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Eterocicli aromatici a 5 termini : caratteristiche strutturali Hanno ciascuno tre coppie di elettroni p e sono composti aromatici Criteri per l’ aromaticità Un composto aromatico 1. Deve possedere una nuvola ciclica ininterrotta di elettroni p sopra e sotto il piano della molecola • Affinchè la nuvola p sia ciclica la molecola deve essere ciclica; • Affinchè la nuvola p sia ininterrotta ogni atomo dell’anello deve possedere un orbitale p • Affinchè si formi la nuvola p ogni orbitale p si deve sovrapporre agli orbitali p ad esso adiacenti , quindi la molecola deve essere planare 2. La nuvola p deve essere formata da un numero dispari di coppie di elettroni p Regola di Huckel dell’aromaticità Un composto ciclico planare è aromatico se la sua nuvola elettronica p contiene (4n+2) elettroni con n numero intero Eterocicli aromatici a 5 termini : caratteristiche strutturali PIRROLO Il pirrolo è una base molto debole perché gli elettroni coppia solitaria dell’azoto fanno parte del sistema p. L’acido coniugato del pirrolo è molto forte pKa -3.8 Eterocicli aromatici a 5 termini : caratteristiche strutturali FURANO Determinazione dell’energia di risonanza dei sistemi aromatici Il caso del benzene: Il benzene è un composto particolarmente stabile a causa della sua energia di delocalizzazione molto elevata. L’energia di delocalizzazione è una misura di quanto una molecola con elettroni delocalizzati è più stabile di una ipotetica molecola uguale, ma con gli elettroni localizzati. Si può determinare l’energia di risonanza del benzene paragonando la stabilità del benzene con quella del cicloesatriene una molecola ipotetica con tre legami p localizzati Determinazione dell’energia di risonanza dei sistemi aromatici Il caso del benzene: Il DH° del benzene è molto più basso di quello dell’ipotetico cicloesatriene Poiché in entrambe le reazioni si ottiene il cicloesano la differenza 36 Kcal/mol rappresenta la energia di risonanza del benzene Eterocicli aromatici a 5 termini : caratteristiche strutturali Le energie di risonanza di pirrolo furano e tiofene non sono cosi’ grandi come quelle del benzene o dell’anione ciclopentadienile le cui strutture limiti di risonanza sono tutte equivalenti Il tiofene che possiede l’eteroatomo meno elettronegativo ha la più alta energia di risonanza, mentre il furano che possiede l’eteroatomo più elettronegativo ha la minore energia di delocalizzazione Sostituzione elettrofila aromatica Essendo aromatici pirrolo, furano e tiofene danno reazione di sostituzione elettrofila aromatica Il meccanismo è analogo a quello visto nel caso del benzene Sostituzione elettrofila aromatica Regioselettività della reazione La sostituzione avviene preferenzialmente al C-2 perché l’intermedio ottenuto per attacco a questa posizione è più stabile di quello ottenuto per attacco al C-3 Posizione 2 (alfa) Posizione 3 (beta) Se entrambe le posizioni 2 sono occupate la sostituzione avviene al C-3 Sostituzione elettrofila aromatica Reattività relativa nella sostituzione elettrofila aromatica Pirrolo, furano e tiofene sono più reattivi del benzene perché stabilizzano meglio la carica positiva sul carbocatione intermedio, in quanto l’eteroatomo può donare elettroni all’anello per risonanza. Questo avviene in minor misura per il furano che per il pirrolo perché l’O è più elettronegativo Il tiofene è meno reattivo del furano perché gli elettroni dello zolfo sono in un orbitale 3p che si sovrappone meno efficientemente dell’orbitale 2p di N o O Sostituzione elettrofila aromatica Reattività relativa nella acilazione di Friedel Craft Il benzene richiede un acido di Lewis forte come catalizzatore, il tiofene un acido meno forte, il furano ancora meno forte, il pirrolo non necessita di catalizzatore Acidità, basicità del pirrolo Acidità del pirrolo Il pirrolo è più