Reazioni degli alcoli - D`ANGELO GIUSEPPE

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Reazioni degli alcoli
Indice:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Sintesi degli alcossidi...........................................................
Sintesi di Williamson degli eteri...........................................
Trasformazione degli alcoli in alogenuri alchilici................
Sintesi degli esteri.................................................................
Trasformazione degli alcoli in eteri e alcheni.......................
Ossidazione...........................................................................
2
2
3
6
7
9
Tabella dei valori di pKa compresi tra 10 e 20
pKa
20 -
18 -
16 -
−
alfa H dei chetoni
CH3 CO CH3
CH3 CO CH2
alcoli terziari
R COH
R CO −
alcoli secondari
OH
CH3 CH CH3
O−
CH3 CH CH3
alcoli primari
CH3 CH2 OH
CH3 CH2 O −
metanolo
CH3 OH
CH3 O −
acqua
H2O
OH −
estere malonico
EtOOC−CH2− COOEt
EtOOC− CH−COOEt
estere acetacetico
CH3CO−CH2− COOEt
CH3CO−CH−COOEt
3
3
14 −
12 -
10 -
fenolo
OH
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−
O−
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Sintesi degli alcossidi
Gli alcoli e i fenoli vengono trasformati in alcossidi per trattamento con basi forti.
I fenoli (pKa 10) sono circa 10 milioni di volte più acidi degli alcoli a causa della risonanza con l’anello
aromatico che stabilizza la carica negativa dello ione fenato.
:O −
OH
O
O
O
− ..
.. −
+
+ H
..
−
La pKa del fenolo consente di preparare il fenato per reazione con NaOH.
O− Na+
OH
+
+
NaOH
H2O
Se ordiniamo gli alcoli secondo l’acidità decrescente, cioè dal più acido al meno acido, otteniamo:
alcol metilico (pKa 16) > alcoli primari (pKa 17,5) > alcoli secondari (pKa 18) > alcoli terziari (pKa 19).
Queste differenze di acidità sono dovute essenzialmente al diverso ingombro sterico che rende più difficile la
solvatazione in H2O della carica negativa dell’alcossido quando i gruppi alchilici sono più ingombranti.
A differenza dei fenoli, gli alcoli sono meno acidi dell’acqua e non possono essere trasformati nei corrispondenti alcossidi con OH−, ma si deve usare sodio metallico.
O − Na+
OH
+
2 CH3 CH2
2 Na
+
2 CH3 CH2
H2
Sintesi di Williamson degli eteri
Gli eteri possono essere sintetizzati con una reazione di sostituzione SN2 tra gli alcossidi e gli alogenuri
alchilici. Questa reazione è nota come sintesi di Williamson. L’alogenuro alchilico che subisce la SN2 può
essere primario o secondario. Gli alogenuri terziari e quelli aromatici, per questioni di ingombro sterico, non
possono subire reazioni SN2.
−
O:
Cl
SN2
CH3 CH2
+
CH3 CH CH3
CH3 CH2 O CH CH3
CH3
CH3
CH3 C
Cl
−
O:
+
SN2
CH2 CH3
CH3
CH3 C
O
CH2 CH3
CH3
CH3
Se uno dei due sostituenti dell’etere è terziario come nell’etil terzbutil etere mostrato qui sopra, la sintesi
deve essere progettata in modo che l’alcossido sia terziario e l’alogenuro sia primario. Altrimenti si ottiene
prevalentemente l’alchene, il prodotto di una eliminazione E2, perchè l’alogenuro terziario non può subire
una SN2.
−
O:
OH
Cl
E2
CH3 CH2
+
CH2 C
H
CH3
CH3
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CH3 CH2
+
CH2 C
CH3
CH3
.
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Trasformazione degli alcoli in alogenuri alchilici
Gli alcoli possono essere trasformati in cloruri e bromuri alchilici per reazione diretta con gli acidi
alogenidrici HCl e HBr. L’ambiente acido è necessario per trasformare il gruppo OH dell’alcol in OH2+ e
creare così nella molecola un miglior gruppo uscente.
