunt bine identificaţi. Pe măsură ce temperatura creşte, semnalele protonilor H1 şi H5, pe de o parte şi H2 şi H4 pe de altă parte suferă coalescenţă , indicând echilibrul reprezentat mai sus (Doering şi Roth, 1963).

Aceiaşi autori au prezis existenţa unei poliene policiclice şi mai fluctuantă, anume bulvalena 35 pe care, un an mai tîrziu, Schrőder a şi izbutit s-o obţină, pornind de la un dimer al ciclooctatetraenei ( COT ), 36. Mai târziu, Doering şi Rosenthal reuşesc să prepare bulvalena la rândul lor, pe o cale diferită de cea a lui Schrőder.

18

La fel ca hidrocarbura 34, bullvalena la temperaturi foarte joase prezintă semnale distincte pentru cei patru atomi de hidrogen diferiţi din moleculă. Dacă însă se măreşte temperatura la 100 de grade, toate semnalele se contopesc într-un singur semnal. Acelaşi lucru se observa şi în spectrul rmn de carbon.

H4

H3H2

H1H4

H4

H4

H3H2

H1

H4

etc

35a 35b SCHEMA 10.1

Obţinerea Bullvalenei după Schrőder

.

.

+

COT 36

35 Pentru ca toate grupele CH să devină echivalente, e nevoie de un

număr de transformări sigmatropice de 10!/3 = 1.309.800 transpoziţii Cope. Bullvalena a fost denumită astfel de la o poreclă dată lui Doering

( W. von BULL E. Doering ), pecetluind astfel numele lui Doering de substanţa anticipată de acesta.

19

10.5. Transformări electrociclice O transformare electrociclică este definită drept o inchidere de ciclu

a unui sistem polienic deschis şi conjugat. Prin aceasta, un orbital π este convertit într-un orbital σ. Stereochimia unui astfel de proces este determinată de modul de închidere a sistemului, prin două mişcări diferite ale capetelor acestui sistem

A

BC

D

A

B

C

D

A

B

D

C

A

BC

D

Proces disrotatoriu

Proces conrotatoriu

Prima din aceste mişcări implică rotirea celor două capete în sensuri

diferite şi se numeşte proces disrotatoriu, proces care poate fi spre înăuntru sau spre înafară.

Cea de a doua mişcare implică rotirea celor două capete în acelaşi sens şi se numeşte proces conrotatoriu. Acesta, la rândul lui poate fi de două feluri, spre dreapta sau spre stânga.

Mişcarea care este efectiv observată depinde de simetria orbitalilor implicaţi în transformare. Pentru a ilustra această afirmaţie, vom considera orbitalii de frontieră din butadienă:

HOMO LUMO Fig. 10.5. Orbitalii de frontieră din butadienă implicaţi in procese electrociclice Aşa cum rezultă de mai sus, procesul termic cu implicarea

orbitalului HOMO, va fi un proces electrociclic conrotatoriu. Cel fotochimic,

20

în schimb, va implica un orbitalul LUMO şi va fi un proces disrotatoriu. În cazul hexatrienei-1,3,5exatrienă cei doi orbitali de frontieră sunt

arătaţi în Fig. 10.6 :

HOMO LUMO Fig. 10.6. Orbitalii de frontieră din hexatriena-1,3,5 implicaţi în procese electrociclice Se ajunge astfel la următoarea concluzie: dacă într.un sistem

polienic conjugat numărul de electroni este k = 4q + 2 ( q = 0, 1, 2, 3 etc, ca în hexatrienă ) procesul electrociclic termic permis este disrotatoriu, iar cel fotochimic va fi un proces electrociclic conrotatoriu. Dacă însă numărul de electroni este k = 4q ( q = 1, 2, 3 etc, ca în butadienă ), regulile se inversează.

10.5.1. Transformări electrociclice [1,3] şi [1,5] În tabelul 10.3 sunt date principalele transformări electrociclice .

TABELUL 10.3. Transformări electrociclice

==========================================================================k Tipul Exemplu Termic Fotochimic==========================================================================

2 [1,3] D C

4 [1,3] C D

4 [1,4] C D

4 [1,5] C D

6 [1,5] D C

6 [1,6] D C ==========================================================================

21

Transformările electrociclice [1,3] sunt transformările pe care le poate da cationul sau anionul de propenil. Cationul de propenil posedă numai 2 electroni, deci se încadrează în regula 4q + 2, cu q = 0. Aşa cum se vede din tabel, transformarea cationului de ciclopropil în cation alilic este cunoscută si pare a fi ireversibilă.

Cationul de ciclopropil se formează dintr-un precursor CyPr- X. Ionizarea poate fi sincronă cu procesul electrociclic. Intâlnim situaţiile: A. Legătura ionizabilă C – X este în cis faţă de celelalte legături din poziţiile 2 şi 3. Procesul va conduce la un cation alilic all-cis.

A

B

A

BXX-

A

B

H

A

B

A

B

XX-

H

H

B

A

HA.

B.37

38

39

40

Fig. 10.7. Procesul electrociclic al unui cation de ciclopropil: A. Ciclopropanul iniţial are toate legăturile C-A; C-B şi C-X în cis ( geometrie all-cis ) B. Legăturile C-A şi C-B în cis; legătura C-X în trans Cazul B : legătura C – X se află în trans faţă de substituenţii din

poziţiile 2 şi 3. Ionizarea concertata cu procesul electrociclic disrotatoriu va conduce la un cation alilic all-trans. Schleyer şi colaboratorii (1966) au confirmat experimental, demonstrând că procesul disrotatoriu este favorizat în cazul derivaţilor 38 în raport cu cei 37, ceea ce arată că deschiderea spre în afară ( B ) este favorizată în raport cu cea spre înăuntru (A). Totuşi, dacă A şi B închid împreună un ciclu, procesul (A) din Fig. 10.7 va fi cel favorizat.

