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MUTAROTAZIONE
Da una soluzione acquosa di alpha d glucopiranosio si arriva ad una condizione di equilibrio. Solo lo 0,003 per cento in forma aperta, si ha una rotazione della rotazione specifica- mutarotazione, Interinversione tra alpha e beta, beta è la più stabile perché il gruppo oh legato al C1 nella forma beta è più lontano, rispetto alla alpha, al gruppo ossidrilico del c2. Chiralità importante per enzimi e recettori, interazione di un enzima con il substrato o di un recettore con il ligando richiede il riconoscimento e la chiralità, la disposizione dei gruppi da una parte o dall’altra, la forma attiva è solo una. Poiché α e β hanno rotazioni specifiche diverse, il passaggio da una forma all’altra fa cambiare nel tempo la rotazione osservata della soluzione fino al valore di equilibrio mutarotazione. Reattività chimica dei gruppi funzionali La reattività prevede delle trasformazioni chimiche caratterizzate da processi accompagnati da rottura di legami chimici e formazione di nuovi legami. Le reazioni chimiche si dividono in ossido riduzione e non ossido riduzione. In alcuni processi questa rottura è associata a variazione del numero di ossidazione di elementi presenti nella molecola. Legami c-c: varia nel numero di ossidazione, si può rompere in due modi, scissione omolitica o eterolitica. La prima è caratterizzata da ciascun atomo di c che trattiene uno dei due elettroni di legame, si ottengono due radicali. La seconda genera degli ioni, uno dei due c trattiene entrambi gli elettroni formando un carbo anione e l’altro diventa un carbo catione. Vanno all’atomo più elettronegativo (gli elettroni). I carbo cationi sono una specie attratta da specie chimiche di segno opposto, con elevata densità elettronica. Il carbo anione invece è una specie con carica positiva o specie che può accogliere gli elettroni che ha il carbo anione, quindi deve avere disponibile orbitali vuoti ( ione H+). Le specie con carica positiva, elettrofili. Con carica negativa sono nucleofili ( entrambi forti perché c’è la carica). Elettrofili: cercano elettroni e sono attratte da cariche negative, possono avere carica positiva o parziale positiva e un ottetto incompleto. Nucleofili: donano elettroni, hanno densità elettronica elevata, va verso cariche positive. Possono avere carica positiva o doppietti elettronici liberi. Radicali liberi: stabilità legata alla sostituzione dell’atomo di carbonio radicalico. Radicale metilico, etilico, isopropilico o ters butilico. La forma più stabile è il ters butilico dove il c che porta l’elettrone spaiato è più sostituito. Gruppi funzionali: alcani non rientrano perché hanno reattività limitata dovuta alla forza dei legami singoli e alla scarsa polarizzazione di questi legami. Se ho un legame forte che unisce i due c sarà necessario l’impiego di elevata energia per romperlo- scarsa reattività. Reazioni caratteristiche: di tipo radicalico, ovvero di combustione e di alogenazione. 1 ossidazione con l’ossigeno che genera anidride carbonica e acqua( es metano con ossigeno brucia, è di ossido riduzione, nel metano il c ha il numero di ossidazione più basso che può avere (-4), mentre C nel CO2 ha il più alto (+4) e O (-2). Alogenazione, produce alogenuri alchilici ( alogeni legati a catene carboniose con legami semplici) serve luce o calore che genera radicali, la reazione parte con la formazione del radicale cloro che poi va ad attaccare il c dell’alcano e genera un radicale alchilico, poi va avanti e c’è la dissociazione del cloro per riscaldamento o irraggiamento, si forma il radicale cloro che interagisce con il metano, gli strappa h e si forma alogenuro. L’alogenazione degli alcani è una reazione di sostituzione radicalica che, in presenza di luce o calore, porta alla formazione di radicali. Il radicale cloro strappa un atomo di idrogeno all’alcano, formando un radicale alchilico che reagisce ulteriormente producendo un alogenuro alchilico. Il radicale metilico forma un altro radicale cloro che può anche formare il dicloro metano se reagisce con un cloro metano. Sono reazioni di sostituzione. Le fasi di terminazione sono quelle
che si hanno quando due radicali si uniscono. Gli alogenuri possono essere primari secondari o terziari in base a come è sostituito il c a cui è legato l’alogeno. Secondario il c ha legame con altri due gruppi alchilici, primario solo con uno, terziari il c ha le altre valenze occupate. Gli alogenuri sono composti polari ( alogeni formano anioni spontaneamente perché sono molto vicini all’ottetto) la reattività varia a seconda dell’alogeno, sono solubili in solventi organici ma non in acqua, hanno punti di ebollizione e fusione piu alti degli alcani, aumentano con aumentare della lunghezza e del peso molecolare. Reazioni : sostituzione nucleofila:( due tipi SN1 e SN2) e eliminazione:( E1 e E2). Avvengono contemporaneamente così che uno considera una reazione parallela. Se voglio usare un alogenuro per avere un prodotto di reazione specifico, devo fare una sostituzione e dovrò