Riarrangiamenti
Essi possono essere divisi in due categorie: quelli cationici e quelli anionici.
Inizierei da quelli cationici, per poi proseguire con quelli anionici.

Nella prima metà del diciannovesimo secoli si credeva in genere che le reazioni di composti organici procedessero con un minimo cambio strutturale. Questo principio semplificava la spiegazione di numerosi reazioni di sostituzione, addizione ed eliminazione che caratterizzavano il comportamento dei comuni gruppi funzionali. Comunque, le scoperte successive mostrarono che la natura non era sempre così compiacente, lasciando i chimici e gli studenti di chimica a lottare con la possibilità di cambiamenti strutturali radicati che avvenivano durante alcune reazioni. Un gran numero di questi riarrangiamenti strutturali erano innescati da intermedi che incorporavano atomi positivamente carichi o elettron-deficienti, che nel caso del carbonio sono carbocationi. Du esempi di questo tipo, degni di nota, sono l'addizione di HCl al 3,3-dimetil-1-butene e l'idrolisi forzata del neopentile bromuro.
In questa parte descriverò e discuterò altri casi di questo affascinante gruppo di trasformazioni.
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1. Riarrangiamenti di Wagner-Meerwein

Il comportamento chimido del neopentile bromuro, 2,2-dimetil-1-bromopropano, è un esempio istruttivo per iniziare questa discussione. La davvero bassa reattività SN2 di questo bromuro primario può essere spiegata attraverso l'ingombro sterico richiesto per l'allineamento di 180º degli orbitali reattivi. Nelle condizioni che favoriscono la reattività SN1, come una soluzione in acido formico acquoso, il neopentile bromuro reagisce pressapoco alla stessa velocità dell'etile bromuro. Entrambi questi composti sono alogenuri alchilici primari, e per una reazione SN1 il rate determining step richiede la ionizzazione a carbocatione primario.
Come si nota nell'ordine di stabilità del carbocatione mostrato sotto, tali carbocationi sono relativamente instabili e sono formati lentamente. Il prodotto da etile bromuro è l'etanolo, il semplice e diretto prodotto di sostituzione, ma il neopentile bromuro produce il 2-metil-2-butanolo invece dell'aspettato neopentil alcole. È chiaramente avvenuto un cambiamento nel modo in cui sono legati l'uno con l'altro i cinque atomi di carbonio in questo prodotto.

CH3+ < CH3CH2+ < (CH3)2CH+ ≈ CH2=CH-CH2+ < C6H5CH2+ ≈ (CH3)3C+

Una volta formatosi, il catione etile può solo essere trasformato tramite un processo di sostituzione o di eliminazione. Nel caso del catione neopentile, comunque, il catione primario inizialmente formatosi può essere convertito nel più stabile catione terziario tramite uno shift 1,2 di un gruppo metile adiacente con i suoi elettroni di legame. Un meccanismo che dimostra un tale riarrangiamento è mostrato sotto, ed esso spiega i cambiamenti strutturali totali davvero bene.

[Immagine: neopent1.gif]

Aumentare la stabilità degli intermedi carbocationici non è il solo fattore che porta ad un riarrangimento molecolare. Se l'angolo di torsione, la tensione torsionale o l'ingombro sterico nella struttura del reagente può essere alleviat da uno shift di alchile o arile al sito carbocationici, è comunemente osservato un tale riarrangiamento. I seguenti esempi illustrano i riarrangiamenti indotti dalla tensione in un piccolo anello. Sebbene si formi inizialmente un carbocatione terziario, la tensione angolare e torsionale di un anello a quattro termini è ridotta tramite uno shift di un gruppo metilene che risulta nell'espansione a carbocatione secondario.

[Immagine: rngexpn1.gif]

[Immagine: rngexpn2.gif]

Seguendo il passaggio di espansione d'anello possono avvenire altre reazioni, a seconda delle condizioni. In soluzione acida acquosa il carbocatione secondario riarrangiato può legarsi all'acqua, nucleofila, producendo un alcole secondario, perdere un protone a dare acqua, dando il 3,3-dimetilciclopentene , o subire un secondo riarrangiamento a carbocatione terziario, che quindi forma l'1,2-dimetilciclopentene. Inoltre, non è insolito incontrare sequenze di riarrangiamenti in composti più complessi, e questi possono produrre prodotti con strutture notevolmente differenti da quella del prodotto di partenza.