Tabelul 10.3 indică si un proces electrociclic ionic [1,5] . Doering arătase în 1958 că heptametilciclohexenil cationul este termic stabil.

22

Me

Me Me

Me

H H

Me

Me Me

Me

Me

Me

H H

hν

41 42 După cum rezultă din tabelul 10.3 închiderea ar trebui să decurgă

termic printr-un proces conrotatoriu, imposibilă în cazul sistemului ciclic considerat. Mai târziu, Childs, Sakai şi Winstein (1968) au identificat un astfel de proces fotochimic, cationul 41 trece cu uşurinţa în cation de biciclo[3,1,0]-pentametilhexenil, 42. Fotochimic, procesul disrotatoriu este permis; principiul conservării simetriei orbitalilor moleculari este respectat şi în acelaşi timp este geometric posibil.

10.5.2. Transformări electrociclice [1,6] Exemplul cel mai simplu al unei astfel de reacţie, redat deja în

Tabelul 10.1, este transformarea 1,3,5-hexatrienei în 1,3-ciclohexadienă:

Ciclizarea din starea fundamentală este posibilă numai din 1,3,5-

hexatriena cis. În starea excitată, geometria trienei iniţiale nu mai contează atât de mult, deoarece izomerii trans si cis se echilibrează rapid:

hν hν

trans cis-conformer A cis / conformer B Evident, modul în care are loc închiderea în cele două procese-chiar

dacă produsul este acelaşi-este diferit, este disrotatoriu termic şi conrotatoriu

23

fotochimic. Stereochimia exactă a transformărilor este indicată de trienele 1,6-disubstituite ca în cazul 2,4,6-octatrienei 43 :

hν

MeH

MeH

Me

HH

Me43 44

Rezultă trans-1,2-dimetil-ciclohexa-3,5-diena 44. Rezultă că procesul fotochimic a avut loc conrotatoriu. Trienele ciclice suferă şi ele reacţii sigmatropice. În unele cazuri, geometric nu sunt posibile decât procesele termice:

proces termic

H

H.

.;

45 46 47 Ciclooctatriena-1,3,5 ( 45 ) trece la 80 de grade în compusul biciclic

46, corespunzând unei închideri de ciclu [1,6] disrotatorie; izomerul 47, corespunzator unei închideri de ciclu [1,4] disrotatorie nu se obţine, confirmând astfel regulile enunţate pentru aceste procese.

Chimia steroizilor a exemplificat amplu regulile de selecţie menţionate mai înainte. De fapt, chimia acestor compuşi a dat primele indicaţii asupra acestui fascinant domeniu al reacţiilor organice. Primele studii în domeniu au fost efectuate de Havinga şi colaboratorii săi (1956).

Unul dintre sterolii naturali este ergosterolul ( E în schema 10.2 ), unul din precursorii vitaminei D. Studiul transformărilor fotochimice ale ergosterolului au arătat că precursorul adevărat al vitaminei D nu este ergosterolul ci precalciferolul ( P ). Precalciferolul trece in vitamina D nu printr-un proces fotochimic ci unul termic:

Ergosterol Precalciferol

termichν hν

Tachisterol

Lumisterol hνhν

Vitamina D

24

Aceste transformări sunt redate şi în Schema 10.2 cu structura corespunzatoare, pentru a se accentua asupra tipului de proces electrociclic care are loc:

SCHEMA 10.2 Transformările fotochimice ale ergosterolului

Me

HO

H

Me R

hν

HO

Me

Me R

Me

OH

Me R

HO

Me H

Me R

Me

HO

Me

Me

HO

Me RR

hν

E PA PB

1

3

4 6

7

910

1112

14

16

1718

19

L T* T

18

19

67

.

.

Transformările termice ale sterolilor diferă de transformările lor

fotochimice, confirmând regulile privind conservarea simetriei orbitalilor moleculari pe parcursul unui proces periciclic concertat.

10.6. Probleme 1. 2,3-Dimetilbutadiena suferă fotochimic o ciclizare la 1,2-dimetil-

ciclobutenă, cu un randament cuantic al acestui proces de Φ = 0,12. Cum puteţi explica faptul că reacţia similară a 1-metilbutadienei (piperilena) suferă transformarea în ciclobutenă cu un randament cuantic de numai 0,03?

2. Indicaţi produşii care pot fi obţinuţi prin iradierea

cicloheptatrienei-1,3,5 şi a ciclooctadienei 1,3. Care dintre aceste reacţii fotochimice va avea Φ cel mai mare?

25

3. Piroliza compusului I a dat hidrocarbura II

I II III Dacă procesul formării acestei hidrocarburi e un proces concertat, ce

reacţie periciclică a avut loc? Cum se va comporta izomerul III ? 10. 7. Literatură 1. O. Diels, J. Hansen Blom şi W. Koll, Liebigs Ann. Chem., 1925,

443, 242. 2. O. Diels şi K. Alder, Liebigs Ann. Chem., 1928, 460, 98. 3. K. Alder şi G. Stein, Liebigs Ann. Chem., 1933, 504, 222; Angew.

Chem.,1937, 50, 514. 4. A. C. Cope şi E. M. Hardz, J. Amer. Chem. Soc., 1940, 62, 441. 5. M. G. Evans şi E. Warhurst, Trans. Faradaz Soc., 1938, 34, 614;

M. G. Evans, ibid., 1939, 35, 824. 6. R. Huisgen, Proc. Chem. Soc., 1964, 357; R. Huisgen, Angew.

Chem., 1963, 75, 604; Helv. Chim. Acta, 1967, 50, 2421. 7. E. Havinga şi J.L.M.A Schlattmann, Tetrahedron, 1961, 16, 151. 8. R. B. Woodward şi R. Hoffmann, j. Amer. Chem. Soc., 1965, 87,

393 ; 2046 ; 2611. 9. R. Hoffmann şi R. B. Woodward, J. Amer. Chem Soc., 1965, 87,

4389. 10. R. W. Murray şi M. I. Kaplan, J. Amer. Chem. Soc., 1966, 88, 3527.

