1

---TIPURI DE REACII N CHIMIA ORGANIC

PARTEA NTIA GENERALITI PRIVIND OBIECTIVUL CURSULUI

CAPITOLUL 1 CLASIFICAREA REACIILOR ORGANICE Moto: Do you ask what the birds say? The sparow, the dove The linnet and thrush say: I love and I love! I love my Love and my Love loves me! Mary Elizabeth Coleridge (1861-1907) 1.1. Obiectivele disciplinei Cursul de fa se adreseaz unor studeni nscrii la programul de

master Produse Farmaceutice i Cosmetice din cadrul Facultii de CHIMIE APLICAT I TIINA MATERIALELOR, altfel spus, se adreseaz unor studeni care au fcut i absolvit un Curs de Chimie Organica, de Mecanisme de Reacie sau de Produse Farmaceutice. n consecin, cursul trebuie numai s aminteasc tipurile de reacii, s le exemplifice i s le adnceasc pe acele folosite n industria de medicamente i de cosmetice. Astfel, un prim obiectiv al acestui curs va fi familiarizarea cu tipurile de reacii din chimia organic.

1.2. Clasificarea reaciilor organice 1.2.1. Componentele unei reacii organice ntr-o reacie din chimia organic distingem mai multe componente

dintre care nu toate sunt necesare n toate aplicaiile cunoscute. Cea mai important component care nu poate lipsi dintr-un procedeu aplicat este substratul ( S ), respectiv compusul organic n a crei transformare suntem interesai. O a doua component important este reactantul ( R ); spre deosebire de substrat reactantul poate lipsi n unele procese ( de exemplu n reaciile de izomerizare ). O component care nu trebuie s fie neglijat este catalizatorul ( C ), sau mai bine spus ntreg sistemul catalitic format din

2

catalizatorul propriu-zis i unul sau mai muli co-catalizatori. n exemplul unor reacii de acelai tip ( acelai tip de modificare chimic, ducnd la produi nrudii structural etc.) catalizatorul poate lipsi, procesul avnd loc i n absena sa. Altfel spus, catalizatorul activeaz reactantul R sau substratul S, reacia putnd decurge mult mai repede i n condiii mult mai blnde n prezena sa. Ca i substratul i reactantul, catalizatorul este implicat direct n procesul chimic care are loc.

Dintre componentele care pot lipsi sau pot fi nlocuite cu alte componente trebuie menionat solventul pentru reaciile decurgnd n medii omogene lichide diluantul gazos pentru reaciile decurgnd n mediul gazos. Multe reacii ns decurg ntr-un mediu heterogen, un fapt nefavorabil proceselor implicnd prezena lui S i R n faze diferite.

Pentru orice proces chimic, deosebit de important este specificarea tipului de activare fizic a procesului: activare termic, activare fotochimic, sau sonochimic etc.

Menionarea tuturor acestor factori definete perfect tipul de reacie i procesul care poate avea loc. n acelai timp, aceste date ne permit s facem o prima clasificare a reaciilor chimice.

1.2.2. Clasificarea dup tipul de transformare suferit de substrat Dup tipul transformrii suferit de S, reaciile organice pot fi

divizate n urmtoarele tipuri: i) Reacii de substituie:

S - X + R S - Y + D

S - X: Substratul continand o grupa deplasabila XR : reactantulS - Y Substratul modificatD: Restul deplasat combinat cu X

(1)

Substratul conine o grup X deplasabil de ctre reactantul R.

Aceasta grup se regsete combinata cu o parte din reactantul R n D. Exemple:

R - OH + HCl R - Cl + H2O (2)

RNa + R'Cl R - R' + NaCl (3) Reacia (2) implic obinerea unui derivat halogenat dintr-un alcool,

n timp ce reacia (3) const din condensarea unui compus halogenat (considerat S) cu un derivat sodat (corespunznd reactantului, R).

3

ii) Reacii de adiie: R - CH=CH - R R - CHBr-CHBr - R (4)+ Br2

R-CH=O + HCN R - CH(OH)CN (5)

Prima dintre aceste reacii, (4), corespunde unei adiii de halogen la

o alchen, cea de a doua reacie, (5), este o reacie cianhidrin. iii) Reacii de eliminare: Prin astfel de reacii se introduc legturi multiple, de ex., obinere de

alchene sau alchine:

R-CHX - CHY-R (S)

R-CH = CH-R + (XY) (6)(R sau C)

sau duble i triple legturi, carbon carbon, sau carbon heteroatom:

R-CH=N-OH R -C N + H2O (7)(R sau C)

iv) Reacii de izomerizare; reacii de transpoziie : n reaciile de izomerizare (transpoziie), formula molecular a sub-

stratului nu se modific, se schimb formula structural. Procesul este fie catalitic:

C6H12 C6H12

(8a)AlCl3

fie termic :

(8b)temp

sau fotochimic:

h(8c)

Ultimele dou reacii, (8b) i (8c), fac parte din clasa reaciilor

periciclice, o important clas de procese concertate. v) Reacii de oxido-reducere: Sunt procese de modificare a grupelor funcionale din molecul, n

care numrul atomilor de carbon din molecul nu variaz. Procesul poate fi reversibil (9), sau ireversibil (10) :

4

R-CH2-OH R-CH=O-2(H), oxidare

+2(H),reducere

(9)

R-CH=O R-COOH (10)

Oxidare

n alte tipuri de reacii de oxidare, la rndul lor ireversibile, molecula

se rupe, numrul atomilor de carbon din molecul scade. R-CH=CH-CH3 R-COOH + CH3-COOH, etc. (11)

Oxidare

1.2.3. Clasificarea dup natura reactantului sau intermediarilor de reacie Exist dou tipuri de reactani: reactani heterolitici i reactani

homolitici. Reactanii heterolitici pot fi: a) Reactani nucleofili, cu afinitate

pentru nucleul atomului de carbon i anume: anioni ( anioni de halogen, Cl- , Br-, etc. ), ioni hidroxid i alcoxid ( HO-, RO- ), sau molecule neutre posednd la atomul central o pereche de electroni neparticipani, ap H2O:, amoniac, H3N: si derivai organici, amine RNH2 etc. c) Reactani electrofili, reactani cu afinitate pentru o pereche de electroni. Acetia pot fi ioni pozitivi, de regul organici, carbocationi dar i molecule cu deficit de electroni, de exemplu carbene R2C:, cationi anorganici etc.

Reactanii homolitici sunt atomi i radicali liberi. innd seama de natura reactantilor, exist dou tipuri de reacii: i) Reacii heterolitice: Aceste reacii implic reactani ionici sau

neutri, producnd modificri polare a unor legturi iniiale. Pot fi reacii de substituie, reacii de adiie i reacii de eliminare. Fiecare dintre acestea, la rndul lor, se pot divide n procese concertate ( ruperea i formarea legturilor are loc ntr-un singur proces ) i n procese, decurgnd n mai multe etape, n etapele cheie identificndu-se intermediari caracteristici : carbocationi sau carbanioni.

ii. Reacii homolitice : i aceste reacii pot decurge ntr-o singur faz, n care caz reactantul este un atom sau radical liber, sau n mai multe faze, n care intermediarii sunt radicali liberi. Ca i reaciile precedente, reaciile homolitice pot fi reacii de substituie, reacii de adiie i reacii de eliminare.

Trebuie menionat faptul c n cazul ambelor tipuri de reacii, nu numai reactantul este important n clasificarea tipului de reacie. n unele cazuri, foarte important este i considerarea tipului de substrat, de exemplu:

5

substituia heterolitic alifatic, n care substratul (sau mai corect, centrul de reacie) este alifatic i substituia heterolitic aromatic, n care procesul are loc ntr-un sistem aromatic.

1.2.4. Clasificare dup mecanismul reaciilor organice Clasificarea reaciilor organice dup tipul transformrii suferit de

substrat, indicat la paragraful 2.2, poate fi detailat innd seama de mecanismul reaciilor respective.

Fiecare din tipurile de reacie menionate poate fi divizat n continuare dup mecanismul intim de reacie. n Tabelul 1.1 este prezentat clasificarea reaciilor menionate la punctul 2.2. Sunt necesare cteva precizri legate de clasificarea prezentat: a. In Tabelul 1.1, prima coloan ine n special seama de clasificarea fcut la punctul 2.2. O singur diferen: se ine seama de natura atomului de carbon atacat de reactant. b. Defalcarea dup tipul mecanismului are loc n coloanele 2 si 3 ale tabelului. n acest caz se ine seama i de natura reactantului ( nucleofil, electrofil sau radicalic ). c. Cele dou coloane indic de asemenea dac procesul este concertat (decurge ntr-o singur etap ), sau dac decurge n mai multe etape succesive. Astfel, o deplasare nucleofil la carbonul alifatic poate decurge dup dou mecanisme, un mecanism concertat ( SN2 ):

Schema 1.1

C X

R1

R3R2

Nu:- Nu.........C...........X

R2R1

R3

Nu C

R1

R2R3 + X

-

Nucleofil (R) Substrat (S) Stare de tranziie (ST) Produs (D)

n schema de mai sus s-au pstrat notaiile fcute mai nainte: S -

substrat, R - reactant, D produs de reacie. Schema corespunde mecanismului SN2. Schema celuilalt mecanism din acest tip de reacie, SN1, este redat n Schema 1.2.

Schema 1.2

C X

R3R2

R1

R1R2R3C+ + X- (a)

1 2

6

R1R2R3C+ + Nu:- Nu C

R1

R2R3 + C

R1

R3R2

Nu

2 (S)-3 (R)-3

(b)

Schema 1.2, comparat cu schema 1.1, ilustreaz i stereochimia acestor procese. n timp ce procesul SN2 este stereospecific i decurge cu inversie de configuraie, un proces SN1 duce la amestecul celor doi diastereoizomeri, (R) i (S), n proporii egale, la un amestec racemic.

Tabelul 1.1. Clasificarea reaciilor organice dup

mecanismul de reacie _____________________________________________________________

Tipul de reacie Mecanism Simbol

====================================================== 1. Reacii de substituie 1.1 Substituii nucleofile SN la carbonul saturat a. Substituie bimolecular SN2

b. Substituie unimolecular SN1 1.2. Substituii electrofile SE a. Substituie bimolecular SE2 b. Substituie unimolecular SE1 1.3 Substituii homolitice

2. Reacii de substituie 2.1. Substituii nucleofile SNAr la carbonul aromatic (SA) 2.2. Substituii electrofile SEAr

3. Reacii de adiie 3.1. Adiii nucleofile AdN

3.2. Adiii electrofile AdE 3.3. Adiii homolitice

4. Reacii de eliminare 4.1. Eliminri 4.2. Eliminri 4.3. Eliminri

5. Reacii de transpoziie 5.1. Transpoziii nucleofile R+ R+ (reacii de izomerizare) (transpoziii cationice)

7

5.2. Transpoziii homolitice R. R. (transpoziii radicalice) 5.3. Transpoziii electrofile R:- R:- (transpoziii anionice) 6. Reacii periciclice 6.1. Transpoziii sigmatropice 6.2. Transpoziii electrociclice 6.3. Reacii de cicloadiii 6.4. Reactii cheleotropice ======================================================

n afara mecanismelor SN trecute in Tabelul 1.1 Exist si alte tipuri de mecanisme ( SNi , SNi ) mai puin frecvente i care vor fi menionate mai trziu. Foarte importante sunt ns substituiile aromatice electrofile (SEAr).

