CURS X II.2. COMPUSI HIDROXILICI 1 II.2.1. ALCOOLI 1

Transcript

1 CURS X II.2. CMPUSI IDRXILICI 1 II.2.1. ALCLI 1 II Clasificarea si nomenclatura 1 II Metode de obtinere a alcoolilor 2 II Metode de obtinere a alcoolilor din hidrocarburi 2 II Metode de obtinere a alcoolilor din alte functiuni organice si derivati functionali 2 II Proprietati fizice si spectrale 8 II Reactivitatea alcoolilor 9 II Caracterul acido-bazic 9 II Reactivitatea datorata caracterului nucleofil 11 II Reactivitatea fata de alcooli si compusi halogenati 11 II Reactivitatea fata de compusi carbonilici si carboxilici 13 II Reactivitatea fata de oxoacizi anorganici si cloruri ale acestora 16 II Reactivitatea fata de hidracizi 19 II Reactivitatea ca agenti reducatori: oxidarea alcoolilor 20 II Transpozitia pinacolica 23 II.2.2. FENLI 24 II Definitie si nomenclatura 24 II Metode de obtinere a fenolilor 24 II idroxilarea alcalina 24 II idroxilarea alcalina a acizilor sulfonici aromatici 24 II idroxilarea alcalina a halogenoderivatilor aromatici 25 II idroxilarea izopropilbenzenului 26 II Proprietati fizice si structurale 27 II Reactivitatea fenolilor 28 II Reactivitatea grupei hidroxil fenolice 28 II Reactivitatea inelului aromatic in reactii de Substitutie Electrofila 31 II Reactii de Substitutie Electrofila specifice fenolilor 33 II xidoreducerea radicalica a fenolilor 38 Modificarile ulterioare asupra continutului, operate de catre autor, nu fac obiectul vreunei notificari prealabile.

2 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. II.2. CMPUSI IDRXILICI Clasificarea de baza a acestei clase de compusi tine cont de tipul de hibridizare a atomului de carbon apartinand unui radical hidrocarbonat pe care este grefata functiunea organica monovalenta hidroxil (Curs 1, 3. II.): sp 3 sp 2 sp 2 C C C Alcooli Enoli Fenoli R- Ar- II.2.1. Alcooli II Clasificarea si nomenclatura Nomenclatura: se adauga sufixul L la numele hidrocarburii cu acelasi numar de atomi de carbon. Incepand cu alcoolii C 3 se precizeaza pozitia gruparii hidroxil, de exemplu: C 3 -C-C 3 C 3 -C 2 -C 2 2-Propanol 1-Propanol (Izopropanol) (n-propanol) Alcool izopropilic Alcool n-propilic Prefixele multiplicative di, tri etc. se folosesc in cazul alcoolilor polihidroxilici, de exemplu: -C 2 -C 2 - -C 2 -C-C 2 - [ 3 C-C() 2 -C 3 ] 3 C-C(=)-C 3 2 1,2-Etandiol 1,2,3-Propantriol 2,2-Propandiol Acetona Etilenglicol (diol vicinal) Glicerina (triol vicinal) Diol geminal: INSTABIL STABILA Daca pe catena hidrocarbonata se gasesc grefate si alte grupe functionale, in construirea denumirii se tine cont de prioritatea de citare a acestora in sensul crescator: R < X < C=C < < C= < C. Prefixul gruparii functionale hidroxil este hidroxi (I.U.P.A.C.): C 2 -C 2 -C= 3-idroxipropanal 1

3 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. Sunt in uz si inca tolerate denumiri triviale, inclusiv cele care folosesc cuvantul alcool inaintea radicalului hidrocarbonat la care se adauga sufixul ic C 6 5 -C 2 C 2 =C-C 2 C 3 C 3 -C 2 R 3 C- Fenilmetanol 2-Propen-1-ol Metanol Etanol Alcool benzilic Alcool alilic Alcool metilic Alcool etilic Carbinol Clasificarea alcoolilor in functie de natura radicalului hidrocarbonat: - s a t u r a t i : cu formula generala C 2 2n1 - alcoolii saturati cu catena hidrocarbonata ciclica C n 2n-1 - se mai numesc si ciclanoli - n e s a t u r a t i : 2 C=C-C 2 gruparea hidroxil este legata de un atom de carbon hibrid sp 3 (nu confunda cu enolii!!) - a r o m a t i c i : C 6 5 -C 2 dar gruparea hidroxil este legata de un atom de carbon hibrid sp 3 (nu confunda cu fenolii!!) Clasificarea in functie de natura atomului de carbon hibrid sp 3 care poarta grupa functionala monovalenta hidroxil: R-C 2 R 2 C- R 3 C- Alcool: Primar Secundar Tertiar ( Carbinoli ) II Metode de obtinere a alcoolilor II Metode de obtinere a alcoolilor din hidrocarburi 1. DIN ALCANI: prin oxidare radicalica (Substitutie Radicalica, S.R. Curs 6, I ) 2. DIN ALCENE: prin aditia apei in cataliza acida (Aditie Electrofila, A.E. Curs 7, I ) prin hidroborare (Aditie Electrofila, A.E. Curs 7, I ) prin oximercurare (Aditie Electrofila, A.E. Curs 7, I ) prin reactie Prins (Aditie Electrofila, A.E. Curs 7, I B) prin oxidare (Curs 7, I ) II Metode de obtinere a alcoolilor din alte functiuni organice si derivati functionali 1. DIN CMPUSI ALGENATI: prin hidroliza alcalina a celor cu reactivitate marita sau normala (Substitutie Nucleofila SN 1, SN 2, Curs 9, II , Curs 9 II ). 2

4 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. 2. DIN DERIVATI FUNCTINALI: A) idroliza in cataliza acida ( acidoliza ) a esterilor alchilsulfurici (Curs 7, I ): S.N. δ δ- (C 3 ) 2 C--S 3 (mare exces) / Δ (C 3 ) 2 C- -S 3 Sulfat acid - Izopropanol de izopropil 3 B) idroliza esterilor organici in cataliza acida ( acidoliza ) sau in mediu bazic (vezi si Curs 13, II ): R 1 C R 2 S.N. / / Δ Reversibila R 1 C R 2 - R 1 C R 2 S.N. Na / 2 / Δ Ireversibila R 1 C - Na R 2 - C) idroliza acida ( acidoliza ) eterilor aciclici si a celor ciclici (e.g. epoxizi, Curs 7, I ): - / Δ (SN 1, SN 2 ) ỌḤ mare exces R R R R Eter aciclic Ion de oxoniu R- R- 2 - R- i) Ruta SN 1 este preferata in cazul in care R este carbocation tertiar sau secundar. Reactie secundara posibila: deshidratarea alcoolului la alchena corespunzatoare. ii) Eterii inferiori (C 3 --C 3, C C 2 5 ) prefera ruta SN 2 si sunt foarte rezistenti la acidoliza.