La reazione inizia con la protonazione del gruppo OH dell’alcol. L’alcol protonato può reagire in due modi
diversi: può dare una reazione SN2 con X−, oppure può dare una reazione SN1 formando un carbocatione
che in un secondo momento reagisce con l’alogenuro X−. Il meccanismo della reazione sarà SN2 o SN1a
seconda della struttura dell’alcol e del carattere più o meno nucleofilo dell’alogenuro.
Gli alcoli terziari reagiscono con meccanismo SN1 sia con HCl che con HBr. La reazione avviene
velocemente anche a freddo, ma è sempre accompagnata da una piccola percentuale di eliminazione E1.
Qui è illustrata la sintesi del cloruro di terzbutile che è accompagnata dalla formazione di piccole quantità di
2-metilpropene:
OH
CH3 C CH3
Cl
SN1
+ HCl
CH3 C CH3
CH3
+
CH2 C CH3
CH3
+
H2O
CH3
prodotto principale
Meccanismo di reazione:
..
OH
CH3 C
CH3
+
OH2
veloce
+
+ H
CH3 C
CH3
CH3
+
OH2
CH3 C
CH3
lento
+
CH3 C
CH3
CH3 +
H2O
CH3
CH3
−
+ : Cl
CH3
+
C
CH3
CH3
H
+
−
C CH2 + : Cl
CH3
Cl
veloce
SN1
CH3 C
CH3
CH3
veloce
E1
CH3 C
CH3
CH2
CH3
Gli alcoli primari e secondari reagiscono con HBr con meccanismo SN2.
OH
Br
CH3 CH2 CH2 +
SN2
HBr
CH3 CH2 CH2
Meccanismo di reazione:
..
OH
CH3 CH2 CH2
+
H
+
+
OH2
CH3 CH2 CH2
+
: Br
−
+
H2O
+
OH2
veloce
CH3 CH2 CH2
Br
lento
SN2
CH3 CH2 CH2
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La reazione degli alcoli primari e secondari con HCl, invece, è troppo lenta per la scarsa nucleofilicità dello
ione cloruro e quindi deve essere condotta a caldo in presenza di ZnCl2, un forte acido di Lewis. In queste
condizioni, però, la reazione non procede in modo pulito con meccanismo SN2, ma si ottengono miscele di
alogenuri diversi. Questo indica che il meccanismo non è solo SN2, ma in parte anche SN1 ed E1, cioè
durante la reazione si formano carbocationi che possono dar luogo ad eliminazioni, trasposizioni e ad altre
reazioni collaterali.
OH
ZnCl2
CH3 CH CH2 CH2 + HCl
a caldo
CH3
Cl
Cl
Cl
CH3 CH CH2 CH2 + CH3 CH CH CH3 + CH3 C CH2 CH3 + CH3 C CH CH3 + H2O
CH3
CH3
CH3
CH3
Meccanismo di reazione:
Zn Cl
H
O
+
..
OH
CH3 CH CH2 CH2 + Cl
A)
CH3 CH CH2 CH2
CH3
CH3
Zn Cl
H
+O
−
: Cl
CH3 CH CH2 CH2
Cl
CH3
B)
Zn Cl
SN2
H
Zn Cl
−
+O
: Cl
CH3 CH CH CH2
CH3 CH CH2 CH2
CH3
+
H
CH3 CH CH CH2
CH3 H
H
+
CH3 CH CH CH2
−
SN1
Cl
CH3 CH CH CH3
CH3
CH3
H
C)
CH3 C
trasposizione
+
+
1,2 di idruro
CH CH3
CH3 C
D)
CH3 C
H
CH CH3
CH3
CH3
H
CH3
CH3
: Cl
H
+
CH3 CH CH CH2
+
CH CH3
: Cl
: Cl
−
SN1
Cl
CH3 C
CH2 CH3
CH3
−
E1
CH3 C
CH3
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CH CH3
CH3
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La reazione di HCl con gli acidi primari e secondari, quindi, non può essere usata a scopo preparativo, ma è
utilizzata nel saggio di Lucas per determinare la natura dell’alcol.