lavorare in condizioni che favoriscono la sostituzione e limitano la eliminazione. Se voglio trasformarlo in un alchene devo togliere due legami, uno del C alpha e uno al C beta, si elimina acido alogenidrico e ho eliminazione. Gli alogenuri alchilici ottenuti sono composti molto reattivi e possono andare incontro a reazioni di sostituzione nucleofila. In queste reazioni, il legame C–X è polarizzato, con il carbonio parzialmente positivo e l’alogeno parzialmente negativo, rendendo il carbonio un centro elettrofilo. Un nucleofilo, ricco di elettroni, attacca quindi il carbonio dell’alogenuro alchilico e l’alogeno, che agisce da gruppo uscente, viene eliminato e sostituito dal nucleofilo. In questo modo si ottiene un nuovo composto in cui il nucleofilo prende il posto dell’alogeno. Le sn1 sono quelle che interessano carboni legati all’alogeno molto sostituti, Carboni terziari che generano carbo cationi. Se ho un alogenuro primario è sn2. Se è secondario possono essere entrambe. Sn1 avviene in due fasi, una lenta e una veloce. Quella lente vede la dissociazione dell’alogenuro alchilico che mi da il carbo catione, che per formarsi deve essere stabile, i carbo cationi sono tanto più stabili quanto più sono sostituti, questo sarà il meccanismo per i carbo cationi terziari. La fase lenta è la rottura eterolitica con formazione del carbo catione, determina la velocità del processo, che dipende dalla concentrazione dell’alogenuro alchilico. Formato il carbo catione ho la fase veloce, incontro tra specie con carbo catione e nucleofilo, si forma il prodotto. Fattori che influenzano questa reazione: carbo catione, la carica positiva sul c lo rende reattivo e in grado di legarsi ad anioni o di sottrarre elettroni a molecole vicine. Sono favorite nei composti terziari a carica dell’effetto induttivo, ovvero effetto elettron- attrattore che sviluppa il carbonio con carica positiva del carbo catione che, a causa della mancanza di elettroni, attira a sé le cariche elettroniche dei gruppi sostituenti adiacenti aumentandone la stabilità. Il carbo catione terziario è il più stabile perché è legato a 3 gruppi alchilici che sono elettron donatori. Gruppi uscenti come gli alogenuri ( cloruro, bromuro…) favoriscono le sn1. Utilizzo del solvente polare protico stabilizza la formazione del carbo catione, perché specie cariche hanno affinità per specie polari. Il nucleofilo non influenza la velocità della reazione, perché non entra nella fase che regola la velocità che è la prima reazione, la formazione del carbo catione che dipende dell’alogenuro ed è influenzata dal solvente usato. SN2 : meccanismo a singolo stadio, il nucleofilo attacca l’alogenuro alchilico quando il gruppo uscente (alogeno) è ancora legato al carbonio. Quindi non ho formazione del carbo catione. Si ha la rottura del legame carbonio alogeno e ho la formazione di un nuovo legame carbonio nucleofilo, tutto questo in un solo stadio. Reazione favorita dalla facilità con cui il nucleofilo può interagire con il c legato all’alogeno, quindi il carbonio deve essere poco sostituito, primario. La velocità di questa reazione è un passaggio solo ed è determinata dalla concentrazione di entrambi i reagenti, alogenuro e nucleofilo. Quindi : i primari reagiscono più velocemente , i terziari non reagiscono. Nucleofili più forti favoriscono la reazione SN2. Alogeni più grandi sono migliori gruppi uscenti rispetto a cloro o fluoro, non c’è polarità quindi reazione favorita da solventi aprotici. Eliminazione: reazioni importanti per la sintesi degli alcheni, partendo da un alogenuro alchilico ,se trattato con base, quindi con una specie con carica negativa accettore di idrogeni. Nucleofilo: interagisce con carboni con carica positiva, base: accettore di H+. Se si tratta un alogenuro con una base, la base prende l’idrogeno e si libera l’alogeno come
Nel caso di un alchene asimmetrico l’addizione di HX potrebbe fornire due isomeri costituzionali. Il carbo catione secondario è più stabile. L’addizione che procede attraverso la formazione del carbo catione più stabile costituisce la regola di Markovnikov: nell’addizione di HX a un alchene, l’atomo di H si addiziona al c del doppio legame che lega il maggior numero di H. Nell’addizione ionica di un reagente non simmetrico del tipo X-Y a un doppio legame, la parte positiva (elettrofila) del reagente che si addiziona attacca l’atomo di c del doppio legame in modo da formare il carbo catione più stabile. Queste addizioni sono regiospecifiche, ovvero forniscono uno dei due isomeri possibili. La stabilità dei carbo cationi è influenzata da: effetti induttivi e iper coniugazione. EFFETTO INDUTTIVO: il legame c-c nell’etano è apolare; i gruppi metilici alle estremità del legame sono infatti equivalenti: CH3-CH3. Nel caso del cloruro di etile, il legame c-cl è fortemente polarizzato a causa della presenza del cl, che è più elettronegativo di c. Tale polarizzazione si trasmette attraverso i legami sigma della molecola. La trasmissione dell’effetto attrattivo esercitato da cl attraverso i legami sigma è