ALCOL-ETERI-EPOSSIDI

• L’atomo di ossigeno in alcoli, eteri ed epossidi è ibridato sp3.

• Alcoli ed eteri hanno una forma ripiegata come quella di H2O.L’angolo di legame intorno all’atomo di O in un alcol o in un etere è simile all’angolo di legame tetraedrico di 109.5°.

• Poiché l’O è molto più elettronegativo del carbonio e dell’idrogeno, i legami C—O e O—H sono polari.

​ALCOLI

Gli alcoli sono una classe di composti chimici caratterizzati dalla presenza di un gruppo funzionale ossidrile (-OH) legato ad un carbonio alifatico o aromatico. Gli alcoli possono essere presenti in diverse sostanze naturali o sintetiche.

• L'etanolo (o alcol etilico) è uno degli alcoli più comuni ed è presente in bevande alcoliche come vino, birra, liquori, nonché in alcuni prodotti farmaceutici e cosmetici.

• Il 2-feniletanolo è un altro alcol presente in natura, che dà il caratteristico profumo alle rose e ad altre piante.

• Il colesterolo e il saccarosio, invece, non sono alcoli, ma composti chimici differenti, però nella loro struttura per esempio sono presenti gruppi ossidrilici (Il colesterolo è uno steroide presente negli organismi animali, mentre il saccarosio è un disaccaride composto da glucosio e fruttosio che si trova in molti alimenti dolci come lo zucchero).

NOTA: Secondo l'organizzazione mondiale della sanità l'assunzione di alcolici può comportare seri rischi per la salute, come la dipendenza, la compromissione delle funzioni cognitive e il danno agli organi interni, tra cui il fegato e il cuore. E' consigliabile bere alcolici con moderazione e non superare i limiti di sicurezza raccomandati dalle autorità sanitarie. Inoltre, è importante mangiare cibi sani e bilanciati durante la giornata, bere acqua tra un bicchiere di alcol e l'altro, e non guidare dopo aver bevuto.

NOMENCLATURA:

La catena o l’anello vengono numerati a partire dal gruppo OH.

Poiché il gruppo funzionale è sempre al C1, il numero 1 è di solito omesso dal nome. L’anello è quindi numerato in senso orario o antiorario, in modo da dare al sostituente successivo il numero più basso.

Per alcoli semplici si usano spesso dei nomi comuni. Per assegnare un nome comune: 

• Nominare tutti gli atomi di carbonio di una molecola come un singolo gruppo alchilico.

• Aggiungere il termine alcol, separando le due parole con uno spazio.

I composti con due gruppi ossidrilici sono chiamati dioli o glicoli ​(Quasi mai attaccati allo stesso atomo di carbonio). I composti con tre gruppi ossidrilici sono chiamati trioli....

Con C sp2 ENOLI e FENOLI: I composti che hanno un gruppo ossidrilico legato a un atomo di carbonio ibridato sp2 - enoli e fenoli – reagiscono in maniera diversa dagli alcoli.

​ETERI

Gli eteri sono una classe di composti organici caratterizzati dalla presenza di un atomo di ossigeno legato a due gruppi alchilici o arilici. Questi composti possono essere simmetrici o asimmetrici e sono utilizzati in diversi campi.

• Uno dei principali utilizzi degli eteri è come solventi, grazie alla loro capacità di dissolvere molecole organiche e inorganiche. Inoltre, gli eteri sono utilizzati come fluidi di innesco nei motori a combustione interna e come additivi per benzine per migliorare la combustione.

• L'etere ciclico THC (delta-9-tetraidrocannabinolo) è il principio attivo della marijuana ed è responsabile degli effetti psicoattivi associati all'uso di questa sostanza.

• Gli eteri sono anche importanti nella sintesi organica, in particolare nella preparazione del reattivo di Grignard R-MgX, utilizzato per la sintesi di composti organici complessi.

NOMENCLATURA:

Agli eteri semplici vengono generalmente assegnati nomi comuni:

• Nominare entrambi i gruppi alchilici legati all’ossigeno, metterli in ordine alfabetico, e aggiungere la parola etere.

• Per gli eteri simmetrici, nominare il gruppo alchilico ed aggiungere il prefisso “di-”.

