ALOGENURI ALCHILICI

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Sono molecole organiche contenenti un atomo di alogeno legato ad un atomo ibridizzato sp3. ​Gli alogenuri alchilici sono le molecole ideali per studiare le reazioni di sostituzione nucleofila SN1 e SN2 e di eliminazione E1 e E2. Queste reazioni avvengono anche con altre molecole, ma è conveniente studiarle qui usando gli alogenuri alchilici come modelli

Usi e tossicità

Attualmente vengono prodotti oltre 15.000 tipi e sono usati sia nell’industria che nell’agricoltura nei campi più svariati: solventi, ritardanti di fiamma, agenti estinguenti, refrigeranti, propellenti, prodotti farmaceutici, fungicidi ed erbicidi. L’utilizzo degli alogenuri alchilici in qualità di solventi è stato, tuttavia,  notevolmente limitato per la loro tossicità e per il loro impatto ambientale.

• ​Diclorometano CH2Cl2, il triclorometano CHCl3 e il tricloroetilene Cl2C=CHCl: Sono usati come solventi. Un tempo anche il tetraclorometano CCl4 era usato come sgrassante e come solvente anche per usi domestici per la pulitura a secco, ma essendo tossico e cancerogeno fu vietato per tali scopi. Il diclorometano è stato anche utilizzato (fino a essere vietato per legge) per ottenere il caffè decaffeinato (la caffeina infatti a contatto con questo aloalcano è solubilizzata e successivamente estratta). Attualemnte l'estrazione avviene con anidride carbonica in stato supercritico.

• Triclorometano (cloroformio): In qualità di anestetico fu usato già dal 1840 per indurre un’anestesia generale aprendo così nuove frontiere alla chirurgia. Il cloroformio cadde presto in disuso una volta noti i suoi effetti tossici e appurata la sua tendenza a provocare delle aritmie cardiache fatali.

• CFC (fluoroclorocarburi): Sintetizzati nel 1930 dall’americano Thomas Midgley che costituirono un vero successo. Essi per le loro caratteristiche furono utilizzati nei cicli frigoriferi a compressione e per realizzare propellenti per aerosol. L’utilizzo di tale classe di composti si è drasticamente ridotta a causa della loro implicazione nell’assottigliamento dello strato di ozono. ​I CFC possono anche causare il riscaldamento globale. Una molecola di CFC-11 ha un potenziale di riscaldamento globale circa 5000 volte maggiore di una molecola di CO2.

NOMENCLATURA IUPAC

1. La catena madre è numerata per dare al sostituente prima il numero più basso, alogeno o un gruppo alchilico.

2. I sostituenti alogeni sono indicati dai prefissi fluoro, cloro, bromo e iodio e elencati in ordine alfabetico con altri sostituenti.

3. Ogni alogeno si trova nella catena principale dandogli un numero che precede il nome dell'alogeno

4. Se sono presenti due atomi, per esempio, di cloro il prefisso di- viene aggiunto all'alogeno preceduto dai numeri di carbonio in cui sono stati trovati. 

​PROPRIETA' FISICHE e CHIMICHE

Fisiche: Sono presenti interazioni dipolo-dipolo a causa del legame polare C-X

Chimiche: dipendono dal legame polare C-X

L'atomo elettronegativo di un alogeno crea un legame con C polare e rende elettron povero C. Gli effetti induttivi si trasmettono attraverso il legame sigma e in particolar è lo spostamento della densità di carica eletronica attraverso i legami sigma a causa della  differente elettronegatività

La reattività è influenzata dal legame polare C-X

La nucleofilicità e la basicità sono correlate, ma sono fondamentalmente diverse.

• La basicità è una misura di quanto prontamente un atomo dona la sua coppia elettronica al protone. Essa è caratterizzata dalla costante di equilibrio Ka di una reazione acido-base, che la rende una proprietà termodinamica.

