HIDROCARBURI NESATURATE ALCHENE – II 1 Proprietăţi Chimice Grupa funcţională a alchenelor este C=C C C legătură s legătură (nor) p Reacţii care au loc la dubla legătură C=C (a) Reacţii de adiţie distrugerea doar a legăturii p electrofile radicalice Reacţii în care C=C acţionează ca substituent (b) Reacţii de rupere distrugerea legăturilor s şi p (c) Reacţii de substituţie în poziţie alilică dubla legătură se regăseşte intactă în produşi 2 (a) Reacţii de adiţie Legătura s este puternică, în timp ce legătura p este mai slabă. p C C s De aceea este de aşteptat ca reacţiile să aibă loc prin ruperea legăturii mai slabe şi formarea a două legături s mai puternice. Un reactant YZ se adiţionează (se „adaugă” sau se „adună”) la dubla legătură a alchenei: Y C C + Y Z C C Z sursă de electroni (bază) reactanţi acizi (reactanţi electrofili) O reacţie în care două molecule se combină pentru a forma o singură moleculă de produs este denumită o reacţie de adiţie. Adiţii filos = afinitate electrofile (AE) (reactanţi acizi) homolitice (radicali) 3 1. Adiţia hidrogenului. Hidrogenarea catalitică C C + cat. p, H H C C H H alcan alchena 2. Adiţia halogenilor X C C + X X C C Derivat dihalogenat vicinal X 3. Adiţia hidracizilor. Efect peroxidic fara R2O2 Br CH3 CH CH3 reactie Markovnikov CH3 CH CH2 + HBr cu R2O2 CH3 CH2 CH2 Br reactie anti-Markovnikov 4 4. Adiţia acidului sulfuric R CH CH2 + HOSO3H R CH CH3 Sulfat de alchil OSO3H 5. Adiţia apei. Hidratarea alchenelor R CH CH2 + HOH H+ R CH CH3 OH 6. Adiţia acizilor hipohalogenoşi. Formarea halohidrinelor X C C + X2 + HOH X2 = Cl2, Br2 C C + HX OH OH CH3 C CH2 + Cl2 + H2OH CH3 Izobutena CH3 C CH2 Cl CH3 1-cloro-2-hidroxipropan 5 7. Dimerizarea CH3 CH3 H2C C + H2C C H2SO4 CH3 CH3 C CH C CH3 + CH3 CH3 2,4,4-trimetil2-pentena CH3 CH3 Izobutena CH3 CH3 CH3 C CH2 C CH2 CH3 2,4,4-trimetil-1-pentena 8. Alchilarea CH3 CH3 H2C C + H3C CH CH3 Izobutena CH3 Izobutan CH3 H+ CH3 CH3 C CH2 CH CH3 CH3 2,2,4-trimetilpentan (IZOOCTAN) 9. Oximercurare – demercurare C C + HOH + Hg(OAc)2 C C OHHgOAc C C OHH Aditie Markovnikov 6 10. Hidroborare – oxidare C C C C + (BH3)2 Diboran H2O2 HO H B C C H OH Aditie anti-Markovnikov 11. Adiţia radicalilor liberi Y C C + Y Z peroxizi sau lumina C C Z R2O2 n-C6H13 CH CH2 + CCl4 tetraclorometan 1-octena n-C6H13 CH CH2 CCl3 Cl 1,1,1,3-tetraclorononan 12. Polimerizare n H2C CH2 etilena toC (CH2 CH2)n polietilena nH2C CH G (H2C CH)n G 7 13. Adiţia carbenelor CH2 CH2 Cl - + CHCl3 + HO CCl2 = diclorocarbena Cl 1,1-diclorociclopropan 14. Hidroxilarea. Formarea glicolilor + KMnO4 + HOH Hidroxilare SIN C C OH OH C C + RCO2OH (peracizi) OH C C Hidroxilare ANTI KMnO4 CH3CH CH2 sau HCO2OH propena (propilena) OH CH3CH CH2 1,2-propandiol OH (propilen glicol) HO 8 (b) Reacţii cu ruperea legăturilor p şi s 15. Ozonoliza O C C + O3 O O O O H2O O ozonida primara C O+ O C aldehide si cetone ozonida normala Metodă utilizată pentru determinarea structurii alchenelor H H O3 H2O, Zn CH CH C O + O CH