[Immagine: seqrear1.gif]

[Immagine: seqrear2.gif]

Nella terminologia delle reazioni pericicliche, gli shifts 1,2-alchile di questo tipo sono classificate come shifts [1,2]-sigmatropici. Poiché questo è un processo a due elettroni (i 2 elettroni nel legame sigma trasferito), il riarrangiamento è predetto essere suprafaciale. È stata ottenuta una prova considerevole che supporta queta conclusione, come mostra il seguente esempio. Un atomo di idrogeno adiacente (in blu) "shifta" come idruro per creare un nuovo carbocatione terziario, che a sua volta induce uno shift di un gruppo metile (in verde) con ancora la formazione di un altro carbocatione terziario. Questo centro elettrofilo lega quindi all'ossigeno nucleofilico della funzione carbossilica, rilasciando un protone catalitico per continuare il processo. A causa della struttura policiclica fusa di questo composto, l'orientazione relativa dei gruppi che migrano è facilmente determinata, ed è visto essere suprafaciale. Riarrangiamenti che constistono di shifts 1,2 consecutivi spesso avvengono in un modo concertato e quindi stereospecifico; comunque, non deve essere assunto che gli shifts di gruppo sono simultanei. Ogni shift comporta uno stato di transizione separato in cui la carica positiva è delocalizzata sull'estremità che migra, origine e gruppo che migra.

[Immagine: supfacrx.gif]

Molti dei più interessanti riarrangiamenti di questo tipo sono stati scoperti durante studi strutturali di composti ritrovati in natura. Tra questi i terpeni presentavano numerose reazioni degne di nota, e i nomi dei due chimici che diedero un contributo nello svelare queste complesse trasformazioni, H. Meerwein e G. Wagner, sono associati per sempre a questi riarrangiamenti. L'addizione di HCl gas all'α-pinene si dimostrò particolarmente enigmatico per questi giovani chimici. In condizioni ordinarie, questo componente liquido della trementina dava un composto cristallino di formula C10H17Cl, originariamente chiamato "camfora artificiale", ora nota come bornil cloruro. Un isomero instabile, il pinene idrocloruro, può essere isolato in condizioni blande, ma esso rapidamente isomerizza a bornil cloruro. Il trattamento del bornil cloruro con una base dava un isomero cristallino del pinene chiamato camfene, assieme a piccole quantità di un altro idrocarburo insaturo (bornilene). L'addizione di HCl al camfene, in una maniera simile, inizialmente produce un cloruro instabile (camfene idrocloruro) che velocemente isomerizza a isobornil cloruro, uno stereoisomero del bornil cloruro. Noi ora sappiamo che bornil cloruro e isobornil cloruro sono gli isomeri endo/eso-2-cloro del sistema 1,7,7-trimetilbiciclo[2.2.1]bicicloeptano. Le formule strutturali di questi composti sono disegnate sotto, assieme al camfene, il prodotto di eliminazione riarrangiato.

[Immagine: terpene1.gif]

[Immagine: terpene2.gif]

Nel secondo schema si vede che sia il pinene sia il camfene formano carbocationi terziari quando il doppio legame è protonato. Il riarrangiamento a carbocatione secondario è favorito tramite alleggerimento della tensione del piccolo anello nel caso del pinene, e alleggerimento della congestione sterica nel caso del camfene. Comunque, questa è una schematizzazione che ignora il fatto che queste reazioni avvengono in solventi non polari, e che è improbabile comportino carbocationi discreti, non associati. Alcuni di questi effetti stereoelettronici che influenzano queste reazioni saranno presto mostrati sotto. Strutture per gli idrocloruri di pinene e camfene inizialmente formatisi sono disegnati sulla sinistra. La sovrapposizione orbitalica ottimale dei legami rotti e formati richiede un approccio da retro del gruppo alchile che shifta al lato dell'anione cloruro uscente, in un modo simile ad una reazione SN2. L'anione cloruro è sito su un lato del carbocatione formato dallo shift di alchile, e lega immediatamente a quella faccia del carbonio tricoordinato. In questa visione di questi riarrangiamenti, l'anione cloruro non scappa mai dall'influenza attrattiva del suo partner cationico, e la stereoselettività del prodotto non è comprensibile. Catalizzatori acidi di Lewis (FeCl3) catalizzano questi riarrangiamenti, ed il prodotto favorito all'equilibrio è il bornil cloruro.
Il riarrangiamento che avviene in condizioni di eliminazione base catalizzata riflette la configurazione eclissata del ponte a due carboni che reca l'atomo di cloro. A causa di questa configurazione, la struttura anti-coplanare favorita dallo stato di transizione E2 non può essere ottentua. La syn eliminazione produce una piccola quantità di bornilene, ma il riarrangiamento ad un precursone camfene predomina.

Un altro esempio ancora di questi riarrangiamenti interessanti acido catalizzati che si è dimostrato avvenire con i terpeni è stato osservato in uno studio del sesquiterpene cariofillene (dall'olio dei trifogli). Qui è evidente che i siti reattivi possono interagire e formare legami da un lato dell'anello di medie dimensioni all'altro lato. I meccanismi per molti di questi riarrangiamenti sono stati, e ancora lo sono, studiati con grande interesse.

