Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di:
scrivere un'equazione per illustrare la formazione di un reattivo di Grignard.
scrivere un'equazione generale per rappresentare la reazione di un'aldeide o di un chetone con un reattivo di Grignard.
scrivere il meccanismo dettagliato per la reazione di un'aldeide o di un chetone con un reattivo di Grignard.
identificare il prodotto formato dalla reazione di una data aldeide o chetone con un dato reattivo di Grignard.
identificare il composto carbonilico, il reattivo di Grignard, o entrambi, necessari per preparare un dato alcol.
scrivere l'equazione per descrivere la reazione di un estere con un reattivo di Grignard.
identificare il prodotto formato dalla reazione di un dato estere con un dato reattivo di Grignard.
discutere le limitazioni della formazione dei reattivi di Grignard e determinare se un dato composto possa essere utilizzato per formare tale reattivo.
Note di studio
Prima di iniziare questa sezione, potresti voler ripassare la Sezione 10.8 che discute la formazione dei reattivi di Grignard. I reattivi di Grignard sono tra i reagenti più frequentemente utilizzati nella sintesi organica. Reagiscono con un'ampia varietà di substrati; tuttavia, in questa sezione, ci occuperemo solo di quelle reazioni che producono alcoli. Nota che in una reazione che coinvolge un reattivo di Grignard, non solo cambia il gruppo funzionale, ma cambia anche il numero di atomi di carbonio presenti. Questo fatto ci fornisce un metodo utile per ascendere in una serie omologa. Per esempio:reaction involving a Grignard reagentUn'importante via per produrre un alcol da un reattivo di Grignard è stata omessa dalla discussione nel testo. Essa implica la reazione del reattivo di Grignard con l'ossido di etilene per produrre un alcol primario contenente due atomi di carbonio in più rispetto al reattivo di Grignard originale.Come menzionato nel testo, sia i reattivi organolitio che i reattivi di Grignard sono buoni nucleofili. Agiscono anche come basi forti in presenza di protoni acidi come quelli dei gruppi −COOH, −OH, −SH, −NH e alchini terminali. I protoni acidi non solo interferiscono con l'attacco nucleofilo sul carbonile da parte di questi reattivi organometallici, ma se i materiali di partenza possiedono protoni acidi, i reattivi non possono essere generati affatto. Questo è anche il motivo per cui queste reazioni devono essere condotte in un ambiente anidro.
Un'altra limitazione nella preparazione dei reattivi di Grignard e organolitio è che essi non possono contenere già un gruppo carbonilico (o altri legami multipli elettrofili come C=N, nitrili, N=O, S=O) perché reagirebbero semplicemente con sé stessi.
Di seguito è fornito un riassunto dei metodi utilizzati per preparare alcoli dai reattivi di Grignard.A summary of the methods used to prepare alcohols from Grignard reagents
I reagenti di Grignard (RMgX) possono essere preparati attraverso la reazione di alogenuri con metallo di magnesio (Sezione 10-6). I reagenti di Grignard sono una fonte di nucleofili carbanionici (R:- + MgX) che si aggiungono ai composti carbonilici per dare alcoli. L'etere etilico o il THF (tetraidrofurano) sono essenziali per la formazione dei reagenti di Grignard. Gli elettroni della coppia solitaria di due molecole di etere formano un complesso con il magnesio nel reagente di Grignard. Questo complesso aiuta a stabilizzare l'organometallico e ne aumenta la capacità di reagire.
Poiché i reagenti organometallici reagiscono come i loro corrispondenti carbanioni, sono ottimi nucleofili. Aldeidi, chetoni e altri composti contenenti carbonile subiscono un'aggiunta nucleofila con i reagenti di Grignard. Il carbonio nucleofilo nei reagenti organometallici forma un legame singolo C-C con il carbonio carbonilico elettrofilo. Un intermedio alcossido si forma, che diventa un alcol tramite protonazione successiva da parte di un acido. Il tipo di alcol prodotto dipende dal numero di sostituenti alchilici attaccati al carbonio carbonilico elettrofilo. Reagendo un reagente di Grignard con formaldeide (H₂C=O) si ottengono alcoli primari, con aldeidi si ottengono alcoli secondari e con chetoni si ottengono alcoli terziari. Queste reazioni saranno discusse più in dettaglio nella Sezione 19.7.