CH3CH2CH CH2 3 2 1-butena 16. Oxidarea energică R2C=CHR + ag. ox. R2C=O + HOOCR Ag. ox.: KMnO4 + H2SO4 / ; CrO3; K2Cr2O7 + H2SO4 / 9 (c) Reacţii de substituţie 17. Halogenarea. Substituţia în poziţie alilică H C C C + X2 X C C C concentratie mica H3C CH CH2 + Cl2 500oC Cl H2C CH CH2 + HCl Br + NBS ciclohexena X2 = Cl2, Br2 O NBS: N Br O 3-bromociclohexena N-Bromosuccinimida 10 Adiţia hidrogenului la alchene Cat. – metal fin divizat: Pt, Pd, sau Ni Alchena lichidă sau în soluţie heterogenă Hidrogenarea omogenă o singură fază – în soluţie Catalizatorii sunt complecşi organici ai metalelor tranziţionale: Rh, Ir – solubili în solvenţi organici hidrogenarea are loc într-o singură fază în soluţie Catalizatorul Wilkinson ataşat de un polimer solid agitare filtrare Produs hidrogenat PPh3 Ph3P Rh RhCl(Ph3P) 3 Ph = C6H5 Ph3P Cl clorură de tris(trifenilfosfină)rodiu(I) 11 Rh (1) + solvent H H Ph3P Cl Ph3P H Rh Ph3P Cl Ph3P C + (2) C (1) +1 Ph3P + H2 Cl H C C (3) Rh H Ph3P Cl complex p cu alchena Ph3P C solvent Rh solvent +3 Rh (3) - :PPh3 Cl Ph3P Ph3P Ph3P PPh3 Ph3P C H (4) solvent +1 Rh + Cl Ph3P catalizator regenerat H C C H produs saturat 12 Stereochimia hidrogenării omogene: distereoselectivitate HOOC CH CH COOH + D2 cat. W. HOOC acid butendioic * CH * CH COOH D D acid (2,3-D2)-butandioic H C COOH COOH H D D2 C Cat. W H D H COOH COOH Acid maleic (I) Acid cis-butendioic diastereomeri H HOOC C H Acid fumaric diastereomeri COOH COOH C Acid mezo-(2,3-D2)-butandioic H D2 Cat. W D D H COOH D + H H D COOH COOH (II) 50% (III) 50% racemic (2S, 3S) (2R, 3R) Racemic Reacţia este complet stereoselectivă 13 diastereoselectivitate Pentru a explica faptele experimentale observate la adiţia hidrogenului la alchene în cataliză acidă a fost propusă adiţia SIN, în care cei doi atomi de hidrogen (deuteriu, mai sus) se leagă de atomii de carbon pe aceeaşi faţă a planului legăturii duble (p). D a H C COOH b COOH b Acid maleic H C COOH D H D2 a H COOH COOH b H H COOH COOH D D D H D H COOH forma mezo COOH structuri identice, superpozabile H D H D COOH Cele două centre chirale sunt identice, astfel încât rotirea planului luminii polarizate spre dreapta cu un anumit număr de grade de către unul dintre centrele chirale va fi compensată de rotirea spre stânga cu acelaşi număr de grade de către cel de-al doilea centru chiral. compensare intramoleculară14 În cazul acidului fumaric (trans sau E), în urma adiţiei SIN se va obţine forma racemică, compusă dintr-un amestec 50% enantiomer dextrogir şi 50% enantiomer levogir. D H HOOC C C COOH H D H a b b Acid fumaric HOOC D2 a COOH COOH H D H D H (+) 50% forma racemica COOH COOH _) (+ D H ( ) 50% COOH H b HOOC H D D Acid (±)-(2,3-D2)butandioic H D COOH Activitatea optică specifică [a] a racemicului este zero, [a] = 0, deoarece, pentru fiecare moleculă care va roti planul luminii polarizate spre dreapta cu un număr de grade va exista totdeauna o altă moleculă care va roti planul luminii polarizate spre stânga cu acelaşi