11. R. F. Childs şi S. Winstein, J. Amer. Chem. Soc., 1968, 90, 7146; R. F. Childs şi M. Zega, ibid., 1974, 96, 6418.

12. G. S. Hammond şi C. D. De Beer, J. Amer. Chem. Soc.,1964, 86, 899.

13. W. von E. Doering şi W.R. Roth, Tetrahedron, 1962, 18, 67. 14. E. Vogel, Angew. Chem., 1962, 74, 829. 15. H. Takahashi, K. Oshima, H. Yamamoto şi H. Nozaki, J. Amer.

Chem. Soc., 1973, 95, 5803.

26

16. D. Z. Curtis şi R. J. Crawford, J. Amer, Chem. Soc., 1957, 79, 3156.

17. W. von E. Doering şi W. R. Roth, Angew. Chem., 1963, 75, 27. 18. W. von E. Doering ;I J. W. Rosenthal, J. Amer. Chem. Soc.,

1966, 88, 2078. 19. P. von R. Schlezerm G. W. van Dine, U, Schőlkopf şi J. Paust, J.

Amer. Chem. Soc., 1966, 88, 2868. 20. W. von E. Doering, Tetrahedron, 1958, 4, 178. 21. F. W. Childs, M. Sakai şi S. Winstein, J. Amer. Chem. Soc., 90,

88, 7144. 22. E. Havinga, A Verloop şi A. L. Koevoet, Rec. Trav. Chim., 1956,

75, 371.

1

CAPITOLUL 11 Reacţii periciclice bimoleculare

Motto: Κυριε, σε µια βδοµαδα εχτιασεσ τον κοσµο θαλασσεσ δεντρα βουνα ουρανο κι εγω ολακαιρη ζωη χτιζοντασ καθηµερινα δεν αποχτησα µητε καλυβι ∆ωριαδησ Αντωνησ, 1936 11.1. Introducere Reacţiile periciclice bimoleculare implică generarea unui sistem

ciclic din doi reactanti din care cel puţin unul conţine un sistem de legături π, cele două legături noi formate fiind generate printr-un proces concertat. Legăturile noi formate rezultă pe seama electronilor π din reactanţi. Astfel, aceste reacţii pot fi desmnate ca transformări nπ → nσ cu n ≥ 2.

Aceste reactii se pot impărţii în două clase: Cicloadiţii 2π → 2σ care implica două sisteme π. Cele două legături

noi care se formează se dezvoltă în ambi reactanti de la doi atomi de carbon diferiţi:

+(!)

Reacţii cheletropice sunt tot cicloadiţii 2π → 2σ care însă diferă de

primele prin faptul că într-unul din reactanţi cele două legături se dezvoltă de la acelaşi atom:

+ SO2 SO2 (2)

Tot în această categorie face parte şi obtinerea ciclopropanilor din

carbene:

CH2

CH2

:CH2 (3)

2

În ambele procese (2) şi (3) cel de al doilea reactant e prins de reactantul posedând electroni π ca într-un cleşte, de unde şi numele ( grec. χειλι = buză ). În Tabelul 11,1 sunt trecute principalele tipuri de reacţii periciclice bimoleculare.

TABELUL 11.1 Reacţii periciclice bimoleculare

=========================================================================Tipul reactiei si exemple Tip Stare de tranzitie numar de electroni π=========================================================================

1. Cicloaditii 2π

3. Cicloaditii 3π 3σ

4. Reactii cheletropice

2σ

+ 2 + 2 4a.

b.a+

b

c:-

d

e+

ce

d 2 + 3b a

6

c.+ 4 + 2 6

+

2 + 2 + 26

a. Aditii de carbene:

CHR'

CHR'+ :CR2

HR

R

H

R

R

2 + 1CHR'

C

R

R

CHR'4

b. Reactii cu SO2

+ SO2SO2

SO2 6

3

Din tabelul 11.1 lipsesc reacţiile de fragmentare sau altfel spus reacţiile reversibile ale reacţiilor indicate în acest tabel. Aceste reacţii pot fi indicate şi ca “fragmentări 2σ → 2π şi evident, vor avea aceleaşi mecanisme cu mecanismele reacţiilor directe, de exemplu:

+ (4)

Este evident că reacţia (4) este inversul reacţiei (1). Astfel de

procese într-un sens sau altul, pot fi realizate simplu prin jocul temperaturii. Alte procese nu au loc în ambele sensuri, un exemplu fiind reacţia (5):

+

Ar-CH2-SO2-CCl2-Ar

O2S

Ar Ar

Ar-C C-Ar + SO2

1 2 3 Reacţia 1 → 2 este desigur o fragmentare 2σ → 2π dar inversul ei

pentru a obţine 2 nu e posibil. Sulfona cu inel de 3 se obţine pe o altă cale şi anume din 1 la tratare cu trietilamină. Un alt exemplu este descompunerea aziridinelor 5. Acestea pot fi obţinute printr-o cicloadiţie 2 + 1 dintr-o alchenă şi o nitrenă, 4:

R - N + R2C = CR2N

R2C CR2

R

54

HONO

R = HR2C = CR2 + N2O + H2O

Dacă însă R = H, reacţia inversă reuşeşte cel mai bine la tratarea

acesteia cu acid azotos Ar trebui spuse câteva cuvinte şi despre cicloadiţiile între 3 sau mai

multe componente π. Asemenea reacţii sunt desigur cunoscute, de exemplu:

4 HC CH ; 4C2H2 2C4H4

COT

COT

Nu trebuie uitat că reacţiile periciclice sunt procese concertate în

care legăturile noi se formează practic sincron. Aceasta ar implica cicniri tri-

4

sau tetramoleculare practic imposibil de realizat, Dacă astfel de reacţii sunt observate, acestea au sigur loc in trepte, aşa cum e cazul cu obţinerea COT-ului. Există totuşi o posibilitate ca trei sau mai multe sisteme π să reacţioneze printr-un proces concertat dacă aceste sisteme π, izolate între ele, se găsesc grupate în două molecule, ceea ce reduce procesul la o ciocnire bimoleculară. Un astfel de exemplu este dat în Tabelul 11.1 pentru cicloadiţia 2 + 2 + 2 între norbornadiena şi o alchenă ( trei sisteme π iyolate, două fiind insă situate în norbornadienă ).