[Immagine: caryoph1.gif]
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2. Riarrangiamento pinacolico

Il riarrangiamento pinacolico è stato il primo riarrangiamento molecolare identificato come tale dai chimici del passato. L'esempio significativo di un riarrangiamento pinacolico è mostrato nello schema sotto. Il pinacolo stesso è prodotto tramite riduzione con magnesio dell'acetone, probabilmente attraverso un intermedio chetile. Dato che il diolo è simmetrico, la protonazione e la perdita di acqua avvengono con uguale probabilità ad entrambi i gruppi idrossile. Il risultante carbocatione terziario è relativamente stabile, ed è stato dimostrato che ritorna a pinacolo tramite reazione in presenza di acqua isotopicamente marcata. Uno shift 1,2 di metile genera una carbocatione ancora più stabile in cui la carica è delocalizzata tramite risonanza sull'eteroatomo. Inoltre, questo nuovo catione è semplicemente l'acido coniugato del chetone pinacolone, che è il prodotto di ripetuti riarrangiamenti catalizzati da transfer di protone. Ogni passaggio in questo riarrangiamento è potenzialmente reversibile, come dimostrato dalla disidratazione acido catalizzata del pinacolone (e pinacolo) a 2,3-dimetil-1,3-butadiene in condizioni spinte.

[Immagine: pinacol1.gif]

Molti fattori devono essere considerati quandi si analizza il decorso di un riarrangiamento pinacolico. Questi includono:

• Quale gruppo idrossile è perso come acqua? o Quale intermedio carbocationico è più stabile?
• Quale è la tendenza propria a shiftare (attitudine migratoria) di diversi gruppi sostituenti?
• Quale è l'influenza dell'ingombro sterico e di altri fattori tensionali sul riarrangiamento?
• Vengono formati epossidi come intermedi nel riarrangiamento pinacolico?
• È la stabilità del prodotto a governare l'esito di riarrangiamenti competitivi?
• Sono le condizioni di reazione (tipo di acido, concentrazione, solvente e temperatura) ad influenzare il decorso del riarrangiamento?

Virtualmente tutti questi fattori è stato dimostrato che sono importanti in uno o più casi, ed una completa analisi della loro complessa interazione è oltre lo scopo di questo discorso. Tuttavia, verranno presentati alcuni esempi per dimostrare la natura generale di questa trasformazione, e per illustrare l'azione di alcuni dei sopracitati fattori. Nella prima reazione mostrata sotto, si vede un esempio di controllo cinetico versus termodinamico sul prodotto. In condizioni leggermente acide, il diolo riarrangia rapidamente ad un'aldeide tramite uno shift 1,2 di idrogeno a carbocatione difenile terziario inizialmente formatosi. Un trattamento più vigorosamente acido del diolo o dell'aldeide genera il più stabile fenil chetone (coniugazione dei gruppi fenile e carbonile). Meccanismi per questa e per le altre reazioni sono presentati sotto. Una freccia colorata in rosa designa il riarrangiamento; freccie blu chiaro indicano reazioni di chiusura o apertura d'anello epossidico.
Il secondo esempio descrive un sistema reagente simile, che fornisce ulteriori informazioni tramite caratteristiche stereochimiche e di marcatura isotopica. La perdita di acqua dal sito carbinolico terziario, seguita da uno shift 1,2 reversibile di idruro, genera l'acido coniugato del chetone. A corti tempi di reazioni, avviene racemizzazione del diolo recuperato alla stessa velocità del riarrangiamento. Un corrispondente shift di fenile all'inizialmente formatosi carbocatione terziario genera l'acido coniugato dell'aldeide, e l'aldeide stessa è stato dimostrato che isomerizza allo stesso chetone riarrangiato nelle condizioni del riarrangiamento pinacolico. Un atomo di carbonio marcato isotopicamente (in verde) sia nel diolo sia nell'aldeide è scambiato (in marrone) nel corso di queste reazioni, suggerendo un intermedio epossidico.

[Immagine: pinacol2.gif]

[Immagine: pinacol3.gif]