număr de grade. compensare intermoleculară15 Adiţia compuşilor de forma HA Reacţii regioselective H C C + H A C C A HA: HI > HBr > HCl HA: HOSO3H, HOH (H+), etc. + HOH/H H2C CH2 HI CH3CH2OH CH3CH2I HOSO3H CH3CH2OSO3H H2O CH3CH2OH + H2SO4 16 Dacă alchena permite, se formează un amestec de compuşi de adiţie, în care unul dintre ei predomină: R CH2 CH2 A R CH CH2 + HA A R CH CH3 R' R' Univ. Kazan Rusia R C CH2 HA R CH CH2 A R' R C CH3 A Regula lui Markovnikov În cazul adiţiei la alchenele asimetrice (care conţin un număr diferit de atomi de hidrogen (respectiv, substituenţi) la cei doi atomi de carbon implicaţi în legătura dublă), atomul de hidrogen se leagă de atomul de carbon care conţine un număr mai mare de 17 atomi de hidrogen (este mai puţin substituit). Utilizarea regulii lui Markovnikov permite predicţia corectă a produşilor principali obţinuţi în multe reacţii de adiţie la alchene: CH3CH2 CH CH2 + HI 1-butena CH3CH2 CH3 CH CH3 iodura de sec-butil (2-iodobutan) I CH3 CH3C CH CH3 + HBr CH3CH2CH CHCH3 + HCl 2-pentena CH3 C CH CH3 bromura de t-pentil (t-amil) (2-iodo-2-metilbutan) Br CH3CH2CH2 CHCH3 + CH3CH2CH CH2CH3 Cl 2-clorobutan Cl 3-clorobutan I H2C CH Cl + HI clorura de vinil (cloroetena) Reacţii regioselective H3C CH Cl regio = direcţie Reacţiile care, din punctul de vedere al orientării, dau exclusiv sau aproape exclusiv doar unul dintre izomerii posibili sinteză ideală 18 mecanism Mecanismul adiţiei electrofile la alchene Reacţia are loc în două etape: 1. prin adiţia protonului H+ se formează, lent, un carbocation. 2. anionul A¯ se leagă rapid de carbonul deficitar în electroni, care poartă sarcina pozitivă (are un orbital vacant). A C C + H A lent C C H + A: rapid C C H HA: HI > HBr > HCl HA: HOSO3H, HOH (H+), etc. În prima etapă, care este etapa lentă, determinantă de viteză a reacţiei de adiţiei, norul p al alchenei extrage protonul din compusul HA cu formarea unui carbocation, care este intermediarul acestei reacţii. În cea de-a doua etapă, cea rapidă, fragmentul anionic A¯ compensează rapid deficitul electronic al carbocationului. 19 Regula lui Markovnikov poate fi uşor înţeleasă pe baza mecanismului de reacţie: R CH2 CH2 carbocation primar (1o) R CH CH2 + H+ R CH CH3 carbocation secundar (2o) Prin adiţia protonului la dubla legătură se pot forma doi carbocationi diferiţi, unul primar (1°) iar celălalt secundar (2°). Deoarece carbocationul secundar este mai stabil decât carbocationul primar, el se va forma cu o viteză mult mai mare, astfel încât produsul obţinut prin ataşarea anionului A¯ va fi majoritar. În concluzie stabilitatea carbocationilor reprezintă factorul determinant în reacţia de adiţie electrofilă la alchene R: > 3o > 2o > 1o 20 Faptele experimentale care susţin acest mecanism sunt: 1. Viteza reacţiei depinde de concentraţia alchenei reactantului HA 2. Reacţia necesită un reactant acid – HA 3. Reacţia nu suferă un schimb apreciabil de hidrogen 4. Orientarea adiţiei – Markovnikov 5. Reactivităţile