detto effetto induttivo, che nel caso specifico è di attrazione elettronica. Se al posto di un atomo elettronegativo avessimo una carica positiva, l’effetto sarebbe analogo. Per stabilizzare una carica positiva servono dei gruppi elettron donatori. I gruppi alchilici sono elettron donatori in grado di stabilizzarla per effetto induttivo. EFFETTO IPERCONIUGATIVO: l’orbitale p vuoto del c sp2 sul quale si trova la carica positiva può sovrapporsi parzialmente all’orbitale sp3 del legame c-h del d adiacente. Si ha quindi una parziale delocalizzazione della densità elettronica del legame c-h nell’orbitale p vuoto. Così la carica positiva viene dispersa e stabilizzata. Oltre all’effetto induttivo, anche questo fa sì che il carbo catione terziario sia il più stabile. ADDIZIONE ANTI- MARKOVNIKOV DI HBr: HBr si addiziona al doppio legame olefinico mediante addizione elettrofila (reazione di idroalogenazione), cioè un meccanismo in accordo con la regola di Markovnikov. In presenza di perossidi organici, HBr si lega al carbonio meno sostituito, mentre H si lega a quello più sostituito. Si forma un radicale alchilico più sostituito, perché è più stabile, quindi secondario. È l’opposto di Markovnikov. Succede quasi solo in un caso ben preciso: addizione di HBr in presenza di perossido. ADDIZIONE DI ACQUA AGLI ALCHENI: ho bisogno della presenza di acido per rendere l’acqua un migliore elettrofilo, perché l’acido protona l’acqua e viene fuori un o con carica positiva, più suscettibile alla attrazione degli elettroni p greco. l’addizione elettrofila di H2O al doppio legame olefinico è una reazione catalizzata dagli acidi, che avviene secondo una reazione che segue la regola di Markovnikov. L’unico alcol primario che può essere prodotto è l’etanolo da etilene. Il carbo catione si genera sul c più sostituito e poi h20 si riprende h+ dall’acqua protonata e l’acidità funziona da catalizzatore. Idroborazione- ossidazione: il prodotto è anti Markovnikov e il meccanismo è tale che si ha il legame del gruppo alcolico la c meno sostituito. Questa reazione serve per ottenere un alcol primario da un alchene. Mi serve acqua ossigenata in ambiente alcalino. Il boro ha un orbitale libero e si comporta da acido, accoglie elettroni e attacca il c meno sostituito. Si ottiene un alcol meno sostituito. Idrogenazione catalitica: addizione sin. Ossidazione: aumenta del numero dei legami c - h , quando aumentano gli h , aumenta lo stato di riduzione, se aumenta il numero dei legami c-h si ha l’ossidazione. Agenti ossidanti : ossigeno, ozono, perossido, permanganato… dagli alcheni si può avere formazione di epossidi, reazione con il permanganato che porta alla formazione di glicol o diolo, reazioni di scissione ossidativa con la rottura del doppio legame e i due c sono legati all’ossigeno, si formano composti carbonilici. Dagli alchini per scissione ossidativa si ottengono gli acidi carbossilici. Dagli alcoli si ottengono aldeidi o acidi carbossilici.
Il meccanismo anti della reazione di alogenazione è dovuto ad un atomo di bromo che si lega dalla parte opposta all’altro. La reazione di addizione può formare nella molecola un centro chirale, allora si parla di miscela racemica, se invece nell’alchene c’era già un c chirale, e si genera un altro c chirale, il prodotto sarà con due centri chirali e avrò la miscela di diastereoisomeri. ALCOLI : composti organici caratterizzati dalla presenza di un ossidrile legato a un c saturo. Formula -OH (gruppo ossidirlico). Denominazione: si aggiunge il suffisso -olo al nome dell’alcano corrispondente. Gli alcoli possono essere primari, secondari o terziari, in base a quanti legami fa il carbonio che porta il gruppo -OH. Gli alcoli e i fenoli hanno un legame O-H polarizzato a causa della differenza di elettronegatività. Si formano legami H intermolecolari, che provocano un aumento della t eb rispetto agli alcani. Gli alcoli primari sono poco ingombranti stericamente, quelli terziari tanto. La reattività degli alcoli è condizionata dalle caratteristiche del gruppo funzionale alcolico. L’ossigeno ossidirlico polarizza sia il legame O-H che il legame C-O. Quindi l’H ossidrilico si può comportare da acido debole, l’O ossidrilico da base forte. Le coppie elettroniche non condivise, rendono l’ossigeno ossidrilico una base forte e un buon nucleofilo. In presenza di acidi forti gli alcoli si comportano da basi forti. La protonazione dell’alcol converte una base forte (OH-), che è un pessimo gruppo uscente, in una base debole (H2O), che è un buon gruppo uscente. Si hanno così reazione di sostituzione nucleofila. Non avviene in modo diretto, perché l’ossidrile è un pessimo gruppo uscente. (A differenza degli alogeni). Se il gruppo OH viene convertito in un buon gruppo uscente, gli alcoli possono subire reazioni di sostituzione nucleofila e di beta eliminazione: gli alcheni sono preparati per beta eliminazione ( si elimina un idrogeno dal carbonio beta e un gruppo uscente ( acqua o X) d si forma il doppio legame), gli alogenuri alchilici per sostituzione nucleofila. Grazie alla