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Alcoli

Le molecole degli alcoli contengono uno o più gruppi ossidrilici (gruppi OH) che sostituiscono atomi di idrogeno lungo la catena carboniosa. La struttura dell’alcol più semplice, il metanolo (alcol metilico), può essere derivata da quella del metano sostituendo un OH al posto di uno degli H:

sintesi dell'etanolo

Un atomo di idrogeno è evidenziato nel metano e il gruppo ossidrilico è evidenziato nel metanolo.

Anche il nome deriva da quello del metano sostituendo la "e" finale con "ol" (da alcol). La formula generale di un alcol può essere scritta come R—OH, dove R rappresenta la parte idrocarburica (alcano) della molecola ed è chiamata gruppo alchilico. Nel metanolo, R è il gruppo metile CH₃.

Il metanolo è anche chiamato alcol di legna perché può essere ottenuto riscaldando il legno in assenza di aria, un processo chiamato distillazione distruttiva. Il vapore di metanolo rilasciato durante il riscaldamento del legno può essere condensato in un liquido raffreddandolo sotto il suo punto di ebollizione di 65°C. L’effetto della polarità e, in particolare, del legame a idrogeno dovuto al gruppo OH è evidente quando questo viene confrontato con la temperatura di –85°C alla quale bolle l’etano, C₂H₆. Entrambe le molecole contengono 18 elettroni e hanno dimensioni simili, quindi le forze di London dovrebbero essere approssimativamente le stesse, ma il gruppo OH in una molecola di metanolo può formare forti legami a idrogeno con l’OH di un’altra molecola. Il metanolo è un importante composto chimico industriale—quasi 3 × 10¹⁰ kg sono stati prodotti in tutto il mondo nel 2003. Alcuni sono stati ottenuti tramite distillazione distruttiva, ma la maggior parte è stata sintetizzata a partire da idrogeno e monossido di carbonio:

2H₂(g) + CO(g) ⟶ CH₃OH(l)

Questa reazione viene effettuata a pressioni centinaia di volte superiori alla pressione atmosferica normale, utilizzando ossidi metallici come catalizzatori. Il metanolo è utilizzato principalmente per produrre altri composti da cui si ricavano materie plastiche, ma una parte viene impiegata come combustibile nei motori a reazione e nelle auto da corsa. Il metanolo è anche un componente dell’antigelo non permanente e del liquido lavavetri per auto.

Il secondo membro della famiglia degli alcoli è l’etanolo (alcol etilico)—la sostanza che comunemente chiamiamo alcol. L’etanolo è anche noto come alcol di cereali perché si ottiene dalla fermentazione dei cereali o dello zucchero. La fermentazione si riferisce a una reazione chimica accelerata da enzimi e che avviene in assenza di aria. (Gli enzimi, catalizzatori naturali presenti nei lieviti e in altri organismi viventi, sono trattati più in dettaglio altrove.)

L’etanolo può anche essere sintetizzato aggiungendo H₂O all’etene, ottenuto durante la raffinazione del petrolio:

L’etene e l’acqua reagiscono con acido solforico o acido fosforico per produrre etanolo.

Questo è un tipico esempio di reazione di addizione. L’H e l’OH dell’acqua si aggiungono alla molecola di etene e vi restano legati grazie agli elettroni resi disponibili dalla rottura di metà del doppio legame.

L’etanolo è usato come solvente, in alcuni carburanti speciali, come antigelo e per la produzione di numerosi altri composti chimici. Probabilmente lo conosci di più come componente delle bevande alcoliche. L’etanolo costituisce dal 3 al 6 percento della birra, dal 12 al 15 percento della maggior parte dei vini e dal 49 al 59 percento dei liquori distillati. (Il “grado alcolico” di una bevanda è semplicemente il doppio della percentuale di etanolo.) Gli effetti inebrianti dell’alcol sono ben noti, ed è un leggero depressivo. Un uso prolungato può causare danni al fegato. Anche il metanolo produce intossicazione ma è molto più tossico dell’etanolo—può causare cecità e morte. L’alcol denaturato è etanolo a cui è stato aggiunto metanolo o un altro veleno, rendendolo inadatto al consumo umano. La maggior parte dell’etanolo non utilizzato nelle bevande alcoliche viene denaturato, poiché in questa forma la sua vendita è tassata a un’aliquota molto più bassa.