Reaciile de substituie aromatic (SE) sunt de regul procese decurgnd n etape. O reacie Fridel-Crafts, de exemplu (Schema 1.3) implica 3 fraze:

Schema 1.3

R-Cl + AlCl3 R+ AlCl4

-

R H

+

R

(a)

R+ AlCl4- +

AlCl4-

+ HCl + AlCl3(b) (c)

4 Prin echilibrul (a) se genereaz reactantul electrofil. Produsul de

substituie rezult prin reacia complexului de aluminiu format cu hidrocarbura aromatic pentru a forma in etapa (b) intermediarul 4. Produsul de substituie aromatic se formeaz n ultima etap a procesului.

Reaciile de adiie la dubla legtur alchenic sunt de regul adiii electrofile. In Schema 1.4 sunt artate etapele unei asemenea proces:

Schema 1.4 E - Nu E

+ + Nu- ; E+ : Reactant electrofil; Nu- : Reactant nucleofil

R2C = CR2 + E+ R2C - CR2 R2C - CR2

E

+ Nu:-

E

Nu

5

8

Reactantul electrofil ( E* ) se formeaz n prima etap a reaciei. Intermediarul cheie in acest mecanism este cationul 5. Structura formulat mai sus pentru acesta poate fi diferit n unele exemple ( v. cap. ).

Un mecanism similar se poate scrie i pentru celelalte dou tipuri de adiii. n cazul adiiei homolitice prima etapa a procesului este generarea unui atom sau radical liber urmat de atacul acestuia la dubla legtur cu generarea unui radical liber intermediar. n adiia nucleofil, atacul este produs de un reactant nucleofil iar intermediarul este un carbanion.

Adiiile nucleofile sunt foarte frecvente la duble legturi hetero-atomice ( v. de ex., reacia (5) ), dar pot avea loc i la dubla legtur carbon-carbon. n aceste cazuri, dubla legtur trebuie s fie activat, de exemplu prin conjugare cu o grup carbonil:

CH = CH - CH = O

R

Nu:-HC

R

Nu CH = CH - O-

Nu - CHR - CH = CH - OH Nu-CHR-CH2-CH=O

(12)

(13

5

5- A-

+ AH

6 7 Adiiile radicalice pot fi procese fotochimice, de exemplu adiiile de

halogen, sau sunt iniiate de iniiatori de reacii radicalice. Un exemplu de poliadiie radicalic este reacia de polimerizare.

Initiator I. + R2C = CR2 I-CR2-CR2 I-CR2-CR2-CR2 -CR2, .R2C=CR2 etc

8a 8b Aa cum rezult din tabel, reaciile de eliminare pot fi de trei tipuri:

Eliminrile duc la formare de carbene, eliminrile genereaz alchene, n timp ce eliminrile duc la formare de ciclopropani.

i)Eliminri : Prin eliminri se obin carbene, :CR1R2, compui foarte reactivi, ce trebuie generai n mediul de reacie, n prezena reactantului potrivit. Se pot obine prin eliminri n mediu bazic, n mediu neutru sau n mediu acid. Metodele uzuale folosesc ns eliminrile n mediu puternic bazic, de exemplu:

9

(CH3)3C-O- K+ + H-CBr3 (CH3)3C-OH + K

+ + -CBr3 (14)

K+ + -CBr3 KBr + :CBr2 (15)

8 9

9 10 n obinerea dibromcarbenei 10 se folosete o baz puternica,

t-butoxidul de potasiu, ntr-un mediu nepolar. Diclorcarbena 11 se poate obine printr-un procedeu similar,

folosind n schimb cloroform. Se poate obine ns i printr-o eliminare ntr-un mediu practic neutru, anume pornind de la sarea de argint a acidului tricloracetic:

Cl3C-COOAg :CCl2

+ CO2 + AgCl (14) 11 12 Azotatul de argint poate fi folosit pentru obinerea dibromcarbenei n

mediu acid: AgNO3 + CHBr3 :CBr2 + AgBr + HNO3 (15)

10 Obinerea carbenelor i utilizarea lor n sinteze chimice va fi

discutat mai pe larg ntr-un capitol viitor. ii) Eliminarea : Genereaz alchene. i n acest caz se cunosc trei

tipuri diferite de eliminri: dou dintre ele decurg n trepte i au drept intermediari fie carbocationi ( eliminare E1 ), fie carbanioni ( Eliminare E1cB ). Eliminarea concertata este eliminarea E2.

Mecanismul E1 de eliminare implic n prim faz o ionizare unimolecular la C , cu formarea unui carbocation, urmat de o eliminare rapida a unui proton de la C:

Schema 1.5

H - CR2 - CR2 - X H - CR2 - CR2

+- X-

13

SN1

+ Nu-HCR2-CR2-Nu

E1

-H+CR2=CR2

(!6)

(17)

Aa cum se vede din schema 1.5, eliminarea E1 este ntotdeauna

nsoit de o reacie SN1, sau altfel spus, n orice proces SN1 vor rezulta i

10

alchene, proporia dintre produsul de eliminare i cel de substituie depinznd de natura cationului 13.

iii)Eliminarea : Genereaz ciclopropani. Este mult mai puin studiat dect celelalte tipuri de eliminri. Cel mai frecvent decurge prin mecanisme similare eliminrii E1cB. Astfel, derivatul esterului malonic 14 poate forma cu uurin combinaia sodat 15. Aceasta se ciclizeaz cu uurin la derivatul ciclopropanic 16.

Br CH2

H2C

CHCOOR

COOR

Br CH2

H2C

:CCOOR

COOR-

14 15

COOR

COOR16 Pe lng acest mecanism, se cunosc i exemple de solvolize

unimoleculare. Astfel, Winstein i colaboratorii au stabilit c n solvoliza exo-tosilatului de 2-norbornil, 17, rezult i cca 4% nortriciclenul 18 :

OTs OAc+

17 18 19 Evident, produsul principal al acestei solvolize este exo-acetatul de

2-norbornil 19. i aceste reacii vor fi discutate mai n detaliu n capitolele urntoare.

Urmtorul tip de reacii din Tabelul 1.1 l constituie reaciile de transpoziie sau izomerizare . Ambii termeni implic o transformare chimic ( termic, fotochimic sau catalitic ) n care formula molecular rmne neschimbat, dei formula structural se modific. Termenul de transpoziie se folosete de regul pentru procesele concertate (avnd loc ntr-un singur proces), indiferent dac e vorba de o reacie implicnd o specie ionic sau una neutr. Vom ilustra cele spuse cu urmtoarele dou exemple:

11

R1 CH

H

CH = CH - CH = CH R2 R1 CH=CH-CH=CH CH R2

H

Transpozitie sigmatropica de ordinul 1,5

(18)

R1 CH

CH3

CH R2+

R1 CH CH R2

CH3+

Transpozitie Wagner-Meerwein

(19)

Prima reacie implic specii neutre, n timp ce a doua specii

cationice. Amndou sunt transpoziii pentru c n amndou grupa care migreaz ( hidrogenul, n transpoziia sigmatropic, grupa metil n transpoziia Wagner-Meerwein ) nu prsesc molecula. O stare intermediar ntre substrat i produs ar putea fi reprezentat astfel:

HC

HCCH

CH

CHH

R1 R2+

HC CH

CH3

R1 R2

+

20 21 Starea de tranziie 20 corespunde transpoziiei sigmatropice i indic

faptul c atomul de hidrogen care migreaz nu prsete molecula, fiind tot timpul legat de aceasta. Acelai mers al procesului este indicat i de 21 pentru migrarea grupei metil. n aceast seciune ne vom ocupa numai de reacii de tipul transpoziiei Wagner-Meerwein, transpoziia sigmatropic va fi discutat n cadrul reaciilor periciclice. Termenul de izomerizare este mai general i nseamn transformarea unui izomer ntr-altul, fr a ine seama cum se produce aceast transformare.

Termenul englezesc pentru transpoziie este rearrangement sugernd rearanjarea atomilor n interiorul unei molecule ( deci un proces concertat ). Termenul francez utilizat pn nu de mult a fost cel de transposition dar e din ce in ce mai mult inlocuit de rearrangement. Termenul german este Umlagerung sugernd schimbarea aranjamentului iniial.

Transpoziii nucleofile, sau transpoziii cationice, primul tip de transpoziii discutat, au loc n carbocationi i sunt denumite astfel pentru c grupa care migreaz ( de ex., grupa metil din transpoziia Wagner Meerwein ) migreaz cu electronii legturii, producnd atacul la centrul

12

cationic ( desemnat de regul drept C ) similar cu atacul unui reactant nucleofil din reaciile SN1.

Transpoziii electrofile sau transpoziii anionice au carbanionii drept intermediari. Grupa care migreaz se afl iniial n iar centrul carbanionic ce gsete n . Pentru ca reacia s se produc uor, grupa migratorie s migreye fr electronii legaturii, trebuie ca centrul anionic generat n s fie stabil, de preferin mai stabil dect n . Un exemplu este artat n Schema 1.6, ilustrnd transpoziia unui eter benzilic.

Schema 1.6

Ph-CH2 - O -R1 + R2Li PhCH - O - R

1..--R2HLi+

Ph-CHR1-O-Li+ Transpoziiile homolitice implic intermediari radicalici i sunt mult

mai rar ntlnite dect celelalte tipuri de transpoziii. Reaciile periciclice sunt la rndul lor reacii concertate n care

starea de tranziie este ciclic. Unele dintre acestea sunt transpoziii concertate, de exemplu:

i) Transpoziiile sigmatropice ( v. mai sus reacia (18) i starea de tranziie 20 ); exemplul din reacia (18) implic o migrare a unei legturi carbon-hidrogen. Exist i posibilitatea migrrii unor legturi carbon-carbon. Un exemplu este dat prin reacia (20):

R2

R2

R1

R1

R2

R2

R1

R1

(20)

Ca i n cazul migrrii de hidrogen (18), i n acest caz starea de

tranziie este ciclic:

;

R1

R1

R2

R2

22 Dac n migrarea de hidrogen (18) legtura care a migrat are un

singur capt, n reacia (20) legtura care migreaz are dou capete. n

13

capitolul tratnd reaciile periciclice se va arta cum pot fi indicate prin nomenclatur cele dou tipuri de migrri.

ii) Reaciile electrociclice. n schema 1.7 sunt artate dou tipuri de transformri electrociclice.