beta eliminazione, OH e H sono rimossi rispettivamente dal c alpha e dal c beta. Gli alcoli terziari sono i più semplici da disidratare. Alcuni alcoli primari e secondari, quando disidratati, possono subire una trasposizione dello scheletro degli atomi di c. Disidratazione degli alcoli secondari e terziari: eliminazione mono molecolare E1, in tre stadi ( si forma il carbo catione). Alcol terziario: -stadio 1: reazione acido base, -stadio 2: rottura eterolitica del legame C-O, -stadio 3: trasferimento di un protone. Alcol secondario: -stadio 1: reazione acido base, -stadio 2: rotture eterolitica del legame C-O, -stadio 3: trasposizione, -stadio 4: trasferimento di un protone. Si forma in quantità prevalente l’alchene più stabile (regola di Zaitsev). Disidratazione alcoli primari: E2 in due stadi (non si ha la formazione del carbo catione). -stadio 1: reazione acido base, -stadio 2: reazione acido base e rottura etero litica del legame C- O. I nucleofili e le basi sono strutturalmente simili: entrambi hanno una coppia non condivisa di elettroni e un legame p greco. Le basi attaccano protoni, i nucleofili attaccano altri atomi elettron poveri (c). Generalmente una base forte è anche un nucleofilo forte. La nucleofilicità va di pari passo con la basicità nei seguenti casi: 1 per due nucleofili con lo stesso atomo nucleofilo, più forte è la base e più forte è il nucleofilo. 2 un nucleofilo carico negativamente è sempre più forte del suo acido coniugato. 3 muovendosi da destra verso sinistra in un periodo della tavola periodica, la nucleofilicità aumenta parallelamente con la sua basicità. Quando l’ingombro sterico diventa importante la nucleofilicità non è sempre correlata alla basicità. L’ingombro sterico diminuisce la nucleofilicità, ma non la basicità. La basicità ha a che fare con i protoni, che sono piccoli e facilmente accessibili e non risentono dell’ingombro sterico. I nucleofili attaccano affollati atomi di c e i gruppi voluminosi non agevolano l’attacco. Condizioni essenziali per avere la reazione di sostituzione nucleofila: la presenza di un buon gruppo uscente e di un buon nucleofilo. La reazione acido base è molto veloce: HX protona rapidamente il gruppo OH dell’alcol formando un buon gruppo uscente (H2O) e un buon nucleofilo (X-). Il meccanismo della sostituzione di H2O non X- dipende dalla struttura del residuo alchilico R. Ordine di scissione dei vecchi legami sigma e di formazione dei nuovi legami sigma nella Sn: 1 la scissione e la formazione di legami
parziale carica negativa sull’ossigeno rende la reazione di addizione nucleofila suscettibile di catalisi acida. La disposizione trigonale piana dei gruppi attorno al carbonio carbonilico rende l’attacco nucleofilo agevole. I nucleofili che interagiscono con il carbonile possono essere forti o deboli, quello forte è carico, se è attratto da un c positivo avrà una carica negativa e viceversa. Se è forte l’attacco è diretto senza la catalisi acida, perché se si protona l’ossigeno gli elettroni p greco migrano dal c all’ o e fanno diventare positivo il c carbonilico. Questa avviene con il nucleofilo debole. Quindi se è debole non ha un’effettiva carica e per favorire la reazione bisogna esaltare l’aspetto di attrazione per il nucleofilo del c con la catalisi acida, l’H+ viene catturato dal doppietto elettronico dell’ossigeno, si forma il legame O-H+, gli elettroni passano all’H+ con orbitale vuoto e la carica positiva passa sull’ossigeno. Poi per effetto mesomerico la carica positiva passa al carbonio. Quindi si genera una carica positiva e il nucleofilo può tranquillamente interagire con il c anche se è debole, e si ha addizione nucleofila. H si addiziona a O e il nucleofilo si lega al c. Quindi il composto carbonilico si trasforma in un alcol, ora ho ibridazione sp 3. Stereochimica delle reazioni di addizione nucleofila:
- la reazione non è stereo specifica: il nucleofilo può attaccare il c carbonilico ibridato sp2 da sopra e da sotto il piano occupato dal carbonile con uguale probabilità. Se si genera un nuovo centro chirale si ottiene una miscela racemica (S/R 50 e 50) ; se è già presente un centro chirale si formano due diastereoisomeri. Tautomeria cheto- enolica : I composti carbonilici possiedono una forte tendenza ad essere attaccati da reagenti nucleofili. La polarizzazione del gruppo carbonilico rende molto acidi gli h in alpha al carbonile e sono idonei all’ attacco delle basi. La carica negativa è sul c alpha che è coniugata al doppio legame, quindi migra dal c a formare il doppio legame con l’altro c perché gli è p greco del legame c-o possono essere trasferiti su o che è più en. Quindi il carbo anione diventa ione enolato perché o può trasferire su di sé gli e p greco del doppio legame. Il doppio legame c-o diventa c-c e si ha una ridistribuzione degli elettroni p greco. L’enolo è un alcol dove il gruppo alcolico è legato ad un c olefinico. Quindi ho la forma enolica e quella chetonica, che sono in equilibrio tra loro, ma quella chetonica è favorita, perché il doppio legame c-o è più forte