Fenoli

I composti in cui un gruppo ossidrilico è legato a un anello aromatico sono chiamati fenoli. Il comportamento chimico dei fenoli è in alcuni aspetti diverso da quello degli alcoli, quindi ha senso considerarli come un gruppo simile ma distintamente caratteristico. Una differenza corrispondente nella reattività è stata osservata confrontando gli alogenuri arilici, come il bromobenzene, con gli alogenuri alchilici, come il bromuro di butile e il cloruro di terz-butile. Così, le reazioni di sostituzione nucleofila e di eliminazione erano comuni per gli alogenuri alchilici, ma rare con gli alogenuri arilici. Questa distinzione si mantiene anche nel confronto tra alcoli e fenoli, quindi, per tutti gli scopi pratici, la sostituzione e/o l’eliminazione del gruppo ossidrilico fenolico non avviene.

Classificazione degli alcoli

Gli alcoli possono essere classificati come primari (1°), secondari (2°) o terziari (3°) a seconda del numero di gruppi alchilici legati al carbonio che porta il gruppo ossidrilico (-OH).

Classificazione dei fenoli

Alcoli primari

In un alcol primario (1°), il carbonio che porta il gruppo -OH è legato a un solo gruppo alchilico. Alcuni esempi di alcoli primari includono:

Etanolo (CH₃CH₂OH)
Propan-1-olo (CH₃CH₂CH₂OH)
2-metilpropan-1-olo ((CH₃)₂CHCH₂OH)

Non importa quanto sia complesso il gruppo alchilico legato: ciò che conta è che il gruppo -CH₂- connesso al gruppo -OH sia legato a un solo altro gruppo alchilico. Esiste un'eccezione: il metanolo (CH₃OH) è considerato un alcol primario, anche se non vi è alcun gruppo alchilico legato al carbonio con il gruppo -OH.

primary alcohols

Alcoli secondari

In un alcol secondario (2°), il carbonio che porta il gruppo -OH è legato direttamente a due gruppi alchilici, che possono essere uguali o diversi. Esempi comuni includono:

Propan-2-olo (CH₃CHOHCH₃)
Butan-2-olo (CH₃CH(OH)CH₂CH₃)
Pentan-3-olo (CH₃CH₂CH(OH)CH₂CH₃)

secondary alcohols

Alcoli terziari

Negli alcoli terziari (3°), il carbonio che porta il gruppo -OH è legato direttamente a tre gruppi alchilici, in qualunque combinazione. Alcuni esempi includono:

2-metilpropan-2-olo ((CH₃)₃COH)
2-metilbutan-2-olo (CH₃CH(CH₃)C(CH₃)OH)

Nomenclatura degli alcoli

La nomenclatura IUPAC degli alcoli si basa sul nome dell’alcano di riferimento, cioè la catena principale più lunga che contiene il gruppo ossidrilico (-OH).

Identificazione della catena principale: si seleziona la catena di atomi di carbonio più lunga che include il gruppo -OH.
Modifica del suffisso: si rimuove la desinenza -e del nome dell’alcano e si aggiunge il suffisso -olo.
Numerazione della catena: si assegna alla catena principale una numerazione tale che il gruppo -OH riceva il numero più basso possibile. Secondo le regole IUPAC più recenti, il numero che indica la posizione del gruppo -OH si colloca immediatamente prima del suffisso -olo (es. butan-2-olo). Le regole precedenti lo ponevano prima del nome dell’alcano.
Nomenclatura degli alcoli
Sostituenti: si numerano i sostituenti sulla catena principale e si elencano in ordine alfabetico, preceduti dalla loro posizione numerica.
Strutture cicliche nel caso di strutture cicliche, si assume che il gruppo -OH sia legato al carbonio numero 1, e la numerazione continua nella direzione che assegna i numeri più bassi ai sostituenti.

Alcoli con più gruppi -OH

Se sono presenti più gruppi ossidrilici, si utilizzano i prefissi di-, tri-, ecc. posti prima del suffisso -olo. In questi casi, il nome dell’alcano non perde la -e finale. Ad esempio: 2,3-esanediolo.

Molecole con doppi legami (alcheni) e gruppi -OH

Quando una molecola contiene sia un doppio legame (alchene) che un gruppo ossidrilico, la nomenclatura segue la forma:

(posizione del doppio legame)-(nome della catena con suffisso -en)-(posizione del gruppo OH)-olo

Esempio: but-2-en-1-olo

Nomi comuni degli alcoli

Il sistema di nomenclatura comune è spesso utilizzato per alcoli a catena corta. In questo sistema, si considera il gruppo -OH legato a un singolo sostituente, seguito dalla parola “alcol”.