Desigur, cea mai importantă dintre cicloadiţii este sinteza dien sau reacţia Diels-Alder.

11.2. Reacţia Diels-Alder ( sinteza dien ) În sinteza dien dintre butadienă şi etilenă participa fie orbitalul

LUMO din butadiena şi HOMO din etenă ( formarea orbitalilor σ de energie joasă din ciclohexenă ), fie orbitalul HOMO din butadiena şi orbitalul LUMO din etenă ( formarea orbitalilor σ de energie mai inaltă din ciclohexenă ( vezi figurile 10.2 şi 10.4 din capitolul precedent ). Reacţia va fi simetric permisă termic, putând decurge din starea fundamentală. Reacţia se efectuează prin încălzirea dienei sau a unui alt sistem π conjugat cu un compus nesaturat reactiv ( o dienofilă ) . De regulă, reacţia nu are nevoie de catalizatori şi lumina nu îi influenţează mersul.

Sinteza Diels-Alder prezintă avantaje deosebite în sinteza organică datorită regio- şi stereo-selectivităţii ei înalte. Astfel, în reacţia (5) dintre o dienă 1,4 disubstituită cu substituenţi diferiţi ( 6 ) şi o filodiena disubstituită la rândul ei cu substituenţi diferiţi ( 7 ), dacă se iau în considerare orientările posibile ( 8 şi 9 ) precum şi numatul centrelor chirale ( 4 la număr ), ar trebui să rezulte 32 de izomeri:

R2

H

R1

H CHR3

CHR4+

H

HR4

H

R2

HR3

R1 H

R3H

R2

HR4R1

H

(5)

6 7 8 9

+

În realitate, o singură orientare predomină ( selectivitate înaltă ) şi se

obţine un singur diastereomer ( stereoselectivitate înaltă ).

5

Reacţia Diels-Alder este reversibilă şi poate fie condusă fie ăn control termodinamic, fie în control cinetic. Deşi este prin excelenţă un exemplu tipic de reacţie periciclică termic concertată, se cunosc şi sinteze dienn catalizate. Totuşi, Hook şi Strozier ( 1973 ) au demonstrat că şi reacţiile catalizate pot fi procese concertate.

11.2.1. Reactivitatea dienei În reacţia Diels-Alder pot participa atât diene conjugate aciclice, cât

şi diene conjugate ciclice. În cazul dienelor aciclice, pentru ca procesul să poată decurge

concertat, este necesar ca acestea să adopte o conformaţie cisoidă a legăturii sigma dintre cele două duble legături, o aşa numită conformaţie s-cis ( de la cuvântul englez single ).

R

R+

R

(6)

10a 10b Evident, dacă grupa R, situată în cis faţă de restul vinilic din diena

10a ( dienă 1-cis substituită ) , este voluminoasă, adoptarea conformaţiei 10b necesară producerii reacţiei (6) va fi îngreunată. Dacă însă grupa voluminoasă este situată în trans, procesul va decurge uşor. Dacă dezvoltarea celor două legături n-ar fi sincrona, între dienele 1-cis şi 1-trans n-ar trebui să existe diferenţe. Această concluzie are numeroase dovezi experimentale.

Ph

H

Ph

H;

H

Ph

H

Ph;

H

H

H

H

Ph

H+

H

H

CO

COO

Ph HCO

CO

O

11-trans 11-cis

11-trans 12 Astfel, în cazul celor doi izomeri ai 1-fenilbutadienei 11, echilibrul

6

este rapid stabilit în cazul izomerului trans, care formează cantitativ aductul cu anhidridă maleică, în timp ce izomerul cis reacţionează numai 5% Grummit şi Christoph, 1951 ).

O altă utilizare a reacţiei Diels Alder sste în determinarea poziţiilor dublelor legături din derivaţii hidrocarburilor policiclice. Astfel de reacţii au fost frecvent aplicate în chimia steroizilor.

Substituenţii donori de electroni măresc reactivitatea dienei, în timp ce substituenţii atrăgători de electroni o micşorează. Astfel, 2-metilbutadiena este faţă de anhidrida maleică de două ori mai reactiva decât butadiena, iar aceasta este de 10 ori mai reactivă decât 2-clorbutadiena, faţă de aceeaşi filodienă.

Se cunosc şi aşa zise sinteze dien cu cerinţe electronice inverse. În astfel de cazuri, substituenţii atrăgători de electroni măresc reactivitatea dienei; în schimb cei donori de electroni măresc reactivitatea filodienei.

Conformaţiile s-cis sau s-trans sunt îngheţate în cazurile polienelor ciclice. Astfel, ciclohexadiena 13 are structura şi conformaţia care să-i permită să reacţioneze cu dienofile potrivite, în timp ce 14 şi 15 au o conformaţie s-trans îngheţată, conformaţie care exclude posibilitatea realizării reacţiei.

13 14 15 Pe de altă parte, diene termodinamic instabile sunt deosebit de

reactive, un exemplu constituindu-l orto-chinodimetanii, ca de exemplu, 16:

O

Ph

Ph

R

R

O

Ph

Ph

+

16 17 18 Astfel de diene reacţioneză cu uşurinţă chiar cu filodiene puţin

reactive cum sunt acetilenele. Un alt exemplu va fi dat în paragraful 11.2.2 din acest capitol.

7

11.2.2. Reactivitatea dienofilei Reactivitatea dienofilei depinde de cerintele de electroni ale reacţiei.

Într-o sinteză dien cu cerinţe electronice normale, grupe din dienofilă care sunt atrăgătoare de electroni vor mări viteza reacţiei. Astfel, tetracianoetilena este de 4,6 x 108 mai reactictivă decât ciclopentadiena, o dienofilă bogată în electroni.