​EPOSSIDI o OSSIRANI

Ciclo a tre con l'ossigeno, si dividono dagli eteri perché sono molto reattivi. Sono alla base delle resine epossidiche, plastiche. In generale, gli epossidi a basso peso molecolare sono gas o liquidi volatili molto infiammabili, incolori e poco polari, solubili anche in acqua (con la quale però lentamente reagiscono), oltre che nei comuni solventi organici eterei, idrocarburici o alogenati.

L’angolo di legame C—O—C di un epossido deve essere di 60°, che risulta una considerevole deviazione dall’angolo di legame tetraedrico di 109.5°. Per questo motivo l’anello degli epossidi è sottoposto a tensione angolare, che li rende molto più reattivi degli altri eteri.

Elevata produzione, circa 15 milioni di tonnellate,  usato come fumigante nei depositi di grano o per ottenere glicole etilenico, che è un anticongelante e una base per i polimeri plastici.

​ETERI CICLICI

L'ossolano o il tetraidrofurano (THF) viene usato spesso come solvente, soprattutto per Grignard.

Eteri corona: Formano complessi stabili con gli ioni alcalini o alcalino-terrosi (Na+, K+) e anche con molecole organiche, non ioniche; questi componenti si dispongono nella cavità, all'interno dell'anello, e si coordinano con gli atomi di ossigeno --> ANTIBIOTICI

Esempio: l'antibiotico nonactina complessa selettivamente il K+ consentendo un trasporto selettivo attraverso le membrane cellulari

​REATTIVITA' ALCOLI ED ETERI

• Alcoli, eteri ed epossidi mostrano interazioni dipolo-dipolo perché possiedono una struttura ripiegata con due legami polari. 

• Gli alcoli sono anche capaci di formare legami a idrogeno intermolecolari (aumenta T ebollizione e fusione), risultando perciò molto più polari degli eteri e degli epossidi.

• I fattori sterici influenzano l’intensità del legame a idrogeno. Diminuisce con l'aumentare delle dimensioni.

Il carbonio avrà una parziale carica positiva e quindi sarà un elettrofilo. Anche l'H è positivo e quindi elettrofilo, acido. L'ossigeno essendo parzialmente negativo avrà una reattività nucleofila e quindi base.

Gli alcoli sono circa poco meno acidi dell'acqua nella reazione: R-OH-->RO- + H+

Queste differenze di acidità sono dovute essenzialmente al diverso ingombro sterico che rende più difficile la solvatazione in H2O della carica negativa dell’alcossido quando i gruppi alchilici sono più ingombranti

Gli alcolati, analoghi all'OH- dell'acqua, tenderanno ad essere nucleofili forti e basi forti.

Gli alcoli sono elettrofili molto deboli con il C. Se l'ossigeno è protonato l'alcool diventa un elettrofilo forte al carbonio e nella reazione si forma l'acqua che è molto stabile e quindi un buon gruppo uscente.

In ordine vedremo:

1. Sintesi alcoli ed alcossidi

2. Sintesi eteri

3. Sintesi alogenuri alchilici

4. Sintesi esteri

5. Disidratazione

6. Ossidazione

1) SINTESI ​ALCOLI

Prodotti con sostituzione nucleofila. ​Gli alcoli e i fenoli vengono trasformati in alcossidi per trattamento con basi forti

1') SINTESI ALCOSSIDI

Gli alcossidi possono essere preparati dagli alcoli, mediante una reazione acido-base di Bronsted-Lowry. Per esempio, l’etossido di sodio (NaOCH2CH3) viene preparato per trattamento dell’etanolo con NaH. NaH è una base buona per preparare un alcossido perché il prodotto secondario della reazione, H2, è un gas che evolve dalla miscela di reazione. Se usassimo un OH- avremmo un equilibrio e anche due reazioni in competizione (CH3CH2O- e OH- hanno la stessa reattività). 

Oppure con potassio K metallico, reagiscono due equivalenti e si ottiene sempre l'alcossido e H2.

​2) SINTESI DI WILLIAMSON DEGLI ETERI

Reazione di laboratorio. Gli eteri possono essere sintetizzati con una reazione di sostituzione SN2 tra gli alcossidi e gli alogenuri alchilici. L’alogenuro alchilico che subisce la reazione SN2 può essere metilico, primario o secondario.