Esempi:

Metil alcol (CH₃OH)
Etil alcol (CH₃CH₂OH)

Alcuni alcoli semplici hanno nomi tradizionali riconosciuti internazionalmente, come:

Glicole etilenico (1,2-etandiolo)
Glicerolo (propan-1,2,3-triolo)

Nomenclatura dei fenoli

I fenoli vengono denominati seguendo le regole dei composti aromatici. Tuttavia, a differenza degli alcoli alifatici, si utilizza il suffisso -fenolo al posto di -benzene, indicando che il gruppo -OH è legato direttamente a un anello benzenico.

Punti di ebollizione degli alcoli

L'atomo di ossigeno presente negli alcoli e nei fenoli è ibridato sp³, conferendo a queste molecole una geometria approssimativamente tetraedrica, simile a quella dell’acqua. L'angolo di legame nell'alcol metilico (metanolo) è di circa 108,5°, leggermente inferiore all'angolo tetraedrico ideale (109,5°), principalmente a causa della presenza delle coppie solitarie di elettroni sull'ossigeno.

Polarità e momento dipolare

La presenza di un atomo di ossigeno fortemente elettronegativo conferisce agli alcoli un carattere polare marcato. Una parte significativa della densità elettronica viene attratta verso l’ossigeno, generando un momento dipolare relativamente elevato (circa 1,7 D nel caso del metanolo).

Legame a idrogeno negli alcoli

Gli alcoli contengono un legame covalente fortemente polare O-H. Gli elettroni sono attratti verso l’ossigeno, conferendogli una carica parziale negativa (δ⁻), mentre l’idrogeno risulta parzialmente positivo (δ⁺). Questo legame polare dà origine a un'interazione intermolecolare in cui l’idrogeno parzialmente positivo di una molecola è attratto dalle coppie solitarie sull’ossigeno di un’altra molecola. Tale interazione è nota come legame a idrogeno.

Sebbene i legami a idrogeno siano più deboli rispetto ai legami chimici covalenti (circa 5–10 kcal/mol), essi sono abbastanza forti da influenzare significativamente le proprietà fisiche degli alcoli. In particolare, per far evaporare un alcol è necessario rompere questi legami a idrogeno, rendendo gli alcoli:

Meno volatili
Con punti di ebollizione più alti
Più solubili in acqua rispetto a molecole con peso molecolare simile.

Esempio comparativo

Un confronto tra alcune molecole evidenzia questo effetto:

Composto	Massa molecolare (g/mol)	Punto di ebollizione (°C)
1-propanolo	60,1	94,7
Cloroetano	64,5	12,3
Butano	58,1	-1,0

Nonostante abbiano masse molecolari simili, l’1-propanolo ha un punto di ebollizione molto più elevato, a causa dei legami a idrogeno che non sono presenti nei composti alogenati (come il cloroetano) o negli alcani (come il butano).

Andamento dei punti di ebollizione

I dati mostrano anche che, tra gli alcoli, i punti di ebollizione aumentano all’aumentare del numero di atomi di carbonio. Questo è dovuto alla crescente superficie di contatto molecolare e, quindi, a forze di dispersione di van der Waals più intense, che si sommano all’effetto dei legami a idrogeno.

Rappresentazione del legame a idrogeno negli alcoli

Il legame a idrogeno negli alcoli è un'interazione intermolecolare in cui l'atomo di idrogeno, parzialmente positivo (δ⁺), legato all'ossigeno, viene attratto dalle coppie solitarie di un atomo di ossigeno di una molecola adiacente. Questa interazione è responsabile dell'elevato punto di ebollizione degli alcoli rispetto ad altri composti organici con peso molecolare simile.

La tabella seguente mostra che gli alcoli (evidenziati in azzurro) hanno punti di ebollizione significativamente più alti rispetto ad aloalchani e alcani con massa molecolare analoga. Inoltre, evidenzia che il punto di ebollizione degli alcoli aumenta con il numero di atomi di carbonio, a causa dell’incremento delle forze di dispersione.