Prima dintre reaciile prezentate n aceasta schema este transformarea reversibil a butadienei n ciclobutadien.

A doua reacie corespunde transformrii reversibile a hexatrienei n ciclohexadiena. i n acest caz strile te tranziie sunt ciclice i implic o repartizare uniforma a electronilor pe intreaga periferie a atomilor implicai (v. strile de tranziie 23 i 24).

Schema 1.7

23

;

;

24 Alte dou tipuri de reacii periciclice nu sunt reacii de transpoziii

concertate, ele implicnd doi parteneri de reacie. iii) Reacii de cicloadiie: sunt reacii avnd loc ntre dou

componente prezentnd fiecare un sistem simplu sau extins. n schema 1.8 sunt date dou exemple de astfel de reacii:

Schema 1.8

Cicloaditii 2 + 2 : +

Stare de tranzitie

Cicloaditii 4 + 2: +

Stare de tranzitie

14

Cicloadiia 4 + 2 este cunoscut n special sub numele de reacie Diels-Alder. Aa cum rezulta din schema 1.8, strile de tranziie ale acestor reacii sunt de asemenea ciclice.

iv) Reacii cheleotropice: Sunt reacii ntre o component prezentnd duble legturi conjugate i o component avnd electroni neparticipani, de exemplu reaciia dintre butadien i bioxidul de sulf:

+ :SO2 SO2 (21)

Numele acestor reacii vine de la cuvntul grecesc (chele)

care nseamn ghear, clete. ntr-adevr, privind reacia (21) avem senzaia c butadiena prinde bioxidul de sulf ca-ntr-un clete.

1.2.5. Alte criterii de clasificare a reaciilor organice Un alt tip de clasificare al reaciilor organice este dup tipul acesteia

i a produilor care se obin. De exemplu: 1. Condensri de esteri 2. Acilri 3. Condensarea aldolic i crotonic 4. Transpoziia benzilic 5. Condensarea benzoinic 6. Oxidarea i reducerea 7. Ozonoliza 8. Transpoziie pinacolic etc. Lista n acest caz poate fi foarte lung i este uneori adoptat n

lucrri de ansamblu sau cri. O alt posibilitate este clasificarea reaciilor dup numele

descoperitorilor ei, de exemplu: 1. Reacie Arndt - Eistert 2. Transpoziie Cope 3. Reacie Diels-Alder 4. Reacie Friedel-Crafts 5. Reacie Hunsdicker 6. Reacie Mannich 7. Reacie Pschorr 8. Reacie Wurtz etc Aceast clasificare sau o combinare dintre cele dou este frecvent

adoptat n referate i cri tiinifice.

15

1,3. Coninutul prezentului curs Materialul expus n tratarea de fa a fost sistematizat n trei pri.

Prima parte n afara acestui capitol mai conine un capitol dedicat structurii i stereochimiei compuilor carbonului, tratare absolut necesar n discutarea problemelor din prile urmtoare. n partea doua vom adopta clasificarea reaciilor conform clasificrii fcute n Tabelul 1.1. Vom ine de asemenea seama i de completrile fcute la acest tabel privind diversificarea acestor reacii dup tipul de mecanism i tipul reactanilor sau substratelor. n ultima parte, reaciile organice vor fi clasificate dup numele descoperitorilor lor ( v. paragraful precedent ). Astfel, lund drept exemplul substituia aromatic electrofil ( vezi subcapitolul 1.3 ), aceasta va fi denumit (dup cum s-a i pomenit mai sus), reacie Friedel-Crafts. n aceasta parte se vor da cele mai multe exemple de aplicaie a principiilor reaciilor organice n sinteze de produi utilizai in industria de medicamente.

n cadrul reaciilor de deplasare nucleofil suferite de clorurile acide:

C

O

R

ClNu:- C

O

R

Nu + Cl- (22)

vom da ca exemplu i reacia Arndt-Eistert menionata la paragraful 2.3 din acest capitol: R-CO-Cl + CH2N2 R-CO-CH-N=B R-CH2-COOH (23)

Pe lng astfel de completri, vom acorda o atenie i reaciilor de

oxidare i reducere, necuprinse n Tabelul 1.1, dar menionate n seciunea 2.3 a acestui capitol.

Bibliografie selectiv 1. Jerry March, Advanced Organic Chemistry, John Wiley & Sons,

New York, 4thEd. 1992; 6th Ed. 2007. 2. Jie Jack Li, Name Reactions, Springer , Berlin, 2003. 3. Florin Badea, Reaction Mechanisms in Organic Chemistry,

Abacus Press, Tunbridge Wells, Kent, 1977. 4. Laszlo Kurti and Barbara Czako, Strategic Applications of Named

Reactions in Organic Synthesis, Academic Press, New York, 2005.

16

5. John S. Carey, David Laffan, Colin Thamson and Mike T. Williams, Analysis of the Reactions used for the Preparation of Drug Candidate Molecules, Biomol. Chem. 2006, 4, 2337 2347.

1

TIPURI DE REACII N CHIMIA ORGANIC

CUPRINS

PARTEA NTIA GENERALITI PRIVIND OBIECTIVUL CURSULUI

Capitolul 1. Clasificarea reaciilor organice 1.1. Obiectivele disciplinei 1.2 Clasificarea reaciilor organice 1.2.1. Componentele unei reacii organice 1.2.2. Clasificarea dup tipul de transformare suferit de substrat 1.2.3. Clasificarea dup natura reactantului sau intermediarilor de reacie 1.2.4. Clasificare dup mecanismul reaciilor organice 1.2.5. Alte criterii de clasificare a reaciilor organice 1.3. Coninutul prezentului curs 1.4 Bibliografie selectiv 15 pagini Capitolul 2. Componentele Organice ale Reaciilor organice.

Intermediari reactivi n reacii organice 2.1. Substrat i Produs de Reacie 2.1.1. Atomul de carbon 2.1.2. Atomul de carbon tetraedric ( sp3 ) 2.1.3. Atomul de carbon cu hibridizare sp2 a. Cationul metil sau ionul de meteniu, CH3+ b. Radicalul liber metil i carbanionul metil c. Etena i alchene superioare d. Poliene i. Cu duble legturi izolate ii. Cu duble legturi conjugate e. Energia orbitalilor f. Compui aromatici

2

2.1.4. Hibridizarea sp a. Carbene b. Acetilena i derivai

2.2. Simetria i chiralitatea compuilor carbonului 2.2.1. Simetria compu;ilor organici 2.2.2 Elemente i operaii de simetrie a. Operaia de identitate ( E sau I ) b. Operaia de rotaie n jurul unei axe ( Cn) c Operaia de reflecie ntr-un punct ( i ) d. Operaia de reflecie ntr-un plan ( ) e. Operaia de rotaie-reflecie sau de rotaie impropie (Sn) f. Produsul a dou sau mai multor operaii de simetrie

2.2.3. Grupuri de simetrie . a. Noiunea de grup n matematic b. Clasificarea moleculelor dup grupurile punctuale 2.2.4. Simetria i chiralitatea compuilor organici a. Elemente de chiralitate b. Indicarea configuraiei 2.2.4. Conformeri 2.2.5. Probleme 32 pagini

PARTEA A DOUA CLASIFICAREA REACTIILOR ORGANICE

DUP MECANISMUL DE REACIE Capitolul 3. Substituia nucleofil la atomul de carbon saturat 3.1. Tipurile de mecanisme SN la carbonul saturat 3.1.1. Mecanismul bimolecular, SN2 3.1.2. Mecanismul monomoleculare, SN1 3.1.3. SN cu participarea grupelor vecine n substitua nucleofil ( SN cu asisten ) 3.1.4. Transpoziia Wagner-Meerwein ( SN cu asisten ) 3.2. Transpoziia alcanilor 3.3. Mecanismul SET n reaciile SN 3.4. Mecanismul SNi 3.5 Probleme 18 pagini

3

Capitolul 4. Substituia nucleofil aromatic 4.1. Mecanismul de substituie prin adiie eliminare 4.2. Mecanismul SN1 4.3. Mecanismul prin arine ( 1,2-dehidroarene ) 4.3.1. Exemple de substituie prin arine 4.3.2. Structura arinelor 4.3.3. Utilizarea arinelor ( dehidroarenelor ) n sintey 4.4. Mecanismul radicalic 4.5. Mecanismul substituiei nucleofile ANRORC 4.6. Mecanismul prin substituie indirect ( engl. Vicarious

nucleophilic substitution ) 13 pag. Capitolul 5. Substituia electrofil alifatic 5.1. Introducere 5.2. Mecanisme n substituia electrofil alifatic 5.3. Mecanismul SE1 5.3.1. Stereochimia reaciei a. Mecanismul reinerii configuraiei b. Mecanismul inversiei configuraiei c. Mecanismul racemizrii d. Mecanismul izoracemizrii 5.4. Alte exemple de SE a. Reacia SE2 b. Reacia SE1 c. Transpoziii moleculare anionice ( Transpoziia Wittig, Favorsky, Reacia Ramberg-Bcklund ) 5.5. Probleme 16 pagini Capitolul 6. Substituia aromatic electrofil 6.1. Introducere 6.2. Particularitile substituiei aromatice electrofile 6.2.1. Electrofilul 6.2.2. Orientare 6.2.3. Intermediarii substituiei 6.2.4. Control Cinetic 6.3. Reactivitatea relativ n substituia aromatic

4

6.4. Substituii electrofile mai importante 6.4.1. Nitrarea 6.4.2. Reacia de alchilare Friedel-Crafts 6.4.3. Acilarea Friedel-Crafts 6.4.4. Alte substituii aromatice nrudite cu reacia Friedel-

Crafts 6.5. Probleme 6.6. Literatur 25 pagini Capitolul 7. Reacii de adiie la alchene 7.1. Adiii de halogen 7.1.1. Ionul de haloniu 7.1.2. Alte etape n adiia halogenului la alchene 7.1.3. Contribuia Catedrei de Chimie Organic 7.1.4. Stabilitatea ionilor de haloniu 7.1.5. Alte date confirmnd mecanismul adiiei electrofile 7.2. Alte adiii de electrofili 7.2.1. Adiia sulfenil clorurilor, R-SCl 7.2.2. Adiia srurilor mercurice 7.2.3. Adiia hidracizilor 7.3. Probleme 7.4. Literatur 20 pagini Capitolul 8. Adiii nucleofile 8.1. Introducere 8.2. Adiii nucleofile la grupa carbonil 8 .2.1. Ecuaia Hammett ( ) 8.2.2. Adiia carbanionilor la grupa carbonil a. Condensarea aldolic b. Condensarea Claisen c. Adiia reactanilor Grignard d. Reacia Bazlis-Hillman e. Condensarea benzoinic i retro-benzoinic 8.2.3. Condensri ntre aldehide i cetone 8.2.4. Stereochimia adiiilor la grupa carbonil