acido della pirrolidina perché l’N è ibridato sp2 ed è quindi più elettronegativo dell’N sp3 di un’ammina satura Basicità del pirrolo L’ibrido di risonanza del pirrolo ha una parziale carica positiva sull’N, pertanto il pirrolo viene protonato al C-2 piuttosto che sull’N. In realtà il protone è un elettrofilo e attacca preferenzialmente in posizione 2 Una volta protonato il pirrolo polimerizza. Il pirrolo è quindi instabile in soluzioni acide Sintesi di Paal–Knorr di furano, pirrolo e tiofene. Utilizza come materiali di partenza gli 1,4-dichetoni. E’ un metodo utile per ottenere pirroli e furani sostituiti. Proposta indipendentemente da Carl Paal and Ludwig Knorr alla fine dell’800. La reazione si conduce in presenza di un acido protico o un acido di Lewis Sintesi di Paal–Knorr di furano, pirrolo e tiofene. Il meccanismo della reazione è stato chiarito solo nel 1990 da V. Amarnath Furano Il carbonile protonato è attaccato dall’enolo in formazione, con meccanismo concertato. Seguono stadi di disidratazione Pirrolo Il carbonile protonato è attaccato dall’ammina a dare un emiaminale. L’ammina attacca l’altro carbonile con formazione di un 2,5-diidrossitetraidropirrolo che subisce quindi disidratazione a dare il pirrolo Eterocicli aromatici a sei termini: la piridina La piridina è aromatica Può essere descritta da due strutture limiti di risonanza non cariche e tre strutture limiti cariche perché l’N è elettronattrattore Piridina: caratteristiche acido-base Lo ione piridinio è un acido più forte di un ione ammonio perché il protone è legato ad un N ibridato sp2 più elettronegativo di un azoto ibridato sp3 Ovvero la piridina è una base più debole di un’ammina eterociclica non aromatica La piridina dà le reazioni caratteristiche delle ammine terziarie L’azoto è la parte negativa del dipolo Piridina: Sostituzione elettrofila aromatica A causa della sua aromaticità la piridina dà reazioni di sostituzione elettrofila aromatica Reattività posizionale: la sostituzione avviene preferenzialmente sulla posizione 3 perché l’attacco dell’elettrofilo porta all’intermedio più stabile meno stabile meno stabile Piridina: Sostituzione elettrofila aromatica Reattività relativa nella sostituzione elettrofila aromatica La piridina è poco reattiva, meno del nitrobenzene!! Sono richieste condizioni molto drastiche Reattività posizionale Piridina: Sostituzione nucleofila aromatica La piridina è più reattiva del benzene nella sostituzione nucleofila aromatica in quanto l’azoto elettronegativo stabilizza l’intermedio della reazione La sostituzione avviene preferenzialmente alle posizioni C-2 e C-4 più stabile più stabile Piridina: Sostituzione nucleofila aromatica Se vi sono gruppi diversi al C-2 e C-4 il nucleofilo entrante sostituisce la base più debole Piridina: la reazione di Chichibabin E’ un metodo per produrre 2-amminopiridine per reazione della piridina con sodio ammide Trasformazione delle amminopiridine La diazotazione delle amminopiridine porta ad a-piridone o g-piridone Piridina: acidità degli idrogeni su sostituenti in C-2 e C-4 Gli idrogeni sui carboni legati alle posizioni 2 e 4 dell’anello piridinico sono piuttosto acidi per effetto dell’N elettronattrattore e la possibilità di delocalizzare la carica negativa. Questi idrogeni possono essere rimossi anche da basi acquose ed i carbanioni risultanti agiscono da nucleofili Ammine eterocicliche di importanza biologica: l’imidazolo Imidazolo è un composto aromatico Imidazolo proprietà acido basiche L’imidazolo è molto più basico del pirrolo perché la coppia solitaria nell’orbitale sp2 non partecipa al sistema p A pH fisiologici l’imidazolo esiste sia in forma protonata che in forma deprotonata Sia l’imidazolo protonato che l’anione hanno due strutture limiti di risonanza. Quindi i due atomi di azoto diventano equivalenti quando l’imidazolo è protonato o deprotonato.
