Chimica organica/Attacco nucleofilo ai gruppi carbonilico e carbossilico

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Carbonile e composti carbonilici[modifica]

Il gruppo C=O è conosciuto come carbonile ed è l'elemento reattivo di una larga classe di composti che lo contengono, e che sono detti appunto composti carbonilici. Alcuni esempi sono dati nella tabella seguente

Classe Aldeide Chetone Acido carbossilico Estere Ammide Enone Alogenuro acilico Anidride Chetene
Struttura Aldehyde Ketone-general.png Carboxylic-acid.svg Ester Amide-general.png Enone-general.png Acyl Halide.PNG Carboxylic-acid-anhydride.png|Ketenes.png
Formula generale RCHO RCOR' RCOOH RCOOR' RCONR'R'' RC(O)C(R')CR''R''' RCOX (RCO)2O RR'C=C=O

Il gruppo carbonilico e quello carbossilico sono rappresentati efficacemente mediante due strutture limite di risonanza. Quella a separazione di carica è meno rappresentativa della molecola "vera" rispetto all'altra, ma comunque ragionevolmente importante, poiché la carica negativa è retta dall'ossigeno, più elettronegativo del carbonio.

Resonances carbonilic group.jpg

Il deficit elettronico del carbonio carbonilico/carbossilico può essere lenito da una specie nucleofila che metta a disposizione una propria coppia elettronica per formare con questo un nuovo legame. Si ha in questo caso una addizione.[1] Se al gruppo carbonilico è legato un buon gruppo uscente, cioè un gruppo caratterizzato da una buona stabilità anche quando staccato dal gruppo carbonilico, all' addizione puo' seguire la eliminazione di questo, dando complessivamente una sostituzione.

Aldeidi e chetoni: addizione nucleofila di un alcol[modifica]

Schema di reazione di un acetale a partire da una mole di una aldeide e due moli di un alcol

In aldeidi e chetoni al gruppo carbonilico sono uniti un idrogeno e una catena alchilica rispettivamente, pessimi gruppi uscenti. Aldeidi e chetoni danno tipicamente vita a reazioni di addizione nucleofila al carbonio del gruppo carbonilico. Ciascuno step di tale reazione è reversibile e l'equilibrio tra reagenti e prodotti può dunque essere modulato per aggiunta o sottrazione di ciascuno

Da una mole di aldeide (chetone) e una di alcool una mole di emiacetale (emichetale)...
Step 1: L'addizione di alcol al gruppo carbonilico è normalmente catalizzata mediante un acido forte. Per avere una idea di come l'acido catalizzi l'addizione è sufficiente disegnare le due strutture di risonanza del gruppo carbonilico prima e dopo che l'ossigeno di questo abbia agito da base nei confronti dell' H+. Delle due strutture limite di risonanza in alto la seconda è a separazione di carica, la prima no. Per questo la seconda è decisamente meno rappresentativa della prima, nonostante la carica negativa sia sull'ossigeno, che la sopporta abbastanza bene grazie alla sua elettronegatività. Nel caso dell'acido coniugato, in basso, entrambe le strutture prevedono una carica positiva, dunque la rappresentatività della prima struttura è ora più simile a quella della seconda.
Step 2: Il carbonio carbonilico, caratterizzato da ua parziale carica positiva, è un buon punto di attacco per una sostanza nucleofila. L'alcol ha le carte in regola per esserlo, grazie alle due coppie elettroniche di non legame che caratterizzano l'ossigeno. La compartecipazione di una delle due coppie di non legame carica l'ossigeno positivamente.
Step 3: Da tale ossigeno si può staccare il protone, ripristinando l'acido che aveva catalizzato l'attacco nucleofilo. L'emiacetale che si forma è dunque caratterizzato da un gruppo OH (originariamente =O carbonilico) e da un gruppo OR.
Da una mole di emiacetale (emichetale) e una seconda di alcool una mole di acetale (chetale)...
Step 1: L'acido che aveva catalizzato la prima parte della reazione può catalizzare una seconda parte, se si lega al gruppo idrossilico.
Step 2: Tale legame è favorito dalla possibilità di questo gruppo di uscire come H2O.
Step 3: Il carbocatione che si forma è stabilizzato dall'attacco nucleofilo da parte di una seconda molecola di alcol.
Step 4: Tale alcol, dopo la formazione del legame, libera H+, ripristinando il catalizzatore.