5

8.3. Adiii la tripla legtur 8.4. Probleme 8.5. Literatur 24 pagini Capitolul 9. Reacii de eliminare 9.1. Introducere 9.2. Eliminri ( E ) 9.2.1. Stereochimia adiiei carbenelor la alchene 9.2.2. Sinteze organice care folosesc carbene a. Sinteza Doering LaFlamme a alenelor b. Sinteza Arndt Eistert de homologare c. Transpoziia Curtius 9.3. Eliminarea 9.3.1. Mecanismul E1cB 9.3.2. Mecanismul E1 9.3.3. Mecanismul concertat n eliminrile ( E2 ) a. Eliminri de hidracid b. Eliminri E2 din dibrom derivai vicinali 9.4. Eliminarea ( ) 9.5. Probleme 9.6. Literatur 34 pagini Capitolul 10. Reacii periciclice unimoleculare 10.1. Introducere. Istoric 10.2. Reacii periciclice 10.3. Conservarea simetriei orbitalilor moleculari 10.4. Reacii sigmatropice 10.4.1. Mecanismul migrrii de hidrogen n sisteme polienice 10.4.2. Transpoziia Cope 10.4.3. Transpoziia Cope 10.4.4. Transpoziii sigmatropice n poliene policiclice 10.5. Transformri electrociclice 10.5.1. Transformri electrociclice [1,3] i [1,5] 10.5.2. Transformri electrociclice [1,6] 10.6. Probleme 10.7. Literatur 26 pagini

6

PARTEA A TREIA CLASIFICAREA DUP DENUMIREA

AUTORILOR

1

CAPITOLUL 2 Componentele Organice ale Reaciilor organice.

Intermediari reactivi n reacii organice Moto: Omul respect regulile Pmntului Ren fa Di Cum Pmntul urmeaz regulile Cerului. Di fa Tian Cerul copiaz pe Dao Tian fa Dao Iar Dao totdeauna ascult numai de el nsui Dao fa zi-ran

Lao Zi Dao i Puterea nainte de nceperea oricrei sinteze organice, trebuie s fim bine

informai asupra tuturor componentelor procesului chimic respectiv, chiar dac pentru efectuarea reaciei respective avem descrierea modului de lucru. Aceasta, n primul rnd, pentru a putea nelege comportarea substratului n toate situaiile posibile ale desfurrii procedeului de lucru. n al doilea rnd, n caz c nu putem executa ad literam procedeul, s putem decide asupra modificrilor procedeului iniial cu alte componente mai accesibile, astfel nct s obinem satisfctor produsul respectiv. Desigur, i buna cunoatere a produsului de reacie este necesar din motive similare. Comportarea acestor dou componente (i dac e cazul i a intermediarilor posibili de reacie) fa de mediul de reacie trebuie cunoscut.

2.1. Substrat i Produs de Reacie Att substratul ct i produsul de reacie sunt componentele organice

ale procesului chimic n desfurare dintr-o sintez organic. Pentru buna lor cunoatere este necesar mprosptarea cunotinelor noastre despre structura compuilor organici.

2.1.1. Atomul de carbon Atomul de carbon are n total 6 electroni, 2 electroni pe stratul

interior K i patru electroni n stratul exterior L. Acest strat, dup cum e bine-cunoscut, poate fi ocupat de maximum 8 electroni care pot fi plasai n patru orbitali atomici, ca n cazul neonului, Ne, sau n orbitali moleculari, n cazul compuilor derivnd de la carbon. Astfel de orbitali pot fi ocupai numai de doi electroni care trebuie s difere ntre ei prin spinul lor care poate fi fie +1/2 , fie 1/2 .

2

Cei patru orbitali atomici ai celui de al doilea strat electronic nu sunt identici: unul este de energie mai joas ( orbital 2s ) iar trei sunt de energie mai nalt (orbitali 2p). Orbitalii s i p au i simetrii diferite: orbitalii s au o simetrie sferic cu centrul sferei n centrul atomului, n timp ce orbitalii p admit un plan nodal situat in centrul atomului. In plus, cei 3 orbitali p de energii egale sunt orientai dup cele 3 axe x, y i z ( vezi Fig. 2.1, A, B. C ), fiind reciproc perpendiculari unul pe altul..

2.1..2 Atomul de carbon tetraedric ( sp3 ) n combinaiile tetravalente ale atomului de carbon, cei patru

orbitali energetic neechivaleni se combin ntre ei pentru a da natere la patru orbitali moleculari echivaleni. Unghiul format de doi orbitali vecini este de 109.28o, orbitalii respectivi fiind orientai spre colturile unui tetraedru regulat, n centrul cruia se afl atomul de carbon. Procesul respectiv este desemnat drept hibridizare sp3. n Fig. 2.1 D sunt nfiai cei patru orbitali hibrizi ai atomului de carbon tetraedric.

A B C D

Fig. 2.1. Simetria diverselor tipuri de orbitali: A. orbitalul 1s al He2; B. Orbitalii 1s si 2s al Be4; C. un orbital 2p; D. cei 4 orbitali

hibrizi ai carbonului, C6 Orbitalii moleculari 2sp3 se pot combina cu orbitalii 1s a patru atomi

de hidrogen pentru a forma molecula metanului ( Fig. 2.2 ):

H

HHH

Fig, 2.2. Cele 4 legturi C H de doi electroni din metan

3

n hidrocarburile superioare se pot contopi i 2 orbitali hibrizi sp3 de

la doi atomi de carbon pentru a forma legturi C- C ( v. fig. 2.3 ).

R1

CR2 R1

C

R3R2

R3

Fig. 2.3. Legtura C-C central din R1R2R3C CR1R2R3 Structura tetraedric a atomului de carbon tetravalent a permis

nelegerea chiralitii compuilor organici, o proprietate cunoscut de mult vreme, dar neleas mult mai trziu. n Fig. 2.4 se ia ca exemplu un alcool optic activ 1 ( R1 R2 ). Se vede c dac toi substituenii sunt diferii, aranjarea acestora ca n 1 este complet diferit de aranjarea din 2, cele dou structuri nu sunt superpozabile, 1 2, comportndu-se una fa de alta ca obiectul i imaginea sa n oglind:

R1

R2 OHH R2

R1R1

R2 HOHH

HO

==

1 2 (nesuperpozabil cu 1) 2 Fig. 2.4. Structura a doi alcooli enantiomeri, 1 i 2 ( R1 R2) Aa cum rezult din figur, cele dou structuri izomere 1 i 2 nu

sunt superpozabile. Cu toate acestea, structura lor implicnd aceleai legturi ntre atomii moleculei i aceleai vecinti ntre atomii nelegai direct ntre ei, cei doi izomeri vor avea aproape toate proprietile lor identice; vor diferi numai prin rotirea planului luminii polarizate i vor prezenta un comportament biochimic diferit.

2.1.3. Atomul de carbon cu hibridizare sp2 Hibridizarea sp2 este ntlnit la unii intermediari reactivi de reacie,

de regul neizolabili ( radicali liberi, carbocationi i carbanioni ), precum i la compui stabili ai carbonului ( alchene, derivai funcionali oxigenai sau

4

azotai etc. ). Vom ncepe cu structura derivailor structural cei mai simpli, indiferent de stabilitatea acestora. Din acest punct de vedere cel mai simplu compus cu care vom ncepe este ionul de meteniu, cationul metil CH3*.

a. Cationul metil sau ionul de meteniu, CH3* n cationul metil 3 atomi de hidrogen, fiecare cu un electron ntr-un

orbital 1s se combina cu un atom de carbon avnd un electron mai puin; astfel se vor combina 2 orbitali p cu un orbital s, simetria orbitalului sp2 rezultat fiind sp2 . Cei trei orbitali hibrizi sp2 sunt situai n acelai plan, formnd un unghi de 120o ntre doi orbitali vecini ( simetrie plan, Fig. 2. 5 ).

A B C

Fig. 2.5. Intermediari reactivi de reacie ai atomului de carbon A. Cationul CH3*; B. Radicalul CH3: ; C. Carbanionul CH3- Datorit orbitalului p vacant, carbocationii sunt electrofili puternici.

O hibridizare similar cu cea a cationului metil pot avea i carbenele. Structura acestora va fi tratat ns separat n acest capitol.

b. Radicalul liber metil i carbanionul metil Numai structurile A i B ( carbocation i radical liber ) din Fig, 2.5

corespund unor structuri stabile. Structura C ( carbanionul metil ) este instabil; mai sraca n energie dect aceast structur este structura tetra- edric D din Fig, 2.6.

HH

H

H

H

H

D C D' Fig. 2.6. Carbanionul metil. Structura tetraedrica sp3D este numai

cu puin mai stabil dect structura plan sp2 C; din aceasta cauz cele dou structuri se pot echilibra ntre ele Diferena de energie mic dintre cele dou structuri D i C permite

echilibrarea acestora. n acelai timp cu aceast echilibrare, la revenirea la

5

starea de hibridizare sp3, se poate produce i o rsturnare a tetraedrului ( D D , Fig. 2.6 ). Acest proces este deosebit de important pentru stereochimie ( v. Procese de racemizare a compuilor optic activi ).

c. Etena i alchenele superioare Etena, C2H4, este o molecul simetric, deci H2C CH2. Fiecrui

atom de carbon va trebui s-i corespund o hibridizare sp2, deci o structur radicalic asemntoare cu cea a radicalului metil (Fig. 2.7). Dac electronii liberi de la cei doi atomi de carbon au spin opus, ei vor forma un orbital molecular extins peste cei doi atomi de carbon:

Fig. 2.7. Orbitalul din eten In cazul etenelor 1,2-disubstituite ( alchil, aril, halogen etc. ) este

posibila o orientare diferit a celor doi substitueni, ca n cazul celor dou butene, 3 i 4 :

C CH

CH3

H3C

H

C CCH3

H

H3C

H

3 4 Prima aranjare, n exemplul dat 3, corespunde dispunerii trans a

celor doi substitueni ai dublei legturi ( n cazul de fa grupele metil ); cealalt, orientrii cis .

Dac substituirea unui atom de carbon tetraedric, sp3, putea conduce la enantiomeria compuilor organici, substituirea atomilor de carbon sp2 dintr-o alchen poate genera izomeria geometric ( un tip de diastereomerie ).

d. Poliene Plasarea a dou sau mai multor duble legturi n structura unui

compus organic poate fi fcut n mai multe moduri: i) Duble legturi izolate: Dublele legturi pot fi distanate ntre ele,

ca n hexadiena 1-5:

H2CHC CH2-CH2-CH CH2

5

6

n acest caz cele dou duble legturi nu se vor influena una pe alta, nici n proprietile fizice, nici n cele chimice.

ii) Duble legturi alterneaz cu o singur legtur simpl ( duble legturi conjugate ). Drept exemplu vom da hexadiena-2,4 ( 6 ) i octa-triena-2,4,6 ( 7 ):

CH3-CH=CH-CH=CH-CH3 ; CH3-CH=CH-CH=CH-CH=CH-CH3 6 7

Att proprietile fizice (de ex., absorbia n UV), ct i cele chimice

(de exemplu, adiia de halogen) sunt afectate. Aceasta se datoreaz faptului ca cei 4 electroni din 6 ( respectiv 6 electroni din 7 ) formeaz un orbital extins peste ntreaga molecul, fapt care se poate arta n dou moduri artate n fig. 2.8 pentru diena cea mai simpl, buta-1,3-diena 8.