Nella reazione #3 sia il diolo cis sia quello trans può essere usato come reagente. Questi isomeri sono rapidamente interconvertiti nelle condizioni del riarrangiamento, indicando che l'iniziale perdita di acqua è reversibile; un risultato confermato tramite scambio di ossigeno isotopico. La chiara preferenza per uno shift di gruppo metilenico rispetto ad uno shift di gruppo metile può riflettere attitutidini migratorie inerenti, o forse configurazioni di gruppo nell'intermedio carbocationico terziario. Nella conformazione mostrata qui sia il gruppo metile sia quello metilene possono shiftare, o può essere formato reversibilmente un epossido. Una conformazione alternativa tipo sedia avente un gruppo metile equatoriale dovrebbe essere più stabile, non dovrebbe essere adatto per uno shift di metile. La predominante contrazione d'anello è quindi incomprensibile. La reazione #4 è un insolito caso in cui un anello tensionato si contrae ad un anello ancora più piccolo. I gruppi fenile generalmente hanno un'elevata attitudine migratoria, così il fallimento nell'ottenere il 2,2-difenilciclobutanone come prodotto dovrebbe sembrare sorprendente. Comunque, il carbocatione risultante da uno shift di fenile dovrebbe solo essere tensionato come il suo precursore; mentre lo shift di un gruppo metilene su anello genera un catione non tensionato stabilizzato dai sostituenti fenile e ossigeno. La stabilizzazione coniugativa del fenil chetone e l'assenza di atomi di carbonio ibridizzati sp2 nel piccolo anello possono anche contribuire alla stabilità del prodotto osservato.
Infine, la reazione #5 mostra chiaramente l'influenza delle condizioni di reazioni sulla composizione del prodotto, ma spiegare il modo in cui diverse condizioni perturbano l'esito è stimolante. Il trattamento con acido solforico freddo dovrebbe produrre il più stabile difenile carbocatione terziario, ed uno shift di gruppo metile dovrebbe quindi portare al prodotto osservato. L'azione di un acido di Lewis in anidride acetica, d'altro canto, può selettivamente acetilare il meno ingombrato dimetil carbinolo. In questo caso l'acetato diventa il gruppo uscente favorito (presumibilmente coordinato all'acido), seguito da uno shift 1,2 di fenile. È riportato che il diolo isomerico simmetricamente sostituito rearrangi esclusivamente tramite uno shift di metile, ma la configurazione del materiale di partenza non è stata stabilita (due diastereoisomeri sono possibili).
A causa dell'influenza di altri fattori, non è stato possibile determinare un ordine di migrazione non ambiguo per i sostituenti nell'arrangiamento pinacolico. Comunque, sono discernibili alcune tendenze generali. Il benzopinacolo, (C6H5)2C(OH)C(OH)(C6H5)2, subisce rapido riarrangiamento a (C6H5)3CCOC6H5 in condizioni molto più blande di quelle richieste per il pinacolo. Inoltre, è spesso il caso che il fenile o altri sostituenti aromatici adiacenti ad un carbocatione in formazione faciliteranno quella ionizzazione nel corso della loro migrazione verso il sito cationico. In composti non aromatici del tipo (CH3)2C(OH)C(OH)RCH3, la migrazione di R aumenta in maniera R = CH3 < R = C2H5 << R = (CH3)3C. Dato che lo shiftare del gruppo alchilico deve portare parte della carica positiva totale, la sostituzione alchilica dovrebbe avere un'influenza stabilizzante sullo stato di transizione del riarrangiamento. Infine, la sostituzione con fluoro, come in C6H5(CF3)C(OH)C(OH)(CF3)C6H5 rende il diolo non reattivo nella condizioni di riarrangiamento acido catalizzato. Qui, la potente rimozione induttiva di elettroni tramite fluoro inibisce la formazione della carica positiva.
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3. Riarrangiamento di Tiffeneau-Demjanov

L'ambiguità nel determinare l'iniziale sito di formazione del carbocatione ha presentato un problema nell'analisi di molti riarrangiamenti pinacolici. Questa incertezza può essere rimossa tramite deaminazione con acido nitroso dei corrispondenti aminoalcoli primari, come mostrato nella seguente equazionw. Poiché questa reazione è normalmente condotta in diverse condizioni molto blande, la possibilità che le successive trasformazioni possano complicare l'iniziale riarrangiamento è ridotta considerabilmente.

[Immagine: tiffenau.gif]

Il riarrangiamento di Tiffeneau-Demjanov è usato spesso per trasformare un chetone ciclico in un omologo che è più grande di un membro. Una tale applicazione, che procede attraverso una cianoidrina come intermedio, è mostrata nel primo esempio sotto. I chetoni ciclici hanno due atomi di carbonio alfa, ognuno dei quali potrebbe shiftare verso il nascente carbocatione primario. Se R = H nel caso mostrato qui, questi due gruppi sono identici e shiftando danno lo stesso prodotto. Se R = CH3, il gruppo alchilico secondario shifta preferenzialmente, il prodotto principale è il 3-metilcicloesanone; l'isomero 2-metile è un prodotto minoritario. La seconda reazione è istruttiva perché dimosta che il grupppo butile secondario chirale si muove con ritenzione di configurazione.

[Immagine: tiffen1.gif]

Il terzo esempio illustra l'importanza della configurazione del substrato nel corso del riarrangiamento. Lo stadio iniziale dello shift di un gruppo arile verso un sito del carbocatione adiacente può essere visto come una sostituzione elettrofila intramolecolare di tipo Friedel-Crafts. L'approccio dell'anello arilico dal lato opposto rispetto all'uscente azoto dello ione diazonio genera uno ione fenonio intermedio (mostrato tra parentesi), la cui struttura è simile ad uno ione benzenonio. In questi due esempi, i reagenti diastereoisomerici portano preferenzialmente ad intermedi diastereoisomerici, anche se il gruppo anisile abbia un'attitudine migratoria molto maggiore rispetto ad un fenile. La donazione di una coppia di elettroni tramite il sostituente idrossile agisce quindi aprendo l'anello a tre termini di questi intermedi, portando ai prodotti chetonici.
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4. Assistenza anchimerica