Addizione di ammine[modifica]

Le ammine sono più nucleofile degli alcoli e si addizionano facilmente al carbonile in condizioni blandamente acide. In tali condizioni l'ammina è parzialmente protonata ed è la forma libera in equilibrio che reagisce con il chetone, dando un composto avente un gruppo OH ed un gruppo NH2 legato allo stesso carbonio (emiaminale). Tali composti non sono stabili e si disidratato nelle condizioni di reazione portando ad una molecola contenente un doppio legame C-N, un' immina

Imine from ketone.png

Le immine dell'ammoniaca (senza sostituenti sull'azoto) sono poco stabili e reagiscono ulteriormente; inoltre quelle a basso peso molecolare tendono a polimerizzare.Le immine primarie sono composti stabili e sono anche note come (soprattutto se con sostituenti aromatici all'azoto) basi di per il loro carattere basico.

Con ammine secondarie la disidratazione ad immine non può aver luogo e l'addotto tautomerizza all' enammina

Formazione di enammine

Le immine e le enammine sono idrolizzate dagli acidi minerali acquosi.

Il pH di reazione può essere usato per condensare selettivamente un certo tipo di ammina: le ammine aromatiche come l'anilina sono basi ben più deboli delle ammine alifatiche La condensazione di un chetone con un'ammina aromatica in presenza di una ammina alifatica può quindi essere condotta selettivamente lavorando a pH~2, ove l'ammina alifatica è completamente protonata e non può reagire.

Le enammine sono intermedi sintetici utili. La coppia elettronica solitaria sull'azoto è condivisa con il doppio legame adiacente, dando al carbonio in β un forte carattere nucleofilo

Enamine resonance.svg

L'alchilazione di una enammina è una reazione ben conosciuta. L'idrolisi con acidi acquosi porta al chetone di partenza alchilato in α al carbonile. La procedura costituisce un metodo di sintesi noto come sintesi di Stork

Condensazione aldolica e di Claisen[modifica]

Il gruppo carbonilico è fortemente elettron-attrattore ed aumenta l'acidità degli idrogeni legati ai carboni in α. In presenza di una base forte, la molecola può perdere un protone per generare uno ione enolato stabilizzato per risonanza

Enolate Resonance.svg

Il carbonio in α è un buon nucleofilo che può attaccare il carbonile di un'altra molecola portando al prodotto di condensazione, l' aldolo contenente sia un carbonile che un gruppo alcol.

Meccanismi acido e basico della condensazione aldolica

La reazione può avvenire anche per via acida, ed in tal caso la specie reagente è l' enolo tautomerico che esiste sempre in equilibrio dinamico con il chetone/l'aldeide.

Va da sé che possono dare questa reazione solo i composti carbonilici aventi idrogeni in α, che sono quindi enolizzabili. Un esempio di aldeide non enolizzabile è la benzaldeide C6H5-CHO.

β-chetoesteri, condensazione di Claisen

Resonance of acetoacetate anion.png
Condensazione di Claisen

I β-chetoesteri sono intermedi sintetici utili, base della sintesi acetacetica che permette di preparare acidi carbossilici sostituiti.

Addizione di reagenti organometallici[modifica]

Il legame carbonio-metallo è polarizzato verso il carbonio. Il carattere ionico/covalente cambia al cambiare del metallo, essendo da estremamente ionico nel caso di Na o K a essenzialmente apolare con Hg. Il comportamento è in genere quello di un carbonio nucleofilo, la cui reattività può essere modificata con una scelta oculata del reagente organometallico.

I reagenti più comunemente utilizzati sono i litio-alchili e i reattivi cloro e bromo magnesio-organici, comunemente chiamati reattivi di Grignard, dal nome del chimico francese che ne sviluppò l'uso sintetico.

Reazione di Grignard[modifica]

I reattivi di Grignard si ottengono per reazione di alogenuri alchilici (cloruri o meglio bromuri) con Mg. Il metallo si inserisce nel legame carbonio-alogeno secondo la reazione RX + Mg → RMgX. Per motivi di solubilità, la sintesi dei reattivi di Grignard ed il loro uso è fatto esclusivamente in eteri come solventi, p.es. dietiletere, tetraidrofurano, metiltetraidrofurano o dimetossietano sono quelli maggiormente utilizzati.

