REATTIVITA’ degli ANELLI ETEROAROMATICI. La presenza di eteroatomi influenza la reattività:...

REATTIVITA’ degli ANELLI

ETEROAROMATICI

La presenza di eteroatomi influenza la reattività:

Eteroaromatici di tipo piridinico

diminuiscono la densità di carica negativa sull’anello

Eteroaromatici di tipo pirrolico aumentano la densità di carica negativa sull’anello

N

HN

nella reazione con ELETTROFILI sono più attive le posizione 3 e 5, oltre che l’azoto piridinico

nella reazione con NUCLEOFILI è più attiva la posizione 4, e 2-H e 6-H sono i protoni più acidi

PIRIDINA

PIRROLO

le reazioni con ELETTROFILI sono possibili in qualunque atomo di carbonio: in generale, la reazione di sostituzione elettrofila è più favorita che nel benzene

i NUCLEOFILI reagiscono con il protone pirrolico

PIRROLO

Supponiamo che una reazione possa procedere da A al prodotto B, o da A al prodotto C e che alle due reazioni siano associate due energie diverse come riportato nel grafico.

B A CB A CEn.

c. di reaz.

La reazione che porta a B va sotto controllo termodinamico (lunghi tempi di reazione e alte temperature): B è il prodotto termodinamicamente più stabile, a energia più bassa.

La reazione che porta a C va sotto controllo cinetico (tempi più brevi di reazione, temperature più basse), essendo coinvolta la più bassa energia di attivazione.

en

. di

att

ivazi

on

e

∆G

di

reazi

one

A

B

C

c. di reaz.

Entrambe le reazioni irreversibili: si forma in quantità maggiore il prodotto con energia di attivazione minore (C): favorita la reazione più veloce.

Entrambe le reazioni reversibili:dapprima si forma più C che B. Nel tempo, però, le reazioni si spostano in modo da formare in quantità maggiore il prodotto più stabile (B)

C ridà A più di quanto faccia B, che è il prodotto termodinamicamente più stabile.

B A CB A C

Reazioni con elettrofili es. : solfonazione naftalene

veloce e reversibile

elettrofili: H+, acidi di Lewis, ioni metallici, R-X, alogeni, peracidi

es. : reazioni di elettrofili con la piridina

più difficile da far avvenire e irreversibile

elettrofili: H+, NO2

+, SO3, Cl+, RCO+, R+, O3

La reattività dell’azoto con elettrofili in composti eteroaromatici:

anione del pirroloN

reagisce molto facilmente

N

H

pirrolo reattività quasi nulla: il doppietto è funzionale a mantenere le condizioni di aromaticità

N

La reattività dell’azoto con elettrofili in composti eteroaromatici:

piridina reagisce facilmente

N

R

ione piridinio

reattività nulla: il doppietto è già impegnato nel legame con -R

La reattività dell’azoto con elettrofili in composti eteroaromatici:

-Altri gruppi elettron-donatori nella molecola ne aumentano la reattvità. Viceversa i gruppi elettron-attrattori.

- Elettrofili possibili: H+, acidi di Lewis, ioni metallici, alogeni.

- Generalmente non avvengono reazioni di sostituzione all’azoto.

- Quando sono presenti più atomi di azoto, reagisce quello con doppietto libero:

La reattività del carbonio con elettrofili in composti eteroaromatici:

-Gruppi elettron-donatori favoriscono la reazione. Viceversa gruppi elettron-attrattori -Le reazioni non sono identiche ma simili a quelle del benzene

- elettrofili: H+, NO2+, SO3, Cl2, RCO+, R+, O3

Attacco di un elettrofilo a un azoto piridinico

Paragoniamo l’azoto a quello di un’ammina terziaria:esso reagisce più o meno facilmente con molte specie elettrofile

protoni Saliacidi di Lewis composti di coordinazioneioni di metalli di transizione complessialogenuri reattivi Sali quaternarialogenuri addottiagenti ossidanti N-ossidiagenti ammidanti N-ammino derivati

N

Se l’elettrofilo è H+

pka

9.7

5.2

il doppietto dell’azoto occupa un orbitale sp3

il doppietto dell’azoto occupa un orbitale sp2, più elettronegativo e con minore disponibilità a formare legami N

CH3C N ≈0 il doppietto dell’azoto occupa un orbitale sp, ancora più elettroneativo.