Tabella 17.2.1 – Proprietà fisiche di alcuni alcoli, aloalchani e alcani

Composto	Nome IUPAC	Massa molare (g/mol)	Punto di fusione (°C)	Punto di ebollizione (°C)
CH₃OH	Metanolo	32,0	-97,8	65,0
CH₃Cl	Clorometano	50,5	-97,7	-24,2
CH₃CH₂OH	Etanolo	46,1	-114,7	78,5
CH₃CH₂CH₂CH₃	Butano	58,1	-140,0	-1,0
CH₃CH₂CH₂OH	1-Propanolo	60,1	-126,5	97,4
CH₃CH₂Cl	Cloroetano	64,5	-136,4	12,3
CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃	Pentano	72,2	-130,0	36,3
CH₃CH₂CH₂CH₂OH	1-Butanolo	74,1	-89,5	117,3
CH₃(CH₂)₄OH	1-Pentanolo	88,1	—	—

Nota: I dati mancanti nella riga del 1-pentanolo possono essere completati da fonti supplementari; tuttavia, è noto che il suo punto di ebollizione è superiore a quello del 1-butanolo, coerentemente con l’andamento della serie omologa.

Solubilità degli alcoli in acqua

Gli alcoli possono formare legami a idrogeno con l'acqua, il che li rende generalmente miscibili con essa. Gli alcoli a corta catena (come metanolo, etanolo, 1-propanolo) sono completamente solubili in acqua in tutte le proporzioni. Tuttavia, la solubilità diminuisce con l’aumentare della lunghezza della catena carboniosa, poiché la porzione idrofobica (non polare) aumenta. A partire da quattro atomi di carbonio, la solubilità si riduce sensibilmente e possono formarsi due fasi distinte in soluzione.

Proprietà basiche degli alcoli

Gli alcoli sono basi deboli, simili all'acqua. Possono accettare protoni da acidi forti formando uno ione ossonio (ROH₂⁺). Ad esempio, il metanolo reagisce con l’acido bromidrico (HBr) per formare il metilossonio bromuro, analogamente alla formazione dello ione idrossonio in acqua.

Proprietà acide degli alcoli

Gli alcoli sono anfoteri, comportandosi sia come acidi che come basi deboli. In soluzione acquosa, possono donare un protone (H⁺) all’acqua per formare un ione alcoxido (RO⁻) e ione idronio (H₃O⁺). Tuttavia, sono meno acidi dell’acqua, con costanti di dissociazione acida (Ka) dell’ordine di 10⁻¹⁸.

Gli ioni alcoxidi possono essere formati anche per reazione con basi forti (NaNH₂, NaH) o con metalli alcalini (Na, K), con i quali gli alcoli reagiscono vigorosamente ma in modo controllato.

Acidic Properties of Alcohols

Nomenclatura degli alcoli

Nome sistematico: suffisso -ato (es. etanolo → etanolato).
Nome comune: catione + nome del gruppo + ossido (es. etossido di sodio).

Forza acida degli alcoli

L'acidità si esprime in termini di Ka o pKa:

Ka=[HA][A−][H3O+],pKa=−logKa

Un pKa maggiore indica un acido più debole. In generale:

Acidità: acqua > alcol primario > secondario > terziario.
Questo andamento è dovuto alla solvatazione degli ioni alcoxidi: le basi con gruppi più voluminosi sono meno solvabili, quindi meno stabilizzate.

Tabella 17.2.2 – pKa di alcuni alcoli

Gruppo R	Nome	pKa
H	Acqua	14.0
CH₃	Metanolo	15.5
CH₃CH₂	Etanolo	15.9
(CH₃)₂CH	Propan-2-olo (isopropanolo)	16.5
(CH₃)₃C	2-Metilpropan-2-olo (terz-butanolo)	17
C₆H₅ (fenile)	Fenolo	9.95

Effetti induttivi e risonanza sull'acidità

Effetto degli alogeni (effetto induttivo)

Gruppi elettronegativi, come i fluori, aumentano l’acidità stabilizzando la base coniugata (alcoxido) tramite effetto induttivo. Ad esempio, il nonafluoro-terz-butanolo ha un pKa di 5,4, molto più acido del terz-butanolo (pKa = 17).

Acidità del fenolo

Il fenolo è molto più acido rispetto agli alcoli alifatici. Può essere deprotonato da basi deboli come NaOH per formare lo ione fenossido, che è stabilizzato per risonanza attraverso il sistema aromatico. La carica negativa sull’ossigeno si delocalizza su tre atomi di carbonio dell’anello benzenico.

