Utente:Conte2007/Sandbox

Esercizi di epossidazione

1. Prevedere il prodotto della reazione del cis-2-esene con MCPBA (acido meta-cloroperossibenzoico)

a) in solvente acetone.

b) in un mezzo acquoso con acido o basecatalizzatorepresente.

Reazione organica

2. Prevedere il prodotto della reazione del trans-2-pentene con il monoperossiftalato di magnesio (MMPP) in un solvente cloroformio.

Reazione organica

3. Prevedere il prodotto della reazione del trans-3-esene con MCPBA nel solvente etere.

Reazione organica

4. Prevedere la reazione del propene con MCPBA. a) in solvente acetone

Reazione organica

b) dopo elaborazione in soluzione acquosa.

Reazione organica

5. Prevedere la reazione del cis-2-butene nel solvente cloroformio.

Reazione organica

Anti-diidrossilazione

Gli epossidi possono essere scissi da acido acquoso per dare glicoli che sono spesso diastereoisomeri rispetto a quelli preparati con la reazione di sin-idrossilazione descritta sopra. Il trasferimento protonico dal catalizzatore acido genera l'acido coniugato dell'epossido, che viene attaccato da nucleofili come l'acqua allo stesso modo in cui subisce la reazione lo ione bromonio ciclico descritto sopra. Il risultato è l'anti-idrossilazione del doppio legame, in contrasto con la sin-stereoselettività del metodo precedente. Nella seguente equazione questa procedura è illustrata per un epossido cis-disostituito, che, naturalmente, potrebbe essere preparato dal corrispondente cis-alchene. Questa idratazione di un epossido non modifica lo stato di ossidazione di alcun atomo o gruppo. (IMM)

Sin Diidrossilazione

Il tetrossido di osmio ossida gli alcheni per formare glicoli tramite addizione sin. Un glicole, noto anche come diolo vicinale, è un composto con due gruppi -OH su atomi di carbonio adiacenti. (IMM)

Introduzione

La reazione con OsO₄ è un processo coordinato che ha un andamento ciclico intermedio e senza riarrangiamenti. La diidrossilazione vicinale sin completa la sequenza di epossido-idrolisi che costituisce una diidrossilazione di un alchene. Quando un alchene reagisce con il tetrossido di osmio, si possono formare stereocentri nel prodotto glicole. Gli alcheni cis danno

(IMM)

OsO₄ si forma lentamente quando la polvere di osmio reagisce con i gas a temperatura ambiente. La reazione del solido sfuso richiede il riscaldamento a 400 °C:

Os(s) + 2O₂(g) → OS₄

Poiché il tetrossido di osmio è costoso e altamente tossico, la reazione con gli alcheni è stata modificata. Quantità catalitiche di OsO₄ e quantità stechiometriche di un agente ossidante come il perossido di idrogeno vengono ora utilizzate per eliminare alcuni rischi. Inoltre, un reagente più vecchio che veniva utilizzato al posto di OsO₄ era permanganato di potassio, KMNO₄. Sebbene i sin dioli risultino dalla reazione di KMNO₄ e un alchene, il permanganato di potassio è meno utile poiché fornisce scarse rese del prodotto a causa del [seguente meccanismo].

Meccanismo

• Attacco elettrofilo sull'alchene
  • il legame Pi dell'alchene agisce come il nucleofilo e reagisce con il tetrossido di osmio (VIII) (OsO₄)
  • 2 elettroni dal doppio legame scorrono verso il metallo osmio
    • Nel processo, 3 coppie di elettroni si muovono simultaneamente
  • Viene prodotto estere ciclico con Os (VI)
• Riduzione
  • H 2 S riduce l'estere ciclico
    • È possibile utilizzare NaHSO₄ con H₂O
  • Forma il sin-1,2-diolo (glicole)

Esempio: Diidrossilazione dell'1-etil-1-cicloeptene

Idrossilazione degli alcheni

I prodotti diidrossilati (glicoli) si ottengono per reazione con permanganato di potassio acquoso (pH > 8) o tetrossido di osmio in soluzione di piridina. Entrambe le reazioni sembrano procedere con lo stesso meccanismo (mostrato sotto); il metallociclico intermedio può essere isolato nella reazione dell'osmio. In soluzione basica l'anione permanganato viola viene ridotto allo ione manganato verde, fornendo un bel test di colore per il gruppo doppio legame funzionale. Dal meccanismo mostrato qui ci aspetteremmo sin-stereoselettività nel legame con l'ossigeno, e la regioselettività non è un problema.

