4ª CH Verifica di Chimica Organica – Ammine Soluzioni spiegate. Leggere bene. 1. Denominare le seguenti ammine secondo le raccomandazioni IUPAC 1993 e utilizzando i nomi comuni per gli eterocicli. 1 2 3 4 N NH N H NH2 1. Catena più lunga con attaccato azoto amminico: 4 carboni, quindi butan-1-ammina. Sul secondo e sul terzo ci sono due metili, quindi: 2,3-dimetilbutan-1-ammina; 2. Il ciclo attaccato all’azoto amminico è il ciclo pentano, quindi ciclopentanammina. All’azoto c’è anche legato un metile, quindi: N-metilciclopentanammina. 3. Catena più lunga legata all’azoto amminico: due carboni, quindi: etanammina. All’azoto c’è legato un etile e un metile, quindi, in ordine alfabetico: N-etil-N-metiletanammina. 4. Poiché l’azoto amminico è parte integrante dell’anello, abbiamo un eterociclo azotato di cui occorre purtroppo ricordare il nome a memoria: piperidina (pag. 168). 2. Disegnare le strutture delle seguenti ammine: a) N-etilpropan-1-ammina, b) N-etil-N-metilbutan-2-ammina c) 3-amminopiridina a) catena da tre C del propano chiusa con NH. Quindi aggiungiamo un etil ad N: CH3CH2CH2NHCH2CH3. b) catena da 4 C del butano, N legato al secondo C e all’azoto si legano anche un metile e un etile: N 4 4 N c) la piridina è 1 NH2 3 3 2 (pag. 168). Si deve aggiungere il gruppo ammino in posizione 3: N 2 1 3. Numerare i seguenti composti azotati in ordine crescente di basicità O O N O N NH3 NH NH NH a b c d e f Una base di Brönsted è tanto più forte quanto più il suo doppietto elettronico è disponibile. La disponibilità del doppietto dipende da molti fattori. In ordine di generalità decrescente: 1. la minore elettronegatività dell’atomo portatore della coppia elettronica aumenta la disponibilità della coppia e la basicità della specie. Per esempio l’azoto ha elettronegatività 3,0, quindi “risucchia” il doppietto con minor forza dell’ossigeno che ha elettronegatività 3,5. Per questo motivo l’ammoniaca è molto più basica dell’acqua e le ammine sono molto più basiche degli alcoli. 2. La presenza di una carica negativa sull’atomo portatore della coppia rende quest’ultima molto più disponibile. Per questo motivo lo ione OH- (idrossido) è molto più basico dell’acqua e lo ione NH2- (ammide) è molto più basico sia dell’OH- che dell’ammoniaca. 3. A parità di condizioni 1 e 2, lo stato di ibridazione dell’orbitale su cui si trova la coppia elettronica influisce sulla sua disponibilità. Maggiore è il carattere p di tale orbitale, maggiore è la sua disponibilità. La presenza di carattere s (per un terzo negli sp2 e per metà negli sp) rende l’orbitale più compatto, centrato nell’atomo, quindi meno disponbile, poiché gli elettroni s sono attratti con più forza dal nocciolo. Per questo le ammine alifatiche, con l’azoto ibrido sp3, sono più basiche delle ammine aromatiche, con azoto ibrido sp2. Oltre ai fattori già visti, che riguardano l’atomo portatore della coppia, la disponibilità del doppietto elettronico è legata alla distribuzione elettronica degli altri atomi e gruppi vicini allo stesso atomo basico. Gli atomi vicini possono impegnare e delocalizzare la coppia in sistemi coniugati rendendola scarsamente disponibile oppure, tramite effetti induttivi elettronattrattori o elettrondonatori, possono - rispettivamente reprimere o potenziare la basicità. 