del doppio legame c-c dell’enolo. È più forte per la diff di en che c’è tra c e o. La formazione di un enolo a partire dalla forma chetonica può avvenire per catalisi acida o basica. Basica: la base strappa il protone in alpha al carbonile, genera la carica negativa sul c e si forma il doppio legame con carica negativa su O, si comporta da base, prende un protone all’acqua e si forma l’alcol. Si rigenera OH-. Quindi quello che è necessario per l’innesco della reazione mi si forma di nuovo alla fine. Acida: protonazione dell’o , i suoi doppietti interagiscono con H+ e si ha carica positiva. Poi si riforma l’enolo e l’acqua protonata. Reazione caratteristica dei composti carbonilici: reazione aldolica. Permette per trattamento di un aldeide con H in alpha, la formazione di un enolato, che reagisce con un altro carbonile e formano un beta idrossi aldeide. Da questa reazione ottengo una miscela racemica. Condensazione aldolica: dopo la formazione dell’aldolo si genera un composto carbonilico, eliminando acqua e si forma un doppio legame. Si ottiene un aldeide alpha, beta insaturo. Nella miscela basica dove è stato prodotto, l'aldolo può subire facilmente eliminazione di H2O. Nonostante il gruppo uscente sia un ossidrile (cattivo gruppo uscente), tale reazione è favorita dalla presenza di H acidi nell'aldolo e dalla formazione di doppi legami coniugati che stabilizzano il prodotto. Il prodotto di addizione (aldolo) spesso non viene isolato e funge da intermedio della
reazione di condensazione aldolica. In realtà la disidratazione del prodotto di addizione è un processo in 2 stadi, il cui meccanismo è E1cb. E1cb differisce dai meccanismi più generali E1 e E2 per la formazione di un intermedio anionico (carbanione). La stabilità del composto carbonilico a,ß- insaturo non consente alla seconda reazione di tornare indietro e di formare nuovamente il composto B -idrossi carbonilico. Reazione retro- aldolica: Indipendentemente dal fatto che si operi sotto catalisi acida o basica, gli stadi della reazione aldolica sono di equilibrio.
- L'addizione aldolica è quindi reversibile e il processo inverso è detto reazione retro-aldolica. La reazione retro-aldolica può ad esempio avvenire riscaldando il prodotto dell'addizione aldolica in presenza di una base forte. Addizione aldolica incrociata: Avviene quando le due aldeidi che reagiscono negli stadi 1 e 2 sono differenti. E' una reazione di scarsa importanza preparativa perché entrambe le aldeidi hanno H in a e possono formare ione enolato o subire addizione nucleofila. La miscela dei prodotti è quindi costituita da 4 diversi aldoli (addizione aldolica) o enali (condensazione aldolica). Condensazioni aldoliche incrociate utili sono quelle nelle quali una delle due aldeidi reagenti non ha H acidi in a. Reazione di Cannizzaro: Se per le precedenti reazioni di addizione aldolica incrociata si utilizzasse una concentrazione della base forte elevata si potrebbe avere la reazione di Cannizzaro. La reazione di Cannizzaro è una reazione di un composto carbonilico senza H in a con sé stesso. Si tratta di una reazione di ossido-riduzione, in cui l'aldeide si comporta sia da ossidante che da riducente. In pratica siamo in presenza di una reazione di dismutazione (stadio 2 di reazione). Addizione di alcoli: acetali o chetali: L'aggiunta di un'aldeide (o chetone) a un alcol genera un equilibrio tra questi composti e un composto detto emiacetale (o emichetale), in cui è presente un gruppo -OH e uno -OR. L'emiacetale (o emichetale) si forma a seguito dell'addizione nucleofila dell'alcol al C carbonilico dell'aldeide (o chetone). Un'ulteriore addizione nucleofila, agevolata dall'instabilità dell'emiacetale, porta alla formazione dell'acetale (ochetale), che contiene due gruppi -OR. La sintesi degli acetali è reversibile. Rimuovendo H2O (es. agente disidratante P205), la reazione viene spostata a destra. Il meccanismo è costituito da una serie di reazioni che possono essere suddivise in:
- reazioni di formazione di un emiacetale (stadi 1, 2 e 3);
- reazioni di formazione di un acetale (stadi 4, 5, 6 e 7). Sebbene siano presenti 7 stadi soltanto 3 tipi di reazioni sono coinvolti: FORMAZIONE DI UN EMIACETALE Stadio 1 (protonazione di un gruppo carbonilico) Stadi 2 e 3 (attacco nucleofilo e deprotonazione) FORMAZIONE DI UN ACETALE Stadi 4 e 5 (protonazione ed eliminazione di H2O) Stadi 6 e 7 (attacco nucleofilo e deprotonazione) Emiacetali ciclici: Molti emiacetali a catena aperta non sono stabili a sufficienza per essere isolati. Gli emiacetali ciclici a 5 o 6 termini sono solitamente più stabili. Si ottiene per ciclizzazione intramolecolare di idrossialdeidi. La maggior parte degli zuccheri semplici (monosaccaridi) esiste prevalentemente in forma emiacetalica ciclica, Esempio: Glucosio. La ciclizzazione può avvenire con l'OH sul C in 4 o in 5, portando ad avere un ciclo a 5 termini (furanoside) o in 6 (piranoside). Per ognuno dei 2 possibili cicli esistono 2 anomeri, che sono composti caratterizzati da 2 diverse configurazioni del C emiacetalico.