Quando le velocità di solvolisi di alogenuri alchilici ed esteri solfonati sono misurate, si osservano alcune curiose influenze da parte di gruppi vicini.
Per esempio, etile cloruro, neopentile cloruro (2,2-dimetilpropil cloruro) e 2,2,2-trifeniletile cloruro sono tutti cloruri alchilici primari, che idrolizzano in acido formico acquoso a miscela di alcoli ed olefine (meccanismi SN1 & E1). Le velocità di reazione per etile cloruro e neopentile cloruro sono quasi identiche, ma il composto trifenile reagisce 60,000 volte più veloce. Le equazioni per le ultime due solvolisi sono mostrate nello schema seguente. È apparente che in entrambi i casi un carbocatione inizialmente formatosi ha riarrangiato prima della formazione del prodotto, come mostrato nel secondo schema. Comunque, la aumentata velocità del composto fenil sostituito lascia perplessi, specialmente in vista della maggiore elettronegatività dei gruppi fenile rispetto al metile (notare che l'acido difenilacetico è più acido di nove volte rispetto all'acido isobutirrico). Per spiegare l'inaspettata reattività del 2,2,2-trifeniletile cloruro è stato proposto che gli elettroni pi del gruppo fenile orientato adeguatamente assiste la ionizzazione del cloruro primario tramite formazione del legame dal lato opposto del legame C-Cl. Questa interazione intramolecolare corrisponde all'ultimo esempio nella sezione precedente, ed è simile ad una reazione intramolecolare SN2. Il risultante ione fenonio dovrebbe immediatamente aprirsi a carbocatione terziario, in cui il gruppo fenile assistente ha shiftato verso una posizione adiacente. In questo modo un anello aromatico vicino accelera il rate-determining step (endotermico) di ionizzazione, un'influenza chiamata assistenza anchimerica (dal greco: anchi = vicino).

[Immagine: clsolvol1.gif]

[Immagine: clsolvol2.gif]

[Immagine: clsolvol3.gif]

I seguenti profili di energia per queste reazioni illustrano la sequenza di eventi. Entrambe le reazioni iniziano con un iniziale rate-determining step di ionizzazione, lo stato di transizione di questo è colorato in rosa. L'energia di attivazione per questo step è più grande per il neopentile cloruro perché esso porta ad un discreto carbocatione primario. D'altra parte, la ionizzazione del trifeniletile cloruro procede con l'assistenza derivata da un gruppo fenile vicino, ed il risultante ione fenonio immediatamente apre verso un carbocatione terziario difenile davvero stabile. Il secondo step nella solvolisi del neopentile cloruro è un rapido riarrangiamento del carbocatione primario ad un isomerico carbocatione terziario. Lo stato di transizione per questo riarrangiamento è colorato in verde. In entrambi i casi, il carbocatione terziario intermedio alla fine disproporziona ad una miscela di prodotti di sostituzione ed eliminazione. La differenza essenziale è che lo stato di transizione della ionizzazione per il neopentile cloruro soffre di tutti gli svantaggi assocciati alla generazione di un carbocatione primario; invece, lo stato di transizione per la ionizzazione del trifeniletile cloruro è più in basso in energia per il suo carattere tipo fenonio.

[Immagine: enrdiag1.gif]

L'assistenza anchimerica non solo si manifesta nel miglioramento della ionizzazione, ma influenza anche l'esito stereochimico delle reazioni. L'acetolisi dei derivati diastereoisomerici del 3-fenil-2-butanolo fornisce un esempio. Questo alcole ha due centri chirali, e quindi ha quattro stereoisomeri nella forma di due coppie di enantiomeri. Le configurazioni diastereisomeriche sono chiamate eritro e treo, secondo la correlazione con i tetrosi eritrosio e treosio. Come regola, gli isomeri eritro possono assumere una conformazione eclissata in cui sostituenti identici o simili su due centrii stereogenici si eclissano l'uno con l'altro. Gli isomeri treo non possono assumere tale conformazione. Nello schema che segue, un derivato tosilato di un enantiomero di ogni diastereoisomero è disegnato come proiezione di Fischer. Questi isomeri sono stati solvolizzati in soluzione di acido acetico caldo, tamponati con sodio acetato, e le configurazioni dei risultanti esteri acetato sono state determinate. Come aspettato da un processo SN1, sono stati ottenuti anche alcuni prodotti di eliminazione E1. Incredibilmente, ogni diastereoisomero è convertito nel suo equivalente acetato diastereoisomerico (ritenzione di configurazione). Inoltre, il composto eritro ritiene la sua purezza enantiomerica; invece il treo tosilato porta ad un acetato racemo ed è lui stesso racemizzato durante la reazione. Se un intermedio carbocationico aperto è stato formato in queste reazioni, ci si dovrebbe aspettare che miscele di eritro e treo acetati si formino da entrambi i tosilati, ma si trovano solo tracce dell'opposto diastereoisomero tra i prodotti.