5 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. D) Deschiderea diastereospecifica in TRANS a epoxizilor (oxiranilor) ca si eteri ciclici: i) prin hidroliza acida ( acidoliza, Curs 7, I ): - I puternic - I slab : : : : : 180 o R SN 2 R - R R R R R R R Trans epoxid - 2 (prin oxidarea : R Scindare in Trans Trans alchenei) a ciclului epoxidic R tensionat steric R R Diol vicinal Diastereo(izo)mer Mezoforma ii) prin tratare cu compusi organomagnezieni (Grignard) in mediu anhidru, hidrolizat in final: δ- :: Cis epoxid (prin oxidarea R 1 Cis alchenei) δ R 1 δ- R 2 δ -MgX δ- :: Trans epoxid (prin oxidarea R 1 Trans alchenei) R 1 δ δ- R R 2 δ -MgX Diastereo(izo)meri configurationali cis - trans : -MgX : SN 2 R 1 N 4 Cl R 1 R - MgXCl, -N 1 R 1 3 R 2 R 2 R 2 60 o R o : -MgX : SN 2 N R 1 4 Cl R 1 R 1 - MgXCl, -N 3 R 1 R 2 R 2 R 2 PRCES DIASTERESPECIFIC R 1 R 1 R 1 PRCES DIASTERESPECIFIC: Cis-alchena furnizeaza perechea de enantiomeri ai diolului (racemic) R 1 R 2 R 1 R 1 R 1 R 2 R 1 R 1 R 1 R 2 R 2 R 1 Diastereo(izo)meri configurationali datorita polichiralitatii 4

6 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. 3. DIN CMPUSI CARBNILICI si ANALGI CARE CNTIN GRUPE >C= A) idrogenarea aldehidelor si cetonelor: - cu hidrogen gazos in prezenta catalizatorilor metalici fin divizati (Ni, Pt, Pd) - aldehidele furnizeaza alcooli primari iar cetonele, alcooli secundari. 5 R-C= 2 (g) R-C 2 - R-C-R 2 (g) R-C-R Aldehida Alcool primar Cetona Alcool secundar B) Reducerea aldehidelor si cetonelor cu hidruri metalice: ionul de hidrura : - ca n u c l e o f i l dur - sunt de interes Li Al 4 - (hidrura de litiu si aluminiu) si Na B 4 - (borohidrura de sodiu). 4 R-C-R Li Al 4 - (R2 C--) 4 Al - Li (R 2 C--) 4 Al - Li 4-4 R-C-R Al() 3 Li Activarea dublei legaturi carbonil de catre Li Li Li III, IV δ- C : Li - C Ọ Al 4 -. Li - δ C Ọ. Li C--Al 3 C--Al--C C-- Al - Li I II 4 Nota 1: din cei patru ioni de hidrura care se comporta ca agenti nucleofili in realitatea experimentala sunt transferati cel putin doi dintre ei dupa care procesul scade in eficacitate. Nota 2: LiAl 4 este un reactiv energic de reducere si foarte sensibil la umiditate; cu apa hidrolizeaza violent!! LiAl 4 4 Li Al() Se lucreaza cu exces de LiAl 4 pentru a mentine eficacitatea reactivului!

7 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. Activarea suplimentara Na a dublei legaturi carbonil δ- δ C : Na Na Na C Na - / Et B 4 - -Et - C C -B 3 C -B--C I II -Et III, IV C B - Na 4 6 idroliza finala C B - Na C Na 2 B 3 Nota 1: din cei patru ioni de hidrura sunt transferati maximum doi. Nota 2: Solventul Et este necesar si pentru a activa, suplimentar, dubla legatura carbonilica (Na, singur este insuficient). Nota 3: NaB 4 este mai putin eficienta decat LiAl 4 dar mai toleranta cu conditiile de reactie (temperatura, umiditate, etc). - in unele cazuri, este eficace si boranul B 3 : δ C : δ- B 3 C B - C Ọ. B 2 I C Ọ. C) Reducerea esterilor organici: - decurge similar reducerii compusilor carbonilici, sub actiunea Li Al R 1 -C--R 2 Li Al 4 - [(R 1 -C 2 --) 2 Al(--R 2 ) 2 ] - Li II, III C B C- - 3 B 3 [(R 1 -C 2 --) 2 Al(--R 2 ) 2 ] - Li R 1 -C 2-2 R 2 - Li Al() 3 - este redusa functiunea carbonil din ester pana la alcool primar, concomitent cu eliberarea alcoolului initial din care a fost preparat esterul. δ- Li :: :: R 1 C [LiAl 3 ] : - δ R 2 R 1 C R 2 : - Al 2 R 1 -C 2 -Li [R 2 -: - Al 2 ] Continua procesul ca sursa de ioni : -

8 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. D) ADITIA CMPUSILR RGANMAGNEZIENI (GRIGNARD) LA CMPUSI CARBNILICI - Aditica Nucleofila (A.N.) a organomagnezienilor la aldehide furnizeaza alcooli secundari (exceptie formaldehida). - Aditica Nucleofila (A.N.) a organomagnezienilor la cetone furnizeaza alcooli tertiari. - Reactia are loc in mediu de eter anhidru iar in final se hidrolizeaza in mediu (slab) acid. 7 δ δ- C : (C 3 ) 2 C= δ- δ R MgX Solvent eteric anhidru δ- δ N R C MgX 4 Cl R C - MgXCl, - N 3 i) 3C-C 2 -C 2-2 C-MgBr (bromura de n-butilmagneziu) ii) N 4 Cl 1 C C-C-C 2 -C 2 -C 2 -C Metil-2-hexanol C 6 5 -C= C 6 5 -C-C 2 -C 2 -C 2 -C 3 1-Fenil-1-pentanol E) CNDENSAREA PINACLICA - Metoda speciala de preparare a diolilor vicinali din cetone sau aldehide aromatice (nu insa si alifatice!) sub actiunea reducatoare a unor metale (Al, Mg, Zn, Na) in mediu anhidru, la cald: 3 C C 3 C 3 C C 3 : : C 3 C C 3 Mg o Mg 2 2e - i) M o M n n e - 1 C 3 C ii) 2 3 C 3 C 3 C 6 5 -C= =C-C 6 5 C 6 5 -C-C-C 6 5 1,2-Difenil-1,2-etandiol 2,3-Dimetilbutan-2,3-diol ("hidrobenzoina) ("pinacol") hidroliza 3 C C 3 C C finala 3 3 C C C C C C 3 3 C C 3 3 C C 3 : : : : : : - Mg 2 - Radical anioni tertiari! : : : : - - Mg 2 Dianion - Mg() 2

9 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. C-: - Na C-: - Na Anion radical stabilizat prin conjugare Ph Ph Na - - Na Na II Proprietati fizice si spectrale Din punct de vedere structural, alcoolii (R-) se aseamana cu apa (-) si cu eterii (R--R): sunt molecule angulare in zona legaturilor -- iar legatura σ Csp3-sp3 este polara in favoarea oxigenului. 104 o 5' 0.96 A 3 C 104 o 9' Solubilitatea in apa: o regula generala prevede ca aceasta scade odata cu cresterea radicalului hidrocarbonat (R) si creste odata cu cresterea numarului de grupe hidroxil. Pentru o aceeasi catena, odata cu cresterea ramificarii catenei, creste solubilitatea in apa. Punctul de fierbere: o data cu cresterea masei moleculare creste si punctul de fierbere; pentru o aceeasi catena, punctul de fierbere scade odata cu cresterea ramificarii catenei A 0.96 A C 3 -C 2 -C 2 -C 2 - C 3 -(C 2 ) 5 -C 2 P.f. ( o C / 760 mm g): Solubilitatea in apa: 0.05 % Punctele de fierbere ridicate ale alcoolilor si solubilitatile acestora in apa se datoresc asocierii puternice prin formarea de legaturi de hidrogen intra- si intermoleculare. Alcoolii formeaza, de regula, azeotropi (heterogeni) cu apa; in scopul anhidrificarii, de exemplu, Etanolul (4 % apa) se distila de pe oxid de calciu (Ca) sau clorura de calciu (CaCl 2 ) pentru a furniza alcoolul absolut (< 0.5 % apa). Densitatile sunt subunitare pentru alcoolii alifatici si usor supraunitare pentru cei aromatici si polialcooli. Proprietati spectrale specifice (IR, RMN si MS, vezi Curs 4-6). Ph Ph 8