biologiche. Possono essere saturi (se la loro molecola presenta solo legami singoli C-C) o insaturi (se presentano doppi legami C=C). Nella maggior parte degli insaturi predomina l'isomero cis. Proprietà fisiche acidi carbossilici: Sono composti polari. La presenza di O carbonilici e OH permettono la formazione di legami a idrogeno con sé stessi e con l'H2O. I forti legami H sono i responsabili degli elevati punti di ebollizione, più alti rispetto a quelli degli alcoli di analogo PM. Gli acidi a basso PM sono miscibili in H2O in tutte le proporzioni. Man mano che la lunghezza della catena idrocarburica aumenta, la solubilità in H2O diminuisce. Acidità: Gli acidi carbossilici sono acidi deboli. I valori di Ka cadono nell'intervallo tra 10-4 e 10- (pka = 4.0 -5.0). La ionizzazione di un acido carbossilico produce un anione carbossilato per il quale possiamo scrivere due strutture limite di risonanza equivalenti, in cui la carica (-) e' distribuita su atomi di O. Piu stabile è l'anione che si genera dall'acido, piu' l'equilibrio e' spostato a dx e piu' acido è il composto. La sostituzione al C alpha con un atomo o gruppo di atomi con EN > C (es. OH, NH3+, CI, F) aumenta l'acidita' degli acidi carbossilici. Questo effetto decade rapidamente aumentando la distanza dal gruppo COOH. Reazioni con le basi: Gli acidi carbossilici sono in grado di formare sali con basi forti come NaOH, KOH e anche con basi deboli come NaHCO3. I sali degli acidi carbossilici sono solubili in acqua. I Sali possono essere ritrasformati nei rispettivi acidi carbossilici per semplice trattamento con acidi forti (es. HCI. Riduzione degli acidi carbossilici: Il Gruppo COOH e' uno dei gruppi funzionali organici piu' resistenti alla riduzione. Non subisce la riduzione catalitica (alcheni) e non e' ridotto da NaBH (aldeidi e chetoni). Il reagente piu' comunemente usato e l'idruro di alluminio e litio (LiAIHA4). Derivati degli acidi carbossilici: Sono spesso indicati con il termine DERIVATI ACILICI perché contengono il gruppo acilico (o acile): R-C=O. Struttura: Il C carbonilico è ibridato sp2 (struttura trigonale piana). L'elettronegatività di O provoca la polarizzazione del gruppo carbonilico. I derivati degli atomi carbossilici (RCOZ) contengono tutti un atomo Z con doppietti elettronici non condivisi. Possono essere quindi scritte 3 formule di risonanza. La maggiore basicità del gruppo NR'2 porta a una maggiore stabilizzazione della struttura di risonanza 3 e quindi dell'ibrido di risonanza. Sostituzione nucleofila di RCOZ: I composti carbonilici legati a gruppi uscenti (Z) danno reazioni di sostituzione nucleofila. In pratica reagiscono con nucleofili per formare prodotti di sostituzione. Il processo è costituito da 2 stadi: nel 1° si ha attacco nucleofilo, mentre nel 2° si ha la perdita del gruppo uscente. Nel complesso si ha addizione nucleofila-eliminazione al carbonio acilico. Per aldeidi e chetoni, che non dispongono di buoni gruppi uscenti, la reazione complessiva è di sola addizione nucleofila. Addizione nucleofila (Nu:-) al carbonile elettrofilo, con produzione di un intermedio ibridato sp3. Questo stadio è identico al 1° stadio dell'addizione nucleofila a aldeidi e chetoni, anche per le condizioni operative impiegate. Eliminazione: l'atomo elettronegativo Z è un buon gruppo uscente. La sua eliminazione avviene a seguito del ripristino di un legame p greco ad opera di un doppietto elettronico non condiviso dell'O. Questa reazione viene spesso indicata come sostituzione nucleofila acilica, per distinguerla dalla sostituzione nucleofila al C sp3, che avviene per gli alcoli (Alcoli primari SN2: Alcoli secondari e terziari SN1). Quanto più Z ha caratteristiche di buon gruppo uscente, tanto più è reattivo nella sostituzione nucleofila acilica. Cloruri acilici: I cloruri degli acidi carbossilici prendono il nome del gruppo acilico al quale si aggiunge il termine cloruro.
- cloruri degli acidi aciclici: cambiare il suffisso ico dell'acido carbossilico con il suffisso ile;
- gruppo -COCI legato a un anello: il termine acido carbossilico deve essere sostituito con il termine carbonil cloruro.