+ H

H

NC CN

NC CN

+ CN

CN

CN

CN

(7)

(8)

Pentru comparaţie, ciclopentadiena reacţionea sub presiune cu

acetilena la peste 180o C. în timp ce reacţia (8) are loc la rece. In Tabelul 11.2 sunt date câteva date cinetice determinate în reacţia

ciclopentadienei cu diverse filodiene, în dioxan la 20oC. Din lista dată, se vede că tetracianetilena este cea mai reactivă filodienă, ea fiind aproximativ de 460.000.000 ori mai reactivă decât ciclopentadiena, de 818 ori mai reactivă decât anhidrida maleică, de cca 450.000 ori mai reactivă decât cis- 1,2-dicianoetena şi de 40.000.000 decât nitrilul acrilic.

Un grup de dienofile deosebit de reactive şi netrecute în Tabelul 11.2 o formează intermediarii reactivi de reacţie, cum este benzinul ( v. capitolul 10 ). În aceeaşi categorie de reactanţi intră şi ciclobutadiena şi derivaţii ei. În acest domeniu are şi catedra noastră o contribuţie bine- cunoscută ( Neniţescu, Avram, Dinu, 1957, 1963 ).

CH2Br

CH2Br

+

Br

Br

+

19 20

21 22 23

8

În reacţia de mai sus apar doi intermediari reactivi orto-chino- dimetanul ( 21 ) şi benzociclobutadiena ( 22 ), aceştia formând impreună aductul 23, unul dintre dimerii posibili ai benzociclobutadienei.

TABELUL 11.2 DATE CINETICE

=============================================================== Nr. Dienofila

NC

NC

CN

CN1 430 000 000 - -

2H SO2Ph

PhSO2 H118 000 7,8 - 36

3OC

CO

NPh 70 500 7,5 - 38

4OC

CO

O 55 600 8,3 - 36

5.

H

PhSO2

H

SO2Ph 1 940 10,8 - 34

6.NC

H

CN

H

910 10,8 - 35

NC

H

H

CN7 806 11,6 - 33

8. ROOC

H

H

COOR

742 11,2 - 35

H

COOR

H9 6,28 14,1 - 34

10 0,94 16,6 - 29

k2 ∆H ∆S

l.mol.s-1 kcal.mol-1 ue

======================================================

9

Din tabelul 11.2 rezultă clar că sinteza dien este controlată entropic. Entropia negativă mare arată necesitatea unei anumite orientări a reactanţilor pentru a da posibilitatea celor două legături să se dezvolte sincron.

11.2.3. Stereochimia sintezei dien Structura unui aduct Diels-Alder poate fi uneori exact prezisă

considerând efectele polare din reactanţi ( pentru regioselectivitate ) şi ţinând seama de regulile stabilite de Alder şi Stein.

Regula adiţiei cis. Orientarea relativă a substituenţilor în ambii reactanţi este conservată în aductul rezultat. Astfel, o diena 1,4-trans disubstituită 24 va forma o ciclohexenă 25 în care cei doi substituenţi sunt ambii situaţi în poziţii ecuatoriale ( deci trans ):

R

R

+

H R

HR

24 25 Orientarea cis sau trans a substituenţilor din dienofilă este la rândul

ei conservată în aductul format:

ester

fumaric

ester

maleic

COOR

COOR

HH

COOR

COOR

26

27

Adiţia cis este rezultatul normal a formării sincrone a celor două

legături noi.

10

Regula adiţiei endo. În adiţia unei dienofile, ca de exemplu anhidrida maleică, la o dienă ciclică, de exemplu ciclopentadiena, sunt posibile două orientări, una ducând la aductul endo, cealaltă la aductul exo.

CO

O

OC

+

OC

OOC

CO

O

CO

H

H

CH

CHOC

OCO

Aduct endo

CO

O

CO

H

H

Aduct exo Nu există explicaţii la fel de convingătoare ca în cazul regulii adiţiei

cis. Totuşi, Woodward şi Hoffmann, considerând dimerizarea butadienei după schema unei sinteze dien, au tras concluzia că pe lângă interacţiunile primare ducând la aduct, se stabilesc şi interacţiuni secundare ( Fig. 11.1 ):

12

34

1 2

3

1 2

3

123

4

Orientare exo Orientare endo Fig. 11.1. Interacţiuni primare şi secundare în dimerizarea butadienei după schema sintezei dien Datorită interacţiunilor secundare, starea de tranziţie a formării

aductului endo este favorizată. Totuşi, adiţia endo este observată şi în cazuri în care interacţiunile

secundare nu sunt posibile ( Cristol şi colab., 1960 ). Un exemplu ar putea fi sintezele dien cu ciclopropan drept dienofil. Herndon şi Hall (1967) admit că

11

Interacţiunile primare şi geometria stării de tranziţie a procesului concertat sunt suficiente pentru a explica adiţia endo. Oricum, adiţia endo, la rândul ei, este consistentă cu un mecanism concertat.

Un exemplu interesant a fost studiat de Jacobson (1973). Pentru a verifica importanţa interacţiunilor secundare a tratat derivaţii 28 – 30 ai naftalinei cu ester fumaric şi 4-fenil-1,2,4-triazolin-3,5-diona, 31.

N

NN

)

OPh

28 29 30 31 Un atac din partea cea mai puţin împiedecată steric a fost preferat în

toate cazurile ( atac exo ). Raportul exo/endo a variat de la 19 pentru 28 la 4 pentru 30. Creşterea proporţiei de endo nu poate fi explicată prin interacţiunile de întrepătrundere secundare, dar pot fi foarte bine explicate prin descreşterea constrângerilor sterice.

11.2.4, Câteva utilizări ale reacţiei Diels-Alder în sinteye.