Durante la reazione, il doppio legame C=O nel reagente forma un legame singolo C-O nel prodotto. La rottura del doppio legame C=O permette la formazione di due legami singoli nel prodotto. Uno sarà attaccato all'ossigeno e l'altro al carbonio che originariamente faceva parte del carbonile. Il carbonio acquisirà il gruppo R che era contenuto nel reagente di Grignard, mentre l'ossigeno acquisirà un idrogeno.
Predicting the product of a grignard reaction
Meccanismo per l'Aggiunta dei Reagenti di Grignard ai Carbonili
Il meccanismo inizia con la formazione di un complesso acido-base tra +MgX e l'ossigeno del carbonile. Il +MgBr del reagente di Grignard agisce come un acido di Lewis e accetta un set di elettroni dalla coppia solitaria dell'ossigeno del carbonile. Questo dà all'ossigeno una carica positiva che aumenta la carica parziale positiva sul carbonio carbonilico, aumentando la sua suscettibilità all'attacco nucleofilo.
Il nucleofilo carbanionico del reagente di Grignard si aggiunge al carbonio elettrofilo del complesso acido-base formando un legame C-C. I due elettroni del C=O vengono spinti verso l'ossigeno carbonilico formando un intermedio tetraedrico di alcossido di magnesio.
Con gli esteri, dopo la prima reazione con il Grignard, il carbonile si riforma creando un chetone che può quindi reagire con una seconda molecola di Grignard. In effetti, il reagente di Grignard si aggiunge due volte. Questa reazione sarà discussa in maggiore dettaglio nella Sezione 21.6.
Un'altra importante via per produrre un alcol da un reagente di Grignard implica la reazione del reagente di Grignard con l'ossido di etilene (epossido) per produrre un alcol primario contenente due atomi di carbonio in più rispetto al reagente di Grignard originale. Questa reazione sarà discussa in maggiore dettaglio nella Sezione 18.6.
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Il primo passo del meccanismo è mostrato di seguito, con il secondo passo che segue la protonazione tipica di altre vie reattive studiate in questa sezione.
I reagenti di Grignard e organolitio sono potenti basi. Per questo motivo, non possono essere preparati utilizzando composti alogenati che contengono gruppi funzionali con idrogeni acidi. Se sono presenti idrogeni acidi, il reagente organometallico agirà come base e deprotonerà l'idrogeno acido piuttosto che agire come nucleofilo e attaccare il carbonile. Una lista parziale dei gruppi funzionali che non possono essere usati include: alcoli (ROH), acidi carbossilici (RCO₂H), tioli (RSH) e alchini terminali (RC≡CH). Inoltre, ammidi (RCONH₂) e ammine (RNH₂) con legami NH non possono essere utilizzate con i reagenti organometallici.
Limitations of ogranometallic reactions
Pianificazione di una Sintesi di Alcoli Usando una Reazione di Grignard
L'aggiunta nucleofila di un reagente di Grignard a un carbonile è uno strumento potente nella sintesi organica perché forma un legame C-C. Inoltre, spesso ci sono più di un modo per ottenere una data molecola target. Gli alcoli primari hanno un legame C-C che può essere scisso retro-sinteticamente. Gli alcoli secondari hanno due legami C-C e gli alcoli terziari ne hanno tre.
Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di:
spiegare cosa si intende per “protezione” di un gruppo funzionale durante una sintesi organica.
descrivere un metodo comune per proteggere il gruppo ossidrilico di un alcol e fornire un esempio del suo utilizzo (ad esempio, nella preparazione di un reattivo di Grignard).
Durante la sintesi di molecole complesse, accade spesso che un gruppo funzionale interferisca con una reazione prevista su un altro gruppo funzionale presente nella stessa molecola. Un ottimo esempio è rappresentato dall’impossibilità di preparare un reagente di Grignard a partire da un alogeno-alcol, poiché il legame C–Mg non è compatibile con il gruppo –OH acido.