H2C = CH - CH = CH2 H2C - CH - CH - CH2

A. B Fig. 2.8. Conjugarea legturilor n buta-1,3-diena 8 A. Indicarea conjugrii prin sgei. Util n nelegerea

reactivitii dienei. B. Orbitalul de enegie cea mai joas e. Energia orbitalilor Stabilitatea i reactivitatea orbitalilor moleculari este dat de energia

i simetria acestora. Este util ca aceast energie s fie exprimat funcie de trei parametri. Unul dintre acestea este integrala Coulomb , definit astfel:

i = iHidv (1) i integrala de legtur sau integrala de rezonan ij

ij = iHjdv (2)

7

Ultima integral este integrala de ntreptrundere ( overlap integral ) Sij :

Sij = jdv (3) unde indicii i i j indic atomii i i j ntre care se stabilete orbitalul , iar , j sunt funciile de und orbitale ale atomilor i i j.

Folosind aceste notaii, orbitalul de energie cea mai joas din eten are simetria indicat n figura 2.7 i energia orbitalului fundamental, 1:

l = + (4) Energia total a etenei (E), innd seama c sunt doi electroni : E = 2( + ) , (4a)

n care indicile l al energiei arat c este vorba de energia orbitalului de legtur, ocupat n starea fundamental. Pe lng acest orbital, exista i un orbital de antilegtur, vacant n starea fundamental i care se poate ocupa cu un electron la excitarea fotochimic a moleculei. n figura 2.9 este reprezentat acest orbital antilegtur, vacant n starea fundamental.

Fig. 2.9. Simetria orbitalului de antilegegtur din eten. A se observa c acest orbital nu este ocupat cu electroni Oricrei legturi de doi electroni i corespund doi orbitali, un orbital

de energie joas, ocupat n starea fundamental i un orbital de energie nalt, vacant n starea fundamental, dar care poate fi ocupat la excitarea energetic a moleculei.

n cazul butadienei avem patru electroni conjugai. Acetia vor da natere la patru orbitali, de energii i simetrii diferite. Orbitalul de energie cea mai joas ( 1 ), ocupat cu doi electroni, a fost reprezentat n figura 2.8. B. n ordinea creterii energiei, i cel de al doilea orbital molecular ( energie 2 ) este la rndul lui ocupat n starea fundamental. Urmtorii doi orbitali ai butadienei, cu energiile 3 i 4, sunt vacani n starea fundamental i deci sunt orbitali de antilegtur.

n concluzie, un sistem de patru electroni conjugai posed patru orbitali , doi orbitali de legtur i doi orbitali de antilegtur.

8

n Fig. 2.10 sunt artate simetriile i energiile celor patru orbitali 1 4 din butadien:

x x

x x

x x

x x

4 = 1,6

3 = 0,6

2 = + 0,6

1 = + 1,61;

2;

3;

Y4;

Figura 2.10. Simetriile i energiile orbitalilor din butadiena; 1, 2 orbitali de legtur; 3, 4 orbitali de antilegtur Rezult din cele artate mai sus c energia total a butadienei este: E = 2( + 1,6) + 2( + 0,6) = 4 + 4,4 (5) Energia de delocalizare a electronilor peste cei patru atomi de

carbon din butadiena (deci, cu ct un sistem de duble legturi conjugate este mai stabil dect un sistem cu duble legturi neconjugate) este dat comparnd valoarea energiei obinut n (5) cu energia a dou molecule de eten:

E = 4 + 4,4 2(2 + 2) = 0,4 (6) Dac energiile orbitalilor se exprim funcie de parametrii i ,

energiile de delocalizare se exprim n uniti . f. Compui aromatici Un caz special al delocalizrii electronilor pe o periferie de mai

muli atomi de carbon l prezint compuii aromatici, benzenul fiind cel mai tipic reprezentant al acestei clase de compui. Benzenul are pe o periferie ciclic de 6 atomi de carbon, trei legturi alternnd cu 3 legturi , avnd n consecin 6 orbitali .

n Fig. 2.11 sunt reprezentate energiile acestor orbitali.

9

19

1 = + 2

2 = 3 = + E = 6 + 8 ( 6 + 6) = 2 4 = 5 =

6 = 2 Fig. 2.11. Energiile celor ase orbitali din benzen si energia sa de dekocalizare E. Numai primii 3 orbitali sunt ocupai n starea fundamental Exist i alte poliene ciclice prezentnd o conjugare continu a

dublelor legturi i care, totui, nu prezint caracter aromatic. Un exemplu l reprezint ciclobutadiena 9 i ciclooctatetraena 10, doi compui cu un pronunat caracter nesaturat.

9 10 n efortul de a gsi i alte exemple de compui prezentnd caracter

aromatic, s-a gsit c i unele poliene ciclice ionice (cationice sau anionice) au un astfel de caracter:

..-

+

+

11 12 13 S-a conchis astfel c pentru a fi aromatic, un sistem ciclic conjugat

continuu (neutru, cationic sau anionic) trebuie s posede un numr de 4n +2 electroni , n care n are valorile ntregi 1,2.. Astfel, dintre sistemele neutre, pe lng benzen mai sunt aromatice i poliene macrociclice, cum ar fi ciclodecapentaena. Dintre sistemele ionice, 11 i 13 sunt cationi cu 2 (n = 0) i respectiv 6 electroni , n timp ce 12 este un anion aromatic cu 6 electroni n sistemul conjugat continuu.

10

2.1.4. Hibridizarea sp Dac hibridizarea sp3 este tetraedric, cea sp2 trigonal, hibridizarea

sp este o hibridizare liniara i este ntlnit la metilen, CH2 i la acetilene. a. Carbene Carbanele sunt derivai ai carbonului divalent ( intermediari reactivi

de reacie ) Importana lor, printre altele, este i aceea c structura lor poate oscila ntre o structur trigonal, sp2, si una liniar, sp. Cea mai simpl carben este metilena, CH2, la care trecerea ntre cele dou structuri se face relativ uor.

H H

H - C - H :CH2..

H

H

A B Fig. 2.12. Structurile posibile ale metilenei, CH2. A. Structura triplet, liniar (hibridizare sp) B. Structura trigonal (hibridizare sp2) n carbena triplet sau liniar, numai doi dintre orbitalii atomului de

carbon se hibridizeaz pentru a lega cei doi atomi de hidrogen a moleculei. Ceilali doi orbitali rmn perpendiculari unul pe celalalt, fiecare dintre ei pstrnd un electron. Metilena cu aceast structur are deci un caracter diradicalic, triplet ( Fig. 2.12.A).

n carbena trigonal sau singlet, trei orbitali se hibridizeaz sp2. Ei vor fi situai n acelai plan. Doi dintre orbitalii hibrizi se vor lega de cei doi atomi de hidrogen; al treilea orbital hibrid va conine o pereche de electroni neparticipani. Perpendicular pe planul celor trei orbitali hibrizi se gsete un orbital p vacant. Carbenele singlet ar putea avea fie un caracter nucleofil (prin perechea de electroni neparticipani), fie electrofil (prin orbitalul p vacant). n cazul metilenei, structura cea mai stabil este structura triplet. innd seama de principiul c pe parcursul unui proces termic, multiplicitatea iniial nu se schimb pe parcursul procesului i c majoritatea compuilor organici n starea fundamental sunt singlet, metilena proaspt generat ntr-un proces termic se va afla in starea singlet.

11

Dac probabilitatea producerii unei reacii este mic (de exemplu, diluare cu un inert), ea trece n forma triplet, mai stabil.

Reaciile carbenelor vor fi discutate ntr-un capitol aparte. b. Acetilena i derivai n acetilen doi atomi de carbon hibridizai sp se unesc printr-un

orbital hibrid intre ei. Perpendicular unul pe altul, la fiecare atom de carbon exist doi orbitali, ocupai cu cte un singur electron. Dac acetia sunt orientai paralel i spinul electronilor n cte doi orbitali vecini i paraleli este diferit, vor lua natere dou legturi , perpendiculare una pe alta (Fig. 2.13)

H H

H - C - C - H

Fig. 2.13. Tripla legtur din acetilen Datorit orbitalilor acetilenele au un comportament chimic

asemntor cu al alchenelor: dau reacii de adiii, de cicloadiii etc., chiar dac reactivitatea lor fa de reactanii tipici ai dublei legturi e ceva mai mic dect a alchenelor cu acelai numr de atomi de carbon.

2.2. Simetria i chiralitatea compuilor carbonului Studiul oricror reacii organice trebuie s stabileasc: a. Considerarea termodinamicii proceselor. n majoritatea tratatelor

de chimie fizic, de la nceput se precizeaz: Dac termodinamica procesului spune c reacia este imposibil ( entalpia liber i entropia ridicate ) nu merit s-i bai capul cu studiul unei astfel de reacii.

12

b. n caz c procesul este posibil, experienele trebuie s identifice i s precizeze toi produii de reacie. Fr cunoaterea acestora, studiul tehnologic, preparativ sau teoretic (stabilirea mecanismului de reacie etc. ) nu poate duce la un rezultat mulumitor.

c. Cinetica procesului ( vezi capitolele urmtoare ) d. Stereochimia procesului, deosebit de important n special pentru

procesele biochimice. n acest capitol vom dezvolta numai aspectul stereochimic al

proceselor organice, acest aspect fiind strns legat de cunoaterea exact a structurii reactanilor, respectiv a produilor de reacie.

2.2.1. Simetria compuilor organici Simetria corpurilor ( deci i a moleculelor ) este asociat cu forme

regulate, proporii graioase, cu o periodicitate sau un aranjament graios. Se consider adesea c simetria determin frumuseea. Ea este o proprietate universal a lumii noastre.

i totui, simetria e o abstracie a judecii noastre. Universul, lumea din jurul nostru, nu sunt perfect simetrice. Asimetria lui se ascunde sub un aspect simetric. De exemplu, Pmntul nostru, dac facem unele abstracii ale neregularitilor de la suprafa, e simetric. Intr-adevr, cea mai adnc groap n Pacific, groapa Marianne are 11034 m iar cel mai nalt munte, Everestul, are 8848 m, ceea ce nsumeaz 19882 m, fa de 6.378.388m , ct reprezint raza pmntului. Variaiile de la suprafa reprezint o deviere de numai 0,15%, ceea ce justific s-l considerm practic simetric.