4. La delocalizzazione fa sì che le ammidi, dove la coppia su N è coniugata con il legame C=O legato allo stesso N, siano non basiche: : :O : - :O : + : R C NH2 R C NH2 la delocalizzazione della coppia dell’azoto rende non basiche le ammidi 5. Nei sistemi aromatici in cui l’azoto è inserito nell’anello con due legami singoli la coppia elettronica sarà situata nell’orbitale pz e necessaria a completare il sestetto aromatico. Se tale coppia fosse utilizzata per legare un protone, si distruggerebbe l’aromaticità e si perderebbe la rilevante stabilità energetica ad essa associata, ragion per cui l’azoto così inserito non risulterà basico. È questo il caso del pirrolo: H N : : H N N : N piridina : pirrolo imidazolo Il secondo azoto dell’imidazolo e quello della piridina sono invece basici come quelli di normali ammine aromatiche (quindi meno dell’ammoniaca), perché le rispettive coppie elettroniche si trovano su orbitali sp2 sul piano dell’anello e proiettati verso l’esterno. 6. Gli effetti induttivi elettron-donatori, o +I, spingendo elettroni verso l’azoto, rendono il doppietto elettronico di questo più basico, mentre gli effetti –I, o elettronattrattori, attirando elettroni, ne riducono la forza basica. Gli alchili (metile, etile, propile, isopropile ecc. ecc.) hanno effetto induttivo +I e ciò fa sì che le ammine alifatiche siano più basiche dell’ammoniaca e che quelle secondarie siano più basiche delle primarie. Per le terziarie l’ingombro sterico pone difficoltà a solvatare il catione formato dalla cattura del protone e a formare il legame a idrogeno col solvente, per cui tali ammine non risultano più basiche delle secondarie, come sarebbe da attendersi per il triplo effetto induttivo + I, ma hanno invece una basicità dello stesso ordine di grandezza delle primarie. L’ordine atteso si ottiene in fase gassosa, dove si può escludere l’effetto solvatazione. Anche altri effetti induttivi, dovuti a gruppi posti sulle catene e dotati di elevata o bassa elettronegatività, di cariche positive o negative, influiscono sulla basicità in misura decrescente con l’allontanamento dall’azoto basico. Nell’esercizio, la piridina b è un’ammina aromatica, quindi meno basica dell’ammoniaca, a. Il composto c) è un’ammide (dato che l’azoto in essa è direttamente attaccato a un C=O carbonilico), quindi assolutamente non basica (n.1). Quindi la sequenza è finora b < c < a. Le ammine d, e, f sono invece ammine “normali” (alifatiche), quindi più basiche del’ammoniaca. Ma la ‘e’ è terziaria, quindi meno basica delle secondarie ‘d’ ed ’f’. Nelle ammine secondarie d ed f, molto simili, si ha solo un diverso effetto induttivo. In d il gruppo C=O elettronattrattore è posto a maggior distanza che in f, per cui esso causerà una riduzione meno importante della basicità rispetto ad f. Quindi la sequenza completa è: b < c < a < e < f < d. 4. Numerare i seguenti acidi dal più debole (1) al più forte (4) e scrivere sotto le formule delle rispettive O CH3 + NH4 + H3N A1 basi coniugate. CH3 + NH2 H3C A2 H3C A3 + NH3 C A4 Questo esercizio è perfettamente analogo al precedente. Un acido è tanto più forte quanto più la rispettiva base coniugata è debole. Le basi coniugate sono ricavabili semplicemente togliendo un protone dall’acido: O CH3 H2N B1 : : : : NH3 CH3 H3C B2 NH H3C B3 C NH2 B4 L’ammina alifatica secondaria B3 è la più basica, per cui l’acido ad essa coniugato, A3, sarà il più debole. Al secondo posto viene l’ammina primaria B2, quindi l’acido A2 sarà al secondo posto per debolezza. L’ammoniaca B1, essendo meno basica delle ammine, avrà un acido coniugato A1, lo ione ammonio, più acido. Ma il più acido sarà A4 perché deriva da un’ammide protonata, che ha forza basica trascurabile. Quindi la sequenza di acidità sarà A3 < A2 < A1 < A4. 