Gli alcoli terziari reagiscono con HCl a freddo (se c’è stata reazione si nota la formazione di uno strato di
liquido supernatante dovuto all’alogenuro alchilico che non è solubile in acqua).
Gli alcoli secondari reagiscono con HCl a freddo solo in presenza di ZnCl2.
Gli alcoli primari reagiscono con HCl e ZnCl2 solo a caldo (si nota un intorbidamento della miscela di
reazione).
Gli alcoli primari e secondari possono essere convertiti nei corrispondenti cloruri e bromuri alchilici
utilizzando come reattivi PCl3 e PBr3 al posto di HCl e HBr. La reazione avviene in modo più pulito e con
rese più alte. Gli alogenuri di fosforo trasformano il gruppo uscente dell’alcol (OH−) in un miglior gruppo
uscente PX2O−. Tutti e tre gli atomi di alogeno possono reagire e quindi il PX3 viene convertito in acido
fosforoso H3PO3. La reazione procede con meccanismo SN2. Qui è illustrata la sintesi dell’1-cloropropano.
OH
Cl
SN2
+
3 CH3 CH2 CH2
+
3 CH3 CH2 CH2
PCl3
H3PO3
Meccanismo della reazione:
Cl
P
..
OH
O
CH3 CH2 CH2 + Cl P Cl
Cl
+ H
CH3 CH2 CH2
+
+
−
Cl
Cl
Cl
P
O
Cl
: Cl
CH3 CH2 CH2
−
SN2
Cl
CH3 CH2 CH2
+
Cl P O
−
Cl
Gli alcoli primari e secondari possono essere trasformati nei corrispondenti cloruri alchilici con cloruro di
tionile SOCl2. La reazione è molto utilizzata perché è pulita infatti, oltre al cloruro alchilico, si formano solo
SO2 e HCl, due sostanze gassose che possono essere allontanate con facilità. Dato che nell’ambiente di
reazione HCl può non essere abbastanza dissociato per fornire la concentrazione necessaria di ioni Cl−, si
aggiunge un’ammina terziaria NR3 che forma il sale d’ammonio con HCl e rende più disponibili gli ioni
Cl−. La reazione procede regolarmente con meccanismo SN2, quindi nel caso di alcoli otticamente attivi si
osserva inversione di configurazione.
OH
O
Cl
NR3
CH3 CH2 CH2 + Cl S Cl
+ SO2
CH3 CH2 CH2
+
HCl
SN2
Meccanismo della reazione:
O
S
..
OH
O
O
CH3 CH2 CH2 + Cl S Cl
R
..
N
Cl
+
CH3 CH2 CH2
H
+
R
H
R
Cl
N
+
R
+
Cl
HCl
−
R
R
O
S
O
CH3 CH2 CH2
Cl
−
: Cl
SN2
Cl
CH3 CH2 CH2
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O
+
S
O
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Sintesi degli esteri
Gli esteri carbossilici si ottengono per condensazione di un alcol con un acido carbossilico o con un suo
derivato come un cloruro o una anidride.
Qui esamineremo solo la reazione di esterificazione di Fischer, cioè l’esterificazione diretta di un alcol con
un acido carbossilico con catalisi acida per HCl o H2SO4. L’alcol, l’acido carbossilico e l’HCl devono essere
anidri, la reazione infatti è reversibile e l’acqua sposterebbe l’equilibrio verso sinistra cioè verso l’idrolisi
dell’estere.
O
O
OH
HCl
CH3 CH2 C
CH3 CH2 C
+ CH3 CH2
+ H2O
OH
O
acido propanoico
CH2 CH3
etil propanoato
etanolo
Meccanismo della reazione:
..
