1

CHIMIE ORGANICA AVANSATA

MECANISME DE REACTIE IN CHIMIA ORGANICA

C12-C14

2

MECANISME DE REACTIE IN CHIMIA ORGANICA

MECANISM DE REACTIE → calea urmata de sistemul chimic in cursul transformarilor sale de a reactanti la produsii de reactie, la totalitatea starilor parcurse de sistem in trecerea sa de la starea initiala la cea finala.

A cunoaste mecanismul de reactie inseamna a cunoaste:

speciile intermediare, izolabile sau neizolabile

energia de activare (energia minima necesara aducerii moleculelor in situatia de a reactiona)

modul de desfacere a legaturilor din moleculele reactantilor si de formare a legaturilor in produsii de reactie

influenta mediului (solvent, catalizator)

3

Investigarea mecanismelor de reactie se realizeaza prin metode fizice si chimice combinate, prin care se urmareste:

aspectul temodinamic al procesului

aspectul cinetic

aspectul stereochimic

aspectul electronic

1. EFECTE ELECTRONICE IN MOLECULELE ORGANICE

LEGATURILE COVALENTE, functie de diferenta de electronegativitate dintre atomii intre care se stabileste legatura

nepolare polare

Orice reactie chimica presupune desfacerea si refacerea unor legaturi chimice, procese determinate de polaritatea (efect static) si mai ales de polarizabilitatea (efect dinamic) legaturilor din molecule reactante.

4

Deplasarea electronilor din legaturi

de tip σ → efect inductiv

tip π → efect electromer

1.1. EFECTE INDUCTIVE = deplasarea electronilor σ intre anumiti atomi ai unei molecule organice

A-B

Poate sa aiba loc in doua moduri:

- sub influenta diferentei de electronegativitate → efect inductiv static (Is)

- sub influenta factorilor externi → efect inductiv dinamic (Id)

A → electronegativitatea EA B → electronegativitatea EB

EA-EB = 0 → legatura nepolara (hemeopolara), electonii de legatura vor fi distribuiti uniform intre cei doi atomi

EA-EB ≠ 0 → legatura polara (heteropolara), densitatea de electoni va fi mai mare inspre atomul mai electronegativ care participa la legatura

5

Cδ+ δ-

X

Cδ− δ+

Y

C

C

C

δ+

δ-

:H

:Xδ-

Yδ+:

etalon, μ ≈ 0

-Is atragator de electroni

+Is respingator de electroni

< < < < < < < < < < < < < O R X CN NO NO2C CH

ORCNH OHCH2=CH-CH2- -CH=CH2 -C6H5 -NR2 -NHR -NH2

Creste -Is

I Br Cl F

Creste -Is

< < <

NH2 OH X NO2

Creste -Is

< < <

MgXAlchilCH3

Creste +Is

<

<

<

CH3

CH3

CH3

CCH3

CH3

CHCH3 CH3-CH2 < <

Creste +Is

6

Gruparile cu efect +Is maresc bazicitatea si micsoreaza aciditatea.

Gruparile cu efect -Is maresc aciditatea si micsoreaza bazicitatea.

Efectul inductiv scade rapid cu distanta, dupa 4 atomi devine nul.

Efectul inductiv dinamic variaza in sens invers cu efectul inductiv static.

I Br, Cl, F,

Creste -Is

Creste -Id

1.2. EFECTE ELECTROMERE

= deplasarea electronilor π ai unor legaturi multiple (duble sau triple)

a) La capatul catenei nesaturate exista un atom ce prezinta o pereche de electroni neparticipanti

O O RX C C:.... conjugare p-π

7

O O RX O O RX O O RXC C:.... C C:

....

-+C C: ..

δ+ δ−

I II III

X → efect respingator de electroni, +Es

b) La capatul catenei nesaturate exista o alta catena nesaturata

O O OC C C

conjugare π-π

O O O O O O O O OC C C C C C C C C:..+ -

δ+ δ-

I II III

8

Efect I Grupare functionala Efect E

-I

+NH3, +NR3 -E

-F, -Cl, -Br, -I -OH, -OR, -SH, -SR -NH2, -NHR, -NR2

+E

-CH=CH2, -C6H5, -NHCOR +E -NO2, -NO -CHO, -COR -COOH, -COOR -COCl, -CN, -CONH2, -C≡CH

-E

-SO3H, -CCl3 -E

+I -R (-CH3, -C2H5 …) +E -O- +E -COO- -E

Exemple de efecte electronice ale principalelor grupari functionale

9

2. CLASIFICAREA REACTIILOR ORGANICE Principalele criterii luate in consideratie in clasificarea reactiilor din chimia organica sunt:

- modul de desfacere sau formare a covalentelor; - rezultatul global al reactiei (raportul intre structura compusului initial si a celui final); - natura reactantului; - numarul de specii participante la reactie in etapa determinanta de viteza.