relative ale alchenelor. H3C C CH3 > H3C CH2 CH CH3 > H3C CH CH3 > H3C CH2 H3C + H3C +H + +H + +H + H+ C CH2 > H3C CH2 CH CH2 > H3C CH CH2 > H2C CH2 H3C 21 6. Apariţia rearanjărilor în funcţie de structura alchenei CH3 CH3 CH CH CH2 3-metil-1-butena HCl CH3 CH3 2o deplasare H CH3 C CH CH3 CH3 C CH2 CH3 o 3 H Cl Cl CH3 CH3 CH3 CH3 Cl 2-cloro-3-metilbutan Cl 2-cloro-2-metilbutan CH3 CH3 H3C C CH CH2 CH3 CH CH CH3 HI o 2 C CH2 CH3 CH3 deplasare CH3 H3C C CH CH3 H3C oC CH CH3 3 CH3 CH3 CH3 CH3 H3C C CH CH3 CH3 I 3-iodo-2,2-dimetilbutan H3C C CH CH3 I CH3 22 2-iodo-2,3-dimetilbutan Adiţia halogenilor X C C X X + C C Derivat dihalogenat vicinal X X2: Cl2 > Br2 > I2 Mecanismul reacţiei este electrofil adiţie stereospecifică ANTI, în două etape: (1) X X + p C C X X (2) C C + X- C C X X + X- C C X + C C X 23 Intermediar se formează un ion de haloniu ciclic: Acest fapt s-a dovedit prin introducerea în mediul de reacţie al altor nucleofili, rezultatele experimentale obţinute fiind cele de mai jos: Br H2C CH2 + Br2 H2C CH2 Br- Br H2C CH2 Cl- Br H2C CH2 Cl I- Br H2C CH2 NO3 Br H2C CH2 ONO2 H2O Br H2C CH2 OH2 - H+ H2C CH2 OH 24 Br Br I Stereochimia reacţiei de halogenare * * H3C CH CH CH3 H3C CH CH CH3 + Br2 2-butena Br Br 2,3-dibromobutan ( ) Racemic Forma mezo, inactiva prin compensatie intramoleculara cis-2-butena trans-2-butena Pentru a putea explica faptele experimentale observate a fost propusă adiţia ANTI Acesta, este atacat de către anionul halogen (X¯) pe faţa opusă celei pe care se găseşte halogenul din ionul de haloniu. Iniţial, se formează ionul ciclic de haloniu (cloroniu sau bromoniu). CH3 Br Br Br H H C Br C CH 3 CH3 H H CH3 CH3 b a cis-2-butena adiţia ANTI 50% H a Brb 50% H CH3 CH3 Br H Br CH3 CH3 Br H 50% (+) CH3 CH3 Racemic (±) Br Br H H Br H (±)-2,3-dibromobutan H Br CH3 50% (-) 25 Atacul este similar celui din substituţia nucleofilă bimoleculară, aşa-numitul atac pe la spate. El poate fi efectuat la fiecare din cei doi atomi de carbon de care este legat halogenul din ciclu Br Br Br Br H H3C C H C CH 3 H3C H CH3 d H c H3C 50% c Br Brd 50% H3C Br H H CH3 Br H Br H CH3 CH3 H H CH3 CH3 Br H Br H Br forma mezo CH3 26 Adiţia acizilor hipohalogenoşi (HOX) se obţin alcooli a-halogenaţi (halohidrine) OH C C + X2 + HOH X2 = Cl2, Br2 C C + HX X Reacţia este regioselectivă: OH CH3 C CH2 + Cl2 + H2OH CH3 Izobutena CH3 C CH2 Cl CH3 1-cloro-2-hidroxipropan Se obţine preferenţial halohidrina în care halogenul este legat de atomul de carbon cel mai puţin substituit iar grupa OH este legată de atomul de carbon cel mai substituit. 