10 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. II Reactivitatea alcoolilor Reactivitatea alcoolilor se manifesta in d o u a d i r e c t i i f u n d a m e n t a l e : - scindarea legaturii hidroxilice, datorata caracterului (slab) acid al alcoolilor R R : - - scindarea legaturii C- in mediu acid: R R Ọ. R - DE RETINUT: gruparea hidroxilica este o Grupare Fugace slaba din cauza bazicitatii sale ridicate ( - ); ea devine insa o buna Grupa Fugace prin protonare (apa este o baza mult mai slaba!). II Caracterul acido-bazic CARACTERUL ACID: - se datoreaza caracterului polar al legaturii δ - - δ - este fundamnetal influentat de natura radicalului hidrocarbonat saturat R: pe masura ce radicalul hidrocarbonat saturat R este mai voluminos si mai ramificat (adica manifesta un efect I mai important), aciditatea scade, de exemplu: C 3 - C 3 -C 2 - (C 3 ) 3 C- pka I = 0 creste efectul I al lui R Scade caracterul acid al R- Creste taria bazei conjugate R- - - cu exceptia metanolului (avand pka comparabil cu al apei), alcoolii cu catena hidrocarbonata saturata R- sunt acizi mai slabi decat apa; in mod corespunzator, bazele lor conjugate R- - (numite alcoxizi ) sunt baze mai tari decat baza conjugata apei, ionul de hidroxil -. C 3 Na - C Na aciditatea C 3 este comaparabila cu ce a bazicitatea C 3 - este comparabila cu cea a - Metoxid de sodiu 9

11 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag alcoolii superiori nu pot fi deprotonati de catre ionul hidroxil (sunt acizi prea slabi); alcoxizii corespunzatori se prepara prin reactia directa cu sodiu metalic (sau alt metal suficient de electropozitiv K, Mg, Al, etc.) in conditii anhidre: R- Na R- - Na Alcoxid de sodiu - alcoolii pot fi deprotonati cu usurinta de catre baze conjugate unor acizi mai slabi decat ei si care sunt, evident, baze mai tari ca ionul de alcoxid, de exemplu: Et- C C: - Na Et - Na C C- pka = 18 pka = 26 Et- Na - N2 Et - Na N 2 - pka = 18 pka = 36 Et- C 6 5 Li Et-Li C pka = 18 pka = 37 Et 3 C-C 2 -MgBr Et-MgBr Et- pka = 18 pka = 42 CARACTERUL BAZIC: - se datoreaza existentei celor doua perechi de electroni neparticipanti de la oxigenul hidroxilic. - caracterul bazic al alcoolilor se manifesta numai fata de acizi (foarte) tari, Brønsted sau Lewis. - cu cat densitatea electronica la oxigenul hidroxilic creste, caracterul bazic se intensifica: C 3 - C 3 -C 2 - (C 3 ) 3 C- I = 0 creste efectul I al lui R Creste taria bazei R- R- R- R- 2 R- 2 S 4 R 2 S 4 - Ion de (alchil)oxoniu

12 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag aceeasi comportare R- o manifesta si fata de Acizii Lewis, la fel ca si eterii (R--R), utilizati tocmai in scopul de a stabiliza, temporar, unii Acizi Lewis foartre energici, de exemplu: R- BF 3 Acid Brønsted slab Baza Brønsted slaba 2p pur vacant Acid Lewis tare MEDIU ANIDRU R B - F 3 Acid Brønsted tare II Reactivitatea datorata caracterului nucleofil II Reactivitatea fata de alcooli si compusi halogenati R MEDIU BF 3 R R ANIDRU R "Trifluorura de bor B - F eterata" 3 Eter Acid Lewis tare ETERIFICAREA Alcoolii se manifesta ca agenti nucleofili fata de atomul de carbon hibrid sp 3 din alcooli sau compusi halogenati: Eterificarea in cataliza acida: R 1 - -R 2 R 1 --R 2 2 R 1 R 2, Eter simetric R 1 R 2, Eter nesimetric (mixt) Proces SN 1 favorizat de: concentratii mici de catalizator acid Rapid Lent Rapid temperaturi relativ scazute (C 3 ) 3 C- (C 3 ) 3 C (C 3 ) 3 C -C 3 (C 3 ) 3 C- - -C 3 (C 3 ) 3 C--C - 3 Alcool Tertbutil-metil eter tertiar Eter mixt (Eter nesimetric) Rapid Proces E-1 favorizat de: concentratii mari de acid - temperaturi relativ ridicate (C 3 ) 2 C=C 2

13 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. Nota 1: mecanismul SN 1 implica alcoolul tertiar, mai bazic, ca sursa de carbocation mai stabil. Nota 2: in ansamblu metoda nu este total chemioselectiva deoarece: - pot apare produsi de eliminare E-1, indiferent de scopul sintezei: eter simetric sau nesimetric. - nu pot fi evitati eterii simetrici, in cazul de mai sus Me--Me (Me 2, prin mecanism paralel SN 2 ) si (t-bu)--(t-bu) [(t-bu) 2, prin mecanism SN 1 ]. 12 C 3 - C 3 C 2 - (mai bazic!) Alcooli primari Rapid Proces SN 2 C 3 - C 3 C 3 C 2 - Lent 2 C 3 - δ C δ 2 Stare de tranzitie pentacoordinata Nota 1: mecanismul SN 2 implica alcooli primari. Me- -Et - Me--Et Metil-etil eter Nota 2: in ansamblu metoda nu este total chemiselectiva deoarece nu pot fi evitati eterii simetrici, in cazul de mai sus Me--Me (Me 2 ) si Et--Et (Et 2 ). Nota 3: nu are importanta care dintre alcoolii primari se protoneaza preferential, rezultatul final este acelasi. Eterificarea in mediu bazic (vezi si Curs 9, II ): Metoda Williamson Consta din tratarea compusilor halogenati cu reactivitate marita sau normala cu alcoxizi, in mediu anhidru. Este metoda preferata pentru obtinerea eterilor (ne)simetrici. Mediu R 1 -X Na - -R 2 anhidru R 1 --R 2 NaX R 1 R 2, Eter simetric R 1 R 2, Eter nesimetric (mixt) Nota 1: se utilizeaza alcoxidul alcalin al alcoolului cu caracter acid mai pronuntat (R mai putin voluminos). Nota 2: mecanismul este, de-obicei, SN 2. Nota 3: produsul secundar posibil este cel de eliminare E-2 corespunzator lui R 1 -X. Nota 4: mediul anhidru este necesar pentru a evita hidroliza alcoxidului alcalin.

14 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. II Reactivitatea fata de compusi carbonilici si carboxilici (A)CETALIZAREA: Reactie a alcoolilor cu compusi carbonilici (aldehide sau cetone) in cataliza acida furnizand eteri ai diolilor geminali. Etapa 1 Etapa 2 Aditie Nucleofila Substitutie Nucleofila (A.N.) R- / (SN 1 ) R- / / - R - 2 Rapid Compus carbonilic STABIL Diol geminal INSTABIL Mecanism: Rapid Cataliza acida C - C -R C - -R Compus carbonilic R C -R - C -R R semiacetali (din aldehide) semicetali (din cetone) INSTABILI : -R C - : -R C : - semi(a)cetal INSTABIL R 2 acetali (din aldehide) cetali (din cetone) STABILI R AN SN 1 : -R Lent - C : 2 se elimina din proces pentru deplasarea echilibrului inspre dreapta ETERI AI DILILR GEMINALI Rapid -R C -R - -R Carbocation stabilizat C -R Metoda larg raspandita de protejare temporara a functiunii carbonil: (a)cetalii pot fi cu usurinta hidrolizati, in cataliza acida, pentru a reface aldehida (cetona) initiala: de aceasta data, alcoolulul este cel care se indeparteaza din proces pentru deplasarea echilibrului. 13