Simetria unui corp ( sau compus ) se definete n raport cu un centru de simetrie, o ax de simetrie, un plan de simetrie, sau o combinare a ultimilor dou ( ax i plan ). Astfel metanul ( v. Fig. 2.2 ) are un centru de simetrie, centrul atomului de carbon. Pe lng acesta posed i patru axe de simetrie care trec fiecare printr-o ax C H. Rotirea n jurul unei astfel de axe cu 120o duce la o nou orientare care nu poate fi deosebit de orientarea precedent. Benzenul, o alt molecula foarte simetric are un plan de simetrie, planul moleculei, dar i 6 plane perpendiculare pe planul moleculei ( v. mai departe ). Chimitii organicieni au izbutit s creeze prin sintez chimic molecule cu cele mai variate i complexe forme geometrice, aa precum prismanul ( vezi Fig. 2. 14, A ), cubanul ( Fig. 2.14. B ), adamantanul ( Fig. 2.14. C ) i dodecaedranul ( Fig. 2.14. D ). Chiar dac astfel de molecule nu au o utilizare direct, sinteza lor a constituit un succes, confirmnd structura i simetria compuilor carbonului.

13

H

H H

H

H H

H

HH

H H

H

H

H

H

A B C D Fig. 2.14. Molecule organice prezentnd structuri geometrice regulate

Analiza simetriei unui corp implic identificarea tuturor elementelor de simetrie ale acestuia i totodat, operaiile de simetrie care se pot efectua n jurul acestora.

2.2.2. Elemente i Operaii de simetrie Un element de simetrie este un element geometric fix dintr-o

molecul. O operaie de simetrie este operaia real sau imaginar care se poate face n jurul acestui element fix pentru a obine o nou orientare a corpului sau moleculei, o orientare care nu poate fi deosebit de orientarea iniial. Dac pe parcursul executrii unei astfel de operaii nchidem ochii i i redeschidem dup ce operaia s-a terminat nu ne vom putea da seama c s-a produs o schimbare.

Operaiile de simetrie sunt: a. Operaia de identitate ( E ): Nu este propriu zis o operaie, aceasta

implicnd lsarea corpului exact n poziia n care se afl. Se simbolizeaz cu E sau I i a fost introdus din raionamente matematice.

b. Operaia de rotaie n jurul unei axe, Cn: Rotirea corpului sau moleculei n jurul unei axe poate aduce corpul ntr-o nou poziie ce nu poate fi deosebit de prima. Prin aceasta, orice punct material al corpului de coordonate P(x,y,z) va trece ntr-un alt punct P(x,y,z) ( v. Fig. 2.15 ). Simbolul operaiei de rotaie este C iar indicele n indic gradul axei de rotaie. Acesta este ca raportul dintre 360 ( o rotaie complet ) i numrul minim de grade cu care putem roti corpul pentru a ajunge ntr-o orientare care nu poate fi deosebit de prima orientare.

n = 360 / (numr minim de grade) O rotaie Cn poate fi repetat. Rezultatul celor dou operaii

succesive va fi exprimat prin Cn2, trei operaii succesive prin Cn3 etc. Evident, n rotaii Cn vor aduce punctul n poziia iniial, sau:

Cn.Cn = Cnn = E (7)

14

x P(x,y,z)

x

y

z

P'(x',y',z')

( z- ,y- ,x-)P''

O

Fig. 2.15. A. Rotaia unui punct P(x,y,z) n jurul axei y. B. Reflecia aceluiai punct n centrul axelor x,y,z. Trebuie specificat faptul c n trebuie s fie un numr ntreg. S

dm cteva exemple. Un triunghi echilateral posed o ax de rotaie perpendicular pe

triunghi i care este plasat n centrul triunghiului.

A B

CCr B

C A

120o

3 = 360 / 120 n mod similar, un ptrat va avea o ax C4 , iar un hexagon o ax C6.

O molecul linear, de exemplu acetilena, are o ax de rotaie care trece chiar prin axa moleculei. Pentru a obine o orientare echivalent cu prima este suficient s rotim molecula cu un unghi infinitezimal de mic, deci ordinul axei este C.

c. Operaia de reflecie ntr-un punct, i Operaia de reflecie ntr-un punct este figurat n Fig. 2.15. Punctul

P de coordonate x,y,z este unit cu centrul de coordonate, iar dreapta rezultat este prelungit dincolo de acest punct cu o lungime egal. Se obine astfel punctul P de coordinate x, -y, -z. Prin efectuarea acestei operaii, coordonatele oricrui punct material i inverseaz semnul. De aici, operaia mai este denumit i operaia de inversie, (i).

15

Efectuarea unei operaii de inversie punctului P ne readuce n punctual P, sau, respectnd simbolismul matematic folosit nainte:

i.i = i2 = E (8) d. Operaia de reflecie ntr-un plan, Operaia de reflecie ntr-un plan este reprezentat n Fig. 2.16.

.P(x,y,z)

.

. P'(x,-y,z

x

z . = 2 =

Fig. 2.16. Reflecia unui punct P(x,y,z) ntr-un plan (x,z). Ca i n cazul precedent, efectuarea succesiv a dou operaii de

reflecie aduce punctul n poziia iniial. e. Operaia de rotaie-reflecie sau rotaia improprie, Sn Spre deosebire de operaiile menionate nainte care sunt operaii

relativ simple, aceast operaie implic efectuarea succesiv a dou operaii, rotirea punctului P(x,y,z) n jurul unei axe Cn pentru obinerea unui punct P(x,y,z), urmat de reflecia acestui punct ntr-un plan perpendicular pe axa Cn . Ordinul n al unei rotaii improprii este dat de ordinul n al axei Cn:

Sn = Cn = Cn (9) Ordinea n care se execut cele dou operaii elementare nu are

importan. Trebuie ns respectat condiia pentru existena acestei operaii de simetrie i anume aceea c cele dou operaii elementare constitutive trebuie s fie reciproc perpendiculare una pe alta.

Desigur, un corp poate poseda drept elemente de simetrie att rotaia Cn ct i reflecia . De ce trebuie atunci s mai considerm i operaia Sn?

16

Rspunsul este simplu: pentru ca una sau ambele componente ale lui Sn , anume Cn i , pot s nu se gseasc printre elementele de simetrie ale corpului respectiv. Vom da drept exemplu trans-1,2-dicloretena (Fig.2. 17):

C CClb

H

H

Cla

C2

C CClb

H

H

Cla

C2

C CClb

H

H

Cla

C CH

Clb

Cla

H

(A)

C CH

Cla

Clb

H

C CCla

H

H

Clb

(B)

(C)

C2

E2 = .C2

Fig. 2.17, Operaia de rotaie reflecie (reflecie improprie). A. Rotirea n jurul axei moleculei, C2 B. Reflecia n planul perpendicular pe mijlocul axei moleculei. C. Operaia de rotaie-reflecie (rotaie improprie), E2 Elementele constitutive ale rotaiei improprii a dicloretenei sunt axa

molecular C2 i planul de reflecie , perpendicular pe mijlocul axei C2. Se vede cu uurin c nici una dintre aceste operaii nu este o operaie de simetrie a moleculei de dicloreten ( Fig. 2.17. A i B ). In schimb executarea celor dou operaii una dup alta duce la o nou reprezentare (C) diferit de reprezentarea iniial ( interschimbarea celor doi atomi de clor, cu pstrarea ns a orientrii iniiale ), dar totui, daca n-am fi marcat cei doi atomi de clor, aceast schimbare n-ar fi putut fi decelat.

f. Produsul a dou sau mai multor operaii de simetrie n paragrafele precedente am folosit de multe ori simbolistica

matematic n indicarea efecturii succesive a mai multor operaii de simetrie, de exemplu relaiile 7-9. Conform exemplelor date, vom defini produsul a dou sau mai multor operaii de simetrie efectuarea succesiv a acestor operaii. Putem avea produs ntre operaii de acelai fel, sau diferite.

17

Vom exemplifica produsul unor operaii de acelai fel n cazul rotaiei C6 , n cazul benzenului. Axa C6 este perpendicular pe centrul moleculei benzenului.. Efectuarea tuturor produselor operaiilor C6 posibile i relaiile care se pot stabili ntre ele este aratat n Fig. 2. 18:

1 6 5

6 2 5 1 4 6

5 3 4 2 3 1

4 3 2

2 3 4

1 3 2 4 3 5

6 4 1 5 2 6

5 6 1

C6 C6

C6

C6C6

C6

C3 = C62

C2 = C6

3C6-4

= C3-1

C6-1

Fig. 2.18. Operaii de rotaii n jurul axei de ordin superior (C6) din molecula benzenului Se vede cu uurin c: Cnm = Cp (10) unde n/m = p, numai dac p este un numr ntreg. n

caz contrar. Cnm = Cnm-n (11) Figura 2.18 ilustreaz perfect aplicarea celor dou relaii. Astfel,

executarea succesiv a dou operaii C6 este echivalent cu o operaie C3 : C6.C6 = C62 = C3

iar executarea a trei operaii C6 corespunde unei operaii C2: C6.C6.C6 = C63 = C2

Executarea a 5 operaii C6 ilustreaz relaia (11): C65 = C6(5-6) = C6-1 Efectuarea a patru operaii de rotaie C6 ilustreaz aplicarea ambelor

relaii, (11) i (10) :

18

C64 = C64-6 = C6-2 = C3-1 Am vzut c operaia de rotaie reflecie este definit prin relaia (9);

innd seama de aceast relaie, putem aplica i n acest caz ceea ce am stabilit pentru rotaiile propriu-zise:

Snm = mCnm = Cnm , pentru m par i (12a) = Cnm, pentru m impar (12b) Prin aceasta s-a inut seama de faptul c

m

E, pentru m par

, pentru m impar Cunoaterea produsului rezultat din multiplicarea a dou sau mai

multor operaii de simetrie este deosebit de important pentru definirea noiunii de grup de simetrie.

2.2.3. Grupuri de simetrie Elementele de simetrie ale corpurilor solide prezentnd aceeai

simetrie alctuiesc un grup. nainte de a vedea care sunt grupurile de simetrie, este necesar s definim noiunea de grup.

a. Noiunea de grup n matematic Un grup este o colecie de elemente , , etc. pentru care sunt

valabile urmtoarele patru proprieti: i) n colecia de elemente se definete o operaie ntre oricare dou

elemente a grupului astfel ca produsul acestei operaii s dea un alt element al grupului:

. = (13) unde , sunt dou elemente oarecare a grupului iar un alt element al acestui grup.

ii) Operaia definit n grup respect regula asociaiei, adic: ( . ) . = . ( . ) (14)

19

care indic faptul c n efectuarea operaiei cu trei elemente, ordinea n care se execut multiplicrile respective este arbitrar. Aceast regul nu implic faptul c operaiile sunt i comutative.

iii) n grup se definete un element neutru care ndeplinete condiia: . = (15)

iv) Pentru fiecare element al grupului exist un element 1 numit element invers pentru care e valabil relaia:

. 1 = (16)

care arat c multiplicarea oricrui element al grupului cu elementul sau invers genereaz elementul neutru. Multiplicarea este comutativ.