2.1. CLASIFICAREA DUPA MODUL DE DESFACERE SAU FORMARE A COVALENTELOR

Reactii homolitice

Reactii heterolitice

A B A + B. . . .homoliza

coligare radicali liberi (atomi)

+ -A B A . . heteroliza

coordinareioni

+ B

10

2.2. CLASIFICAREA DUPA RAPORTUL EXISTENT INTRE STRUCTURA COMPUSULUI INITIAL SI A CELUI FINAL

Reactii de substitutie (S)

Reactii de aditie (A)

Reactii de transpozitie (T)

Reactii de eliminare (E)

R-H + Cl-Cl R-Cl + H-Cl

H X+ HXC C C C

H XC C C C + HX

CH3

CH3

CH3

Br CH3

CH3

OH

CH3C CH2 C CH2

HO-

11

2.3. CLASIFICAREA DUPA NATURA REACTANTULUI

Reactii (homolitice) radicalice (R)

Reactii (heterolitice) electrofile (E)

Reactii (heterolitice) nucleofile (N)

Reactantii electrofili = reactanti cu deficit de electroni si cu afinitate pentru centul de reactie bogat in electroni al substratului. - ca acceptori de electroni, sunt totodata si acizi (de tip Lewis)

Reactantii nucleofili = reactantii capabili sa furnizeze electroni substratului, au afinitate pentru centrul de reactie pozitiv al unui substrat. - datorita perechii de electroni de care dispun, sunt totodata si baze

Reactant nucleofil - Substrat electrofil (bogat in electroni) (deficitar in electroni)

Reactant electrofil - Substrat nucleofil (deficitar in electroni) (bogat in electroni)

Reactant radicalic - Substrat capabil de scindari homolitice

12

2.4. CLASIFICAREA DUPA NUMARUL DE SPECII PARTICIPANTE LA REACTIE IN ETAPA DETERMINANTA DE VITEZA

- unimoleculare - bimoleculare etc.

Tipuri de reactii chimice organice

- Reactii heterolitice

- Reactii homolitice

Substitutie

Aditie

Eliminare

Electrofila (SE)

Nucleofila (SN)

Electrofila (AE)

Nucleofila (AN)

Substitutie (SR)

Aditie (AR)

Eliminare (ER)

13

3.1. SUBSTITUTIA ELECTROFILA - este caracteristica sistemelor aromatice cu C sp2, dar poate fi intalnita si la sistemele alifatice

R-E + Y+ R-Y + E+

Substrat Reactant Produs Grupare de substitutie eliminata

YH + Y+ + H+

Substitutia electrofila aromatica decurge, de regula, prin inlocuirea unui atom de hidrogen din ciclul aromatic, de catre reactantul electrofil.

3. REACTII DE SUBSTITUTIE

14

v = k·[C6H6]·[E+]

H

YH Y+ Y+ + H++

lent rapid

I II

C sp2 C sp3

Intermediar carbeniu (complex σ)

C sp2

3.1.1. MECANISMUL REACTIILOR DE SUBSTITUTIE ELECTROFILA AROMATICA

- reactiile de substitutie electrofila decurg prin mecanism bimolecular, cu formare de intermediari, prin atacul electrofil al reactantului asupra substratului (etapa determinanta de viteza), gruparea substituita parasind intermediarul intr-o a doua etapa:

15

Substituenti de ordinul I

• activatori puternici: -NH2, -NHR, -NR2

-OH

• activatori moderati: -NHCOR -OR

• activatori slabi: -R, -C6H5, -CH2Cl

• dezactivatori: -X, -CH=CH2, -CHCl2

Substituentii respingatori de electroni maresc reactivitatea benzenului (marindu-i bazicitatea) si orienteaza substitutia (ulterioara, electrofila) in pozitiile orto si para.

= substituenti de ordinul I

3.1.2. EFECTE DE ORIENTARE A SUBSTITUTIEI. SUBSTITUENTI DE ORDINUL I SI DE ORDINUL II

Daca nucleul aromatic este substituit, reactia de substitutie electrofila aromatica se realizeaza orientat in functie de natura substituentului.