15 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. 14 ESTERIFICAREA CU ACIZI CARBXILICI SI DERIVATI FUNCTINALI AI ACESTRA: Reactie de importanta fundamentala dintre alcooli si acizi carboxilici prin care se obtin esteri organici, derivati functionali ai acizilor carboxilici si ai alcoolilor. Reactia directa intre un alcool si un acid carboxilic are stoichiometria: Exemplu: R-C- -R R-C--R 2 Acid carboxilic Alcool Ester carboxilic C 3 -C- -C 2 -C 3 C 3 -C--C 2 -C 3 2 Acid acetic Etanol Acetal de etil - este un proces reversibil. - la un raport echimolar molar acid acetic : etanol, la temperatura ambianta, starea de echilibru se atinge in 16 ani. - la un raport echimolar acid acetic : etanol, la atingerea starii de echilibru, valoarea constantei de echilibru termodinamic este K = 4, ea corespunzand urmatoarelor valori ale concentratiilor la echilibru: K = [C 3 -C-C 2 C 3 ] [ 2 ] [C 3 -C] [C 3 C 2 ] [0.67] [0.67] = = 4 [0.33] [0.33] Prezinta interes major pentru chimia organica preparativa si la scara industriala: - atingerea rapida a starii de echilibru prin utilizarea catalizei acide (uzual 2 S 4 ) - deplasarea convenabila a echilibrului inspre dreapta prin: - utilizarea in exces a componentei mai ieftine, acidul sau alcoolul (limitata economic). - distilarea din amestecul de reactie a componentei mai volatile pe masura ce aceasta se formeaza. Mecanism: In marea majoritate, sunt reactii in doua etape: I: aditia nucleofila a alcoolului la dubla legatura carbonilica >C= din gruparea carboxil, in cataliza acida. II: eliminarea, in cataliza acida, a bazei celei mai slabe din intermediarul de aditie neizolabil de la pct. I In ansamblu, este vorba despre o Substitutie Nucleofila (S.N.) la atomul de carbon hibrid sp 2.

16 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. Rapid - : -E : Cataliza acida : : 2: 18 sp3 : sp3 : sp R' 18 sp R C : E Acid carboxilic - R C sp 2 : R C : R' R C R C : Cabocation stabilizat de doua efecte E sp sp 2 : Ester R C : R' R C carboxilic 18: R' E-1 - R' R C -R' : R INTERMEDIAR TETRAEDRIC C 2 Baza cea mai slaba este Grupa Fugace din INTERMEDIARUL TETRAEDRIC: 2 < R- < - < R' - < R - -R' AN Nota 1: protonarea acidului carboxilic are loc rapid la atomul de oxigen cel mai bazic, cel carbonilic >C= >C= -, in sensul manifestarii conjugarii p π urmare a exercitarii efectelor E (donor) -E C= (acceptor). Nota 2: Gruparea devine Grupare Fugace din intermediarul tetraedric numai in cataliza acida sub forma 2. Nota 3: prin marcaj izotopic ( 18 ) se demonstreaza ca in aceste cazuri legatura C- din alcool nu se scindeaza niciodata. Nota 3: bazicitatile apei si alcoolilor inferiori fiind relativ apropiate, procesul este reversibil, necesitand indepartarea apei (concurentul nucleofil pentru R-). Nota 4: in procesul invers ( acidoliza ) se lucreaza, totdeauna, cu exces mare de apa. Nota 5: mecanismul se refera mai ales la acizii carboxilici si alcoolii inferiori, neimpedimentati steric. Daca se inlocuieste acidul carboxilic cu un derivat functional al sau (o clorura acida R-C-Cl, sau o anhidrida R-C-- C-R) procesul de esterificare (aditie nucleofila eliminare) devine i r e v e r s i b i l deoarece bazele eliminate din intermediarul tetraedric sunt mult mai slabe decat ionul de alcoxid. R-C-Cl -R R-C--R Cl R-C--C-R -R R-C--R R-C- Clorura a acidului Anhidrida a acidului Carboxilic Carboxilic 15

17 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. R : C δ- sp 2 -E δ R'- : Cl: E Cl < -I Cl Clorura a acidului carboxilic : - Cl R C Cl : sp 3 : R' INTERMEDIAR TETRAEDRIC Cl - < - < R'- - << R - Grupa Fugace sp 2 : R C : R' Nota 1: spre deosebire de acidul carboxilic, in clorura sa acida atomul de carbon carbonilic >C= este mai pozitivat deoarece gruparea hidroxilica (E >> -I ) este inlocuita cu un atom de clor (E Cl < -I Cl ): atacul nucleofil al alcoolului este astfel facilitat. Nota 2: din reactie rezulta cantitati echimolare de acid clorhidric, suficient de tare pentru a protona partial alcoolul care isi diminueaza astfel nucleofilicitatea; este necesara prezenta unei baze autentice si nenucleofile care sa neutralizeze aceasta aciditate (Na 2 C 3, K 2 C 3 etc.). II Reactivitatea fata de oxoacizi anorganici si cloruri ale acestora ESTERIFICAREA CU XACIZI ANRGANICI. NUCLEFILICITATEA FATA DE AZT SI SULF Alcoolii primari cu catena hidrocarbonata saturata reactioneaza cu oxoacizii anorganici prin Aditie Nucleofila urmata de eliminare, ca si in cazul acizilor carboxilici, formand esteri ai acizilor anorganici, de exemplu: R- -N 2 R--N 2 2 Nitrati (azotati) de alchil R- -N= R--N= 2 Nitriti (azotiti) de alchil R- -S 3 R--S 3 2 Sulfati acizi de alchil R- R--S 2 - R--S 2 --R 2 Dialchilsulfati Sunt procese reversibile, necesitand, pentru deplasarea echilibrelor catre dreapta, indepartarea apei din sistem, la cald, sau, mai convenabil, prin utilizarea de alcool in exces. 16 δ- C 3 -: δ - S S C S 3 C C S - -

18 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. i) in aceste sinteze sunt de interes alcoolii primari inferiori (C 1 C 5 ) care nu dau reactii de eliminare E-1. ii) acesti esteri anorganici sunt surse de carbocationi R pe care ii transfera in procese SN 2 deoarece fragmentele anionice S 4 2-, S 4 -, N 3 - (baze foarte slabe) sunt excelente Grupe Fugace din esterii mentionati. 17 ESTERIFICAREA CU ALGENURLE XACIZILR ANRGANICI. NUCLEFILICITATEA FATA DE SULF SI FFR Alcoolii primari saturati reactioneaza, in mediu anhidru, cu cloruri ale oxoacizilor anorganici polibazici ai fosforului sau sulfului, in procese de Aditie Nucleofila urmate de eliminari, cu formarea de esteri ai acestor acizi, via halogenuri ale acestor esteri, de exemplu: 2 R- Cl-S-Cl R--S--R 2 Cl Clorura de tionil Dialchil sulfit 2 R- Cl-S 2 -Cl R--S 2 --R 2 Cl Clorura de sulfuril Dialchil sulfat 3 R- =PCl 3 =P(R) 3 3 Cl xitriclorura de fosfor Trialchilfosfat 3 R- PCl 3 P(R) 3 3 Cl Triclorura de fosfor Trialchilfosfit Nota 1: mediul anhidru este necesar pentru a conserva halogenurile oxoacizilor anorganici, instabile in prezenta apei. Nota 2: reactiile sunt de interes pentru alcoolii primari saturati C 1 C 5. Nota 3: sunt, fara exceptie, procese ireversibile deoarece Grupa Fugace (de ex. anionul Cl - ) este o baza mult mai slaba decat nucleofilul, R-. Nota 4: acesti esteri anorganici ai fosforului sau sulfului sunt surse de carbocationi R pe care ii transfera in procese SN 2. La cald, in mediu anhidru, halogenuirle oxoacizilor anorganici pot deveni agenti de halogenare nucleofila prin Mecanism SN 2