• La nucleofilicità è una misura di quanto prontamente un atomo dona la sua coppia elettronica ad altri atomi. Essa è caratterizzata dalla costante di velocità k, che la rende una proprietà cinetica.

In ogni reazione di sostituzione sono sempre presenti tre componenti:

I nucleofili neutri sono deboli, ma ancora utilizzabili. L'acetone no per esempio

​SN1-SN2 e E1-E2

• Alogenuri primari        SN2, E2 (con nucleofili basici)

• Alogenuri secondari   SN1 (nucleofili deboli e solventi polari), SN2 (nucleofili forti), E1, E2 (basi forti)

• Alogenuri terziari        SN1, E1, E2 (no SN2 per l'ingombro sferico)

--> CARBOCATIONI TERZIARI SONO I PIU' STABILI : avviene una donazione di carica elettronica, una stabilizzazione

di fatto il carbocatione metilico non esiste

Fattori che influenzano le reazioni SN1, SN2, E1, E2

• La struttura molecolare è il primo fattore che decide quale reazione può dare un alogenuro alchilico. Le reazioni E1 ed SN1 sono possibili solo se la molecola è in grado di dare un carbocatione stabile e quindi sono favoriti gli alogenuri terziari, allilici e benzilici, sono meno favoriti i secondari, mentre quelli primari e metilici sono fuori discussione. E1, SN1 benzilici, allilici, terziari > secondari sono esclusi primari e metilici. Le reazioni SN2, che prevedono l’attacco del nucleofilo sul carbonio che regge il gruppo uscente, sono possibili sole se non vi è ingombro sterico, quindi sono favoriti gli alogenuri metilici e primari oltre ad allilici, benzilici e vicini al carbonile, meno favoriti sono quelli secondari. Le E2 sono poco influenzate dalla struttura.

• La basicità del nucleofilo: Una sostanza basica attacca l’H+ e dà eliminazioni, mentre una sostanza meno basica, ma più nucleofila, attacca il C in reazioni di sostituzione.

• Le dimensioni del nucleofilo: Quando il nucleofilo attacca il C, deve infilarsi attraverso i suoi sostituenti e anche quando il C è primario e poco ingombrato, vi è comunque un sostituente da aggirare. Una base in una reazione di eliminazione, invece, soffre poco i problemi di ingombro sterico perché gli H+ da strappare sono più esposti. Dato che i nucleofili sono anche basi, le dimensioni molecolari diventano importanti per far prevalere un carattere o l’altro. Un nucleofilo basico di piccole dimensioni come OH– è un buon nucleofilo e dà più facilmente sostituzioni SN2 soprattutto se diluito.

• La temperatura: Le eliminazioni hanno un’entropia ΔS più favorevole quindi sono favorite da T elevate. Nell’equazione del ΔG l’entropia compare come TΔS cioè va moltiplicata per la T, quindi alte T rendono più importante il fattore entropico ΔS. ΔG = ΔH – TΔS.

• La polarità del solvente: I solventi polari protici solvatano bene sia cationi che anioni (carbocationi) e rendono meno aggressivi i nucleofili legandoli con legami H, reazioni E1 e SN1. I solventi non molto polari aprotici solvatano bene solo i cationi mentre debolmente gli anioni, quindi questi sono i solventi migliori per E2 o SN2, infatti, essendo aprotici, non possiedono H in grado di fare legami H con i doppietti di non legame di nucleofili e basi. I nucleofili sono liberi di attaccare il substrato con tutta la loro forza e le SN2 sono fino un milione di volte più veloci di quelle in H2O.

