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Catalisi e catalizzatori
La catalisi è un fenomeno legato all’accelerazione della velocità di una reazione
mediante l’utilizzo di una sostanza (catalizzatore) che non viene consumata dal
procedere della reazione stessa (non entra nella stechiometria della reazione).
cat.
A+B→C
Il catalizzatore entra nella cinetica,
e non nella termodinamica del
processo
Parametri utili per valutare la
prestazione di un catalizzatore
Numero di cicli catalitici (turnover, TON): il numero di volte che il catalizzatore è in
grado di ‘assistere’ la trasformazione. Calcolato dal rapporto tra moli di prodotto C
e moli del catalizzatore cat.
Frequenza di cicli catalitici (turnover frequency, TOF): il numero di cicli catalitici
per unità di tempo. E’ anche data dalla velocità d[C]/dt diviso la concentrazione di
catalizzatore.
[C]
TON = [C]/[cat]
massimo valore
di turnover
tempo
[C]
TON = [C]/[cat]
massimo valore
di turnover
tempo
TOF = (d[C]/dt)/[cat]
Pendenza d[C]/dt massima
→ massimo valore di turnover frequency
[C]
TON = [C]/[cat]
massimo valore
di turnover
tempo
TOF = (d[C]/dt)/[cat]
Pendenza d[C]/dt massima
→ massimo valore di turnover frequency
TON e TOF dipendono comunque dalle condizioni di reazione !
Formazione di
legami C-C e C-N
Riduzioni
Catalisi metallica
in sintesi organica:
Formazione di
legami C-X
Ossidazioni e
deidrogenazioni
Funzione del centro metallico:
-coordinazione selettiva di substrati che dispongono di
opportuni gruppi funzionali
-attivazione di legami C-H e C-C
-cambiamento della reattività (da nucleofila a elettrofila)
-avvicinamento dei reagenti
-possibilità di ottenere più stadi a cascata
-incremento della regioselettività e/o stereoselettività
-stabilizzazione di intermedi
-donatore/accettore di protoni ed elettroni
Cross-coupling
Il cross-coupling tra un composto organico o organometallico
(R”Y) con un elettrofilo organico (R’X) è uno dei metodi più
generali e selettivi per formare legami C-C
R"-Y + R'-X
A
B
catalizzatore
R'-R" + XY
Sonogashira
Alchini
terminali
Vinil
Alogenuri
(anche aril alogenuri)
PdII ridotto in situ da alcoli o ammine
Esperienza 3 – I step di sintesi
N O2
I
+
HC
C
O
Pd (OAc)2 , C u I
95% EtOH
piperazina, T
O
tetraidropirano
Procedura di purificazione: colonna cromatografica
Caratterizzazioni:
FT-IR
1H-NMR
GC-MS
GC-MS => verificare le frammentazioni del gruppo NO2:
-O; -NO; -NO2
Equazione di Karplus
3J(f)
= A cos2f + B cosf + C
Dipendenza della costante di accoppiamento dall’angolo diedro
H
H
C C
3J
X
X, X
R
omotopici [ R = R]
R
Si comportano in modo identico
X
X
enantiotopici [ R = R']
R
Si comportano in modo identico
solo in assenza di reagenti chirali
R'
X
X
diastereotopici
R
[ R = R* ; R* Chirale ]
R*
X
Si comportano in modo diverso
Danno segnali diversi all’NMR
Relazioni tra atomi o gruppi di atomi di una molecola
Gli atomi o i gruppi di atomi sono correlati da un' operazione di simmetria ?
sì
E' un' operazione
del primo ordine ?
sì
no
no
Hanno lo stesso tipo di legami,
la stessa costituzione?
sì
no
(un Cn) (un Sn)
enantiotopici
omotopici
equivalenti per simmetria
Hb
Ha
Hc
Ha'
costituzionalmente
eterotopici
non equivalenti per simmetria
Hd
Mey
diastereotopici
Mex
Mex and Mey = omotopici (scambiati da C2)
Ha and Hc = omotopici (scambiati da C2)
Ha and Hb = enantiotopici (scambiati da )
Hb and Hc = enantiotopici (scambiati da i)
Ha and Ha' = diastereotopici
Ha and Hd = costituzionalmente eterotopici
1H-NMR
Utile per lo studio della conformazione del prodotto
Ha
H
O
H
H
O
N O2
O
Ha
H
O
2
N O2
3
Protoni diastereotopici: Presentano segnali distinti all’NMR, perché
l’intorno chimico è diverso. Accoppiano indipendentemente con Ha, a
seconda dell’angolo f (relazione di Karplus)
Ha
H
O
H
H
O
N O2
O
Ha
H
O
2
3
N O2
HA
H
HA
H
H
H
2 costanti di accoppiamento
diverse, tipiche di un angolo diedro
di 60°C e di uno di 180°C
2 costanti di accoppiamento
simili, tipiche di un angolo
diedro di 60°C
4,5
14
6-11
3
4,5 diastereotopici
1,2 diastereotopici
13
15
12
1,2
6-11
1,2 dd”AB” J=16Hz ca
14,15
12,13
3, dd J=J’=3Hz ca
4,5
Accoppiamenti del secondo ordine
2
1
(1 - 3) = (2 - 4) =
(Dn)2 + J2
3
4
Determinazione della conformazione:
accoppiamento dipolare all’NMR
Accoppiamento SI
H
H
H
L’accoppiamento dipolare si ha tra due spin che sono
vicini nello spazio, tra i quali si verifica un
trasferimento di magnetizzazione. Questo effetto va
sotto il nome di effetto NOE. Si tratta della interazione
tra due dipoli magnetici, rivelabile grazie ad uno
spettro NOESY bidimensionale
H
Accoppiamento
Contatti NOE
In uno spettro NOESY
esistono segnali fuori dalla
diagonale principale (=contatti)
solo per coppie di protoni
distanti tra loro meno di 4 Å
I contatti NOE sono utili per
stabilire vincoli conformazionali
sulle strutture di molecole!
Esperienza 3 – II step di sintesi
Idrolisi dell’acetale (rimozione di un gruppo protettore)
Caratterizzazioni:
FT-IR
1H-NMR
GC-MS
Esperienza 3 – Sicurezza
Reazioni a riflusso: predisporre la cappa in perfetto
ordine; utilizzare le fascette sui refrigeranti; fissare in
modo opportuno la vetreria alle rastrelliere; attenzione al
versamento di liquidi su contatti elettrici
Utilizzo di HCl 6 M: attenti al contatto con la pelle e con
gli occhi
Colonna cromatografica: predisporre la cappa in
perfetto ordine; preparare eluente sotto cappa; trasportare
le soluzioni con tappi
Utilizzo del rotovapor: indossare gli occhiali di
protezione; utilizzare il ghiaccio per la raccolta del
solvente
Esperienza 3 – Sicurezza
Utilizzo NMR: non avvicinarsi al magnete con
dispositivi elettronici, e oggetti di metallo
Utilizzo GC-MS: attenzione
dell’apparecchiatura (iniettore)
alle
parti
Utilizzo FT-IR: attenzione all’utilizzo della pressa
calde