Quando si verifica una situazione di questo tipo, i chimici aggirano il problema modificando temporaneamente il gruppo funzionale interferente con un altro che non interferisca con la reazione prevista. Questo processo prende il nome di protezione del gruppo funzionale. La protezione di un gruppo funzionale coinvolge tre passaggi fondamentali:
Bloccaggio del gruppo funzionale interferente introducendo un gruppo protettivo.
Esecuzione della reazione desiderata.
Rimozione del gruppo protettivo, rigenerando il gruppo funzionale originale.
Protezione degli alcoli tramite la formazione di eteri trialchilsililici
Esistono diversi metodi per proteggere un alcol, ma il più comune consiste nella sua reazione con un clorotrialchilsilano, Cl–SiR₃. Questa reazione produce un etere trialchilsililico, R’O–SiR₃. Uno dei reagenti più utilizzati è il clorotrimetilsilano [(CH₃)₃SiCl], spesso impiegato in presenza di una base come la trietilammina, che favorisce la formazione dell’anione alcolato e neutralizza l’HCl prodotto. L’etere trimetilsililico risultante viene comunemente abbreviato come –OTMS. Questo gruppo –OTMS non contiene più il protone acido dell’alcol originale, poiché è stato sostituito (protetto).
Questa reazione avviene secondo un meccanismo simile a SN2, in cui l’alcol attacca l’atomo di silicio sostituito con trialchili. Di norma, una reazione SN2 non sarebbe possibile con un cloruro terziario come il cloruro di terz-butile, a causa dell’ingombro sterico del carbonio elettrofilo terziario. Tuttavia, poiché il silicio è un atomo del terzo periodo, è più grande e forma legami più lunghi rispetto al carbonio.
I legami Si–C nel clorotrimetilsilano sono lunghi 195 pm, contro i 154 pm dei legami C–C del cloruro di terz-butile. I tre gruppi metilici legati al silicio sono più distanziati e generano meno ingombro sterico, permettendo così la reazione SN2.
Gli eteri trimetilsililici, come la maggior parte degli eteri, sono relativamente inattivi nei confronti di molti reagenti, come agenti ossidanti, riducenti o i reagenti di Grignard. Tuttavia, il gruppo protettivo TMS può essere rimosso per rigenerare l’alcol tramite trattamento con acido acquoso o con ione fluoruro (F⁻). Fonti comuni di ione fluoruro includono:
Il problema presentato all’inizio può essere risolto mediante l’uso di un gruppo protettivo TMS. Una volta che l’alcol è stato convertito in un etere TMS, l’idrogeno acido non sarà più presente e sarà possibile formare un reagente di Grignard.
Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di descrivere due metodi che possono essere utilizzati per ottenere il fenolo su scala industriale.
Note di studio
Una sostanza che è diventata simbolo della lotta tra lo sviluppo industriale e la protezione ambientale è la diossina. Il nome diossina è usato per riferirsi a una famiglia di composti aventi una struttura di base in cui due anelli benzenici sono uniti da due atomi di ossigeno:dioxin aTuttavia, i riferimenti dei media alla diossina sono solitamente in relazione alla 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina, o TCDD:2,3,7,8‑tetrachlorodibenzo‑ p‑dioxin, or TCDDLa TCDD è un sottoprodotto che si forma nella produzione del triclorofenolo, un intermedio nella produzione dell'erbicida 2,4,5-T (uno degli ingredienti del famigerato Agente Arancio), nella produzione dell'esaclorofene, nelle cartiere che utilizzano il cloro per produrre carta bianca, e come risultato dell'incenerimento dei rifiuti urbani.2,4,5-Trichlorophenoxyacetic acid or 2,4,5-THexachlorophene 2L'equazione riportata di seguito mostra come la 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina si formi durante la produzione del 2,4,5-triclorofenolo, un intermedio prodotto nella sintesi del 2,4,5-T. Il processo prevede la reazione dell'1,2,4,5-tetraclorobenzene con una base a una temperatura di circa 160°C.1,2,4,5‑tetrachlorobenzene with basehow 2,3,7,8‑tetrachlorodibenzo‑ p‑dioxin is formedI possibili rischi presentati dalla diossina sono diventati evidenti per la prima volta nel 1957, quando alcuni operai tedeschi coinvolti nella produzione del 2,4,5-T svilupparono la cloracne, una condizione della pelle simile all'acne. I precisi effetti tossicologici della diossina sull'uomo sono oggetto di dibattito, ma una quantità minima di 0,6 mg per kg di peso corporeo uccide il 50% delle cavie a cui viene iniettata la TCDD entro un tempo specificato.