(IMM)

Se vista nel contesto delle reazioni di addizione precedentemente discusse, la reazione di idrossilazione potrebbe sembrare poco plausibile. Il permanganato e il tetrossido di osmio hanno configurazioni simili, in cui l'atomo di metallo occupa il centro di un gruppo tetraedrico di atomi di ossigeno carichi negativamente. Come potrebbe quindi una specie del genere interagire con gli elettroni nucleofili pi di un doppio legame? Una possibile spiegazione è che un orbitale d vuoto dell'atomo di metallo elettrofilo si estenda ben oltre gli atomi di ossigeno circostanti e avvii il trasferimento di elettroni dal doppio legame al metallo, in modo analogo a quanto osservato in precedenza per il platino. Il back-bonding degli ossigeni nucleofili all'orbitale π* che si trova in posizione di antilegame completa questa interazione. Il risultato è la formazione di un intermedio metallociclico, come mostrato sopra.

Evidenziazione chimica

I farmaci antitumorali sono stati formati utilizzando la diidrossilazione. Questo metodo è stato applicato alla sintesi enantioselettiva dell'ovalicina, una classe di prodotti derivati da funghi chiamati agenti antiangiogenesi. Questi prodotti antitumorali possono interrompere l'apporto di sangue ai tumori solidi. Un derivato dell'ovalicina, TNP-470, è chimicamente stabile, non tossico e non infiammatorio. Il TNP-470 è stato utilizzato nella ricerca per determinare la sua efficacia nel trattamento del cancro al seno, al cervello, alla cervice, al fegato e alla prostata.

(ES)

(OBB.-KEY)

8.8: Ossidazione degli alcheni - Scissione a composti carbonilici

L'ozonolisi è un metodo di scissione ossidativa di alcheni o alchini che utilizza l'ozono (O₃), un allotropo reattivo dell'ossigeno. Il processo consente di sostituire i doppi o tripli legami carbonio-carbonio con doppi legami con l'ossigeno. Questa reazione viene spesso utilizzata per identificare la struttura di alcheni sconosciuti, scomponendoli in pezzi più piccoli e più facilmente identificabili. L'ozonolisi avviene anche in modo naturale e potrebbe rompere le unità ripetute utilizzate nella gomma e in altri polimeri. Su scala industriale, l'acido azelaico e l'acido pelargonico sono prodotti dall'ozonolisi.

(IMM)

L'ozono gassoso viene prima fatto passare attraverso la soluzione di alchene desiderata in metanolo o diclorometano. Il primo prodotto intermedio è una molecola di ozonide che viene poi ulteriormente ridotta a prodotti carbonilici. Ciò comporta la rottura del doppio legame carbonio-carbonio, sostituito da un doppio legame carbonio-ossigeno.

Meccanismo di reazione

Fase 1:

(imm)

Il primo passo nel meccanismo dell'ozonolisi è l'aggiunta elettrofila iniziale dell'ozono al doppio legame carbonio-carbonio, che poi forma l'intermedio molozonide. A causa dell'instabilità della molecola di molozonide, questa prosegue la reazione e si scinde per formare un carbonile e una molecola di ossido di carbonile.

Fase 2:

(imm)

Il carbonile e l'ossido di carbonile si riorganizzano e si riformano per creare l'intermedio stabile ozonide. Poiché alcuni ozonidi sono esplosivi, vengono immediatamente fatti reagire con un processo riduttivo per convertire la molecola di ozonide nei prodotti carbonilici desiderati. Un tipico processo riduttivo è lo zinco metallico in acido acetico. A seconda dell'alchene di partenza, si possono ottenere diversi prodotti carbonilici. Ad esempio, un alchene tetrasostituito produrrebbe due prodotti chetonici, mentre un alchene trisostituito produrrebbe un prodotto chetonico e uno aldeidico.