Anidridi: Anidridi simmetriche: sono nominate combinando il nome dell'acido progenitore con il termine anidride. Anidridi miste: sono nominate mettendo in ordine alfabetico i nomi degli acidi progenitori e cambiando la parola acido col termine anidride. Esteri: Un estere contiene due gruppi alchilici, ai quali deve essere assegnato un nome: si tratta del gruppo acilico (RCO-) e del gruppo alchilico (R'), entrambi legati ad un atomo di ossigeno:
- assegnare il nome al gruppo R' considerandolo un gruppo alchilico;
- assegnare il nome al gruppo acilico, sostituendo il suffisso ico dell'acido carbossilico con il suffisso ato. Proprietà fisiche degli esteri: Sono composti polari che non possono formare legami H intermolecolari con molecole dello stesso tipo. Hanno quindi caratteristiche chimico- fisiche simili a quelle di aldeidi e chetoni. Esterificazione di Fisher: Un acido carbossilico trattato con un alcol in presenza di un catalizzatore acido forma un estere. Questa reazione è detta esterificazione di Fischer. La reazione di equilibrio è spostata a dx in presenza di un eccesso di R'OH o rimuovendo H2O dall'ambiente di reazione. Anche questa reazione è una sostituzione nucleofila acilica. Il meccanismo di reazione, infatti, coinvolge 2 stadi: addizione nucleofila, seguita dall'eliminazione di un gruppo uscente. Stadio 1: [1] protonazione del gruppo carbossilico per renderlo più elettrofilo; [2] addizione nucleofila di ROH, con formazione di un C ibridato sp3; [3] reazione acido-base che rende neutro il prodotto di addizione nucleofila. Stadio 2: [4] protonazione dell'ossidrile per renderlo un buon gruppo uscente (H2O); [5] eliminazione di H2O; [6] reazione acido-base che porta all'eliminazione di un protone, formando un estere. LATTONI Sono composti chimici la cui struttura è costituita da un estere ciclico all'interno della stessa molecola. Più in dettaglio, sono ottenuti tramite reazione di condensazione tra un gruppo alcolico e uno carbossilico, entrambi presenti nella medesima molecola. Questa reazione avviene spontaneamente per gli acidi y-, 5-idrocarbossilici che perdono H2O per dare i loro rispettivi lattoni (con anelli a 5 o 6 termini). Ad esempio, nel caso del y-butirrolattone. IDROLISI BASICA DI ESTERI L'idrolisi acida o basica di esteri porta alla formazione degli acidi carbossilici corrispondenti. L'idrolisi promossa da basi, detta saponificazione, è una tra le reazioni di chimica organica più note. Riscaldando un estere a riflusso in una soluzione acquosa di NaOH, si ottiene carbossilato di sodio e un alcol. Il meccanismo di reazione è sempre un meccanismo di sostituzione nucleofila acilica, cioè addizione nucleofila seguita da eliminazione. L'anione carbossilato è stabilizzato per risonanza, fattore che contribuisce alla sua elevata stabilità. Una successiva acidificazione dell'ambiente di reazione porta alla formazione dell'acido carbossilico. La stabilità dell'anione carbossilato, l'acidità dell'acido carbossilico, la forza basica di R'O- fanno sì che l'unico stadio di reazione totalmente spostato a dx sia la reazione acido-base [3]. IDROLISI DEI TRIACILGLICEROLI I triacilgliceroli (trigliceridi) sono i lipidi più abbondanti. Sono esteri naturali, di natura sia animale che vegetale, costituiti da 3 molecole di acidi grassi condensate a una molecola di glicerolo. Gli acidi grassi sono generalmente costituiti da catene idrocarburiche (R, R', R") di 11-19 atomi di C. In laboratorio l'idrolisi di triacilgliceroli, condotta in ambiente acido o basico, produce glicerolo e acidi grassi. A livello cellulare questa reazione avviene per mezzo dell'enzima lipasi.
identificare sia [1] il gruppo/i alchilico/i legato/i a N, che [2] il gruppo acilico. Per indicare il nome bisogna: nominare i gruppi alchilici legati all'atomo di N: il prefisso N precede il nome di ciascun gruppo alchilico, per indicare che questi gruppi sono legati al N; per le ammidi terziarie, se i gruppi alchilici legati all'atomo di N sono uguali utilizzare il prefisso di. Se invece sono diversi, disporre i nomi secondo l'ordine alfabetico, ognuno preceduto dalla lettera N;
- indicare il nome del gruppo acilico sostituendo le radici ico, oico, ilico con il suffisso ammide. Proprietà fisiche: Le ammidi primarie e secondarie possono formare legami H intermolecolari tra loro. Hanno quindi punti di fusione ed ebollizione elevati, analoghi a quelli degli acidi carbossilici. Le ammidi terziarie non possono formare legami H intermolecolari con altre molecole dello stesso tipo. I punti di fusione e di ebollizione sono pertanto analoghi a quelli degli esteri. Il legame H tra ammidi secondarie è alla base delle interazioni che determinano le strutture secondaria, terziaria e quaternaria delle sequenze amminoacidiche che costituiscono i peptidi e le proteine. Il legame peptidico e' un legame ammidico che si forma attraverso una reazione di condensazione tra due amminoacidi. Il gruppo COOH di un amminoacido reagisce con il gruppo NH2 di un altro amminoacido, rilasciando una molecola d'acqua. Il legame peptidico non è un legame singolo perché i legami C-N e C=O sono rappresentazioni approssimate dell'effettiva struttura reale. Il legame C-N è un legame di ordine intermedio (1,32 A) fra singolo (1,49 Å) e doppio (1,27 A), pertanto non è possibile una rotazione libera attorno ad esso. Tale legame risulta, inoltre, essere planare e particolarmente forte in virtù di una delocalizzazione della carica fra gli atomi di carbonio e azoto. AMMINE Composti organici derivati dall'ammoniaca per sostituzione di 1, 2 o 3 idrogeni con gruppi organici alchilici o arilici. In una ammina l'atomo di N presenta ibridazione sp3, e geometria piramidale. Come l'NH3, anche le ammine sono basiche; rappresentano le più importanti basi organiche presenti in natura. Possono essere classificate in: AMMINE ALIFATICHE: se i residui sono unicamente di tipo alifatico. AMMINE AROMATICHE: se almeno uno dei residui é aromatico AMMINE ETEROCICLICHE: se l'N fa parte di un ciclo alifatico o aromatico. In base al numero di atomi di H sostituiti, le ammine possono essere classificate in :
- Ammine primarie
- Ammine secondarie
- Ammine terziarie NOMENCLATURA IUPAC e COMUNE Ammine primarie: Si individua la catena di C più lunga legata all'N, e il nome dell'ammina si forma dal nome del corrispondente alcano aggiungendo il suffisso -ammina. Esempio: CH3NH2 è metanammina (o metilammina, usando il nome comune) NOTA: Il nome comune si ottiene considerando il residuo alchilico come sostituente dell'ammina. Ammine secondarie e terziarie : Si identifica la catena di carboni più lunga come gruppo principale, e gli altri gruppi alchilici o arilici sono indicati come sostituenti con il prefisso "N.". Questi vengono elencati in ordine alfabetico. Esempi: (CH3)2NH è N-metilmetanammina (o dimetilammina); CH3NHCH,CH3 si chiama N-metiletanammina. Ammine Cicliche: Si utilizza il nome del cicloalcano corrispondente, aggiungendo il suffisso "- ammina".