Entrambi i reagenti porterebbero allo stesso tipo di prodotto, ma difficilmente avviene la reazione con un alogenuro terziario

Se, invece, si fa reagire l’alcossido primario con il cloruro alchilico terziario, si ottiene prevalentemente l’alchene, il prodotto di una eliminazione E2, perché l’alogenuro 3^ (o aromatico) non può subire una reazione di sostituzione SN2. 

2')SINTESI INDUSTRIALE DEGLI ETERI CON REAZIONE DI EQUILIBRIO ACIDO-BASE (*disidratazione)

Alcool si protona con l'acido, e l'alcool diventa un elettrofilo in un equilibrio. Il non protonato (nucleofilo debole) reagisce con il protonato (elettrofilo forte) secondo una reazione acido base con uscita di acqua. SN1 o SN2 in base alla stabilità che avrebbe l'intermedio. Qui basta un reagente e quindi abbassa i costi.

Oppure:

2'') SINTESI ETERI DA ALCOOL E ALCHENE:

Molto importante per la preparazione del butil metil etere MTBE, il quale è ampiamente utilizzato come additivo ossigenato per migliorare le caratteristiche della benzina e la sua produzione è cresciuta in 20 anni da quasi zero a circa 16 milioni di tonnellate all’anno nel 2002. Ora c’è stata un'inversione di tendenza negli Stati Uniti, Canada, Giappone e in Europa. Infatti si è scoperto che anche quantità molto piccole di MTBE possono contaminare l’acqua potabile, quindi mano mano sta venendo vietato dai vari stati.

​3) SINTESI DEGLI ALOGENURI ALCHILICI da alcoli

Gli alcoli possono essere trasformati in cloruri e bromuri alchilici per reazione con HCl e HBr. L’ambiente acido è necessario per protonare il gruppo OH dell’alcol e trasformare il cattivo gruppo uscente OH‒ in un gruppo uscente migliore, H2O​.

L’alcol protonato può reagire in due modi diversi:

• reazione SN2 con X-  

• reazione SN1 formando un carbocatione che poi reagisce con l’alogenuro X- .

Sarà SN2 o SN1 a seconda della struttura dell’alcol e del carattere più o meno nucleofilo dell’alogenuro. ​La reazione avviene anche a freddo, ma è sempre accompagnata da una piccola percentuale di eliminazione E1. Eliminazione soprattutto per terziario con E1, più difficilmente con i primari.

Gli alcoli terziari reagiscono velocemente con meccanismo SN1 con HCl e con HBr.

Gli alcoli primari e secondari reagiscono lentamente con HBr con meccanismo SN2.  

Variazioni centro stereogenico:

La reazione degli alcoli primari e secondari e con HCl è troppo lenta per la scarsa nucleofilicità dello ione cloruro. Questi alcoli, però, possono reagire con HCl a caldo in presenza di ZnCl2, un forte acido di Lewis.

(ZnCl2 aiuta la reazione perché aumenta l’acidità di HCl catturando Cl – , e inoltre trasforma l’ossidrile dell’alcol in un miglior gruppo uscente). In queste condizioni si ottengono miscele di alogenuri diversi. Questo indica che il meccanismo non è solo SN2, ma anche SN1 ed E1, cioè durante la reazione si formano carbocationi.

3') La reazione di HCl con gli alcoli primari e secondari è utilizzata nel saggio di Lucas per determinare la natura dell’alcol:

• Gli alcoli terziari reagiscono con HCl a freddo (si forma uno strato di liquido surnatante dovuto all’alogenuro alchilico insolubile in H20).

• Gli alcoli secondari reagiscono con HCl a freddo solo in presenza di ZnCl2.

• Gli alcoli primari reagiscono con HCl e ZnCl2 solo a caldo (intorbidamento della miscela di reazione).

​​

3'') Conversione di Alcoli ad Alogenuri Alchilici​ con PCl3 e PBr3.

​Gli alcoli 1^ e 2^ possono essere convertiti nei corrispondenti cloruri e bromuri alchilici utilizzando PCl3 e PBr3 al posto di HCl e HBr. La reazione avviene in modo più pulito e con rese più alte. Gli alogenuri di fosforo trasformano il gruppo uscente dell’alcol (OH- ) in un miglior gruppo uscente PCl2O- .