Elementele de simetrie ale unui corp respect cu strictee cele patru axiome ale unui grup:

a. Operaia definit n grup este produsul a dou operaii de simetrie. Multiplicarea acestora implic executarea celor dou operaii una dup alta. Aa cum rezult din seciunea precedent, dar mai ales din figura 2.18, executarea succesiv a dou operaii de simetrie genereaz o alt operaie de simetrie specific corpului respectiv ( de exemplu, multiplicarea axelor C6 specifice benzenului genereaz i axele C2 i C3 care, la rndul lor, sunt elemente de simetrie caracteristice benzenului.

b. Operaiile de simetrie specifice unei molecule ascult de legea asociaiei. Vom lua ca exemplu tot operaiile de simetrie indicate n figura 2.18 pentru benzen:

( C3.C6). C2 = (C2).C2 = C22 = E

produs care este obinut i dac efectuam operaiile n cealalt ordine:

C3 . ( C6. C2 ) = C3 . ( C64) = C3.C3-1 = E c. Elementul neutru al unui grup de simetrie este operaia de

identitate. Necesitatea de a clasifica corpurile sau moleculele dup elementele lor de simetrie ne-a obligat s introducem operaia de identitate printre operaiile de simetrie.

d. Pentru fiecare element din axa de rotaie C6 a benzenului, aa cum rezult i din Fig. 2.18, exist un element invers, C6 l are pe C6-1, elementul invers al lui C3 este C3-1. Operaia C2 corespunde n acelai timp i elementului su invers.

20

b. Clasificarea moleculelor dup grupurile punctuale Clasificarea se face pe baza identificrii tuturor elementelor de

simetrie caracteristice moleculei. Exist trei tipuri de grupuri: Tipul 1: cuprinde grupuri punctiforme de simetrie joas ( C1 , Ci , Cs i C2 ); Tipul 2: cuprinde grupuri de simetrii intermediare ( Sn, Cnv, Cnh, Dnh i Dnd ); Tipul 3 : este de simetrie nalt ( grupul tetraedrului, Td, grupul octaedrului, Oh i grupul icosaedrului Ih ).

Tipul 1: Cuprinde patru grupuri de simetrie, din care se dau cteva exemple n Figura 2.19.

COOH

CHO CH3

H

A

C CHO

HOOC

H

HOH

COOHB

; ;xi

X

C

R

H

H

R

C2

D Fig. 2.19. Exemplu de molecule prezentnd simetrii joase A. Molecula cu atom de carbon asimetric ( C1 ); B. Exemplu de compus cu simetrie Ci ; Naftaline cu simetrie Cs ; Ciclopropani cu simetrie C2 Grupul C1 : Moleculele din aceast grup nu posed dect operaia

de identitate, E. Ca rezultat sunt asimetrice, din aceast clas fcnd parte toate moleculele cu atom de carbon asimetric.

Grupul Ci : Au n grup doar doua elemente. Identitatea E i reflecia ntr-un punct, i. n Fig. 2.19 s-a dat drept exemplu acidul mezo-tartric. Moleculele fcnd parte din acest grup sunt achirale.

Grupul Cs : Grupul posed doar operaia de identitate E i reflecia ntr-un plan, . n exemplu de mai sus s-a indicat o naftalin substituit n poziia 1. i derivaii de benzen 1,3,4-trisubstituii intr n aceast clas.

Grupul C2 : Moleculele din aceast clas au n grup doar operaia de identitate E i o rotaie C2. . Moleculele din aceast clas, dei posed o oarecare simetrie sunt totui chirale. Astfel, ciclopropanii 1,2-disubstituii cu substitueni identici posed o ax de rotaie C2, care taie jumtatea axei C1-C2 i trece prin C3. Totui, acetia cu imaginea lor n oglind nu sunt super-pozabili, fiind astfel chirali.

Tipul 2 : Cuprinde grupurile Sn, Cnh, Cnv, Dnh i Dnd. Grupurile Sn : Au drept elemente caracteristice axe improprii de

rotaii, exceptnd S2. Intr-adevr: S2 = C2 = i

21

Acest fapt rezult clar din examinarea figurii 2.15. Ca regul, dac identificam o grup Sn, trebuie s verificm dac nu exist i alte operaii care s ne permit s ncadrm molecula ntr-un grup superior. Un exemplu n acest sens este dicloretena din fig. 2.17 i pe care am explicat axa de rotaie improprie. Pe lng S2, molecula mai posed un plan de simetrie orizontal , planul moleculei, i perpendicular pe acesta o ax C2. Vom putea ncadra molecula n grupul C2h, un grup superior coninnd 4 elemente: C2, , S2 = i i E.

Un exemplu al unui compus prezentnd simetrie S4 este artat n Fig.2.20 :

H R

HR

H HR R

S4 = H C4S4

2 = ( C4)2 = C4

2 = C2S4

3 = ( C4 )3 = H C4

3= C4-1

S44 = ( H C4 )

4 = C44 = E

Fig. 2.20. Operaiile de simetrie din grupul punctiform de simetrie S4 Spiranul din figur are simetrie S4. A se observa c nici axa C4 i

nici planul H ( care trece prin atomul de carbon spiranic i e perpendicular pe ax ) nu sunt elemente de simetrie ale acestuia. Numrul de elemente din grup este de 4 elemente

Grupurile de simetrie Cnh In Fig. 2.21 se dau dou exemple de compui cu simetria C3h:

OB

O

O

H

H

H

O

OO

H

H

H

C3h , , C3-1,

Operatii

S3 , S3-1, E

Total 6 operatii = 2n

Fig. 2.21. Compui cu simetrie C3h. Numrul de elemente este 6

22

Numrul de elemente n grupurile Cnh este 2n. Grupurile Cnv. O ax de rotaie Cn rezultat prin ntretierea a n

planuri verticale. Exemple de molecule fcnd parte din grupul C3v sunt cele mai numeroase, de exemplu molecula cloroformului, clorurii de metil, dar i molecule anorganice, cum ar fi amoniacul, :NH3.

H

CCl Cl

Cl

H

Cl

Cl Cl HN

HH

;

Fig. 2.22. Molecule posednd simetrie C3v Elementele din grupul C3v sunt : E, C3 , C3-1, v , v , v, n total 6

elemente. Ca i n cazul precedent, numrul elementelor dintr-un grup Cnv este 2n.

Grupurile Dn : Un Dn este generat de o ax de rotaie de ordin superior ( n 2 ) i n axe C2 perpendiculare pe ea. Din punctul de vedere al chimiei, grupul acesta nu este interesant. De interes este asocierea acestui grup fie cu un plan orizontal H , grupurile Dnh sau cu n planuri diagonale, grupurile Dnd

Grupurile Dnh : Moleculele plane simetrice fac de regul parte din aceste grupuri ( Fig. 2.23 ).

+

D3h D2h sau D4h D5h D7h Fig. 2.23. Molecule posednd simetrii Dnh n figura de mai sus nu apare benzenul, fcnd la rndul lui parte din

familia moleculelor cu simetrii Dnh ( v. Fig. 2.18 ). Elementele de simetrie din grupul D6h din care face benzenul sunt axele asociate cu C6 ( 2C6, 2C3, C2 ), 6 axe C2 coninute n planul nucleului, 3 tind cte dou laturi opuse i 3 dou unghiuri opuse ) planul moleculei i 6 planuri perpendiculare pe acesta (i care genereaz axele C2 din plan) H, n total 24 de elemente.

23

Numrul elementelor din grupurile Dnh este de 4n. Grupurile Dnd : Aceste grupuri rezult prin asocierea elementelor lui

Dn cu n planuri diagonale. Drept exemplu putem cita ciclohexanul forma scaun ( v. Fig. 2. 24 ). Prin planimetrarea formulei conformaionale A, se obine formula B n care cercurile gri reprezint atomii C-1, C-3 i C-5, iar cercurile negre reprezint atomii C-2, C-4 i C-6:

H

H

H

HH

H

H

H

H

H

HH

d

d'

d''C3

A B

Fig. 2.24. Elementele de simetrie ale grupului D3d: E, C3, C3-1, 3d 3C2, 3S2 = 3i Cele trei planuri d bisecteaz fiecare cte dou unghiuri opuse i

determin mpreun axa de rotaie C3. n acelai timp cte o ax C2 (n total 3) taie mijlocul a dou laturi opuse ( nefigurate ), fiecare ax C2 fiind perpendicular pe cte un plan diagonal d, determinnd 3 axe improprii de rotaie, S2.. Aa cum e artat n legenda figurii 2.24, numrul total de operaii de simetrie n grupul D3d este 12 = 4 x 3.

Rezult din acest exemplu c numrul elementelor n grupurile punctiforme Dnd este tot 4n, ca i n cazul grupurilor Dnh.

Tipul 3 : Acest tip corespunde grupurilor Td, Oh , Id, corespunznd tetraedrului, octaedrului i icosaedrului. Toate grupurile sunt de simetrie nalt i pot fi foarte uor recunoscute. Intr-adevr grupurile enumerate pn acum, chiar dac posed mai multe axe de rotaie, nici unul nu posed dect o singur ax Cn de ordin superior ( n > 2 ). Prin aceasta, tipul 3 de grupuri de simetrie devine uor de recunoscut, n ciuda faptului c numrul operaiilor de simetrie din grup este foarte mare ( Td conine 24 elemente, Oh are 48 de elemente n grup, in timp ce Id are 120 ). Toate aceste grupuri au ns un numr mai mare de axe de rotaie de ordin superior: Td are 4 axe C3,

24

fiecare trecnd n cazul metanului prin cte o axa C H ; Oh are 3 axe C4 iar icosaedru posed 12 axe C5.

2.2.4. Simetria i chiralitatea compuilor organici Chiralitatea ( din cuvntul grec : mn ) este

proprietatea prin care sunt chirale anumite figuri geometrice care nu sunt superpozabile cu imaginea lor n oglind, aa cum mna dreapt nu se suprapune peste mna stng ( Lord Kelvin, 1893 ). O proprietate caracteristic a compuilor chirali este activitatea optic, rotirea planului luminii polarizate. Alturi de folosirea termenului de chiral pentru compuii optic activi, se folosete i termenul de compui asimetrici ( care nu posed dect operaia de identitate E ) pentru aceti compui. Aa cum rezult de mai jos folosirea acestui din urm termen nu este corect n toate cazurile. n fig. 2.25 se arat corespondena dintre grupurile de simetrie i aceste proprieti: asimetrie, simetrie, chiralitate i achiralitate.