[Immagine: diasolv1.gif]

[Immagine: diasolv2.gif]

Nel secondo schema è dimostrata l'influenza sul controllo della assistenza anchimerica del gruppo fenile. Primo, la molecola assume una conformazione in cui il sostituente fenile è orientato anti rispetto al gruppo tosilato. Poi, una coppia di elettroni pi dall'anello benzene si lega al C2 come l'anione tosilato esce, generando un intermedio fenonio (tra parentesi). L'intermedio dal tosilato eritro è chirale, ma quella dal tosilato treo è achirale (notare il piano di simmetria che biseca l'anello a tre termini). In ogni caso C2 & C3 sono costituzionalmente equivalenti, e l'attacco nucleofilo tramite anione acetato avviene allo stesso modo bene su entrambe le posizioni (frecce verde e blu chiaro). Come risultato delle uguali velocit di formazione dei prodotti tramite legame dell'acetato a C2 & C3, l'intermedio treo achirale porta ad una miscela 50:50 (racema) di enantiomeri treo: (2R,3S) dalle frecce blu e (2S, 3R) dalle frecce verdi. Per contrasto, il legame dell'acetato a C2 & C3 dell'intermedio eritro produce lo stesso enantiomero del prodotto eritro (2S,3S). Dato che l'iniziale ionizzazione a intermedi fenonio è reversibile, non sorprende il trovare che il tosilato eritro non reagito sia intatto; invece, il tosilato treo non reagito è racemizzato.
5. Assistenza anchimerica attraverso altri gruppi vicinali

L'abilità degli elettroni pi in un anello benzenico vicinale, orientato in modo appropriato di facilitare la ionizzazione C-X, dove X è un alogen o un estere solfonico, è stata descritta nella sezione precedente.
Altri anelli aromatici, quali naftalene, furano e tiofene, possono funzionare in un modo simile, come possono anche fare doppi e tripli legami.
Lo schema sottostante mostra tre esempi di interazione di doppi legami vicinali, ed il primo è uno dei più impressionanti casi di assistenza anchimerica riportata. L'uso di linee tratteggiate per mostrare la delocalizzazione della carica è una pratica comune. Sotto ogni schema ci sono alcuen considerazioni in merito agli esempi.

[Immagine: c=casst.gif]

La reazione (1) è un esempio emozionante di come un doppio legame orientato in modo opportuno possa assistere la ionizzazione di un buon gruppo uscente. Non avviene alcun riarrangiamento perchè ne risulterebbero piccoli anelli tensionati.
La reazione (2) coinvoolge una molecola reagente meno rigida. La velocità di accelerazione è meno pronunciata, ma un po' di riarrangiamento è osservato. Notare che si forma un anello a tre termini adiacente al carbocatione terziario invece di un anello a quattro termini che incorpora un carbocatione secondario.
La reazione (3) mostra un caso in cui il doppio legame è ancora più lontano dal gruppo uscente. L'aumento di velocità è piccolo, ma si forma solo l'endo-acetato riarrangiato.

[Immagine: tripbnd.gif]

L'assistenza anchimerica tramite tripli legami non è efficace come quella tramite doppi legami, in parte perché i cationi vinilici non sono molto stabili. Nonostante ciò, i tripli legami vicinali possono catturare specie carbocationiche se acqua o altri nucleofili sono disponibili per intrappolare il risultante catione vinilico.
La reazione (1) mostra un tale esempio. L'acido trifluoroacetico è usato come solvente perché l'anione trifluoroacetato è meno nucleofilo dello ione acetato. Rese povere di questi prodotti sono trovate quando l'acido acetico è il solvente.
La reazione (2) mostra un interessante esempio di ciclizzazione iniziata dall'estremità di un catione allilico.
La reazione (3) estende l'applicazione di questa ciclizzazione ad un processo a tre passaggo, creando sei nuovi centri chirali e tre nuovi anelli. Proviene da uno studio approfondito di ciclizzazione di polieni fatto da William S. Johnson. L'acqua distrugge il catione etilene carbonato intrappolato.

[Immagine: sulfasst.gif]

La reazione (1) è un esempio di un 'composto mostarda'. Il dicloro composto simmetrico designato da R è tristemente noto come gas mostarda, e fu usato come agente chimico durante la Prima Guerra Mondiale. Tali composti sono potenti agenti alchilanti, e reagiscono con/danneggiano una varietà di nucleofili biologici tramite cross-linking.
La reazione (2) mostra come l'influenza accelerante dello zolfo cambi all'aumentare della distanza dal gruppo uscente. L'eccezionale facilità con cui gli intermedi ciclici a tre termini sono formati riflette il piccolo angolo di legame preferito dallo zolfo divalente (ca. 90°).
La reazione (3) conferma la richiesta stereoelettronica di una relazione trans-anti dell'atomo di zolfo rispetto al gruppo uscente. Lo zolfo è molto più elettronegativo dell'idrogeno, così il suo effetto induttivo rende il cis-clorosolfuro meno reattivo del cicloesile cloruro.

[Immagine: nitasst.gif]

La reazione (1) illustra una classe di composti chiamati 'mostarde azotate'. Il carattere alchilante di questi composti è simile a quello dei loro analoghi solforati.
La reazione (2) mostra un caso simile in cui avviene espansione d'anello.
La reazione (3) mostra le velocità di ciclizzazione di una serie di omega-bromo alchil amine. In assenza di base, si formano sali di ammonio ciclici stabili. Le basi convertono questi sali nelle loro corrispondenti amine cicliche secondarie.