​Tutti e tre gli atomi di alogeno possono reagire e quindi il PCl3 viene convertito in acido fosforoso H3PO3 (SN2). 

3''')Conversione di Alcoli ad Alogenuri Alchilici​ con SOCl2. 

​Gli alcoli 1° e 2° possono essere convertiti nei corrispondenti alogenuri alchilici usando SOCl2.

• SOCl2 (cloruro di tionile) converte gli alcoli in cloruri alchilici.

• PBr3 (tribromuro di fosforo) converte gli alcoli in bromuri alchilici.

​Entrambi i reagenti convertono in situ (cioè direttamente nella miscela di reazione) ¯OH in un buon gruppo uscente e forniscono anche il nucleofilo, Cl¯ o Br¯, che sposterà il gruppo uscente

3'''') SINTESI DEGLI ALOGENURI ALCHILICI da eteri

​Perché gli eteri possano dare reazioni di sostituzione o di eliminazione, il cattivo gruppo uscente presente deve essere convertito in un buon gruppo uscente, per reazione con acidi forti, come HBr e HI, che sono anche una fonte di buoni nucleofili (Br¯ e I¯).Quando gli eteri reagiscono con HBr e HI, si ha la rottura di entrambi i legami C—O e la formazione di due alogenuri alchilici.

​4) SINTESI DEGLI ESTERI

Si ottengono per condensazione di un alcol con un acido carbossilico o con un suo derivato come un cloruro acilico o una anidride. Qui esamineremo solo la esterificazione di Fischer, cioè l’esterificazione diretta di un alcol con un acido carbossilico con catalisi acida per HCl o H2SO4. Le altre tecniche di sintesi degli esteri sono descritte nel capitolo sugli acidi carbossilici.

L’alcol, l’acido carbossilico e l’HCl devono essere anidri, la reazione infatti è reversibile e l’acqua sposterebbe l’equilibrio verso sinistra cioè verso l’idrolisi dell’estere. In condizioni normali, cioè usando una mole di acido carbossilico e una di alcol, la reazione ha una resa del 50%. La reazione può essere spostata a destra usando un eccesso di acido o di alcol o anche allontanando l’acqua che si forma per distillazione azeotropica con benzene​.

Dato che la reazione è reversibile, l’estere può essere facilmente idrolizzato scaldandolo in soluzione acquosa acida. Il meccanismo di idrolisi dell’estere è:

​5) DISIDRATAZIONE DEGLI ALCOLI AD ETERI

​Gli alcoli 1^ e 2^ con una bassa concentrazione di H2SO4, ad una T compresa tra 100 e 140 °C, si ottengono prevalentemente eteri. Gli alcoli primari reagiscono con meccanismo SN2, i secondari con meccanismo SN1, mentre i terziari non danno gli eteri diterziari che sono instabili a causa dell’ingombro sterico.

Gli alcoli più sostituiti disidratano più facilmente, in base al seguente ordine di reattività:

Alcool primario

Alcool secondario

Alcol terziario

5') DISIDRATAZIONE DEGLI ALCOLI AD ALCHENI -->beta eliminazioni

Con acido solforico concentrato (o con ossicloruro di fosforo (POCl3) in presenza di una ammina o l’acido p-toluensolfonico (TsOH)) a 180 °C per i primari e 140 °C per i secondari si ottengono gli alcheni attraverso reazioni di eliminazione beta E1. Dato che gli intermedi di reazione sono carbocationi, sono frequenti le trasposizioni e si ottengono miscele di prodotti.

Quando un alcol ha due o tre differenti atomi di carbonio in B, la disidratazione è regioselettiva e segue la regola di Zaitsev. Quando è possibile ottenere una miscela di isomeri costituzionali, il prodotto principale della reazione è l’alchene più sostituito. Inoltre trans più presente.

6) OSSIDAZIONE

Ossidare un alcol significa ossidare il carbonio che regge l’ossidrile strappandogli un idrogeno e creando un doppio legame carbonio ossigeno, un carbonile. L’ossidazione può avvenire due volte sull’alcol primario che possiede due idrogeni sul carbonio alfa (quello che regge l’OH) formando l’acido carbossilico.  ​

Ossidanti:

• L’ossidazione degli alcoli a composti carbonilici è eseguita in maniera classica con ossidanti a base di Cr6+, che nei prodotti sono ridotti a Cr3+.