16

Substituenti de ordinul II

• dezactivatori -Is: -SO3H, -NR3, -CCl3

• dezactivatori -Es: -NO2, -COOH, -C≡N, -CHO, -C≡CH, -CONH2, -COCl

Substituentii de ordinul II sunt dezactivatori (micsoreaza reactivitatea nucleului aromatic fata de benzenul nesubstituit) si orienteaza substitutia (ulterioara, electrofila) in pozitia meta.

Efectul fiecarei grupari, indiferent daca este de activare sau dezactivare, este mai puternic in pozitiile orto si para.

Daca naftalina este substituita in pozitia α cu un substituent de ordinul I, urmatorii substituenti vor fi orientati in pozitia 4 din acelasi nucleu. Daca naftalina are in pozitia α un substituent de ordinul II, urmatorii substituenti se vor orienta in pozitia 5 din nucleul invecinat. Daca naftalina are in pozitia β un substituent de ordinul I, urmatorii substituenti se vor orienta in pozitia α din acelasi nucleu. Daca naftalina are in pozitia β un substituent de ordinul II, reactia de substitutie va orienta fie in pozitia 6 sau 7 a nucleului invecinat.

17

Reactia de nitrare

3.1.3. EXEMPLE DE SUBSTITUTII ELECTROFILE IN SERIA AROMATICA

In prezentarea unui mecanism de reactie, se parcurg urmatoarele etape:

formarea reactantului mecanismul propriu-zis cu precizarea etapei lente si a etapei rapide

formarea produsului secundar sau refacerea catalizatorului

H

NO2H NO2

++ -- +

+

-+

++ H+

lent rapid

I II

σσ

(complex σ)

HO-NO2 H2O-NO2 + HSO4 H3O + HSO4 + NO2

..

+ NO2

H + HSO4 H2SO4

H2SO4

18

CH3CH3 CH3 CH3

CH3H

X

CH3

X

CH3

X H

CH3

X

+ + +

CH

CH HC

:

.. ..

+Is (hiperconjugare π-π, SI o +p)

+ X

lent

+rapid

+rapid

X : X + Al : X....X

X ....X

XX : Al : X

-

+ X+

catalizator(Acid Lewis)

+

[AlX4]- + H+

+ H+

+ H+

AlX3 + HX

Reactia de halogenare

19

Reactia de sulfonare

H

SO3H SO3H

S :....O

O

O-+

O

O

+

-

- + +

+lent rapid

I II

σσ

(complex σ)

+ SO3

2 H2SO4 H3O + HSO4 + SO3

H2SO4 + SO3 H2S2O7 H2SO4 + HO-S

HOSO3H + HOSO3H OSO3H + H2O - SO3H H2O + SO3H

20

Reactia de acilare

H

CORH

-R

Cl

OR O

+R O

+

R O+ - -

CORH

COR

-

+lent

I

σσ

(complex σ)

C + + Al : Cl....Cl

ClC AlCl4

..

....

C

C+ : AlCl4 + AlCl4

+ HCl + AlCl3rapid

II+

σσ

+ AlCl4

21

Reactia de alchilare

HH

RR

R-X + Al:X....X

X ....X

XX : Al : X

-

+

catalizator(Acid Lewis)

[AlX4]- + H+ AlX3 + HX

Rionizare +R + [AlX4]

-

+ +R lent

+σσ

(complex σ)

rapid + H+

22

Reactia de diazotare

Reactia de azocuplare

Reactia de hidroximetilare

Reactia de formilare

Reactia de carboxilare (Reactia Kolbé-Schmitt)

3.1.4. EXEMPLE DE SUBSTITUTII ELECTROFILE IN SERIA ALIFATICA

Formarea acetilurilor metalice

CH CH CH CNa NaC CNa....

CH CH AgC CAg....

CH CH CuC CCu....

+ NaSE150 °C-1/2H2

+ Na

200 °C-1/2H2

+ +

+ 2 [Ag(NH3)2]OH+ +

+ 4 NH3 + H2O

Hidroxid de diamino Ag (I)(Reactiv Tollens)

galben

acetilura de Ag (I)

+ 2 [Cu(NH3)2]Cl+ +

+ 2 NH3 + 2 NH4Cl

Clorura de diamino Cu (I)rosu-violet

acetilura de Cu (I)

23

Sinteza derivatilor organo-magnezieni

Hidroliza derivatilor organo-magnezieni

Decarboxilarea acizilor carboxilici

Carboxilarea derivatilor organo-magnezieni

3.2. SUBSTITUTIA NUCLEOFILA = reactia de deplasare a unei grupari X:, dintr-o molecula R-X, printr-un reactant nucleofil Z:

R-X + Z: R-Z + X:Substrat Reactant Produs nucleofil de substitutie

24

Substraturile cele mai importante in reactiile de substitutie nucleofila sunt compusii halogenati. In functie de comportarea in aceste reactii (luandu-se ca referinta usurinta cu care sufera reactia de hidroliza, s-au stabilit urmatoarele grupe de derivati halogenati:

- cu reactivitate normala (compusi halogenati primari, secundari si tertiari ai alcanilor si cicloalcanilor)

- cu reactivitate marita (halogenuri de alil, benzil s.a.)

- cu reactivitate redusa (halogenuri de vinil, aril s.a.)

- compusi halogenati complet inerti, care nu hidrolizeaza nici in cele mai drastice conditii.

Ca reactanti nucleofili,in aceste reactii pot participa:

- ioni negativi:

- molecule cu electroni neparticipanti:

- compusi cu legaturi duble (prin electronii π)

- compusi aromatici (prin sextetul de electroni π)

-:..

..Ar-O

-HO:..

.. -:..

..R-O

-X:-

R-COO-CN:, ,, , ,

..

..H2O , R-O-H, R-O-R, R3N

.. ......

..

25

Gruparea X care urmeaza a fi substituita este, in general, o grupare atragatoare de electroni, de tipul:

- Cl , - Br, - I, -OSO3H, -OSO3R

SUBSTITUTIA NUCLEOFILA:

reactii de substitutie nucleofila monomoleculeara (SN1)

reactii de substitutie nucleofila bimoleculara (SN2)

Reactii de substitutie nucleofila monomoleculeara (SN1)

Are loc in doua etape:

I – etapa lenta carbocation (ca intermediar)

II – etapa rapida carbocationul este atacat de reactantul nucleofil

26

! Produsii obtinuti prin mecanism SN1 sunt sub forma de amestecuri racemice daca au un C optic activ

V = k[substrat]

Factorii care influenteaza viteza reactiilor SN1: - natura substratului

- efectele electronice ale gruparilor substituente → datorita contributiei acestora la formarea si stabilizarea carbocationilor

- polaritatea solventului: putere mare de solvatare → favorizeaza mai puternic separarea ionilor

CH3 < Cprim. < Csec.< Ctert. < Alil, Benzil

C6H14 ≈ C6H6 < <C2H5OH < CH3OH « H2O.≈ HCOOH. < SO2 CH3

O

CH3C

R

R

X

R

R

R

R-

R

R

R-

R

R

R

+

+Clent

C + X:

substrat

C + Z: rapidC

reactant nucleofil

Z

27

Reactii de substitutie nucleofila bimoleculeara (SN2)

- reactantul nucleofil ataca substratul pe partea opusa particulei care va fi substituita, pe masura ce Z se apropie de centrul de reactie

substrat-

Z:reactant nucleofil

R

X

H H

Clent

R

X

H H

Cδ -

Zδ -

rapid-

- X:R

H H

CZ

stare de tranzitie produs

! Se inverseaza configuratia atomului de carbon

• reactantul nucleofil ataca pe partea opusa a particulei ce va fi substituita

• formarea starii de tranzitie in care coexista reactantul si particula substituita

• inversarea configuratiei atomului de carbon (daca se porneste de la un substrat optic activ in dextrogir se va obtine unul levogir)

Inversia Walden

28

Dupa mecanism SN vor decurge urmatoarele reactii:

reactia de substituire a halogenului cu cianuri alcaline

Derivatii halogenati

reactia cu amoniacul

reactia cu ester malonic

reactia cu NaHSO3

reactia cu apa reactia cu acetiluri metalice → alchine substituite

reactia de substituire a unui halogen cu un alt halogen

La sistemele alifatice

reactia de topire alcalina a sarurilor de Na a acizilor sulfonici

reactia de hidroliza a esterilor, clorurilor acide, amidelor, eterilor, poliamidelor, proteinelor, aminoacizilor…

reactia de esterificare a alcoxizilor, fenoxizilor cu cloruri acide, anhidride acide reactia de esterificare utilizand saruri de Ag ale acizilor carboxilici cu derivati halogenati