Per studiare la basicità degli eterocicli si può utilizzare il pka

nello studio degli equilibri acido base

Più alto è il pka, più basico è il composto

Il pka è una misura qualitativa della reattività degli atomi di azoto verso gli elettrofili

La reattività verso gli elettrofili è influenzata dai sostituenti.

Aumenta in presenza di sostituenti elettron-donatori, in particolare in posizione 2 e 4

AMMINOpiridine:L’aumento di basicità della 2-amminopiridina (+1,7) rispetto alla piridina, è minore che nella 4-amminopiridina (+4,0): l’effetto mesomerico elettron-donatoredel gruppo amminico (+M) è bilanciato dall’effetto induttivo (-I), più forte in posizione 2 che in posizione 4.Gli effetti induttivi diminuiscono con la distanza dall’atomo di azoto, nell’ordine 2 > 3 > 4.

METOSSIpiridine:L’effetto induttivo ha un effetto maggiore in questi composti, tanto che le 2-metossipiridine ha una basicità più bassa (-1.9) della piridina a causa di un forte effetto induttivo –I del gruppo MetO-

POLICICLI eteroaromatici: La presenza di anelli benzenici fusi agli eterocicli influenza poco la basicità dell’eteroatomo rispetto alla piridina.

altri esempi di pka in composti eterocicli

DIMENSIONI: gli effetti sterici, legati alle dimensioni dei sostituenti in posizione 2 e 6, oltre che alle dimensioni dell’elettrofilo, influenzano la reattività dell’eteroatomo

La basicità delle piridine con l’elettrofilo più piccolo (H+) è influenzata solo da sostituenti molto ingombranti come i terzbutili, ma non dai metili

ESEMPIO 1.Le piridine hanno odore sgradevole e le acridine hanno proprietà irritanti e lacrimogene. Tuttavia, la 2,6-di-terzbutilpiridina (1), dopo purificazione su silice, perde il suo caratteristico odore, mentre la dimetilacridina (2) non è irritante né tossica: ciò è dovuto al fatto che la coordinazione dell’azoto con metalli di transizione nei tessuti biologici risulta impedita in questi composti (JOC, 1978, 36-46)

ESEMPIO 2.La N-alchilazione della 2,6-di-terzbutilpiridina risulta sfavorita proprio a causa dell’ingombro sterico sull’azoto. Tuttavia, la reazione può essere condotta ad elevata pressione di 10.000 atm. (JOC, 1982, 1977).

Per trattamento termico, dal sale N-metilpiridinio si ri-ottiene la di-terzbutilpiridina e lo ioduro di

metile.

SOSTITUZIONE ELETTROFILA al CARBONIO

effetto degli eteroatomi:

Gli effetti orientanti e mesomerici sono simili a quelli previsti per il benzene:

Attivanti: -NH2, -OH (fortemente elettron-donatori) [o,p orientanti] -R (debolmente donatori) [o,p orientanti] alogeni (accettori) [o,p orientanti]Disattivanti: -NO2, -COR, -SO2R (accettori) [m orientanti]

Queste reazioni sono possibili in condizioni di reazione più drastiche e/o in presenza di gruppo elettron-attrattori

Esempio: formazione dell’o-nitrofenolo.-il nitrobenzene fuso con potassa in presenza di aria dà l’o-nitrofenolo-il nitro gruppo stabilizza l’intermedio anionico delocalizzando ulteriormente la carica negativa-l’attacco in orto è preferito a causa dell’effetto induttivo –I del nitro gruppo-per ottenere il fenolo 3 è necessario avere un agente ossidante (in presenza di aria) per eliminare lo ione idruro

SOSTITUZIONE NUCLEOFILA al CARBONIO

SOSTITUZIONE NUCLEOFILA al CARBONIO

REAZIONI di SOSTITUZIONE NUCLEOFILA su composti etero-aromatici

E’ più facile che la reazione torni indietro verso i reagenti

in genere è favorita da nucleofili molto forti, come NH2

-, LiR, LiAlH4, ma anche alcuni più deboli come NaBH4, OH-, CN-

In genere, nello ione piridinio, la reazione di sostituzione nucleofila risulta più favoritain modo da neutralizzare la carica positiva sull’azoto

REAZIONI di SOSTITUZIONE NUCLEOFILA su composti etero-aromatici