Sebbene esistano altre opzioni per la scissione ossidativa del doppio legame, questa è la reazione più comunemente utilizzata.

(ES)

8.9: Addizione di carbeni ad alcheni - Sintesi del ciclopropano

La natura altamente tesa dei composti ciclopropanici li rende molto reattivi e interessanti bersagli sintetici. Inoltre, i ciclopropani sono presenti in numerosi composti biologici. Un metodo comune di sintesi dei ciclopropani è la reazione dei carbeni con il doppio legame negli alcheni o nei cicloalcheni. Il metilene, H2C, è il carbene più semplice e in generale i carbeni hanno la formula R2C. Altre specie che reagiscono con gli alcheni per formare ciclopropani, ma che non seguono la formula dei carbeni, sono chiamate carbenoidi.

Introduzione

Un tempo si pensava che i carbeni fossero solo intermedi a vita breve. Le reazioni di questa sezione si occupano solo di questi carbeni a vita breve, che vengono per lo più preparati in situ, in concomitanza con la reazione principale. Tuttavia, esistono i cosiddetti carbeni persistenti. Questi carbeni persistenti sono stabilizzati da una varietà di metodi che spesso includono anelli aromatici o metalli di transizione. In generale, un carbene è neutro e possiede 6 elettroni di valenza, 2 dei quali non sono di legame. Questi elettroni possono occupare lo stesso orbitale ibridato sp² per formare un carbene singoletto (con elettroni appaiati), oppure due orbitali sp² diversi per formare un carbene tripletto (con elettroni non appaiati). La chimica dei carbeni di tripletto e di singoletto è molto diversa, ma può essere semplificata con l'affermazione: i carbeni di singoletto di solito mantengono la stereochimica, mentre i carbeni di tripletto no. I carbeni discussi in questa sezione sono singoletti e quindi mantengono la stereochimica.

La reattività di un carbene singoletto è concertata e simile a quella di un'addizione elettrofila o nucleofila, mentre i carbeni tripletti reagiscono come biradicali, il che spiega perché la stereochimica non viene mantenuta. La natura altamente reattiva dei carbeni porta a reazioni molto rapide in cui la fase determinante è generalmente la formazione del carbene.

Preparazione del metilene

La preparazione del metilene inizia con il gas giallo diazometano, CH2N2. Il diazometano può essere esposto alla luce, al calore o al rame per facilitare la perdita di azoto gassoso e la formazione del più semplice carbene metilene. Il processo è guidato dalla formazione dell'azoto gassoso, che è una molecola molto stabile.

(imm)

Reazione del carbene con gli alcheni

Un carbene come il metilene reagisce con un alchene rompendo il doppio legame e ottenendo un ciclopropano. La reazione di solito lascia inalterata la stereochimica del doppio legame. Come detto in precedenza, i carboni si formano generalmente insieme alla reazione principale; quindi il materiale di partenza è il diazometano e non il metilene.

(imm)

Nel caso precedente il cis-2-butene viene convertito in cis-1,2-dimetilciclopropano. Allo stesso modo, sotto viene mantenuta la configurazione trans. Questo dimostra che le reazioni sono stereospecifiche, solo un singolo stereoisomero è ottenuto come prodotto.

(imm)

Altri tipi di carbeni e carbenoidi

Oltre al carbene generale con formula R2C, esistono numerosi altri composti che si comportano in modo simile ai carbeni nella sintesi del ciclopropano. I carbeni alogenati si formano dagli alometani. Un esempio è il dicolorcarbene, Cl2C. Il meccanismo di formazione del diclorocarbene è riportato negli appunti di studio. Questi carbeni alogenati formano ciclopropani nello stesso modo del metilene, ma con l'interessante presenza di due atomi di alogeno al posto degli atomi di idrogeno.