Una delle prime modalità commerciali di produzione del fenolo, risalente alla fine del XIX e all'inizio del XX secolo, prevedeva l’idrolisi del clorobenzene con una base forte per ottenere un intermedio di fenossido di sodio, che genera fenolo attraverso acidificazione.
Sviluppato negli anni ’40 e attualmente responsabile della maggior parte della produzione industriale di fenolo, questo processo utilizza l’isopropilbenzene—comunemente noto come cumene. Il trattamento del cumene con l’ossigeno dell’aria genera il idroperossido di 2-propil-2-idilbenzene (idroperossido di cumene) attraverso un meccanismo a radicali liberi. Quando idrolizzato in ambiente acido, l’intermedio perossidico produce fenolo e acetone, entrambi prodotti chimici di grande valore.
Inizialmente, il cumene reagisce con l’ossigeno (O₂) formando idroperossido di cumene. L’atomo di ossigeno del gruppo -OH nel perossido viene protonato, creando un buon gruppo uscente. Segue una riorganizzazione in cui il gruppo fenilico si sposta da un atomo di carbonio a un atomo di ossigeno, con conseguente perdita di una molecola d’acqua.
L’intermedio carbocationico risultante viene attaccato da una molecola d’acqua nucleofila, formando un emiacetale protonato. Un emiacetale è un composto in cui un gruppo etere (-OR) e un gruppo ossidrile (-OH) sono legati allo stesso atomo di carbonio. Si verifica un trasferimento di protoni: l’ossigeno vicino all’anello aromatico acquisisce l’idrogeno in eccesso.
I fenoli sono ampiamente utilizzati come antisettici (sostanze che eliminano i microrganismi sui tessuti viventi) e come disinfettanti (sostanze che eliminano i microrganismi su oggetti inanimati come mobili o pavimenti). Il primo antisettico largamente utilizzato fu proprio il fenolo. Joseph Lister lo impiegò nella chirurgia antisettica nel 1867. Tuttavia, il fenolo è tossico per l’uomo e può causare gravi ustioni se applicato sulla pelle. Una volta nel flusso sanguigno, agisce come veleno sistemico, cioè capace di diffondersi in tutto il corpo. I suoi gravi effetti collaterali portarono alla ricerca di antisettici più sicuri, molti dei quali sono stati successivamente scoperti.
Figura: Un’operazione del 1753, dipinta da Gaspare Traversi, rappresenta una chirurgia prima dell’introduzione degli antisettici.
Uno degli antisettici fenolici più sicuri è il 4-esilresorcinolo (4-esil-1,3-diidrossibenzene; il resorcinolo è il nome comune per il 1,3-diidrossibenzene, mentre il 4-esilresorcinolo presenta un gruppo esile sul quarto atomo di carbonio dell’anello del resorcinolo). È molto più potente del fenolo come agente germicida e presenta meno effetti collaterali indesiderati. È infatti abbastanza sicuro da essere utilizzato come principio attivo in alcuni collutori e pastiglie per la gola.
Il composto 4-esilresorcinolo è abbastanza delicato da essere usato come principio attivo in preparazioni antisettiche per uso cutaneo.
Oltre ad agire come antisettico, il fenolo è anche un precursore chimico utile in molte sintesi industriali per la produzione di farmaci, conservanti alimentari, polimeri, resine e adesivi. I composti fenolici si trovano anche in diversi sistemi biologici e prodotti naturali come neurotrasmettitori, aromi e vitamine.
Negli Stati Uniti, l’acqua in bottiglia monouso è la bevanda con la crescita più rapida in termini di consumo. Tuttavia, bere acqua del rubinetto produce meno inquinamento e consuma meno energia e risorse naturali rispetto alla produzione e al trasporto di bottiglie di plastica. A differenza delle bibite e di altre bevande gassate, le bottiglie d’acqua non prevedono il deposito cauzionale e per questo motivo vengono riciclate meno. A livello nazionale, solo il 10% delle bottiglie di plastica per l’acqua viene riciclato, generando enormi quantità di rifiuti. Molte bottiglie d’acqua sono realizzate in plastica policarbonata prodotta con il Bisfenolo A (BPA).