​GRUPPI USCENTI

Supponiamo di trovarci in una SN2 (ma analogo ad una sn1). Avremo che sperimentalmente la reattività è: F<Cl<Br<I   (lo ioduro è più reattivo) 

Migliore è il gruppo uscente più veloce è la  reazione. Lo ioduro è il miglio gruppo uscente

​REATTIVITA'

1) SOSTITUZIONE

• Sostituzione con dell'ossigeno dell'alogeno

• Allungamento catena carboniosa

• Sostituzione con l'azoto, N3- o NH3-

• Sostituzione con lo zolfo

Iperconiugazione: si intende l'interazione degli elettroni di un legame sigma (di solito C-H o C-C) con un orbitale p vuoto o parzialmente riempito che può essere non impegnato in legami o di anti-legame oppure con un orbitale π riempito.

Esempi SN2: reazione del metil-ioduro con 1-propillammina. La densità di carica sull'azoto va ad attaccare il carbonio legato allo iodio e il legame si romperà formando un sale, che se in acqua si solubilizza e libere H+.

La carica elettronica sull'azoto attacca il carbonio positivo dell'gruppo all'allilico a causa del bromo.

Formazione di un tensioattivo (ammorbidente) di prima generazione, SN

Esempio SN1: cloruro di terzbutile o 2-metil-2-cloro-propano che reagisce con un nucleofilo debole, l'acqua. Si ottiene HCl e 2-metil-2-ossidril-propano. Avviene tramite un intermedio.

Con una SN1 ottengo 2 molecole, non si formano 2 enantiomeri, sono isomeri diastereoisomeri. Comunque meno ingombro sotto, quindi avrò una percentuale maggiore.

Si forma un solo composto, il nucleofilo forte deve attaccare da sotto il gruppo uscente, e qui ho solo una direzione disponibile.

Gli alogenuri vinilici e gli alogenuri arilici non subiscono né SN1 né SN2, perché l'eterolisi del legame C-X formerebbe un catione vinilico o arilico estremamente instabile.

ELIMINAZIONI

Si divide in 2 tipi:

​Riduzione degli alogenuri alchilici

• Tramite zinco metallico e HCl. Probabilmente la reazione passa attraverso un composto zinco organico che poi in ambiente acido si distrugge, con H+ che sostituisce Zn2+ 

• Lo stesso risultato con magnesio metallico, ottenendo un reattivo di Grignard, e poi aggiungendo etanolo. Il reattivo magnesio organico strappa un H+ all’alcol e si distrugge formando l’alcano, con H+ che sostituisce MgCl+

• Oppure anche con idrogenazione catalitica.

• Per gli alcoli che non possono essere ridotti direttamente ad idrocarburi occorrono due passaggi. L’alcol deve prima essere trasformato in alogenuro, poi questo può essere ridotto ad idrocarburo.

ALOGENURI CICLICI

Sostanzialmente simili hai precedenti. Esempio: Abbiamo due diastereoisomeri di cui il primo è più stabile e quindi avremmo una maggiore sostituzione SN2 (non ci sono intermedi).

​Il secondo composto, la prima formula è più stabile perché i gruppi sono in posizione equatoriale sono più lontani (il secondo tende a zero in percentuale).

Con E1 invece otteniamo un intermedio uguale, quindi il risultato finale è indipendente dalla chiarità. Serve un solvente polare per stabilizzare l'intermedio.

​REGOLA DI ZAITSEV

E' una regola empirica che descrive la via preferenziale con cui avvengono le reazioni di eliminazione alogenidrica di alogenuri alchilici che portano alla formazione di un doppio legame.

L'alchene che si forma in maggior quantità è quello che deriva dalla sottrazione dell'idrogeno dal carbonio β che è legato al minor numero di idrogeni. Cioè l'idrogeno che preferenzialmente viene sottratto è quello legato al carbonio in β che possiede meno idrogeni, e quindi quello più sostituito. Questo significa che l'alchene si forma in modo da ottenere il doppio legame più sostituito: ciò significa generalmente maggiore stabilità

La regola di Zaitsev è simile alla regola di Markovnikov, che si applica al processo inverso, cioè alle reazioni di addizione.