I carbenoidi sono sostanze che formano ciclopropani come i carboni, ma non sono tecnicamente carboni. Un esempio comune è la reazione stereospecifica di Simmon-Smith che utilizza il carbenoide - ICH₂ZnI. Lo ioduro di zinco (iodometil) si forma in situ attraverso la miscelazione di Zn-Cu con CH₂I2₂. Se questo ICH₂ZnI è in presenza di un alchene, un gruppo CH2 viene trasferito al doppio legame per creare ciclopropano. Poiché questo reagisce come un carbene, gli stessi metodi possono essere applicati per determinare il prodotto.

(ES)

(OBB.-KEY)

8.10: Addizioni radicali agli alcheni - Polimeri a crescita di catena

Un polimero è una grande molecola costruita con unità ripetute di molti monomeri (molecole più piccole). Un esempio nel mondo biologico è la cellulosa, che è un polimero composto da unità monomeriche ripetute di glucosio. Un esempio sintetico è il polietilene, che è un polimero con l'etilene come unità ripetuta del monomero. Le trasformazioni chimiche più comuni e termodinamicamente favorite degli alcheni sono le reazioni di addizione. È noto che molte di queste reazioni di addizione procedono in modo graduale attraverso intermedi reattivi e questo è il meccanismo seguito dalla maggior parte delle polimerizzazioni. Qui viene presentato un diagramma generale che illustra questo assemblaggio di macromolecole lineari, che supporta il nome di polimeri a crescita di catena. Poiché un legame pi greco nel monomero viene convertito in un legame sigma nel polimero, la reazione di polimerizzazione è solitamente esotermica di 8-20 kcal/mol. In effetti, sono stati riportati casi di polimerizzazioni esplosivamente incontrollate. (IMM con rif. *) È utile distinguere quattro procedure di polimerizzazione che si adattano a questa descrizione generale. - Polimerizzazione radicale L'iniziatore è un radicale e il sito di propagazione della reattività (*) è un radicale del carbonio.

- Polimerizzazione cationica L'iniziatore è un acido e il sito di propagazione della reattività (*) è un carbocatione.

- Polimerizzazione anionica L'iniziatore è un nucleofilo e il sito di propagazione della reattività (*) è un carbanione.

- Polimerizzazione catalitica di coordinazione L'iniziatore è un complesso di metalli di transizione e il sito di propagazione della reattività (*) è un complesso catalitico terminale.

Polimerizzazione radicale a catena

I polimeri a crescita a catena si formano con un processo di reazione a catena. La prima fase prevede che un iniziatore si aggiunga a un doppio legame carbonio-carbonio nel primo monomero, dando origine a un intermedio reattivo. Questo intermedio reattivo va poi a reagire con un secondo alchene monomero per produrre un altro intermedio reattivo. Questo processo continua a far crescere il polimero da un monomero a molti monomeri fino alla fase di terminazione, quando il radicale viene consumato.

Nota: nei meccanismi radicalici, la freccia che indica il movimento dell'elettrone ha l'aspetto di un “amo da pesca” o di una mezza freccia, anziché di una freccia intera, che indica il movimento di una coppia di elettroni.

Iniziazione: Praticamente tutti i monomeri descritti in precedenza sono soggetti a polimerizzazione radicale. Poiché la polimerizzazione radicale può essere avviata da tracce di ossigeno o altre impurità minori, i campioni puri di questi composti sono spesso “stabilizzati” da piccole quantità di inibitori radicali per evitare reazioni indesiderate. Quando si desidera la polimerizzazione radicale, questa deve essere avviata utilizzando un iniziatore radicale, come un perossido o alcuni composti azoici. Di seguito sono riportate le formule di alcuni iniziatori comuni e le equazioni che mostrano la formazione di specie radicali da questi iniziatori.

(IMM)

Propagazione: Una volta che l'iniziatore ha reagito con l'alchene per creare il radicale intermedio di carbonio, si aggiunge a un'altra molecola di alchene per produrre un altro radicale. Questo processo si ripete costruendo la catena polimerica.

Terminazione: Il processo di crescita della catena termina quando avviene una reazione che consuma il radicale. I processi più comuni sono la combinazione radicale (due catene in crescita si combinano insieme) e la disproporzione.