Figura 1: Bisfenolo A
Il BPA fu sintetizzato per la prima volta da Thomas Zincke dell’Università di Marburgo (Germania) nel 1905. Zincke non propose usi specifici per il BPA, ma successivamente, nel 1953, gli scienziati ne scoprirono molte applicazioni. Le plastiche policarbonate divennero prodotti commerciali di uso comune negli anni ’50.
Il BPA si ottiene da una reazione di condensazione tra fenolo e acetone, in presenza di acido cloridrico (un catalizzatore acido) e un promotore come il metilmercaptano. Una volta formato, il BPA viene lavato con acqua, neutralizzato con idrossido di calcio e distillato sotto vuoto. Può essere ulteriormente purificato tramite distillazione e cristallizzazione estrattiva. Il BPA ad alta purezza è utilizzato per la produzione di plastiche policarbonate, mentre quello a bassa purezza è impiegato per la produzione di resine epossidiche. Il nome IUPAC del BPA è 4,4'-diidrossi-2,2-difenilpropano, e la sua formula chimica è C₁₅H₁₆O₂. La produzione di BPA rilascia H₂O (vedi figura seguente) e richiede dunque una reazione di condensazione.
Figura 2: La produzione del BPA
Un problema legato all’uso del BPA nelle bottiglie d’acqua è la possibilità che il composto migri nell’acqua e venga poi ingerito. Quando è presente nel corpo umano, il BPA imita l’estrogeno, legandosi ai recettori estrogenici. Questo modifica i geni espressi nel corpo, causando alterazioni nella concentrazione ormonale, nel funzionamento degli enzimi e nella sintesi proteica.
L’utilizzo di bottiglie di plastica contenenti BPA è dannoso sia per l’ambiente sia per la salute umana. Un’alternativa più ecologica consiste nell’usare acqua del rubinetto filtrata conservata in contenitori riutilizzabili in acciaio inox.
Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di:
spiegare perché i fenoli e gli ioni fenossido sono molto reattivi verso la sostituzione elettrofila aromatica (vedi Sezione 16.4 del libro di testo).
scrivere un'equazione per illustrare l'ossidazione di un fenolo o di un'arilammina a un chinone, e identificare i reagenti usati per ossidare i fenoli.
scrivere un'equazione per illustrare la riduzione di un chinone a un idrochinone, e identificare i reagenti usati per ridurre i chinoni.
descrivere, brevemente, l'importanza biologica delle proprietà redox dei chinoni.
Termini chiave
Assicurati di poter definire e utilizzare nel contesto i termini chiave sottostanti.
idrochinone
chinone
ubichinone
Note di studio
“Chinone” è un termine usato per descrivere i cicloesadiendioni in generale, e il p-benzochinone in particolare. Oltre al benzene, anche altri sistemi aromatici danno origine a chinoni; per esempio, l'1,4-naftochinone.1,4‑naphthoquinoneGli “idrochinoni” sono prodotti dalla riduzione dei chinoni secondo la seguente semi-reazione:“Hydroquinones” are produced by the reduction of quinones according to the following half‑reactionGli “ubichinoni” sono chinoni presenti in natura il cui ruolo è quello di trasferire una coppia di elettroni da una sostanza a un'altra in reazioni catalizzate da enzimi. Gli ubichinoni sono anche chiamati coenzimi Q.Ubiquinones are naturally occurring quinones
Il sostituente ossidrile del fenolo è orto- e para-orientante e rende l’anello aromatico fortemente attivato verso le reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (vedi Sezione 16-4). In effetti, i fenoli sono così fortemente attivanti che spesso è difficile limitare la reazione elettrofila a una sola sostituzione.
La facilità con cui l’anello aromatico dei fenoli e degli eteri fenolici subisce la sostituzione elettrofila è mostrata nei due esempi dello schema qui sotto. Il primo mostra la sintesi di Friedel-Crafts del conservante alimentare BHT a partire dal para-cresolo. In questo esempio, un elettrofilo si aggiunge a entrambe le posizioni orto rispetto al gruppo ossidrile del para-cresolo.