O
H
+
OH
+
CH3 CH2 C
OH
CH2 CH3
CH3 CH2 C
OH
CH3 CH2 C
OH
H
O CH2 CH3
+
OH
+
OH
:OH
CH3 CH2 C
: OH
O CH2 CH3
CH3 CH2 C
OH2
+
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O
CH3 CH2 C
O CH2 CH3
O CH2 CH3
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Trasformazione degli alcoli in eteri e alcheni
Gli alcoli possono essere trattati con acido solforico e si trasformano in eteri o alcheni a seconda della
temperatura di reazione, della struttura dell’alcol, della concentrazione di acido solforico utilizzata.
Disidratazione degli alcoli ad eteri
Trattando gli alcoli primari o secondari con una bassa concentrazione di H2SO4 e a una temperatura di circa
100 – 140 °C si ottengono eteri. Gli alcoli primari reagiscono con meccanismo SN2, i secondari con
meccanismo SN1, mentre i terziari non danno gli eteri diterziari perché questi sono instabili a causa
dell’ingombro sterico.
Con etanolo, un alcol primario si ha:
OH
2
CH3 CH2
H2SO4 140 °C
Meccanismo di reazione:
..
OH
O
CH3 CH2
+
HO
S
+ H 2O
CH3 CH2 O CH2 CH3
SN2
O
+
OH2
CH3 CH2 O
O
S
OH
O
solfato acido di etile
..
OH
O
CH3 CH2 + CH3 CH2 O S OH
SN2
+
CH3 CH2 O CH2 CH3
CH3 CH2 O CH2 CH3
H
O
Con 2-propoanolo, un alcol secondario, la reazione è la seguente:
OH
2
CH3 CH CH3
H2SO4 100 °C
Meccanismo di reazione:
..
OH
+
H
CH3 CH CH3
..
OH
+
CH3 CH
CH3
CH3 CH O CH CH3
SN1
CH3
+
OH2
+ H2O
CH3
+
CH3 CH CH3
CH3 CH CH3
H
SN1
CH CH3
dietil etere
CH3 CH O CH CH3
+
CH3
CH3
CH3
CH3 CH O CH CH3
CH3
CH3
Un alcol terziario come l’alcol terzbutilico non può formare l’etere diterzbutilico a causa dell’ingombro
sterico, ma può reagire a 20°C con un alcol primario, come l’etanolo, formando l’etere misto. A 20 °C,
infatti, l’etanolo non può reagire con sé stesso per dare il dietil etere (questa reazione avviene a 140 °C).
..
..
+
OH
OH2
OH
CH3
+
CH2 CH3
H
+
CH3 C CH3
CH3 C CH3
CH3 C CH3
CH3 C O CH2 CH3
SN1
CH3
CH3
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CH3
CH3
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Disidratazione degli alcoli ad alcheni
Trattando gli alcoli con acido solforico concentrato e a temperature maggiori di quelle necessarie a disidratare gli alcoli ad eteri (180 °C per i primari e 140 °C per i secondari) si ottengono gli alcheni attraverso
reazioni di eliminazione E1. Dato che gli intermedi di reazione sono carbocationi, sono frequenti le trasposizioni e si ottengono miscele di prodotti in cui dominano gli alcheni termodinamicamente più stabili. Per
esempio, il trans 2-butene è il prodotto principale della disidratazione sia del 1-butanolo sia del 2-butanolo.
OH
CH3 CH2 CH2 CH2
180 °C
H2SO4
CH3
H
C
OH
CH3 CH2 CH CH3
140 °C
H2SO4
Meccanismo di reazione:
+
OH2
HSO
.. 4
CH3 CH2 CH CH2
C
CH3
H
prodotto principale
CH3 CH2 CH
CH2
H
+
H
+
OH2
+
CH3 CH2 CH2 CH3
CH3 CH2 CH CH3
H
+
CH3 CH CH2 CH3
.. -
HSO4
CH3
C
H
C
C
+
CH3
trans 2-butene
CH3
CH3
H
C
H
H
cis 2-butene
prodotto principale
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Ossidazione
Ossidare un alcol significa ossidare il carbonio che regge l’ossidrile strappandogli un idrogeno e creando un
doppio legame carbonio ossigeno, un carbonile.