Ammine aromatiche: L'esempio più comune è l'anilina. Le ammine aromatiche si considerano derivati dell'anilina. Composti Eterociclici contenenti N: Hanno nomi specifici accettati dalla IUPAC. L'N ha sempre il numero 1 nella numerazione del ciclo. Proprietà fisiche:
- Le ammine hanno legami covalenti N-C e N-H polarizzati e quindi danno interazioni dipolari.
- Ammine 1° e 2° danno luogo anche a legami ad idrogeno in quanto contengono legami N-H.
- Le ammine 1° e 2° hanno punti di ebollizione più alti di composti che non danno legami ad idrogeno ma più bassi degli alcoli che danno legami ad idrogeno più forti.
- Le ammine 3° hanno punti di ebollizione più bassi rispetto alle ammine 1° e 2°
- Ammine con meno di 5 atomi di carbonio sono solubili in acqua. Sono tutte solubili in solventi organici.
- Le ammine 3° si comportano similmente agli eteri.
- Le ammine sono generalmente liquide eccetto la metil- e dimetil-ammina, che sono gassose. •
- I punti di ebollizione sono molto superiori a quelli dei corrispondenti alcani, ma inferiori a quelli
degli alcoli. I legami idrogeno N-H...N sono piu' deboli di quelli O-H...O.
- Le ammine 1° hanno 2 H per la formazione dei legami a H. Le ammine 2° ne hanno 1 H, quelle
3º nessuno. Questo, e la ramificazione hanno effetto sul p.e. Basicità delle ammine: Le ammine sono le più comuni basi organiche. Le ammine alifatiche hanno pkb ~ 3-4 e pKa dell'acido coniugato (ione ammonio) di circa 10-11. Acidi con pKa inferiore a 10 sono in grado di protonarle. Fattori che influenzano la basicità delle ammine: AMMINE
- Gruppi alchilici: I gruppi alchilici sono elettron-donatori, quindi aumentano la densità elettronica sull'N aumentadone la basicità.
- Gruppi arilici: I gruppi arilici sono elettron-attrattori, quindi riducono la densità elettronica sull'N eiducendone la basicità.
- Effetti elettronici: I sostituenti sull'atomo di N possono influenzare la disponibilità della coppia solitaria e quindi influenzare la basicità.
- Effetti sterici: I sostituenti voluminosi possono ostacolare l'avvicinamento di un protone, riducendo la basicità.
- pKa e basicità: Il pKa dell'acido coniugato di un'ammina è un buon indicatore della sua
basicità. Un pKa più elevato indica una base più forte. Nelle ammine gli orbitali dell'azoto sono ibridati sp3. Il lone pair che abita uno dei quattro orbitali conferisce carattere basico alle ammine. I gruppi alchilici legati all'azoto, per effetto induttivo positivo, aumentano la densità di carica nell'orbitale atomico. L'ammoniaca (pKa= 9.3) è meno basica delle ammine 1° (metilammina pKa=10,64) ‹ di quelle 2° (dimetilammina pKa= 10,71). La differenza è dovuta all'effetto induttivo del gruppo alchilico. Le ammine 3° sono livemente meno basiche (trimetilammina pKa=9.77). Questo è dovuto a fattori sterici. Le ammine 3° sono nucleofili più forti. Le ammine aromatiche sono molto meno basiche delle ammine alifatiche e dell'ammoniaca. L'anilina, ad esempio, è circa un milione di volte meno basica della cicloesilammina.
- L'ibridizzazione dell' N influenza la basicità.
- Nell' anilina N ha parziale configurazione sp2 ed il doppietto elettronico è meno disponibile (pKa =4.6)
- Questo è ancor più evidente nella p-nitroanilina (pKa = 1)
- Lo stesso vale per le ammidi, in cui il doppietto è delocalizzato (pKa = -1).