Nella maggior parte dei casi che coinvolgono l'assistenza di un eteroatomo, un intermedio "onio" viene formato, in cui l'eteroatomo è carico. Gli atomi di alogeno adicenti possono anche stabilizzare i carbocationi, come notatao in precedenza nel caso di addizioni trans-anti ad alcheni ciclici. Il riarrangiamento funzionale tramite intermedi alogenonio è stato anche riportato. Per esempio, una soluzione in cloroformio del diassiale 2-bromo-3-clorosteroide, mostrato sotto a sinistra, spontaneamente riarrangia al più stabile 2-cloro-3-bromo isomero disegnato sulla destra. Il riarrangiamento è reversibile e procede tramite ione bromonio ciclico come scritto tra parentesi.

[Immagine: steroidx.gif]
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6. L'ipotesi del carbocatione non classico

Il ruolo degli intermedi carbocationici in molte reazioni organiche è ben stabilito. Alcuni, come il tert-butile, sono localizzati. Altri, come l'allile ed il benzile, sono stabilizzati tramite coniugazione di sistemi con elettroni pi. Altri ancora, come descritto sopra, sono stabilizzati tramite ponti con nucleofili vicinali. In tutti i casi di assistenza anchimerica descritti sopra, una carica delocalizzata o una specie ridistribuita è un intermedio lungo il cammino di reazione. Tali intermedi possono essere isolati in alcuni casi, ma essi spesso hanno solo un'esistenza transitoria. La velocità di accelerazione della ionizzazione è attribuita a similitudini strutturali ed energetiche degli stati di transizione verso gli intermedi che essi producono (postulato di Hammond).

L'assistenza anchimerica è di solito associata ad una o più delle seguenti caratteristiche osservabili.

• La velocità di accelerazione comparata con reazioni simili in cui manca assistenza.
• Il controllo stereoelettronico che risulta in differenze di velocità e prodotti differente tra stereoisomeri.
• La ritenzioni di configurazione in prodotti di sostituzione.
• La racemizzazione di prodotti (e spesso reagenti) quando è coinvolto un intermedio simmetrico pontato.

La solvolisi di eso ed endo-2-norbornil esteri solfonici mostra differenze che suggeriscono assistenza anchimerica per l'isomero eso. Come mostrato nello schema seguente, la velocità di acetolisi dell'isomero eso è sostanzialmente più veloce di quella dell'isomero endo, che reagisce ad una velocità simile al derivato cicloesile. La prima sostituzione procede con completa ritenzione di configurazione e racemizzazione; invece l'isomero endo viene sostituito con inversione di configurazione e ritiene un piccolo grado di attività ottica. L'origine di questa assistenza è stata proposta essere la coppia elettronica del legame sigma C1 : C6, che è orientato idealmente anti rispetto al gruppo uscente solfonato. Uno ione sigma-delocalizzato (tra parentesi), è stata proposto come intermedio. Dato che questo ione pontato è simmetrico, ci si aspetta la formazione di un acetato racemo. Il termine "non classico" è stato applicato a questo catione con carica delocalizzata, dato che esso appare essere unico.
Per paragone, l'isomero endo ionizza a carbocatione secondario classico, che è rapidamente convertito al più stabile ione non classico. Parte degli anioni acetato possono legarsi al carbocatione secondario prima che cambi, giustificando la residua attività ottica in questa reazione.

[Immagine: norbrnl1.gif]

[Immagine: norbrnl2.gif]

Non tutti erano convinti di questa interpretazione delle prove. I protagonisti principali che erano a favore della visione non classica erano S. Winstein e J. D. Roberts. L'opposizione principale veniva da H.C. Brown, che espose una razionalizzazione più convenzionale. Brown fece notare che i composti del norbornile sono meglio comparati con il ciclopentile piuttosto che con il cicloesile (tensioni di eclissamento), ed in un tale paragone l'isomero endo è lento più del normale, essendo l'isomero eso solo 14 volte più veloce del ciclopentile. Il prodotto racemo era stato spiegato assumendo che l'interconversione dei classici carbocationi enantiomerici fosse più rapida sulla scalda dei tempi di reazione. Brown notò anche che l'aggiunta di un sostituente arilico stabilizzante sul C2 non riduceva l'aumento di velocità della ionizzazione eso o la preferenza per la formazione del prodotto eso. Dato che queste ultime solvolisi procedono tramite catione benzilico, venne assunto che l'assistenza del legame sigma era minima. Di conseguenza, l'aumento della velocità e la ritenzioni di configurazione diventano meno importanti come indicatori non classici. Quest'ultimo esperimento, in cui il sostituente arilico era un p-anisile (An), è mostrato sul lato destro dello schema sotto.