19 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. EXEMPLU: alogenare nucleofila cu triclorura de fosfor PCl 3 (Curs 9, II ) Anhidru! 3 R-C 2 - PCl 3 3 R-C 2 -Cl 3 P Δ 3 δ- δ Cl - Cl R-C 2 :P Cl R-C 2 - Cl P Cl -, - R-C 2 --PCl 2 (R-C 2 ) 3 P Cl Cl Alchildicloro fosfit Trialchil fosfit Diclorura acidului fosforos (excelenta - Cl :Cl: R Grupa Fugace in raport R-C 2 - Cl P Cl - R-C 2 - PCl 2 (Lent, SN 2 ) Cl δ- δ R cu anionul Cl - ) : C -PCl 2 Cl -PCl 2 Cl Stare de tranzitie i) in locul PCl 3 poate fi utilizate PBr 3 sau PI 3, rezultand bromurile respectiv iodurile corespunzatoare; la limita, pot fi inlocuiti toti cei trei atomi de halogen. ii) in locul trihalogenurilor de fosfor PX 3, se pot folosi, cu rezultate mai bune, pentahalogenurile PX 5 sau oxitrihalogenurile corespunzatoare, PX 3. EXEMPLU: alogenare nucleofila cu clorura de tionil SCl 2 (Curs 9, II ) Anhidru! R-C 2 - SCl 2 R-C 2 -Cl S 2 Cl Δ δ- R-C 2 : : - E A.N. R-C 2 S - Cl -, - S R-C 2 --S-Cl (R-C 2 ) 2 S= Cl Cl : Cl S δ Cl 2 Cl Dialchil sulfit : : - Cl - R - Cl - R-C 2 Lent (SN S-Cl 2 ) Cl δ- δ R R-C 2 S Cl : C -SCl Cl -S-Cl Cl Stare de tranzitie Metoda rapida si predilecta de clorurare a alcoolilor primari. 18

20 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. EXEMPLU: Reactie inrudita: t o s i l a r e a 3 C S-Cl p- 3 C-C 6 4 -S 2 Cl p-ts-cl p-toluen sulfoclorura "Clorura de Tosil" Clorura acidului p-toluensulfonic Nu: - SN δ δ- 1 sau SN 2 R -S 2 -C 6 4 -C 3 -p Nu-R - -S 2 -C 6 4 -C 3 -p (A.N. E) B: (baza) R- Cl-S 2 -C 6 4 -C 3 -p - B, -Cl - R-S 2 -C 6 4 -C 3 -p "Tosilare" p-toluensulfonat de alchil ("Tosilat de alchil": R-Ts) Excelenta Grupa Fugace (Baza foarte slaba, conjugata unui acid foarte tare) i) este o metoda predilecta de a activa scindarea heterolitica a legaturii C- din alcooli deoarece gruparea din R- nu este Grupa Fugace decat din ioni de oxoniu R- 2 (forma protonata a alcoolului). ii) in urma tosilarii (reactie cu randamnete foarte mari si nepretentioasa) rezulta esterii acidului p-toluensulfonic din care Gruparea Fugace este foarte usor de substituit, fara procese secundare (e.g. eliminari). II Reactivitatea fata de hidracizi Prin tratare cu hidracizi (X), compusii halogenati se transforma in compusi halogenati (Curs 9, II pct. 1). R- X R-X 2 Metoda de sinteza fiind foarte simpla, factorii care o favorizeaza sunt foarte importanti: i) cu cat hidracidul este un acid mai tare, procesul este accelerat: F < Cl < Br < I pka accelerarea formarii cationului R- 2 cresterea nucleofilicitatii anionului X - ii) cu cat alcoolul furnizeaza un carbocation mai stabil(izat), procesul este accelerat in directia mecanismului SN 1 : C 3 < (C 3 ) 2 C- < (C 3 ) 3 C- < 2 C=C-C 2 < C 6 5 -C 2 cresterea vitezei de halogenare prin mecanism SN 1 19

21 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. Principala reactie secundara: i) izomerizarea carbocationilor secundar tertiar ii) deshidratarea in conditiile mecanismului SN 1, mai ales la cald. EXEMPLE: alogenarea cantitativa a a unui alcool tertiar (tertbutanolul) prin Mecanism SN 1, fara produsi secundari de eliminare. 20 SN 1 1 (C 3 ) 3 C- 1 Br 1 Cl 2, t.a.!! (C 3 ) 3 C-Br (C 3 ) 3 C-Cl (C 3 ) 2 C=C 2 LIPSA :X: 50% 50% - - Rapid Lent - 2 (C 3 ) 3 C- sp 2 Atacul nucleofil al anionului de halogenura X C - 3 C 3 se produce in Etapa Rapida, ca simplu impact 2 - C 3 intre doi ioni de semn opus: (C 3 ) 3 C X - sp 3 :X: - Rapid alogenarea cantitativa a a unui alcool primar (n-butanolul) prin Mecanism SN 2 cu discriminare intre nucleofilicitatea anionilor de halogenura. 1 C 3 C 2 C 2 C 2-1 Br 1 Cl SN 2 Δ C 3 C 2 C 2 C 2 -Br C 3 C 2 C 2 C 2 -Cl > 95% < 5% - Lent C 2 C 2 C 3 Atacul nucleofil al anionului de halogenura X - C :Br δ- δ 3 C 2 C 2 C 2 - :Br: se produce in Etapa Lenta de catre nucleofilul mai moale si mai usor polarizabil Br - > Cl - II Reactivitatea ca agenti reducatori: oxidarea alcoolilor Alcoolii manifesta proprietati reducatoare fata de oxidantii tipici dupa cum urmeaza: A) Cu KMn 4 / 2 S 4 : - alcoolii primari sunt oxidati la acizi carboxilici: R-C 2 2 [] (KMn 4 / 2 S 4 ) R-C 2

22 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. - alcoolii secundari sunt oxidati la acizi carboxilici, cu fragmentarea catenei, de exemplu: C 2 4 [] (KMn (C 3 ) 2 C- 4 / 2 S 4 ) C 3 -C 2 [C] B) Cu K 2 Cr 2 7 / 2 S 4 : - alcoolii primari sunt oxidati la aldehide dar procesul, in general, nu este chemioselectiv (posibilitate de oxidare mai departe a aldehidei la acidul carboxilic corespunzator): R-C 2 1 [] (K 2Cr 2 7 / 2 S 4 ) R-C= alcoolii secundari sunt oxidati la cetone prin reactii, in general, unitare: 1 [] (K 2 Cr 2 7 / 2 S 4 ) (C 3 ) 2 C- (C 3 ) 2 C= 2 C) Variante actuale de reactivi de oxidare care limiteaza supraoxidarea aldehidelor la acizi carboxilici, pornind din alcooli primari, de exemplu: Reactivul Jones Cr 3 / 2 S 4 Reactivul Collins N - Cr 3 -C-C 3 3 C-C- -C-C3 I R-C 2 R-C= 2 C 3 C -C-C 3 3 C-C- -C-C3 I Reactivul Dess-Martin 3 C-C- I Cl Clorura de oxalil Cl Dimetilsulfoxid S 3 C C 3 (C 3 C 2 ) 3 N Trietilamina Reactivul Swern Et 3 N R-C 2 C 3 -S-C 3 Cl-C-C-Cl R-C= C 3 -S-C 3 2 Cl C C 2

23 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. D) REACTIVITATEA SPECIFICA DILILR VICINALI IN REACTII DE XIDARE CNTRLATA Reactivitatea ca reducatori a diolilor vicinali este specifica si de interes deoarece permite obtinerea de compusi carbonilici fara supraoxidare la acizi carboxilici sau degradari ale catenei hidrocarbonate. Metoda Criege Reactivul de oxidare este Tetraacetatul de Plumb Pb(-C-C 3 ) 4 : Pb 4 2 e - Pb 2 4 C 3 -C C 3 -C 2 C 3 -C - Prin aceasta metoda diolii vicinali, disecundari sau ditertiari sunt transformati in aldehide, respectiv cetone: Metoda Malaprade R-C()-C()-R Pb(C-C 3 ) 4 2 R-C= Pb(C-C 3 ) 2 2 C 3 C Diol vicinal disecundar R 2 C()-C()R 2 Pb(C-C 3 ) 4 2 R 2 C= Pb(C-C 3 ) 2 2 C 3 C Diol vicinal ditertiar - -C-C3 - [Pb 4 ( - -C-C 3 ) 2 ] 2-2 C 3C -C-C Pb 2 ( - -C-C 3 ) Pb(-C-C 3 ) 2 Reactivul de oxidare este acidul periodic I 4. Metoda este de interes analitic deoarece permite identificarea pozitiei vicinale a grupelor hidroxil din polioli tinand cont de structura compusilor carbonilici obtinuti I I 2 1 : I