Vom începe cu o aplicaţie în sinteza cubanului, dat fiind că aceasta

utilizează ciclobutadiena, un subiect care a preocupat mult Catedra noastră.

Fe(CO)3

+ OO OO

Br

BrO

OHOOC

O

Br

Br

BrBr

Br

mai multe mai multe

etape etape

32 33 34

35 36 37

hν

12

Ciclobutadiena este o substanţă deosebit de instabilă. Din această cauză în sinteză se utilizează complexul cu fier al acesteia, 33. În reacţia cu 2,5-dibromchinona 33 ciclobutadiena se comportă ca o dienă, procesul decurge termic concertat. Aductul 34 format suferă o cicloadiţie 2 + 2 internă, cicloadiţie care, conform celor arătate, nu poate decurge decât fotochimic concertat. Se obţine dicetona policiclică 35, care în mai multe etape, implicând 2 transpoziţii Favorsky, dă cubanul. Transpoziţia Favorsky este o reacţie specifică unor α−clorcetone, pentru care, depinzând de structura acestora s-au propus mai multe mecanisme. În cazul α−clor-ciclohexanonei, cu care dicetona 35 seamănă structural, mecanismul ei este următorul:

O

ClRO-

O

Cl- :

-ROH

O

- Cl-

38 39 40

40+ RO-

RO O-

ROOC COOR

+1. H2O

2. - CO2 41 42a 42b 43

Ciclobutadiena poate funcţiona atât ca dienă foarte reactivă, cât şi ca

o filodienă foarte eficace. Un exemplu este dimerizarea acesteia, descoperită iniţial de Neniţescu şi Avram:

;

44 45 Pot rezulta doi dimeri, unul, sin-triciclooctadiena (44), rezultă prin

orientare endo a celor două componente, celălalt, anti-triciclooctadiena (45), se formează prin orientarea exo a acestora.

Diena Danieshevsky. În 1974 Danieshevsky şi Kitahara au sintetizat o dienă substituită cu grupe donoare de electroni 46 care să-i asigure o reactivitate înaltă, chiar şi faţă de duble legături care normal nu sunt dieno-

13

file. Vom da ca exemplu sinteza unei dihidro-γ-pirone, prin adiţia dienei Danieshevsky la dubla legătură carbon – oxigen dintr-o aldehidă:

OMe

Me3SiO

+

R H

O O

R

OMe

OSiMe3

O

R O

46 47 48 Aductul format iniţial elimină cu acizi MeOH şi restul silil, formând

dihidro-γ-pirona, 48. Diena 46 reacţionează cu uşurinţă şi cu chinone, de exemplu:

OMe

Me3SiO

+

O

O

O O

OMe

Me3SiO

O

O aduct orto-endo

46 49 50

OTubipofuran

Mai multe etape

51 O dienă Danieshevsky difluorurată 53 este de asemenea foarte

reactivă faţă de grupa carbonil aldehidică. Aceasta se prepară din trifluor- cetona 52 printr-o rupere selectivă a unei legături C – F :

F3C OBu

OMg, Me3SiCl

DMFOBu

OSiMe3

F

F52 53

Sinteza a fost realizată de către Uneyama şi colab.( 2001 ). Cetona 53 reacţionează cu benzaldehida în prezenţa de cantităţi echimoleculare de Ti(IV)-(R)-BINOL BINOL ( 55 ) este un derivat de 1,1-binaftol,

14

prezentând chiralitate axială. Rezultă cu un randament de 92% o γ−pironă fluorurată. Compuşii fluorului au dobândit în ultima vreme un interes crescut

OBu

OSiMe3

F

F

+Ph

C

H

O

O

F

F

O

Ph53 54

OH

OH

55 Reacţiile Diels-Alder sunt de regulă reversibile. Ele sunt uneori

folosite pentru protejarea dublei legături alchenice, după care diena este îndepărtată.

11.2.5. Cicloadiţii 2 + 2 Cicloadiţiile π2s + π2s termice sunt interzise de conservarea simetriei

orbitalilor moleculari. Dar cu toate acestea, cicloadiţii 2 + 2 termice decurg relativ uşor. Aceasta înseamnă ca decurg în trepte, fie prin intermediari dipolari, fie prin intermediari dirdicalici. Huisgen şi Steiner (1973) au demonstrat intervenţia zwitter-ionilor 57 în cazul de mai jos:

HC

MeC

OR

H

+

(NC)2C C(CN)2

C

C

C

C(CN)2

OMe

H

Me

H

NC

NC

..-....

+

C

C

C

C(CN)2

H

OMe

Me

H

NC

NC

..-

..

..+

Me OMe Me H

H H H OMe

NC

NC

CN

CN

NC

NC

CN

CN

56

57a 57b

58a 58b

15

Tratarea alchenei nucleofile 56 cu tetracianetilenă ( săracă în electroni ) a generat zwitter-ionul 57a. Dacă reacţia se execută în solvenţi polari ( care stabilizează structura dipolară ), atunci poate avea loc o rotaţie în jurul legăturii vecină polului pozitiv, formând 57b . Cei doi dipoli, 57a şi 57b vor genera cei doi diastereomeri 58a şi 58b. Proporţia lui 58b scade cu scăderea polarităţii solventului, aşa cum ar fi de aşteptat.

Se cunosc şi procese diradicalice. Astfel, 1,1-dicloro-2,2-difluoro-etena cu hexa-2,4-diena da un amestec de ciclobutani într-un mod nestereospecific, cum ar fi de aşteptat într-un proces neconcertat diradicalic.

Cicloadiţiile termice 2 + 2 pot decurge şi concertat dacă cele două alchene se apropie una de alta în două planuri reciproc perpendiculare unul pe celălalt. Această orientare este posibilă în reacţia alchenelor cu cetene: Astfel în reacţia dintre cetena 59 şi alchena 60 ar putea rezulta doi ciclobutani izomeri, unul cis şi unul trans.