In questi reattivi il carbonio ha una forte carica negativa e si comporta da potente nucleofilo, addizionandosi al carbonile chetonico/aldeidico portando ad un alcolato di magnesio. L'alcol è poi liberato da un work-up acquoso.

Grignard Reaction Scheme.png

Il reattivo di Grignard può addizionarsi agli esteri dando chetoni, i quali reagiscono con i Grignard più velocemente dei composti di partenza. Il risultato è quasi invariabilmente un alcol terziario. I prodotti ottenibili dai Grignard e composti carbonilici e carbossilici sono qui sotto elencati

Grignard with carbonyl.png

Reazione di Reformatsky[modifica]

Il legame zinco-carbonio è molto meno polare e corrispondentemente i gruppi organici reagiscono come nucleofili monto blandi.

Reformatsky Reaction Scheme.png

Si forma un intermedio zinco-organico che è un nucleofilo poco reattivo, compatibile con il gruppo estereo e che può attaccare solo aldeidi e chetoni elettron-deficienti.

Esteri da acidi carbossilici e alcoli[modifica]

Estere da acido carbossilico e alcol: reazione acido catalizzata

La reazione di esterificazione degli acidi carbossilici ad opera degli alcoli trae origine, pari pari a quanto capita in aldeidi e chetoni, dall'attacco nucleofilo al carbonio del gruppo carbonissilico. La preseza di OH al posto di H o R, fa si che a tale addizione possa seguire una eliminazione di acqua. Ogni step della reazione è reversibile, come le frecce in direzione opposta rappresentano. La reazione opposta, alla quale è scarsamente significativo dedicare una specifica sezione, è definita idrolisi acida degli esteri.

  • Step 1: Strutture limite di risonanza parallele a quelle viste per il gruppo carbonilico mostrano che l'attacco nuclofilo al carbonio carbossilico da parte degli alcoli è efficacemente catalizzabile mediante l'impiego di un acido forte.
  • Step 2: Addizione nucleofila dell'alcol
  • Step 3: Reazione acido base intramolecolare
  • Step 4: Fuoriuscita di H2O aiutata dal ripristino del doppio legame e dalla neutralità del gruppo uscente.
  • Step 5: Ripristino catalizzatore

Un alcol può anche attaccare una molecola di estere, sostituendo la parte alcolica dell'estere. Tale reazione si chiama transesterificazione. La reazione può avvenire per catalisi sia acida che basica (idrossidi e/o alcossidi metallici). L'equilibrio viene reso favorevola alla formazione del nuovo estere utilizzando un grande eccesso dell'alcol. La transesterificazione ha grande rilevanza industriale, essendo utilizzata nella sintesi di polimeri (poliesteri, p.es. PET) e nella fabbricazione di biodiesel a partire da oli vegetali.

Transesterificazione di oli per ottenere il biodiesel

Idrolisi basica degli esteri: la saponificazione[modifica]

Meccanismo della saponificazione

L'idrolisi degli esteri può essere ottenuta mediante l'impiego di una base forte quale lo ione idrossido. La sua forza come nucleofilo, oltre che come base, rende superflua una catalisi. A tale idrolisi viene dato il nome di saponificazione, poiché il prodotto, qualora l'estere sia derivato da un acido grasso, può essere usato come sapone, essendo caratterizzato da una parte polare idrofila e da una apolare lipofila. Lo schema di reazione è, credo, autoesplicativo. È interessante notare come l'uscita del gruppo OR- sia favorita dalla successiva reazione acido base. In effetti, grazie alla risonanza, la base coniugata dell'acido carbossilico è più stabile di quella dell'alcol.

Note[modifica]

  1. É ridondante, ma bene sottolineare per chiarezza, che tale coppia esiste sia in specie cariche negativamente che in specie caratterizzate da una coppia di elettroni di non legame. Disegnare tutte le coppie di elettroni di una molecola è fondamentale per accorgersi della possibilità che queste siano in grado di comportarsi come nucleofile.

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