• CrO3, Na2Cr2O7, e K2Cr2O7 sono ossidanti forti, non selettivi, usati in soluzioni acquose acide (H2SO4 + H2O).

• PCC è solubile in CH2Cl2 (diclorometano) e può essere usato in assenza di acidi forti, risultando perciò un agente ossidante più blando e più selettivo.

Tutti gli ossidanti al Cr6+ ossidano efficacemente alcoli 2° a chetoni.

6') OSSIDAZIONE DI PTITZNER-MOFFATT:

L'ossidazione di alcoli primari e secondari tramite dimetilsolfossido (DMSO) attivato con N,N'-dicicloesilcarbodiimmide (DCC). L'ilide di alcossisolfonio risultante si ricombina generando aldeidi e chetoni.

​I reagenti utilizzati sono poco costosi e facili da maneggiare e l'esecuzione della reazione non richiede l'utilizzo di particolari apparecchiature. Le rese sono alte e le reazioni secondarie sono poche: la formazione di metil tiometil etere e simili.

Meccanismo:

Al posto della DCC come iniziatori possono essere usati altri composti:

• anidride acetica, nella variante di Albright e Goldman

• complessi piridina-SO3, nell'ossidazione di Parikh-Doering

• cloruro di ossalile o anidride trifluoroacetica, nell'ossidazione di Swern

6'') OSSIDAZIONE DI SWERN 

Per alcoli primari e secondari permette di ottenere aldeidi e chetoni in condizioni blande senza usare cromo, un metallo molto tossico. L’agente ossidante è il dimetilsolfossido, che durante la reazione si riduce a dimetilsolfuro, mentre l’alcol si ossida ad aldeide o a chetone​

La reazione avviene un due fasi. Nella prima fase il dimetilsolfossido e l’ossalil cloruro reagiscono per creare un intermedio particolarmente reattivo, lo ione cloro-dimetilsolfonio, che nella seconda fase, reagisce con l’alcol per fare l’ossidazione vera e propria, la T deve essere intorno a -78 °C per evitare la formazione di prodotti secondari. La reazione inizia con l’attacco del dimetilsolfossido, che ha l’ossigeno parzialmente negativo, all’ossalil cloruro che ha la funzione di attivare lo zolfo. Lo ione cloruro, espulso nel primo passaggio, attacca la molecola attivata sull’atomo di zolfo positivo. La reazione è spinta da una variazione di entropia ΔS favorevole perché il gruppo uscente si spezza in tre frammenti liberando CO2, CO e Cl– . 

La prima parte della reazione ha creato un intermedio estremamente reattivo, lo ione cloro-dimetilsolfonio, questo viene subito attaccato dall’alcol con espulsione di HCl. L’intermedio solfonio che si forma è relativamente acido sul metile legato all’atomo di zolfo positivo e viene deprotonato dalla trietilammina. La reazione termina quando il carbanione ottenuto produce un’eliminazione con un meccanismo ciclico (simile a quello visto prima con l’estere dell’acido cromico) che genera il doppio legame sul carbonile dell’aldeide mentre lo zolfo esce portando con sè gli elettroni del legame S-O riducendosi a dimetilsolfuro. 

REATTIVITA' EPOSSIDI

Gli epossidi dominanti nell'industria sono l'ossido di etilene e l'ossido di propilene, le produzioni sono rispettivamente circa 15 e 3 milioni tonnellate/anno. Si producono tramite: Ossidazione catalitica di alcheni:

• Vista la geometria che causa un elevata tensione di anello sono estremamente reattivi e danno in genere un apertura dell'anello.

• ​Gli atomi di carbonio sono i centri elettrofili e l'ossigeno è nucleofilo/basico.

• In generano entrano come elettrofili nelle sostituzioni.

ADDIZIONE ALCOSSIDO: Tramite SN2, si riottiene un altro alcolato. Si allunga la catena, polimerizzazione

Propilenossido o Ossido di propilene: 

Sintesi diolo da epossido:

Un altro esempio, dove in questo caso si ottengono due regioisomeri differenti. In ambiente basico il nucleofilo si lega al carbonio meno sostituito, in ambiente acido a quello più sostituito.