O=C = CHR2 + CH2 = CHR1

CHR1

CHR2=O

59 60 61 În realitate rezultă un singur izomer, izomerul cis, a cărei formare nu

poate fi explicată decât printr-un mers concertat, reprezentat mai jos:

-OH

R2

R1 H

HH

O = C C

H

R2

R1 H

HH

R2

R1H

H

O

H

H

În reacţia t-butilcetenei cu stiren, reacţia este atât stereospecifică şi

stereoselectivă ( Gheorghiu, Kerek, Avram, 1975 ). Aşezarea reactanţilor în starea de tranziţie indicată mai sus asigură ca grupa tert-butil foarte voluminoasă să se aşeze cât mai depărtat de grupa fenil-

Cicloadiţiile 2 + 2 fotochimice sunt destul de frecvente, chiar dacă acestea pot concura cu reacţiile diradicalice. Dacă cele două duble legături se găsesc în aceeaşi moleculă, reacţia poate prezenta randamente înalte, ca în exemplul următor:

16

hν

Cicloadiţiile 2 + 2, termice sau fotochimice, confirmă la rândul lor

regulile de selecţie ale lui Woodward şi Hoffmann. 11.3. Reacţii cheletropice O reacţie cheletropică este o reacţie periciclică înrudită cu reacţiile

de cicloadiţie discutate mai sus. Diferenţa faţă de acestea constă în faptul că într-unul din reactanţi, cele două legături care se formează în proces pornesc de la acelaşi atom. Ca orice reacţie periciclică care poate fi reversibilă, şi aceste reacţii pot fi reversibile:

+ SO2SO2+ SO2

; SO2

62a 63a 62b 63b

O

; + :CR2 CR2

64 65 66 Tipurile importante sunt reacţiile cheletropice 4 + 1 (de exemplu,

adiţia bioxidului de sulf la diene) şi reacţii cheletropice (de cicloadiţie) 2 + 1, cicloadiţia carbenelor la alchene.

Vom începe discuţia cu reacţiile 4 + 1. 11.3.1. Recţii cheletropice implicand SO2 În 1995 Suarez şi Sordo au arătat că dienele 1,3 pot forma cu

bioxidul de sulf doi aducţi. Unul este controlat cinetic şi procesul este rever-

17

sibil, celălalt se formează printr-un control termodinamic, practic ireversibil. Cele două reacţii sunt formulate mai jos în cazul 1,2-dimetilenciclo-hexanului, 67.

SO

O k1

k-1

+ SO2 SO2

68 67 69

k2

Primul produs, 68, se formează printr-o reacţie Diels-Alder între 1,2-

dimetilenciclohexanul 67 şi o hetero dublă legătură S=O. Acest aduct nu este stabil şi se descompune în elementele constitutive pentru a forma produsul de control termodinamic, sulfolena 69.

Isaacs şi Laila au făcut un studiu cinetic prin dozarea spectrofotometrică a SO2 la 320 nm. Rezultatele sunt trecute în Tabelul 11. 3

TABELUL 11.3

Date cinetice privind adiţia SO2 la diene 1,3 ====================================================== Diena k2 relativ ∆H (kcal/mol) ∆S (ue)

2-metil 1 14,9 -152-etil 2,80 10,8 -202-i-propil 7,38 12,1 -172-t-butil 20,8 10,0 -192-clor 0,13 - -2-p-tolil 13,5 10,4 -19 2-fenil 9,45 - -cis-1-metil 1,10 - -trans-1-metil 0,89 - -

=================================================================

====================================================== Din examinarea datelor rezultă că procesul este controlat entropic

( ∆S între -15 şi -20 ue ). Substituenţii donori de electroni în poziţia 2 au un efect de accelerare asupra reacţiei, în timp ce substituenţi atrăgători de electroni ( halogeni ) diminuiază viteza procesului. Un rezultat neaşteptat este efectul grupei metil ( respingătoare de electroni ) în poziţia 1 a dienei. Aceasta produce o uşoaraă creştere a vitezelor dacă este cis şi o uşoară descreştere dacă este trans

18

Acest fapt la prima vedere surprinzător se poate explica prin modul în care se dezvoltă legăturile:

:SO2

În lipsa unor substituenţi în poziţiile 1 şi 4 din diena curgere

electronilor este posibilă în ambele sensuri. În momentul în care în poziţia 1 este un substituent respingător de electroni, deplasarea celor doi electroni de la SO2 spre dienă nu se va putea face decât într-un singur sens, spre capătul nesubstituit. Orientarea cis sau trans a substituentului este mai puţin importantă, mersul reacţiei este determinat de efectul electronic.

11.3.2. Cicloaditiile 2 + 1 ale carbenelor Spre deosebire de SO2, o substanţă relativ stabilă, carbenele sunt

intermediari reactivi de reacţie, care nu pot fi conservaţi. Din această cauză se cunosc numai cicloadiţii 2 + 1 ale acestura ( formare de ciclopropani ) şi nu se cunosc cicloadiţii 4 + 1, cu formarea ciclului de cinci atomi.

In principiu pot exista cicloadiţii de carbene concertate, în care cele două noi legături se dezvoltă practic sincron şi cicloadiţii în trepte, cu intermediari diradicalici. Alegerea uneia sau alteia dintre aceste două căi posibile depinde în primul rând de structura carbenei respective.

Structura carbenelor a fost discutată în Capitolul 2 ( v. secţiunea 2.1.4.a şi Fig. 2.12 ). În structura triplet, atomul de carbon are o hibridizare sp şi structura este liniară, diradicalică. Astfel de carbene vor da cicloaditii neconcertate, cu intermediari diradicalici:

.

.C RR +

C.

CR2

.

ciclopropani

70 71 Din carbena triplet 70 şi alchenă rezultă diradicalul 71, la rândul său

tot triplet. Pentru a se cicliza, acesta trebuie să sufere în primul rând o inversare de spin. Ciclizarea nu va fi stereospecifică, vor rezulta ambii izomeri posibili în cantităţi egale.

În cealaltă structură, singlet, atomul de carbon are o hibridizare sp2 .