Un esempio di questa polimerizzazione a catena radicale è la conversione dello stirene in polistirene, mostrata nel diagramma seguente. Le prime due equazioni illustrano il processo di iniziazione, mentre le ultime due equazioni sono esempi di propagazione della catena. Ogni unità monomerica si aggiunge alla catena in crescita in modo da generare il radicale più stabile. Poiché i radicali del carbonio sono stabilizzati da molti tipi di sostituenti, è comprensibile la preferenza per la regioselettività testa-coda nella maggior parte delle polimerizzazioni di addizione. Poiché i radicali tollerano molti gruppi funzionali e solventi (compresa l'acqua), le polimerizzazioni radicaliche sono ampiamente utilizzate nell'industria chimica.

(IMM)

In linea di principio, una volta avviata, la polimerizzazione radicale potrebbe continuare incontrollata, producendo pochi polimeri a catena estremamente lunga. In pratica, si forma un numero maggiore di catene di dimensioni moderate, il che indica che devono essere in atto reazioni di terminazione della catena. I processi di terminazione più comuni sono la combinazione radicale e la sproporzione. Queste reazioni sono illustrate dalle seguenti equazioni. Le catene polimeriche in crescita sono colorate in blu e rosso, mentre l'atomo di idrogeno trasferito nella disproporzione è colorato in verde. Si noti che in entrambi i tipi di terminazione due siti radicali reattivi vengono rimossi con la conversione simultanea in prodotti stabili. Poiché la concentrazione di specie radicaliche in una reazione di polimerizzazione è piccola rispetto agli altri reagenti (ad esempio, monomeri, solventi e catene terminate), la velocità con cui avvengono queste reazioni di terminazione radicalica è molto bassa e la maggior parte delle catene in crescita raggiunge una lunghezza moderata prima della terminazione.

(IMM)

L'importanza relativa di queste terminazioni varia a seconda della natura del monomero in fase di polimerizzazione. Per l'acrilonitrile e lo stirene la combinazione è il processo principale. Tuttavia, il metacrilato di metile e l'acetato di vinile sono terminati principalmente per disproporzione.

Un'altra reazione che distoglie le polimerizzazioni radicali a catena dalla produzione di macromolecole lineari è chiamata trasferimento di catena. Come suggerisce il nome, questa reazione sposta un radicale di carbonio da una posizione all'altra mediante un trasferimento intermolecolare o intramolecolare di atomi di idrogeno (colorati in verde). Queste possibilità sono dimostrate dalle seguenti equazioni

(IMM)

Le reazioni di trasferimento di catena sono particolarmente diffuse nella polimerizzazione radicalica ad alta pressione dell'etilene, che è il metodo utilizzato per produrre LDPE (polietilene a bassa densità). Il radicale di 1º alla fine di una catena in crescita viene convertito in un radicale di 2º più stabile mediante trasferimento di atomi di idrogeno. L'ulteriore polimerizzazione nel nuovo sito radicale genera un radicale a catena laterale, che a sua volta può portare alla creazione di altre catene laterali tramite reazioni di trasferimento di catena. Di conseguenza, la morfologia dell'LDPE è una rete amorfa di macromolecole altamente ramificate.

(ES)

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8.11: Addizioni biologiche di radicali agli alcheni

Nella sezione precedente (8-10: Addizioni radicali agli alcheni: polimeri a catena), sono stati formati intermedi radicali di carbonio molto reattivi per le polimerizzazioni degli alcheni. L'elevata reattività dei radicali ne rende difficile il controllo, anche se molti chimici stanno attualmente lavorando su questo aspetto. Pertanto, esiste un limite all'utilità della polimerizzazione radicalica. Le reazioni biologiche non presentano lo stesso problema, poiché l'enzima controlla la reazione. Nel sito attivo di un enzima, un monomero alla volta entra a reagire nell'orientamento corretto con tutti i gruppi vicini necessari affinché la reazione proceda nelle vicinanze. Un esempio di polimerizzazione radicale a catena viene discusso in seguito.