Adesso consideriamo una beta eliminazione, E2. Si vanno a formare due isomeri costituzionali, due alcheni. Inoltre si chiamano regioisomeri e otteniamo entrambi, ma il primo A sarà in percentuale maggiore essendo l'intermedio più stabile. L'alchene che si forma di più è quello più sostituito.

​Questa è una reazione regioselettiva (fornisce in maniera predominante o esclusiva un isomero costituzionale, quando è possibile ottenerne più di uno).

A da origine a due isomeri diversi e il trans (o E) sono più stabili (meno ingombro sterico) e quindi a % maggiore.

Oltre ad essere regioselettiva è stereoselettiva.

​SINTESI ORGANICHE

Biosintesi Geraniolo: è un composto organico che viene utilizzato in profumeria per la sua piacevole fragranza floreale e fruttata. La sua biosintesi avviene attraverso la via metabolica dell'acido mevalonico, che è comune a molti altri terpenoidi.

In particolare, la biosintesi del geraniolo inizia con l'isomerizzazione dell'acido mevalonico in isopentenil pirofosfato (L'isopentenil pirofosfato è la forma attiva dell'isopentenile che viene utilizzata per la sintesi di terpenoidi, mentre l'isopentenil difosfato è una forma di intermedia di questa reazione), che è un precursore comune per la sintesi di molti terpenoidi. L'isopentenil pirofosfato viene poi convertito in geranil pirofosfato attraverso una serie di reazioni enzimatiche. Il geranil pirofosfato è il precursore diretto del geraniolo e può essere convertito in geraniolo attraverso l'azione di un enzima chiamato geraniolo sintasi. Questa reazione comporta la perdita di una molecola di pirofosfato e la formazione di un legame a doppio legame nel geraniolo.

Il geraniolo viene spesso estratto dalle piante che lo producono naturalmente, come il geranio o la rosa. Tuttavia, può anche essere prodotto sinteticamente utilizzando la chimica organica, che è un metodo meno costoso e più sostenibile a livello ambientale rispetto all'estrazione naturale.

Sintesi Adrenalina: anche conosciuta come epinefrina, è un ormone e un neurotrasmettitore prodotto dalle ghiandole surrenali. La sua sintesi avviene attraverso una serie di reazioni enzimatiche che coinvolgono diversi intermedi e precursori.

La sintesi dell'adrenalina inizia con l'amminoacido tirosina, che viene trasformato in diidrossifenilalanina (DOPA) attraverso l'azione dell'enzima tirosina idrossilasi. La DOPA viene poi convertita in dopamina dall'enzima decarbossilasi della DOPA. La dopamina viene successivamente convertita in norepinefrina dall'enzima dopamina beta-idrossilasi, che richiede la presenza di vitamina C come co-fattore.

Infine, l'enzima feniletanolammina-N-metiltransferasi (PNMT) metila la norepinefrina per produrre adrenalina. Questa reazione richiede la presenza di S-adenosilmetionina (SAM) come donatore di gruppo metile.

Biosintesi della tirosina: è un amminoacido aromatico essenziale per gli esseri umani e altri animali. La sua biosintesi avviene attraverso la via metabolica del precursore comune, l'acido shikimico.

L'acido shikimico viene prodotto dal metabolismo del glucosio attraverso la via del fosfoenolpiruvato (PEP) e del eritrosio-4-fosfato. L'acido shikimico viene quindi convertito in acido 3-deidrossichiquimico (DHQ) attraverso l'azione dell'enzima shikimato chinasi. L'acido DHQ viene poi convertito in acido 3-deidrossichiquimico deidrogenasi (DHQD) attraverso l'azione dell'enzima DHQD sintasi.

L'acido DHQD viene successivamente convertito in acido 4-idrossifenilpiruvico (HPP) attraverso l'azione dell'enzima DHQD reduttasi. Infine, l'enzima tirosina aminotransferasi converte l'HPP in tirosina aggiungendo un gruppo amminico.