27 Reacţia este o adiţie electrofilă stereospecifică în care, în prima etapă, se formează cationul ciclic de haloniu X (1) X X + C C C C + X- În etapa a doua are loc atacul agentului nucleofil X (2) C C : X + H2O: ANTI C C X + C C OH2 - HX C C OH - HX X X - X OH2 X- + C C OH Deoarece apa este în cantitate mult mai mare decât X¯ , aceasta va ataca cationul de haloniu în detrimentul anionului halogen.28 Din punct de vedere stereochimic adiţia este ANTI, fapt susţinut de faptele experimentale prezentate mai jos cis-2-butenă racemicul formei treo a clorohidrinei butanului trans-2-butena racemicul formei eritro a clorohidrinei butanului CH3 Cl Cl H Cl H C C Cl CH3 H H CH3 CH3 cis-2-butena CH3 b a H 1 CH 3 50% H H2O a 1 H 2 CH3 2 H Cl CH3 OH b 50% Cl H H 1 CH3 CH3 1 H 2 HO OH 2 OH (±)-treo-clorohidrina 50% (-) Cl H CH3 50% (+) CH3 CH3 Cl Cl Cl H H3C C C CH 3 H H3C Cl H H H H H3C CH3 d c 50% H2O c d 50% H3C HO H CH3 Cl H CH3 CH3 OH Cl H H CH3 H OH H 50% (+) (±)-eritro-clorohidrina OH Cl 50% (+) CH3 29 Reacţia are un caracter SN1 considerabil atacul are loc asupra atomului de carbon care acomodează cel mai bine o sarcină pozitivă CH3 CH CH2 + Cl Cl CH3 b Cl + CH3 CH + 1o CH2 a Cl CH CH2 H2O a + Cl 2o + CH3 CH OH2 OH2 - H+ - H+ Cl Cl CH3 CH CH2 CH2 OH CH3 CH CH2 OH Produsul reactiei 30 Dimerizarea alchenelor Izobutena tratată cu H2SO4 formează carbocationul terţ-butil, mai stabil. Acesta se adiţionează la o altă moleculă de izobutenă, formând un carbocation mai mare, care se stabilizează cedând un proton bazei (HSO4¯) cu formarea a două alchene. CH3 CH3 (1) CH3 CH3 CH3 H2C C (2) H2SO4 CH3 CH3 H3C C + H2C C CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 C CH C CH3 + CH3 C CH2 C CH2 CH3 CH3 CH3 C CH2 C CH3 CH3 H2/cat - H+ CH3 CH3 CH3 C CH2 CH CH3 CH3 Izooctan (2,2,4-trimetilpentan) Prin hidrogenarea amestecului de alchene se obţine 2,2,4trimetilpentan (izooctan), care este utilizat drept combustibil standard pentru evaluarea calităţii benzinelor cu ajutorul binecunoscutei cifre octanice (CO). d Un carbocation se poate adiţiona la o alchenă 31 un carbocation mai mare Adiţia alcanilor la alchene. Alchilarea izobutan + izobutenă H2SO4 CH3 CH3 CH3 o H2SO4 3 H2C C H3C C + H2C C CH3 CH3 izooctan CH3 CH3 CH3 CH3 H3C C + CH3 CH3 CH3 CH3 C CH2 C + CH3 CH3 CH3 CH3 H C CH3 CH3 C CH2 CH CH3 CH3 Izooctan (2,2,4-trimetilpentan) Metoda a fost industrializată, cantităţi mari de izooctan fiind obţinute prin acest procedeu. 90% izooctan CO 90 10% n-heptan e Un carbocation poate extrage un ion de hidrură dintr-o alchenă 32 Un carbocation a. se poate combina cu un ion negativ sau cu o moleculă bazică b. se poate rearanja la un carbocation mai stabil c. poate elimina un proton cu formarea unei alchene d. se poate adiţiona la o alchenă cu formarea unui carbocation mai mare e. poate extrage un ion de hidrură dintr-un alcan Carbocationii formaţi prin b şi d pot suferi orice reacţie a, c şi e. Scopul reacţiilor carbocationilor 33 asigurarea octetului electronic Adiţia homolitică (radicalică) temperaturi mai ridicate Mecanism: adiţie radicalică înlănţuită 1. Adiţia acidului bromhidric R-O-O-R peroxizi în prezenţa iniţiatorilor Br fara R2O2 CH3 CH CH2 + HBr reactie Markovnikov cu R2O2 reactie anti-Markovnikov CH3 CH CH3 CH3 CH2 CH2 Reacţia este o adiţie radicalică înlănţuită. Hidrogenul se leagă de atomul de carbon care este mai substituit (de care sunt