Questo rende il fenolo circa un milione di volte più acido del cicloesanolo, che non presenta tale delocalizzazione.

Fenoli sostituiti e acidità

L’acidità dei fenoli aumenta ulteriormente con gruppi elettron-attrattori sull’anello (es. nitro, carbonile). Ad esempio, la picrica (2,4,6-trinitrofenolo) è un acido molto forte. Al contrario, gruppi donatori di elettroni (es. -OCH₃) diminuiscono l’acidità destabilizzando lo ione fenossido.

Effetto posizione

L’effetto elettron-attrattore di un gruppo nitro in para è molto più forte rispetto a meta, poiché solo la posizione para (e orto) consente la risonanza con la carica negativa dell’ossigeno.

Introduzione

Gli alcoli sono considerati uno dei gruppi funzionali più importanti della chimica organica. Possono essere ottenuti a partire da composti contenenti una vasta gamma di gruppi funzionali, e a loro volta possono essere convertiti in numerosi altri composti, come alcheni, chetoni, acidi carbossilici e altri ancora. Molte trasformazioni di gruppi funzionali passano per la formazione di un alcol, rendendoli centrali nella sintesi organica. Ad esempio: alchene → alcol → chetone.

Numerosi metodi per la sintesi degli alcoli sono stati trattati nei capitoli precedenti e saranno qui rivisti.

Sintesi di Alcoli tramite Reazioni di Sostituzione

Gli alogenuri alchilici metilici e primari possono essere convertiti in alcoli tramite reazione SN2 con ioni idrossido (OH⁻) come nucleofilo. Gli alogenuri secondari e terziari, invece, reagiscono tramite meccanismo SN1 utilizzando acqua sia come nucleofilo sia, spesso, come solvente. Le reazioni SN1 sono favorite in solventi polari e protici.

Sintesi di Alcoli da Alcheni

Ossidazione con Ossiduri di Mercurio (Ossimercuriazione - Demercuriazione)

La ossimercuriazione-demercuriazione è una reazione di addizione elettrofila regioselettiva e anti-stereospecifica. Inizia con l’addizione del mercurio all’alchene per formare un intermedio a ponte (ione mercurinio), seguito da un attacco nucleofilo da parte dell’acqua sul carbonio più sostituito. Dopo trasferimento protonico, si forma un gruppo -OH. L’intermedio organomercurico viene quindi ridotto con boroidruro di sodio (NaBH₄). Il prodotto segue la regola di Markovnikov: l’OH si lega al carbonio più sostituito e l’idrogeno a quello meno sostituito. H e OH risultano disposti in modo anti.

Idroborazione-Ossidazione

Questo metodo procede in due fasi ed è stereospecifico (addizione sin) e regioselettivo. Il boro si lega al carbonio meno sostituito dell’alchene, mentre l’idrogeno al più sostituito (regiochimica anti-Markovnikov). L’intermedio organoborano è poi ossidato con perossido di idrogeno (H₂O₂) in presenza di idrossido di sodio (NaOH), formando l’alcol. L’addizione sin porta i gruppi H e OH sullo stesso lato del doppio legame, risultando in un prodotto cis. Poiché BH₃ può attaccare entrambe le facce dell’alchene, il prodotto può essere un miscuglio racemico.

Sintesi di Dioli da Alcheni

Idrolisi Acida di Epossidi

Gli epossidi possono essere aperti in ambiente acido per formare dioli 1,2 anti (glicoli). Dopo protonazione dell’epossido, un nucleofilo (acqua) lo attacca in un meccanismo SN2, portando a un’addizione anti. Il nucleofilo tende ad attaccare il carbonio più sostituito, conferendo regioselettività.

Diidrossilazione Sin con Osmio Tetroxide

L’osmio tetroxide (OsO₄) ossida gli alcheni formando dioli sin tramite un processo concertato che coinvolge la formazione di un intermedio ciclico. Questo intermedio viene poi ridotto a diolo con H₂S o NaHSO₃ in presenza di acqua. La reazione non è regioselettiva, quindi può produrre una miscela racemica. In generale:

Alcheni cis → prodotto meso
Alcheni trans → miscela racemica

Riduzione di Aldeidi e Chetoni

Come il carbonio, anche l’idrogeno può comportarsi come nucleofilo se è legato a un metallo in modo tale che il bilanciamento della densità di carica elettronica favorisca il lato dell’idrogeno. Un atomo di idrogeno che porta una carica netta negativa e una coppia di elettroni non condivisi è chiamato ione idruro (-:H). La quantità di densità di carica negativa che risiede sull’idrogeno dipende dalla differenza di elettronegatività tra l’idrogeno e il metallo a cui è legato.