Il secondo esempio è interessante perché dimostra ulteriormente la delocalizzazione della carica che si verifica nell’anione fenolato. L’anidride carbonica è un elettrofilo debole e normalmente non reagisce con i composti aromatici; tuttavia, la concentrazione di carica negativa sull’anello fenolato permette la reazione di carbossilazione mostrata nel secondo passaggio. Il sale sodico dell’acido salicilico è il prodotto principale, e la preferenza per la sostituzione in orto può riflettere l’influenza del catione sodio. Questa è chiamata reazione di Kolbe-Schmidt, e viene utilizzata per la preparazione dell’aspirina, come illustrato nell’ultimo passaggio.
I fenoli sono piuttosto facilmente ossidabili, nonostante l’assenza di un atomo di idrogeno sul carbonio che porta il gruppo ossidrile. Tra i prodotti colorati derivanti dall’ossidazione del fenolo con acido cromico vi è il composto dichetone para-benzochinone (conosciuto anche come 1,4-benzochinone).
I chinoni rappresentano una classe importante di composti per via del loro equilibrio redox con i loro analoghi diossibenzenici. La differenza nella densità elettronica è visibile nella mappa del potenziale elettronico dell’idrochinone e del para-benzochinone. Il composto ridotto, idrochinone, presenta una maggiore densità elettronica nell’anello, visibile come colore giallo/rosso. Il composto ossidato, para-benzochinone, ha una densità elettronica significativamente minore attorno all’anello, mostrata dalla presenza di colori verdi e blu.
I diossibenzeni possono essere facilmente ossidati ai corrispondenti chinoni usando un’ampia varietà di agenti ossidanti, tra cui: dicromato di sodio (Na₂Cr₂O₇), triossido di cromo (CrO₃) e nitrosodisolfonato di potassio [(KSO₃)₂NO], chiamato anche sale di Frémy. Allo stesso modo, il chinone può essere facilmente ridotto di nuovo a idrochinone utilizzando reagenti come cloruro stannoso (SnCl₂) o boroidruro di sodio (NaBH₄).
Le capacità redox dei chinoni vengono utilizzate come agenti ossidanti biologici nei mitocondri delle cellule degli organismi aerobi. Questi composti contenenti chinone, chiamati ubichinoni o coenzimi Q, costituiscono una famiglia di coenzimi presente in tutti gli animali e i batteri—da cui il nome “ubiquitari”.
Durante la produzione di energia nelle cellule, le proprietà redox degli ubichinoni vengono sfruttate per mediare il trasferimento elettronico, in cui gli elettroni vengono trasferiti dal NADH (agente riducente biologico) all’ossigeno molecolare. Questo processo avviene in una serie di passaggi:
Inizialmente, un ubichinone viene ridotto al suo corrispondente diossibenzenico per ossidare NADH a NAD⁺.
Successivamente, il diossibenzenico viene ossidato nuovamente al suo stato di ubichinone, permettendo la riduzione dell’ossigeno (O₂) ad acqua.
Nel processo complessivo:
NADH è ossidato a NAD⁺
Ossigeno è ridotto ad acqua
L’ubichinone agisce solo come intermedio e rimane inalterato alla fine.
Lo spettro IR degli alcoli alifatici mostra un tratto distintivo dell’allungamento O–H (stretch) nella regione compresa tra 3300 e 3400 cm⁻¹. Questo picco tende ad essere molto intenso e molto largo. La posizione esatta del picco dipende dalla quantità di legami a idrogeno presenti nell’alcol. Inoltre, gli alcoli presentano un forte allungamento del legame C–O vicino ai 1000 cm⁻¹. Nello spettro IR del 1-butanolo, mostrato sotto, l'allungamento O–H appare a 3300 cm⁻¹ e quello C–O a 1073 cm⁻¹.
Spettro IR del 1-butanolo.
La forma dei picchi è talvolta molto utile per riconoscere il tipo di legame presente. La forma arrotondata della maggior parte dei picchi di stretching O–H è dovuta ai legami a idrogeno tra diversi gruppi –OH. Poiché i protoni sono condivisi in misura variabile con ossigeni vicini, i legami O–H vibrano a frequenze leggermente diverse e appaiono in posizioni leggermente diverse nello spettro IR. Invece di un picco netto, si osserva un ampio insieme di picchi sovrapposti. Questa ampiezza rende il picco O–H facilmente distinguibile nello spettro IR.