19

Structura acestor carbene este plană, cei doi substituenţi formează un unghi de 120o. În planul moleculei se găseşte şi orbitalul sp2 ocupat cu cei doi electroni, perpendicular pe planul moleculei găsindu-se orbitalul p vacant ( orbital LUMO) ( v. Fig. 2.12 ). Cicloadiţiile acestor specii de carbene vor fi stereospecifice.

HOMO

LUMO

Metilena este mai stabilă în starea triplet decât în starea singlet. Cu

toate acestea, generarea ei prin procedee termice va produce metilenă singlet, conform principiului conservării spinului pe parcursul proceselor termice. Dacă are însă timp, ea va trece în metilena triplet, mai stabilă.

O dovadă în acest sens a fost adusă în experienţa următoare : trans- şi cis-2-butena sunt tratate fiecare în atmosferă de azot cu diazometan, care este descompus termic în metilenă.

H3C

HC CH

HC CH

CH3trans-2-butena

H3C CH3

cis-2-butena

CH2=N = N :CH2

CH3

CH3

CH3 CH3

H

H

H H

CH3

CH3H

H

CH3 CH3

H H

Conc. mare dealchena

Conc. mare dealchena

Conc. mica dealchena

+

+

N2 +

Dacă concentraţia butenei este mare în amestecul de gaze, fiecare

butenă va da un singur dimetilciclopropan, cel care va conserva geometria alchenei initiale. Dacă concentraţia alchenei este mică, fiecare butenă va da acelaşi amestec al celor doi dimetilciclopropani. QED!

20

Dihalocarbenele sunt mai stabile în structura singlet. Se crede că această structură este stabilizată prin conjugare.

Cl:C

Cl

..

..:Cl+

-:C

Cl

etc.

Despre obţinerea dihalocarbenelor prin reacţii de eliminare a fost

vorba în alt capitol. S-a arătat de exemplu că specile obţinute prin eliminare sunt specii carbenoide, nu sunt carbene perfect libere. Chiar dacă acestea dau reacţia principala a carbenelor, cicloadiţia 2 + 1, o serie de alte comportări ale acestora amintesc de reacţiile carbanionilor.

11.4. Probleme 1. Cum vă imaginaţi că are loc formarea ciclooctatetraenei ( COT )

din 4 molecule de acetilenă? 2. cis+Divinil compusul A suferă transformarea de mai jos. Se cere:

X X

;

X

A B C a. Carui tip de transformare corespunde reacţia compusului A? b. Ce variaţii în reactivitate vă aşteptaţi dacă X este CH2, O şi NR ? c. Cum se va comporta C în reacţia similară lui A ? 3. Ce produs va rezulta în reacţia de mai jos în următoarele condiţii:

+CO

CO

O

a. Cantităţi echimoleculare a reactanţilor şi temperatura sub 100oC. b. Exces de anhidridă maleică şi temperatură peste 100oC.

21

11. Literatură a. Articole de ansamblu, de informare generală 1. F. Badea, Reaction Mechanisms in Organic Chemistry, Abacus

Press, Tunbridge Wells, Kent, 1977; Capitolul 12. 2. M. C. Kloetzel, Org. Reactions, 1948, 4, 1; H.L. Holmes, ibid., 60. 3. J. Harner, 1,4-Cycloaddition Reactions, Academic Press, 1967. 4. J. G. Martin şi R. K. Hill, Chem. Rev., 1961, 61, 537.

5. R. B. Woodward şi R. Hoffmann, The Conservation of Orbital Symmetry, Verlag Chemie, Weinheim, 1970; Angew. Chem., 1969, 81, 797.

6. W.L. Dilling, Chem. Rev., 1966, 66, 173. b. Literatură citată 1. O. Grummit şi F. J. Christoph, J. Amer. Chem. Soc., 1951, 73,

3479. 2. C.D.Nenitzescu, M. Avram şi D. Dinu, Chem. Ber., 1957 90,

2541. 3. M. Avram, I.G. Dinulescu, D. Dinu, G. D. Mateescu şi C.D.

Nenitzescu, Tetrahedron, 1963, 19, 309. 4. K. Alder şi G. Stein, Liebigs. Ann. Chem., 1933, 504, 222; Angew.

Chem., 1937, 50, 514. 5. R. Hoffmann şi R. B. Woodward, J. Amer. Chem. Soc., 1965, 87,

4388. 6. S. J. Cristol, W. K. Seifert şi S. B. Soloway, J. Amer. Chem. Soc.,

1960, 82, 2351. 7. W. C. Herndon şi I. H. Hall, Tetrahedrom Letters, 1967, 3095. 8. B. M. Jacobson, j. Amer. Chem. Soc., 1973, 95, 2579. 9. S. Danieshevsky şi T. Kitahara, J. Amer. Chem. Soc., 1974, 96,

7807. 10. S. Danieshevsky, Chemitracts: Org. Chem., 1989, 2, 273. 11. K. B. Simonsen, N. Svenstrap, M. Robertson şi K. A. Jorgensen, Chem.- Eur. J., 2000, 6, 129. 12. J. Motogami, Y. Koga şi H. Nishiyama, Tetrahedron, 2001, 57, 853. 13. H. Amil, T. Kobayashi, H. Terasawa, K. Uneyama, Org. Lett., 2001, 3, 3103. 14. R. Huisgen şi G. Steiner, J. Amer. Chem. Soc., 1973, 95, 5044, 5055, 5056.

22

15. M. Gheorghiu, F. Kerek şi M. Avram, Rev. Roumaine Chim., 1975, 20, 75. 16. D. Suarez, T. L. Sordo şi J. A. Sordo, J. Org. Chem., 1995, 60, 2842. 17. N. S. Isaacs ;i A.A.R. Laila, Tetrahedron Letters, 1975, 17, 715. 18. F. Monnat, P. Vogel şi J. A. Sordo, Helv. Chim. Acta, 2002, 85, 712.