Asimetric: Disimetric:

C1 C2 C3 C4....Cn Dn Sn Cnh Cnv Dnh Dnd Td Oh Id

simetric

chiral achiral

Grup punctual

Fig. 2.25. Corespondena grupurilor de simetrie cu termenii folosii

n studiul reaciilor chimice suntem deosebit de interesai n

recunoaterea i indicarea corect a configuraiei reactanilor i produilor de reacie. n plus, chiar i n cazul compuilor achirali, este foarte important s indicm geometria corect a reactanilor i produilor de reacie, prin atribuirea acestora grupul punctiform corect. Pentru compuii chirali, trebuie s identificm elementul de chiralitate din molecul, s stabilim o ordine de prioritate a substituenilor direct legai de elementul de chiralitate, o regul de privire a moleculei i de indicare corect a configuraiei (geometriei) acesteia.

a. Elemente de chiralitate Elementele de chiralitate, ca i n cazul elementelor de simetrie, pot

fi: centru de chiralitate, ax de chiralitate sau plan de chiralitate:

25

C

R4

R1 R3R2

C C CH

RH

R;

R

A B

C

C

v

Fig. 2.26. Elemente de chiralitate: A. Centru; B. Ax; C. Plan. Un centru de chiralitate este de regul localizat ntr-un punct

material, n atomul de carbon asimetric ( A n figura 2.26 ) cu aranjament Cabcd. Un aranjament similar este ntlnit i la srurile cuaternare de amoniu, aminele secundare i teriare cu substitueni diferii:

R1

+ NR2 R4

R3

NR1 X

R2

X = H sau R3

SR1

R2R3

+

Aminele secundare i teriare au structuri similare carbanionilor. Ca

i n cazul acestora, structurile de acest tip nu sunt stabile, are loc o rehibridizare cu adoptarea unei structuri plane i revenirea la o structur de tip tetraedric. Prin aceasta, nu se pot obine amine secundare sau teriare optic active.

26

O ax de chiralitate ( Fig, 2.26. B ) este ntlnit la alene substituite la cele dou capete cu doi substitueni diferii ( unul poate fi H ). Ce dou planuri corespunztoare celor dou duble legturi sunt perpendiculari unul pe altul. Aceste duble legturi pot fi nlocuite cu cicluri, ca n spiranii 14 :

R2

R1R1

R2

A

B

B

A 14 15 Un caz aparte l reprezint derivaii de difenil 15. In jurul legturii

dintre cele doua nuclee poate exista rotaie libera, axa care trece prin cele dou nuclee i prin legtura care le unete, nefiind o axa de chiralitate. Dac ns n poziiile orto exist substitueni A, B voluminoi, acetia vor mpiedica rotaia liber i axa devine o ax de chiralitate.

n toate cazurile de mai sus ( D n Fig. 2.19, B n Fig. 2.26, 14 sau 15 ) , axa de chiralitate este o ax C2. Se cunosc i cazuri de molecule chirale posednd o ax de ordin superior, de exemplu o ax C3, ca n 16.

Un plan de chiralitate este ntlnit la derivaii de paraciclofan ( Fig. 2.26 C ). Paraciclofanul nesubstituit este achiral. El posed un sistem de mai multe planuri de reflecie: un plan perpendicular pe planurile celor dou inele aromatice i trecnd prin mijlocul lor i un plan paralel cu inelele benzenice i tind cele dou legturi dintre nuclee exact la mijloc ( linia punctat, v, n Fig. 2.26 ). Dac ntr-unul dintre nuclee ( n figur ) se introduce un substituent, acest plan devine un plan de chiralitate i molecula este chiral.

b.Indicarea configuraiei la atomul de carbon asimetric Atomul de carbon asimetric are toi patru substituenii diferii.

Pentru a indica configuraia, n primul rnd trebuie s ne decidem cum s privim molecula. Pentru a putea face aceasta, trebuie s dm un rang celor patru substitueni (ligani) din jurul atomului de carbon asimetric. Rangul acestora se stabilete funcie de masa atomului direct legat de centrul de chiralitate. Cu ct aceasta e mai mare, cu att rangul substituentului va fi mai mare. Apoi, se privete atomul de carbon chiral astfel nct substituentul (ligantul ) de rang cel mai mic s fie ct mai deprtat de noi. n final stabilim sensul n care rangul celor trei ligani dinspre noi descrete. Dac descreterea este n sensul acelor ceasornicului, configuraia este R ( de la

27

cuvntul latin rectus , n caz contrar, configuraia este S ( de la cuvntul latin sinister ).

Centrul de chiralitate nu e obligatoriu s fie un centru material, localizat ntr-un atom chiral. Acest centru poate fi i imaterial, cum este cazul derivailor de adamantan tetrasubstituii cu substitueni neidentici la cei patru atomi de carbon teriari din molecul, 17.

R1

R4

R3

R2

H

C3

16 17 Att n moleculele cu atom de carbon asimetric ct i n cazul

derivaiilor de adamantan 17, aranjamentul este Cabcd ( C reprezint in acest caz centrul de chiralitate ). Se cunosc ns i altfel de aranjamente chirale cu centru de chiralitate, respectiv aranjamente Caabb , Cabbb i chiar Caaaa ( v. Fig. 2.27 :

HN

OC NH

OC

NH

COHN

CO

A B Fig. 2.27. Aranjamente chirale diferite de aranjamentul Cabcd A. Aranjamentul Caabb. B. Aranjamentul Caaaa

28

Fa de cele dou aranjamente indicate n figura 2.27, trebuie amintit i aranjamentul Cabbb pe care-l are hidrocarbura triciclic 16.

In cazul chiralitii axiale, ne fixm un capt de ax de unde vom privi molecula. Substituenii de la acest capt vor avea rangul cel mai mare. Un exemplu de stabilire a configuraiei unei alene este artat n Fig. 2.28.

C C CAB

B

A

A B

B

ADaca A > B, atunci ordinea de descrestere este: A > B > A > B , deci R

Fig. 2.28. Stabilirea unei alene tetrasubstituit cu substitueni A i B n cazul derivailor de paraciclofan ( v. Fig. 2.26 ), pentru a stabili

configuraia derivailor chirali, ce alege un atom a vecin planului de chiralitate i n vecintatea atomului c de care este legat substituentul care determin chiralitatea sistemului ( v. mai jos, 18 i 19 ):

R

v

ab

c

v

R

ab

c

18 19 Dac sensul parcurgerii drumului a b c este sensul acelor

ceasornicului ( ca n 18 ), configuraia este R. n schimb, dac este ca n 19, configuraia este S.

29

2.3. Conformeri Cunoaterea conformerilor unui reactant poate fi deosebit de

important n nelegerea mersului unei reacii. A existat uneori prerea n literatur c diverii conformeri posibili ai unei substane corespund unui alt tip de izomerie. Totui, aceast prere contravine principiul dichotomiei, att de valabil n tiinele naturii. Redm mai jos o schem a diverselor forme de izomerie, admis cel mai frecvent n cazul compuilor organici. n mare, izomeria este de dou feluri, izomerie structural i izomerie steric.

IZOMERIA COMPUSILOR ORGANICI

Izomerie Izomerie sterica structuralaA. a compusilor B. a compusilor A Enantiomerie B. Diastereomerie saturati nesaturati R S A,.comp. nesat. B..comp.sat. trans cis polichirali

Dac conformerii ar reprezenta un alt tip de izomerie, ei ar trebui ncadrai n izomeria steric. Cu toate acestea, acest mod de clasificare contravine principiului dichotomiei din tiin, izomeria steric urmnd astfel s se divid n trei i nu n dou subclase.

Conformerii sunt geometrii ale aceluiai compus rezultate prin rotaii libere n jurul axelor din molecul. Ei sunt ntlnii n cazul tuturor izomerilor posibili, fie acetia izomeri structurali sau sterici.

Caracterizarea conformerilor se face prin indicarea distanelor dXY ntre doi atomi X i Y nelegai direct unul de altul ( v. Fig. 2.29 ), ct i prin unghiurile de torsiune XY ntre diverii liganzi ai moleculei.

X

HH

H Y

H

X

HH

H H

Y

X

HH

Y H

H

dXY dXH -dXY

dYH

dHH

XYXH

Fig. 2.29. Conformerii etanilor 1,2-disubstituii i caracterizarea acestora prin dXY si XZ Cei trei conformeri, n odinea de mai sus sunt : sinclinal sau gauche,

antiperiplanar sau simplu anti. Ultimul este evhivalent cu primul, sinclinal.

30

Cel mai stabil dintre cei trei conformeri este conformerul anti. Pe lng aceti 3 conformeri stabili, exist i 3 conformeri instabili, conformeri eclipsai, n care valorile lui XY sunt 0o, 120o i -120o . Concluziile trase din considerarea conformerilor etanului disubstituit sunt valabile n cazul tuturor hidrocarburilor saturate i derivaiilor acestora, fie aciclici, fie ciclici. Astfel, ciclopropanul, ciclobutanul, ciclopentanul i derivaii lor sunt mai puin stabili dect ciclohexanul nu numai datorit tensiunii lor din ciclu. Un alt factor contribuind la stabilitatea lor mai mic dect cea a ciclohexanului este dat i de faptul c toate legturile lor sunt eclipsate.

Stabilitatea mai mare a ciclohexanului se datoreaz pe lng lipsei tensiunii n ciclu i faptului c toate legturile, cel puin ntr-unul din conformerii posibili, sunt neeclipsate ( v. 20 ).

H

H

H

H

H

H H

H

H

HH

H

H

HHH

H

H

HH

H

HH

H

H

H

H

HH H

H H

;CH2

CH2

20 21 Acest conformer este conformerul scaun ( engl. chair, germ. Sessel ),

Pe lnga acest conformer, mai poate exista i un conformer baie ( engl. boat; germ. Wanne ), mai puin stabil datorit faptului c posed patru legturi C-C eclipsate ( v. 21 ). S-a admis c acest conformer ar interveni n trecerea unei conformaii scaun ntr-alt conformaie scaun. S-a constatat c aceast trecere are loc printr-o conformaie mai srac n energie dect conformaia baie, dar mai bogat n energie dect conformaia scaun. Conformaia baie este ns obligat s existe n hidrocarburile cu punte ( 21, 22 ) sau n derivatul heterociclic 24.

O

; ;

22 23 24 Un substituent R n ciclohexan poate fi plasat fie axial ( 20a ), fie

ecuatorial, De regul, conformerul axial este mai puin stabil ( datorita interaciilor cu legturile C-H axiale din poziiile 3 i 5. Cealalt posibilitate, ilustrat n 20b, este conformaia ecuatorial, mult mai stabil avnd numai 4 interaciuni gauche C-R C-H (v. Fig. 2.30). O energie conformaional foarte mare prezint grupa t-butil ; n derivaii de t-butil-ciclohexan, grupa t-butil este ntodeauna plasat ecuatorial.

31

R

HH

H

H

H