24 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. II Transpozitia pinacolica Izomerizare specifica diolilor vicinali ditertiari si diolilor vicinali disecundari aromatici prin care acestia, in mediu acid, la cald, se transforma in cetone sau aldehide, de exemplu: C 3 C 3 2 S 4 / Δ 3 C C 3-2 2,3-Dimetil-2,3-butandiol ("pinacol") C 3 3 C C C 3 C 3 Dimetilbutanona ("pinacolona") 3 C 3 C C 3 C 3 23 C 6 5 -C-C-C 6 2 S 4 / Δ 5-2 C 6 5 C-C= C 6 5 Mecanism: C 3 3 CC Rapid C 3 C 3 C 3 C C 3-3 CC C C 3 2 Lent C C 3 C 3 C C C 3 Migrare grupa metil C 3 C C C 3 : Carbocation tertiar - Carbocation secundar stabilizat prin efecte I stabilizat prin efecte I, E (C 3 ) 3 C-C-C 3 data cu generarea carbocationului tertiar stabil(izat), ca si comportare tipica a alcoolilor tertiari in asemenea conditii, forta motrice a reactiei consta in formarea unei legaturi duble >C=, puternica, ceea ce forteaza migrarea grupei metil. 3 C C 3

25 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. II.2.2. Fenoli II Definitie si nomenclatura Sunt compusi hidroxilici in care gruparea hidroxil (-) este direct legata de un atom de carbon hibrid sp 2 dintr-un ciclu aromatic. idroxibenzenul (C 6 5 -, fenolul, acidul fenic ) este reprezentantul tipic al clasei. I.U.P.A.C. accepta denumirea de fenol(i) ; metilfenolii se denumesc ca si cresoli iar trifenolii au denumiri specifice, triviale de exemplu: idroxibenzen (Fenol) C 3 Metilfenoli (o-, m-, p-cresol) ,2: pirocatehina 1,3: resorcina 1,4: hidrochinona ,2,4: hidroxihidrochinona 1,3,5: fluoroglucina 2 3 α(β)-naftol C 3 C 2 -C=C 2 4-Alil-2-metoxifenol ("eugenol") Fenol natural, component al "uleiurilor eterice" II Metode de obtinere a fenolilor II idroxilarea alcalina II idroxilarea alcalina a acizilor sulfonici aromatici (Curs 8, I ) Metoda de obtinere si proces industrial care decurge prin Mecanism SN 2 -Ar (Curs 9, II ) aplicat asupra sarurilor alcaline (in unele cazuri si alcalino-pamantoase) ale acizilor sulfonici aromatici, dupa schema generala: Ar-S 3 Na Ar-S 3 - Na 2 Acid arilsulfonic Arilsulfonat de sodiu Ar-S 3 - Na 2 Na Ar- - Na Na 2 S 3 2 Sarea de sodiu a fenolului Ar- - Na C 2 2 Ar- NaC 3 24

26 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. 25 Metoda este cunoscuta si sub denumirea de topire alcalina deoarece are loc, practic, intre reactanti topiti (sau medii de reactie foarte concentrate), in conditii drastice (in jur de 300 o C). Mecanism: -I slab al grupei S 3 - Na δ S - 3 Na Na - 3 S - Na (topit) δ- 300 o C topit Neutralizare rapida Na C C Na Fenoxid de sodiu ca produs final al topirii alcaline Na - 3 S - Na -1/3δ - Na 2 S 3-1/3δ Na Intermediar de aditie stabilizat prin conjugare Eliberarea fenolului din sare alcalina prin tratare cu un acid mai tare C NaC 3-1/3δ C Nota 1: dupa un mecanism identic decurge topirea alcalina in cazul acizilor naftalensulfonici ca saruri de sodiu. Nota 2: prin marcaj izotopic, utilizand Na 18, izotopul 18 este, in final, regasit numai in fenol si in apa formata in reactie: asadar oxigenul fenolic provine numai din Na, si nu din grupa sulfonica. Nota 3: prin marcaj izotopic, utilizand benzensulfonat de sodiu ca 14 C-S 3 - Na, in fenolul obtinut apare legatura 14 C-, asadar mecanismul arinic E-1-cb (Curs 9, II ) este exclus. Nota 4: in pofida conditiilor dure, randamnetele acestor reactii sunt, in general, mari (peste 80%). Nota 5: este posibilia si utilizarea altor baze, K, Ca() 2 mai ales in cazul acizilor aromatici disulfonici. II idroxilarea alcalina a halogenoderivatilor aromatici Metoda de obtinere si proces industrial care decurge prin fie prin Mecanism Arinic (E-1-cb, Curs 9, II ) fie prin SN 2 -Ar (Curs 9, II ) aplicat, de obicei, asupra cloroderivatilor din seria benzenica. In functie de absenta sau prezenta pe inelul aromatic a substituentilor labilizanti pentru legatura C sp2 -Cl (efecte electronoatragatoare E), conditiile de reactie difera substantial, de la foarte drastic pana la foarte accesibil:

27 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. Mecanism Arinic (E-1cb) Mecanism SN 2 -Ar Cl Cl 300 o C 350 atm Na 2 Na C 2, 2 - NaCl NaC 3 - Na (N 2 ) n 2 Na / 2 (N 2 ) n - NaCl, - 2 Cl (N 2 ) n 2 N N 2 Nr. grupe N 2 Pozitia in raport cu Cl Conditii 1 4 (para) 125 o C, Na dil (orto si para) o C, Na dil (2 orto 1 para) 25 o C, 2 N 2 2,4,6-Trinitroclorobenzen "clorura de picril" este instabil in contact indelungat cu umiditatea atmosferica, datorita activarii puternice in directia SN 2 -Ar a clorului de catre cele trei grupe nitro. 26 II idroxilarea izopropilbenzenului (vezi si Curs 6, I ) Metoda de obtinere si proces industrial de interes major deoarece, pe langa fenol, furnizeaza simultan si acetona. C 6 5 -C(C 3 ) 2 Izopropilbenzen ("Cumen") 2 / promotori / C 3 2 / C 6 5 -C-- C (C 3 ) 2 C= C 3 idroperoxid de cumen C 3 C 3 - C 6 5 -C-- 2 C E 2 (I 3 C3 ) C 3 C 3 C C C C(C 3 ) 2 C 3 2 C6 5 --C- C 3 δ- δ Carbocation stabilizat C 3 C 3-3 C S.E. intramoleculara cu C 6 5 C C C rearanjare C 3 3 C Nota: hidroperoxidul de cumen este un compus destul de stabil; protonarea acestuia declanseaza suita de transformari.