L’ossidazione può avvenire due volte sull’alcol primario che possiede due idrogeni sul carbonio alfa
(quello che regge l’OH) formando l’acido carbossilico.
OH
O
[Ox]
O
[Ox]
CH3 C
CH3 C
CH3 C H
OH
H
H
alcol primario
acido carbossilico
aldeide
L’ossidazione può avvenire una sola volta sull’alcol secondario che ha un solo idrogeno sul carbonio alfa.
OH
O
[Ox]
CH3 C CH3
CH3 C CH3
H
chetone
alcol secondario
L’alcol terziario non si ossida in queste condizioni poichè non ha idrogeni sul carbonio alfa.
OH
[Ox]
non si ossida
CH3 C CH3
CH3
alcol terziario
Il reagente ossidante più utilizzato è il Cr6+ perché ossida solo l’ossidrile e lascia inalterati i doppi legami.
Col Cr6+ è possibile ossidare in modo selettivo l’ossidrile di un alcol insaturo. Se l’alcol è solubile in acqua il
reattivo può essere bicromato di sodio, acqua, acido solforico. Invece, se l’alcol è poco solubile in acqua,
si usa: anidride cromica, acetone, acqua, acido solforico (reattivo di Jones)
OH
O
CrO3
CH2 CH CH CH3
acetone
H2O H2SO4
OH
CH3 CH2 CH2 CH2
CH2 CH C CH3
O
CrO3
acetone
H2O H2SO4
CH3 CH2 CH2 C
OH
Meccanismo di reazione:
La reazione si svolge in due fasi, nella prima si ottiene l’aldeide, l’intermedio è un estere dell’acido cromico.
OH
O
..
Cr
OH
O
+
+
O
CH3 CH2 CH2 CH2
CH3 CH2 CH2 CH2 O
HO Cr OH2
H
O
Estere dell'acido cromico
+
H O
OH
Cr
CH3 CH2 CH2 CH
H
O
O
O
O
H2O
..
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+
CH3 CH2 CH2 C
H
Cr
HO
OH
aldeide
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Nella seconda fase, l’aldeide appena formata viene immediatamente ossidata ad acido carbossilico. L’aldeide
è una molecola facilmente ossidabile, notate, però, che la sua ossidazione avviene dopo che si è idratata ed è
diventata un diolo geminale.
O
OH
+
O
HO Cr OH2
+
Cr
OH
OH
O H
O
..
+
O
CH3 CH2 CH2 C
CH3 CH2 CH2 C OH
CH3 CH2 CH2 C
O
..
H2O
H
H
H
H
aldeide
diolo geminale
+
OH
H O
Cr
OH
O
CH3 CH2 CH2 C
O
O
O
H
+
CH3 CH2 CH2 C
H2O
..
Cr
HO
OH
OH
Se si vuole ossidare l’alcol solo fino ad aldeide è necessario impedire che questa venga ossidata ad acido
carbossilico nella seconda parte della reazione. Per ottenere questo risultato, si deve impedire che l’aldeide
venga trasformata in diolo geminale per razione con acqua, in modo che non si possa generare l’estere
dell’acido cromico.
Il reattivo per questa reazione deve essere rigorosamente anidro, si utilizza anidride cromica in piridina.
OH
O
CrO3
CH3 CH2 CH2 CH2
piridina
CH3 CH2 CH2 C
H
aldeide
Meccanismo di reazione:
O
N:
O
Cr
O
O Cr N
−
+
O
O
O−
O
..
OH
O
CH3 CH2 CH2 CH2
O Cr
−
O
Cr
+
CH3 CH2 CH2 CH2 O
N
+
O
H
Estere dell'acido cromico
O−
O
Cr
CH3 CH2 CH2 CH
O
O
N
..
H
O
O
+
CH3 CH2 CH2 C
aldeide
H
−O
Cr
O−
L’aldeide non viene ossidata ulteriormente perchè, in assenza di H2O, non può formare il diolo geminale e di
conseguenza non può formare l’estere dell’acido cromico, quindi può essere isolata.
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Reazioni degli alcoli
10