5. Scrivere la reazione di scambio protonico tra anilina e ione ammonio e dire se tale equilibrio è spostato a destra o a sinistra. : + NH2 NH3 anilina B1 + + NH4 ammonio anilinio (ione) A2 A1 : + NH3 ammoniaca B2 Come indicato dalle frecce, l’equilibrio sarà spostato a sinistra perché l’anilina è una base più debole dell’ammoniaca (e l’ammonio più debole dell’anilinio). Per cui la reazione tra una base e un acido più deboli per dare un base e un acido più forti non è molto favorita. 6. Scrivere lo schema di reazione (con tanto di frecce e in due stadi) tra N-metilbutanammina ed 1clorobutano in difetto, seguita da aggiunta di NaOH. Primo stadio: questa è una reazione SN2 in cui l’ammina agisce come nucleofilo per sostituire il cloro (gruppo uscente) del substrato primario (1-clorobutano). Invertendo i punti di vista si può dire che l’ammina (come substrato) viene alchilata dal clorobutano (reattivo con un carbonio +). In questo primo stadio si forma uno ione ammonio e il Cl-. La quantità limitata di 1-clorobutano serve a evitare l’alchilazione multipla. : NH + + Cl SN2 o alchilazione N-metilbutan-1-ammina 1-clorobutano (substrato (nucleofilo) elettrofilo primario o alchilante) + N H + Cl - N-butil-N-metilbutan-1-amminio cloruro, un sale di amminio Essendo l’ammina secondaria e in eccesso, anche senza l’aggiunta di NaOH il sale di amminio N-butil-Nmetilbuta-1-amminio cloruro cederà il protone spontaneamente all’ammina non reagita, formando la base coniugata, l’ammina terziaria, meno basica. Ovviamente la medesima trasformazione in ammina terziaria è operata dalla base OH-, ancor più forte. : N H + NH NH2 N-butil-N-metilbutan-1-ammina (ammina terziaria) : :OH + + N : + H2O O 2N C N 7. Indicare un percorso di reazione per ottenere il 4-nitrobenzonitrile nitroanilina. O 2N partendo da para- NH2 La paranitroanilina è . Il gruppo nitrile del prodotto desiderato può essere introdotto tramite una reazione di sostituzione nucleofila aromatica (SNA), con CuCN (cianuro rameoso) a caldo, come descritto a pag. 165. Per sostituire il gruppo NH2 con un CN occorrono due stadi. 1. trasformazione del gruppo amminico in sale di diazonio (diazotazione) HCl, NaNO2 O 2N NH2 + O 2N 0 °C N N 2. Reazione di sostituzione del buon gruppo uscente -N2+ del sale di diazonio con un opportuno nucleofilo (CN:-). + O 2N N N + :C SNA N O 2N C N +N N La reazione di sostituzione nucleofila aromatica (la reazione normale degli aromatici è la sostituzione di H+ con un elettrofilo) è favorita su aromatici disattivati (in questo caso dalla presenza del nitrogruppo) e dal fatto che il gruppo N2+- è un buon gruppo uscente, dato che se ne va come azoto gassoso, N2. HO 3S N N NH2 8. Scrivere i passaggi necessari per ottenere l’indicatore giallo metanile: La sintesi prevede la formazione di un sale di diazonio seguita dalla reazione di questo come elettrofilo che sostituisce (SEA, sostituzione elettrofila aromatica) un idrogeno in posizione para di un altro aromatico, che deve essere attivato (pag. 166). Se osserviamo il prodotto desiderato vediamo che un attivante, l’NH2, è presente sul gruppo aromatico di destra. Quindi il gruppo NH2 da trasformare in sale di diazonio sarà presente inizialmente sull’aromatico di sinistra, mentre il substrato attivato che subirà la copulazione è l’anilina. HO 3S HO 3S N N HO 3S NH2 ottenibile da NH2 e HO 3S HO 3S HCl, NaNO2 NH2 0 °C NH2 + N N Cl - N H NH2 -HCl N NH2