28 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. II Proprietati fizice si structurale A) PRPRIETATI FIZICE GENERALE: Fenolii sunt substante solide, cristaline, cu puncte de topire relativ scazute. Sunt solubili in solventi organici, putin solubili in apa, din cauza inelului aromatic. Solubilitate in apa si puncte de fierbere ridicate prezinta fenolii care formeaza legaturi de hidrogen intermoleculare, fata de cei care prezinta legaturi de hidrogen intramoleculare ( chelatare interna ), de exemplu: N - p-nitrofenol N p.t. = 114 o C - sublima solubil in apa 1.18% Asociere intermoleculara puternica Proprietatri spectrale: vezi Curs N Legatura de hidrogen intramoleculara sub forma unui chelat ciclic de 6 atomi o-nitrofenol p.t. = 45 o C p.f. = o C (760 mm g) solubil in apa 0.21% Asociere intramoleculara puternica B) CARACTERUL ARMATIC si ENLIZAREA. TAUTMERIA PRTTRPICA IN CAZUL FENLILR. Spre deosebire de enolii alifatici (Curs 8, I ) dintre cele doua forme tatomere posibile ale fenolului, cea aromatica (tautomer enolic ) domina net Kcal/mol 2 Tautomer Enolic Cetonic Δ f (Kcal/mol)* E conj (Kcal/mol) TTAL (Kcal/mol) * (din Energii de legatura) Resorcina (Tautomer enolic) Tautomer dicetonic 1,3-Ciclohexandiona (Dicetona autentica) 27

29 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. In cazul fenolilor polihidroxilici si al naftolilor, ambii tautomeri pot fi pusi foarte clar in evidenta, o data cu cresterea numarului de grupe hidroxilice, cazul fluoroglucinei fiind cel mai reprezentativ: C 3 3 :C N- (hidroxilamina) N C C 3 1,3,5-Trimetoxibenzen -N N- Fluoroglucina (Tautomer enolic) 1,3,5-Ciclohexantriona (Tautomer cetonic) REACTIVITATE TIPICA DE FENL REACTIVITATE TIPICA DE CMPUS CARBNILIC II Reactivitatea fenolilor Reactivitatea fenolilor este fundamnetal definita de cele doua entitati structurale: - Reactivitatea grupei hidroxilice deoarece conjugarea p π a acesteia (E ) cu sextetul aromatic determina un caracter acid al fenolilor mult mai pronuntat in comparatie cu alcoolii si cu apa. - Reactivitatea inelului aromatic mult mai mare in comparatie cu benzenul, datorata efectului E, manifestata fata de electrofili putin reactivi (cu care hidrocarburile aromatice, uzual, nu reactioneaza). II Reactivitatea grupei hidroxil fenolice CARACTERUL ACID Spre deosebire de alcooli, fenolii pot fi transformati in saruri si prin tratare cu hidroxizi alcalini, in mediu apos: Ar- Na Ar- - Na Fenoxid de sodiu Bazele conjugate fenolilor, fenoxizii, sunt mai tari decat bazele conjugate acizilor anorganici slabi (e.g. C 3 -, S3 - etc.); drept care fenolii pot fi eliberati din fenoxizi de catre acizii anorganici slabi, fenolii fiind acizi mai slabi decat acestia ( 2 C 3, 2 S 3, etc): Ar- - Na C 2 2 Ar- NaC 3

30 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. 29 Ar- - Na S 2 2 Ar- NaS 3 Incadrarea generala ca aciditate a fenolilor este: R- < < Ar- < R-C Alcooli Apa Fenoli Acizi Carboxilici pka: Corespunzator, incadrarea generala ca bazicitate a ionior de fenoxid este: R- - > - > Ar- - > R-C - Cauza aparitiei aciditatii crescute in cazul fenolilor este structurala si se datoreaza conjugarii p π dintre electronii neparticipanti ai oxigenului din gruparea hidroxil (E puternic) si sextetul aromatic: drept urmare, legatura - este slabita si hidrogenul poate fi cedat mai usor sub forma de proton. : δ /3δ -1/3δ - -1/3δ Prin pierderea unui proton, ionii fenoxid rezultati sunt stabilizati printr-un efect de conjugare p π puternic (E - >> E ), sarcina negativa a oxigenului fenolic fiind disipata la nivelul intregului ciclu aromatic adiacent: -1/3δ E(- - ) >>> E(-) : : - Ȯ. : Ȯ. : Ȯ. : Ȯ. : /3δ - -1/3δ Prezenta substituentilor cu efect E, -I pe ciclul aromatic mareste semnificativ aciditatea fenolilor, mai ales atunci cand ei se afla in pozitii conjugate orto / para cu gruparea hidroxilica (E ), de exemplu:

31 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. - - : - - : pka = 8.39 Gruparea nitro nu este conjugata cu ; asupra ei se manifesta doar efectul -I N2 care mareste aciditatea grupei N -I N2 N 2 E E : - -E N2 pka = 7.22 Gruparea nitro este conjugata cu ; asupra ei se manifesta ambele efecte-i N2, -E N2 care maresc aciditatea grupei dar coplanaritatea ceruta de conjugarea E -E N2 este (partial) impiedecata steric ("efect orto") 2 N : N 2 3 -E -I N2 N2 - N -E N2 3 -I N N2 2 pka = 7.15 Gruparea nitro este conjugata cu, E -E N2 ; asupra ei se manifesta mai ales efectul -E N2 care mareste aciditatea grupei. pka = 0.4 Asupra gruparii se exercita efecte electronoatragatoare exacerbate (-I N2, -E N2 ) Compusul sa mnifesta ca un acid autentic "Acid picric" 30 ETERIFICAREA FENLILR: FENLII CA NUCLEFILI CU XIGEN Eterificarea fenolilor decurge ca o reactie de Substitutie Nucleofila in care nucleofilul este ionul fenoxid (Ar- - ), mai rar fenolul ca atare (datorita conjugarii gruparii hidroxilice cu sextetul aromatic, densitatea electronica la oxigenul fenolic este prea mica pentru a asigura nucleofilicitatea necesara acesteia). Grupa fugace trebuie sa fie o baza mult mai slaba ca ionul fenoxid. Partenerii de reactie sunt compusi bromurati sau iodurati cu reactivitate marita sau normala, sau dialchilsulfati. Exemple: C Na I δ- - δ C 3 C C 3 NaI C Na δ C 3 - δ- -S 2 --C 3 C C 3 Na - -S 2 --C 3 Dimetilsulfat Metoxibenzen (Anisol) Metilsulfat de sodiu Sunt de interes -alchilarile fenolilor care au loc prin Mecanism SN 2, in mediu alcalin, furnizand eteri nesimetrici (variante ale sintezei Williamson).

32 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. ESTERIFICAREA FENLILR: FENLII CA NUCLEFILI CU XIGEN Reactia directa intre fenol(i) si acizi carboxilici nu reuseste deoarece fenolii sunt nucleofili prea putin reactivi si baze prea slabe pentru a expulza din intermediarul tetraedric o baza mai tare ca ei, 2 (Curs 10, II ). Reactia este posibila si cu randamente mari daca: i) se lucreaza cu fenoli dar cu derivati functionali ai acizilor carboxilici mai reactivi decat acestia (cloruri acide, anhidride etc.). δ- C C δ C C 3 -C--C 6 5 Cl 3 C Cl Cl Acetat de fenil -C 6 5 Clorura de acetil - C 3 : > - > C > Cl - Scaderea bazicitatii grupei fugace ii) se lucreaza cu fenoxizi si cu derivati functionali ai acizilor carboxilici mai reactivi decat acestia (cloruri acide, anhidride etc.) reactia Schotten-Baumann: Ar- - Na R-C-Cl Ar--C-R NaCl Ar- - Na R-C--C-R Ar--C-R R-C- - Na II Reactivitatea inelului aromatic in reactii de Substitutie Electrofila Reactivitatea ciclului aromatic din fenoli este mult mai mare decat cea din bezen si hidrocarburi aromatice deoarece grupa hidroxilica prin efectul ei E este o grupa activanta orto / para directoare p u t e r n i c a (Curs 8, I B.). Datorita efectului puternic de activare al grupei hidroxil fenolice, problema majora in cazul reactiilor de substititie electrofila la nucleul aromatic este aceea de a opri reactia in faza de monosubstitutie. Prin deprotonarea fenolului (Ar-), atomul - din fenoxidul rezultat (Ar- - ) actioneaza ca o grupare orto / para directoare inca mai puternica E - >> E, anionii fenoxid fiind mult mai reactivi in reactiile S.E. decat fenolii ca forme neutre. Complecsii σ rezultati din atac electrofil asupra fenolilor neutri sunt specii cationice, mult mai instabile decat complecsii σ formati prin atac electrofil asupra ionului fenoxid, care sunt specii neutre. 31