Meccanismi radicalici per le reazioni dipendenti dalla flavina

I coenzimi della flavina, come i loro omologhi del nicotinammide adenina dinucleotide (NAD), possono agire come accettori e donatori di idruri. In queste reazioni redox, due elettroni vengono trasferiti insieme sotto forma di ione idruro. La flavina, tuttavia, è anche in grado di mediare passaggi chimici in cui viene trasferito un singolo elettrone spaiato - in altre parole, la chimica radicale. Ciò è dovuto alla capacità del sistema flavinico di formare un intermedio radicale stabilizzato chiamato semichinone, che si forma quando FADH₂ (o FMNH2₂) dona un singolo elettrone o quando FAD (o FMN) accetta un singolo elettrone.

(IMM)

Questa capacità di trasferimento di un singolo elettrone delle flavine è fondamentale per il loro ruolo metabolico come punto di ingresso degli elettroni nella fase di trasporto degli elettroni della respirazione. Gli elettroni “raccolti” dall'ossidazione delle molecole di combustibile vengono convogliati, uno per uno, da FMNH₂ nella catena di trasporto degli elettroni, dove finiscono per ridurre l'ossigeno molecolare. Il NADH non è in grado di trasferire un singolo elettrone - tutto ciò che può fare è trasferire due elettroni, sotto forma di idruro, all'FMN; l'FMNH₂ rigenerato è quindi in grado di continuare a inviare singoli elettroni nella catena di trasporto.

(IMM)

Maggiori dettagli su questo processo si potranno apprendere in un corso di biochimica.

Poiché le flavine sono in grado di svolgere sia la chimica a singolo elettrone sia quella a due elettroni, i meccanismi rilevanti delle reazioni catalizzate dai flavoenzimi sono spesso più difficili da determinare. Ricordiamo la reazione di deidrogenazione catalizzata dall'acil-CoA deidrogenasi (sezione 16.5C): essa comporta il trasferimento di due elettroni e due protoni (cioè una molecola di idrogeno) al FAD. Entrambi gli elettroni potrebbero essere trasferiti insieme, con il coenzima FAD che funge semplicemente da accettore di idruri (questo è il meccanismo che abbiamo considerato in precedenza). Tuttavia, poiché il coenzima ossidante utilizzato è il FAD e non il NAD+, è anche possibile che la reazione avvenga tramite un processo intermedio radicalico a singolo elettrone. Nel meccanismo radicalico alternativo proposto di seguito, ad esempio, l'intermedio enolato dona prima un singolo elettrone al FAD, formando un intermedio radicale semichinone (fase 2). Il secondo elettrone viene trasferito quando l'intermedio semichinone estrae un idrogeno dal C_b in modo omolitico (fase 3).

(IMM)

Gli scienziati non sono ancora sicuri di quale meccanismo - il meccanismo di trasferimento di idruri che abbiamo visto nella sezione 16.5B o il trasferimento di un singolo elettrone descritto sopra - descriva più accuratamente ciò che accade in questa reazione.

L'eliminazione coniugata catalizzata dalla corismato sintasi (sezione 14.3B) è un altro esempio di reazione in cui la partecipazione della flavina mette in dubbio la questione di quale sia il meccanismo rilevante. Potrebbe trattarsi semplicemente di una reazione E1' coniugata, con formazione di un intermedio carbocatione allilico. La domanda che assilla i ricercatori che studiano questo enzima, tuttavia, è perché sia necessario il FADH₂. Non si tratta di una reazione redox e, di conseguenza, il FADH₂ non viene consumato nel corso della trasformazione: è sufficiente che sia legato nel sito attivo perché la reazione proceda. Dato che le flavine partecipano generalmente alla chimica a singolo elettrone, ciò indica che potrebbero essere coinvolti intermedi radicali. Recentemente è stato proposto un meccanismo alternativo, che coinvolge un intermedio di flavina semichinone (J. Biol. Chem 2004, 279, 9451). Si noti che un singolo elettrone viene trasferito dal substrato al coenzima nella fase 2, per poi essere ritrasferito nella fase 4.

(IMM) (OBB.-KEY)