29

CH3

CH3

Br

CH3

C

substrat

+ CH3-COO - Ag+

reactant nucleofil

SN1CH3COOC(CH3)3 + AgBr

CH3

CH3

Br

CH3

CH3

CH3

CH3

-

CH3

CH3

CH3

-CH3

CH3

CH3

+

+Clent

C + Br:

substrat

C + CH3COO: rapidC

reactant nucleofil

COOCH3

heteroliza

30

CH3-CH2-CH2-Br + NaCN CH3-CH2-CH2-CN + NaBr

Br

H H

CH3

-

Br

H H

NC

CH3

H H

CH3

-

C

CH2

:CN

lentC

δ - δ -

CH2

rapidCNC + Br:

CH2

produsstare de tranzitiesubstrat

reactant nucleofil

4. REACTII DE ADITIE = reactii prin care in moleculele se inglobeaza fragmente de reactant datorita ruperii legaturii π

X Y

C Cπ

σ + X : Y C Cσ

31

4.1. ADITIA ELECTROFILA - se realizeaza sub influenta atacului reactantului electrofil asupra substratului

! Este specifica sistemelor nesaturate omogene (legaturi multiple omogene): C=C, C≡C, N≡N etc.

Reactia se realizeaza in doua etape:

X : Yheteroliza

X + Y+ -

reactantelectrofil

R CH2 CH2R C

H2X

R CH

XY

X +-

CH + lent

CH CH2

+ + Y :

rapidCH CH2

1)

2)

32

Dupa mecanism AE vor decurge urmatoarele reactii:

reactia de halogenare A) Alchene

aditia acizilor aditia apei aditia alcoolilor

aditia NaHSO3

oxidarea blanda ozonificarea

R-O Hheteroliza

H + R-O+ -

R CH2 CH2R C

H2

R CH

OR

H +CH + lent

CH CH3

+CH CH3

-+ R-O

rapid

NaHSO3

heterolizaH + NaSO3

+ -

R CH2 CH2R C

H2

R CH

SO3 Na

-+ NaSO3

rapidH +CH + lent

CH CH3

+CH CH3

+-

sare de sodiu a acidului izoalchil sulfonic

33

C) Alchine aditia hidrogenului aditia HCl

aditia alcoolilor

B) Alcadiene aditia hidrogenului aditia HX aditia H2O oxidarea blanda ozonificarea

aditia HCN aditia H2O

polimerizarea cationica (izobutena)

HAheteroliza

H + A+ -

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH2

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

CH2

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

H + + +

-

C C

C

C CCH2+

C CCH2+CCH2( )

n

A :C CCH2 CCH( )

n+ HA

34

D) Arene la catena laterala aditia HCl la stiren si la α-metil stiren

CH CH2HC CH3

CH

CH3Cl

+ H+ + Cl : -

+

HClheteroliza

H + Cl :+ -

O NC , C ,

4.2. ADITIA NUCLEOFILA ! Este specifica sistemelor nesaturate eterogene: -C≡N …

R CH

O

R CH O R CH

ONu

R CH

ONu X

+ :Nu-

+ ..

lent

+.. + X

rapid

35

reactia de aditie a NaHSO3

A) Compusi carbonilici

reactia de aditie a apei reactia de aditie a alcoolilor

reactia de aditie a derivatilor organo-magnezieni

reactia de aditie a hidrogenului

a)

condensarea aldolica

condensarea cu diversi compusi cu azot

b)

- amine → baze Schiff - NH3 → imine - hidrazine → hidrazone - hidroxilamine → oxime

condensarea ureei cu amoniac → rasini ureo plaste c)

condensarea ureei cu H2C=O → rasini ureo-formaldehidice d)

B) Reducerea nitrililor

C) Reducerea nitrozoderivatilor

reactia de halogenare cu PX5 → derivati dihalogenati geminali

36

CH3 CH3

O

CH3 CH3

O

CH3 CH3

O

CN

CH3 CH3

OH

CN

C C

:-

+ :CN-

C

:-

+ H+

C

CH3 O CH3 O CH3 O

CN

CH3 OH

CN

:-+ :CN

-

+ H+

CH2 CH CH2 CH :-

CH2 CH

CH2 CH

! Aldehidele sunt mai reactive decat cetonele in reactiile de AN.

37

5. REACTII DE ELIMINARE = reactii prin care din moleculele organice se desprind atomi sau grupe de atomi cu formare de legaturi multiple

X-A-Y A + X + Y- +

reactii de dehidrogenare

reactii de dehidrohalogenare

reactii de deshidratare

Dupa mecanism E vor decurge urmatoarele tipuri de reactii:

eliminare sau orientare Zaitev