33 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. Complex σ cationic: tendinta de deprotonare si rearomatizare Complex σ neutru: tendinta de rearomatizare : δ /3δ : Ȯ. : - : : Ȯ. : Ȯ. : -1/3δ /3δ -1/3δ 32-1/3δ E E E - : : : E E - -1/3δ E BRMURAREA: Reactie de halogenare tipica pentru fenol: Br-Br Br 2 Br-Br - Br - 2 Br Br E Br Br E Br 2,4,6-Tribromofenol 100% (reactie in solventi polari sau 2 ) Reactia poate fi oprita in faza de monosubstitutie doar lucrand in solventi nepolari (CCl 4 ) sau putin polari (CCl 3 ). SULFNAREA: Reactia de monosulfonare poate avea loc sub control cinetic (orto) sau control termodinamic (para): S 3 2S o C 150 o C 2 S o C Acidul o-fenolsulfonic este instabil termodinamic din cauza impedimentului steric intre cei doi substituenti si din cauza influentei activante a grupei E in directia desulfonarii. Acid Acid o-fenolsulfonic p-fenolsulfonic S 3 NITRAREA: i) In conditii dure (N 3 / 2 S 4, cerute de acumularea progresiva a grupelor nitro dezactivante E N2 ) fenolul poate fi nitrat, intr-o singura etapa, pana la 2,4,6-trinitrofenol ( acid picric ).

34 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. N 3 / 2 S N 2 N 2 N 4 2 N 2 Acid picric 33 N 2 N 2 Nu se izoleaza in aceste conditii ii) reversibilitatea sulfonarii poate fi exploatata in directia obtinerii orto-nitrofenolului ca si regioizomer unic (Curs 8, I ). 2 S o N C N 3 / 2 S / N / Δ 2 Control - 2 S 4 termodinamic S 3 Acid 4-fenol-3-nitrobenzensulfonic II Reactii de Substitutie Electrofila specifice fenolilor Este vorba despre Reactii de Substitutie Electrofila in care se manifesta, in mod distinct, efectul activant remarcabil E al grupei hidroxil fenolice orto / para directoare asupra ciclului aromatic. IDRXIMETILAREA: Se poate desfasura atat in mediu acid cat si in mediu bazic, la tratarea fenolilor cu formaldehida. In ambele variante se formeaza alcooli aromatici, prin realizarea de noi legaturi carbon-carbon. In mediu acid: C= / 1 / rece C 1' C 4 4' - 2 4,4'-Dihidroxidifenilmetan 2,2'-Dihidroxidifenilmetan Mecanismul consta din activarea formaldehidei prin protonare (devine un puternic electrofil) urmata de doua substitutii electrofile foarte regioselective, in pozitiile 4-,4 - (p-, p -) si 2-,2 - (o-, o -). S 3 N 2

35 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. : Lent 2 C - 2 C= 2 C= 2 C - Rapid - Electrofil C 2 Rapid Electrofil C 2 C Alcool 4-hidroxibenzilic Carbocation de tip benzil stabilizat prin conjugare Rapid - C 2 Alcool 2-hidroxibenzilic (neizolabil in aceste conditii) Lent Similar se formeaza si regioizomerul para 2 C Rapid 2 - C 34 C 2 In mediu bazic: activarea fenolului ca si fenoxid si atac ca si nucleofil cu carbon asupra formaledehidei i) 2 C= / - / rece 2 C C 2 ii) C 2 Alcool 2(4)-hidroxibenzilic C 2 2,4,6-Tris(hidroximetil)fenol Mecanismul consta in activarea, de aceasta data, a fenolului ca si fenoxid, in mediu alcalin (Na); reactia poate fi oprita in oricare stadiu al gradului de substitutie, de exemplu:

36 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. Acidulare finala δ δ- - Ȯ. 2C= E puternic C C C 2-35 REACTIA REIMER-TIEMANN: Metoda importanta de sinteza a hidroxibenzaldehidelor prin formilarea fenolilor. i) Na (sau K) / CCl3 ii) 2 / - CCl 2 2(4)-Diclorometilfenol C= C o(p)-idroxibenzaldehida o(p)-formilfenol Radical Formil Mecanismul consta din Substitutia Electrofila in pozitiile aromatice orto / para puternic activate in structura de ion fenoxid. Agentul electrofil este diclorocarbema singlet, generata in situ (Curs 9, II , pct. 2); intermediarii diclorometilfenolici sunt in final hidrolizati la hidroxibenzaldehidele corespunzatoare fara izolare. CCl 3 K :CCl 2 KCl 2 - : K - : : Cl : : KCCl δ- 2 (S.N.) : Cl - :C K δ - Cl Cl - Cl - - K C-- K Cl - KCl, K C= - K - C= REACTIA GATTERMANN - KC: Metoda importanta de sinteza complet regioselectiva a p-hidroxibenzaldehidei prin formilarea fenolului si, prin extinderea metodologiei (reactia EUBEN-ESC), sinteza complet regioselectiva a cetonelor fenolice:

37 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. i) CN / Cl i) RCN / Cl ii) 2 ii) C N: C=N C= p-hidroxibenzaldehida R-C N: C=N Nitril R C= R Mecanismul consta in substitutia electrofila in pozitia para a ciclului aromatic de catre un electrofil putin reactiv generat fie din acid cianhidric fie din nitrili in conditii acide (activare cu acizi Brønsted, e.g. Cl). Generarea agentului electrofil: δ δ- δ δ- -C N: Cl "Baza" Exces CCl=N Baza δ Cl Acid C Cl N Cl - C N Cl Substitutia electrofila: : idroliza finala : Cl -N 3 C N C N Cl 2 CCl-N 2 C=N C= Cl Pentru activarea legaturii triple -C N pot fi utilizati, in conditii anhidre si acizi Lewis puternici (ZnCl 2, AlCl 3, etc.). Cl - electrofil REACTIA KLBE - SCMIDT: Denumita si carboxilare Kolbe Schmidt deoarece consta in tratarea fenoxidului de sodiu sau a naftoxizilor de sodiu cu dioxid de carbon, in mediu anhidru si in absenta solventilor, formand hidroxiacizi carboxilici aromatici. - Na i) C 2 / 6 atm / 125 o C ii) C Acid 2-hidroxibenzoic (Acid salicilic)

38 Mircea Darabantu CIMIE RGANICA an II Ing. CURS-X Pag. Mecanism: Na Na : - Na - Acidulare : : : : - finala : C C C C - Na δ δ- Chelat intern de 6 atomi stabil pana la 280 o C (!) i) numai cationul sodiu (raza cationica 0.95 Ǻ) asigura o regioselectivitate 100% in pozitia orto datorita formarii unui intermediar stabilizat printr-o puternica chelatizare interna (pentru analogul K avand raza cationica 1.33 Ǻ regioizomerul para este, in conditii identice, dominant). ii) reactie are loc sub control cinetic (125 o C); peste 230 o C apare si regioizomerul mai stabil, para, in echilibru cu regioizomerul orto. Acidul salicilic este un intermediar cheie in industria farmaceutica. NITRZAREA FENLILR: Consta in tratarea fenolilor cu acid azotos, generat in situ, in mediu apos puternic acid cand se produce substitutia electrofila numita nitrozare, cu mare regioselectivitate formandu-se nitrozoderivati aromatici, de exemplu: NaN 2 / Cl / 2 / rece p-benzochinon monooxima Randamnet, regioselectivitate 100% N- Numai fenolii si alti compusi aromatici cu nuclee puternic activate dau aceasta reactie, deoarece agentul electrofil, cationul nitrozoniu ( N= N ), este moale si slab reactiv (izoster cu molecula de azot :N N:): NaN 2 Cl -N= NaCl Acid azotos -N= Cl 2 -N= Cl - 2 Cl-N= Cl - :N=Ȯ. Acid tare Clorura de nitrozil Cation nitrozoniu Acid slab 37