Le fonti più comuni di nucleofili idruro sono l'idruro di litio e alluminio (LiAlH₄) e il boridrato di sodio (NaBH₄). Nota: l'anione idruro non è presente durante la reazione; questi reagenti servono come fonti di idruro grazie alla presenza di un legame polare metallo-idrogeno. Poiché l’alluminio è meno elettronegativo del boro, il legame Al-H in LiAlH₄ è più polare, rendendo LiAlH₄ un agente riducente più forte.

Reazioni di Riduzione

L'aggiunta di un anione idruro (H:-) a un'aldeide o un chetone genera un anione alcossido, che, dopo protonazione, produce l'alcol corrispondente. Le aldeidi producono alcoli primari, mentre i chetoni formano alcoli secondari. Queste reazioni saranno trattate più dettagliatamente nel Capitolo 19.

Reazione generale:

Aldeide → Alcol primario
Chetone → Alcol secondario

Prevedere il Prodotto di una Riduzione con Idruro

Durante la riduzione, il doppio legame C=O nel reagente si rompe, formando 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 legato all’ossigeno e l'altro al carbonio che originariamente faceva parte del carbonile. Entrambi questi legami singoli saranno legati a un "H" nel prodotto finale.

Meccanismo di Riduzione

Sia NaBH₄ che LiAlH₄ agiscono come fonti di anioni idruro nucleofili. L'anione idruro subisce un attacco nucleofilo al carbonio carbonilico, formando un legame singolo C-H e creando un intermedio tetraedrico di alcossido. L'alcossido viene successivamente convertito in alcol tramite una reazione con una fonte di protoni. Nella riduzione con LiAlH₄, i sali di alcossido risultanti sono insolubili e devono essere idrolizzati (con cautela) prima che il prodotto alcolico possa essere isolato. Nella riduzione con NaBH₄, il sistema solvente idrossilico ottiene automaticamente questa idrolisi. Il litio, il sodio, il boro e l'alluminio alla fine si trovano come sali inorganici solubili.

Nota: La reazione e il meccanismo corrispondente delle riduzioni con idruro dei carbonili sono abbastanza complessi. Il seguente meccanismo è stato semplificato per facilitarne la comprensione.

Passaggi del Meccanismo:

Attacco nucleofilo per formare un intermedio tetraedrico di alcossido:

Protonazione per formare un alcol:

Nei processi di riduzione con idruro metallico, i sali di alcossido risultanti sono insolubili e devono essere idrolizzati (con cautela) prima che il prodotto alcolico possa essere isolato. Nella riduzione con sodio boridrato (NaBH₄), il sistema solvente metanolo ottiene automaticamente questa idrolisi. Nella riduzione con litio alluminio idruro (LiAlH₄), solitamente viene aggiunta acqua in un secondo passaggio. Alla fine della reazione, litio, sodio, boro e alluminio si trovano come sali inorganici solubili.

Nota: Sia LiAlH₄ che NaBH₄ sono in grado di ridurre aldeidi e chetoni agli alcoli corrispondenti.

Formazione dei Reagenti di Grignard

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.

Reazione dei Reagenti di Grignard con i Carbonili

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.

Reazione Generale

Organometallic carbonyl general reaction

Aggiunta alla Formaldeide per Dare Alcoli Primari

Aggiunta alle Aldeidi per Dare Alcoli Secondari

Aggiunta ai Chetoni per Dare Alcoli Terziari

Prevedere il Prodotto dell'Aggiunta di un Reagente di Grignard al Carbonile

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.

Passaggio 1: Formazione del Complesso Acido-Base

Passaggio 2: 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.

Passaggio 3: Protonazione

L'intermedio alcossido viene convertito in un alcol tramite aggiunta di una soluzione acida acquosa. Il +MgX si converte anche in HOMgX.

I Reagenti di Grignard Convertono gli Esteri in Alcoli Terziari

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.

Reazione Generale

I Reagenti di Grignard Convertono gli Epossidi in Alcoli Primari

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.

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.

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Limitazioni dei Reagenti Organometallici

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.

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.