Nello spettro IR dei fenoli, lo stretching O–H appare circa a 3500 cm⁻¹. Inoltre, lo spettro mostra le bande tipiche dei composti aromatici nella regione 1500–1600 cm⁻¹.
Supponiamo di aver appena convertito il cicloesanolo in cicloesanone. Come useresti la spettroscopia IR per verificare se la conversione è avvenuta correttamente? Quali cambiamenti ti aspetteresti di osservare tra il materiale di partenza e il prodotto finale?
I protoni sui carboni adiacenti all’ossigeno alcolico compaiono nella regione 3.4–4.5 ppm. L’elettronegatività dell’ossigeno de-schermante sposta questi protoni verso il basso campo rispetto a quelli degli alcani.
I protoni direttamente legati all’ossigeno compaiono nella regione 2.0–2.5 ppm. Questi picchi tendono ad apparire come singoletti corti e larghi. La posizione del picco –OH può variare a seconda delle condizioni: solvente usato, concentrazione e purezza dell’alcol, temperatura, presenza d’acqua nel campione.
Nota che il protone dell’alcol non partecipa normalmente all’accoppiamento spin-spin. Questo accade perché la maggior parte dei campioni contiene impurezze acide che catalizzano lo scambio protonico, eliminando gli effetti di accoppiamento. Ecco perché il protone dell’alcol appare tipicamente come singoletto nello spettro NMR.Lo spettro ¹H NMR del propanolo mostra il gruppo –CH₂– adiacente all’alcol come tripletto a 3.58 ppm, dovuto all’accoppiamento con il gruppo –CH₂– vicino. Il segnale del protone –OH appare come singoletto a 2.26 ppm. Se fosse accoppiato con il –CH₂–, apparirebbe come un tripletto.
I protoni legati all’anello aromatico nel fenolo compaiono nella regione 7–8 ppm. Questi picchi presentano una scissione tipica dei protoni aromatici.
I protoni direttamente legati all'ossigeno alcolico dei fenoli si trovano in concentrazioni comprese tra 3 e 8 ppm. Questi picchi tendono ad apparire come singoletti corti e larghi, come accade in altri alcoli.
Determinazione della posizione del picco –OH nel ¹H NMR
La posizione dell’assorbimento –OH in NMR può essere determinata aggiungendo qualche goccia di ossido di deuterio (D₂O) al tubo campione.
Dopo l’aggiunta, il protone –OH viene rapidamente scambiato con un deuterio. Poiché i deuterî non producono segnali nello spettro NMR standard, il picco originale –OH scompare. Questa tecnica viene detta “scuotimento con D₂O” (D₂O shake), per via della miscelazione necessaria dopo l'aggiunta di D₂O alla provetta del campione NMR.
Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare 13C(¹³C NMR)
Lo ione molecolare degli alcoli è debole o assente. Si verifica comunemente una scissione α (taglio del legame C–C vicino all’ossigeno). Può verificarsi anche una perdita di H₂O, come negli spettri sottostanti.
Esempio: 3-pentanolo (C₅H₁₂O) con massa molare 88,15
Mostra tre frammenti ionici significativi:
– Perdita di un radicale etile → picco m/z = 59 (base peak)
Il fenolo (C₆H₆O) con massa molare 94,11 mostra un forte picco dello ione molecolare. La presenza di un anello aromatico e un gruppo –OH produce un pattern di frammentazione unico. In particolare:
Dall'analisi di spettroscopia di massa è stato determinato che un composto ha la formula generale C₅₂H₂O . Dato il seguente spettro NMR 1H , disegnarne la struttura. I valori di integrazione di ciascun gruppo di segnali sono riportati sullo spettro.
Come cambierebbe lo spettro NMR visto nell’Esercizio 1 con l’aggiunta di D₂O?
Dall'analisi di spettroscopia di massa è stato determinato che un composto ha la formula generale C₃H₈O . Dato il seguente spettro NMR 1H , disegnane la struttura. I valori di integrazione di ciascun gruppo di segnali sono riportati sullo spettro.
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