legaţi mai puţini atomi de hidrogen), iar bromul de atomul de carbon cel mai puţin substituit. efect peroxidic sau efect Kharasch 34 Br Mecanism: I. Faza de initiere R O R O O R R O + H Br R OH + Br II. Faza de propagare R' R' R C CH2 R C CH2 + Br Br R' R C CH2 R' R C CH2 Br R' Br + H Br R CH CH2 Br + Br 35 Stabilitatea radicalului liber format Factorii care intervin: Factorii polari Factorii sterici Br CH3 CH CH2 + Br Reactanti Bromul are un electron liber R+ CH3 CH CH2 CH3 CH CH2 Br ST Caracter radicalic partial 3° > 2° > 1° R∙ CH3 stabilitate împiedicare sterică mai mică CH3 CH3 + CH CH2 CH3 + CH CH2 Br ST Br - sarcina partiala negativa C - sarcina partiala pozitiva 1o CH CH2 2o CH3 CH CH2 Br Produsi Radicali liberi Br CH CH2 + Br mai mare Br Br CH3 CH3 1o CH CH2 2o CH CH2 Br 36 2. Adiţia halometanilor R CH CH2 CCl3 R CH CH2 + CCl4 Cl Reacţia are loc astfel încât să se formeze intermediar cel mai stabil radical I. Faza de initiere R O O R R' + Cl CCl3 CCl3 + R' Cl II. Faza de propagare R CH CH2 + CCl3 R CH CH2 CCl3 + Cl R CH CH2 CCl3 CCl3 R CH CH2 CCl3 + CCl3 Cl Exerciţii 1-octenă + CHCl3 1,1,1-triclorononan CHBr3 1,1,3-tribromononan CBrCl3 1,1,1-tricloro-3-bromononan 37 3. Adiţia carbenelor Carbena (:CH2) se adiţionează la dubla legătură cu formarea unui ciclul de trei atomi de carbon (ciclopropan) CH3 CH CH CH3 + CH2N2 h diazometan CH3 CH CH CH3 C 1,2-dimetilciclopropan H H Diclorocarbena, obţinută in situ din cloroform şi t-butoxid de potasiu, se adiţionează la 2-butenă CH3 - + t-BuO K CH CH CH3 + CHCl3 t-BuOH + KCl + + CH3 CH CH CH3 C Cl Cl 1,1-dicloro-2,3-dimetilciclopropan 38 Reacţia decurge conform schemei de mai jos: (1) (CH3)3C O + H CCl3 (2) CCl3 (3) CH3 t-BuOH + CCl3 Cl- + CCl2 diclorocarbena CH CH CH3 + CCl2 Cl CH3 Cl C CH CH CH3 39 Hidroxilarea. Formarea 1,2-diolilor C C KMnO4, sol. alcalina, rece C C sau HCO2OH permanganat de potasiu 3 H2C CH2 + 2KMnO4 + 4H2O etilena CH3 CH CH2 HCO2OH acid performic OH OH 1,2-diol 3 H2C CH2 + 2MnO2 + 2KOH OH OH 1,2-etandiol etilenglicol H2O CH3 CH CH2 OH OH 1,2-propandiol propilenglicol stereoselectivă Hidroxilarea stereospecifică KMnO4 adiţie sin Acizii peroxidici adiţie anti 40 Ruperea legăturii. Ozonoliza C C + O3 O CCl4 O O ozon gazos ulei vâscos exploziv O O O ozonida primara (molozonida) H2O Zn C O + O C (aldehide, cetone) ozonida normala H O R C O R C R' aldehide cetone Aldehidele (RCH=O) sunt adesea convertite în acizi carboxilici (RCOOH), mai uşor de izolat. OH R C O 41 acizi carboxilici Ozonoliza este o reacţie de degradare utilizată pentru determinarea structurii alchenelor. H CH3CH2CH2CH CHCH3 2-hexena CH3CH2CH HCCH2CH3 3-hexena CH3 CH3CH2CH C CH3 C C O3 H2O/Zn H CH3CH2CH2C O + O CCH3 aldehide H H O3 H2O/Zn CH3CH2C O + O CCH2CH3 aldehide CH3 H O3 H2O/Zn CH3CH2C O + O C CH3 KMnO4 C C NaIO4 acizi, cetone, CO2 OH OH CH3 CH3CH C CH3 2-metil-2-butena CH3CH2CH CH2 1-butena CH3 KMnO4 NaIO4 KMnO4 NaIO4 CH3COOH + O C CH3 acetona acid acetic CH3CH2COOH + CO2 acid propionic 42