[Immagine: norborn3.gif]

Malgrado gli argomenti dannosi di Brown, altri esperimenti fornirono ulteriore supporto alla visione non classica. Come mostrato sul lato destro dello schema, sostituenti elettron-attrattori sul C6 (2R) ritardavano la reattività eso in modo più grave rispetto a quella endo. Un effetto simile è stato notato per alcuni sostituenti sul C1 (1R). Questa influenza è meglio spiegata tramite l'ipotesi non classica, in cui una parziale carica positiva può essere portata da C1, C2 & C6.

Le interpretazioni del considerevole insieme di prove accumulate a questo punto possono essere riassunte negli schemi sottostanti. Nel primo, il catione pontato non classico è mostrato come stato di transizione per l'interconversione del carbocatione classico. Una relazione di questi tipo corrisponde al riarrangiamento del neopentile cloruro. Una seconda possibilità, presentata nel secondo schema, ha lo ione non classico come intermedio a più alta energia, e lega ioni classici. Infine, nel terzo schema, la possibilità che lo ione non classico rappresenti il più stabile intermedio è disegnat.

[Immagine: enerdia1.gif]

[Immagine: enerdia2.gif]

[Immagine: enerdia3.gif]

Dalla metà degli anni 60 le tecniche chimiche e spettroscopiche erano migliorate al punto tale da permettere la diretta osservazione di carbocationi in soluzioni acide, poco nucleofile, spesso definite "super acidi". La grande parte di questo lavoro è stata condotta da George Olah (Premio Nobel nel 1994), usando solventi misti composti da SbF5, SO2, SO2F2 & SO2FCl. A basse temperature, furono ottenuti ed interpretati gli spettri 1H- e 13C-NMR di (CH3)3C+ e (CH3)2CH+. Come anticipato, l'atomo di carbonio carico tricoordinato esibiva un segnale 13C sopra i 300ppm a campi bassi dal TMS. Quando misure NMR simili furono applicate al catione 2-norbornile, fu scoperto un numero di veloci shifts di protone. Questi potevano essere "congelati" lavorando a bassa temperatura, lo shift 3,2 a -70º C ed un più veloce shift 6,2 a -130º C. Lo spettro risultante, che rimaneva lo stesso a temperature più basse di -160º C, non aveva segnali a campi bassi vicini a quelli previsti per un classico carbocatione secondario, ed erano un supporto della struttura non classica. Recentemente, spettri 13-NMR allo stato solido a 5 K hanno provato la tesi dello ione non classico. Da questi e da altri studi spettroscopici, il catione non classico sigma pontato è identificato decisamente come il più stabile carbocatione avente struttura 2-norbornilica.

Ci sono altri carbocationi non classici relativamente stabili? Diversi che sembrano essere adatti a questa classificazione sono stati identificati, ma pochi sono stati studiati in modo approfondito come il 2-norbornile. Uno dei miglior criteri per valutare ioni candidati è stabilire se uno o più degli atomi di carbonio partecipanti è ipervalente (ha più di quattro gruppi coordinanti). Nello schema seguente, il più semplice carbocatione ipervalente, il metanonio, è disegnato sulla sinistra nel riquadro grigio. Questo ione è comunemente visto nello spettro di massa del metano (fase gas), ma si decompone in soluzione come conseguenza della sua estrema acidità. Alla sua destra cu sono due ioni non classici più grandi, il 2-norbornile ed il 7-norbornenile. Un atomo di carbonio pentacoordinato è identificato in ogni caso. Contributi alla risonanza per questi ioni sono mostrati a destra della rappresentazione con legami tratteggiati, e in tutti i disegni la coppia elettronica delocalizzata è colorata in blu. Infine, una vista ampia di questa classificazione, offerta da Olah nel suo articolo per il Nobel, è mostrata sotto.

[Immagine: nonclas1.gif]

[Immagine: nonclas2.gif]
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1. Riarrangiamenti dell'ossigeno cationico

La protonazione dell'atomo di ossigeno divalente di alcoli ed etere da parte di acidi forti produce un catione ossonio tricoordinato. Poiché l'ossigeno di uno ione ossonio ha un guscio di valenza completo, esso non può costituire un sito elettron-deficiente e non può servire da estremità del riarrangiamento. Per indurre riarrangiamento nella stessa maniera come un carbocatione tricoordinato, l'ossigeno deve essere convertito ad ossacatione non coordinato, come si nota nel seguente schema. Uno shift 1,2 di alchile o arile trasforma quindi un ossacatione relativamente stabile in un più stabile carbocatione.

[Immagine: oxorear1.gif]

Il più semplice precursore di un ossa catione è un perossido o un derivato equivalente (cioè R-O-OH o R-O-X). La rimozione di un anione idrossido da un idroperossido è energeticamente sfavorita, a meno che esso non venga convertito inizialmente in un migliore gruppo uscente in un modo simile a quello usato per facilitare le reazioni di sostituzioni di alcoli. Protonando il gruppo idrossile, il gruppo uscente diventa acqua, generando quindi un ossacatione. Un'utile procedura industriale per la preparazione del fenolo (e dell'acetone) è basata su questa strategia.

[Immagine: oxorear2.gif]

Riarrangiamento di Baeyer-Villiger

La reazione acido catalizzata di chetoni con derivati idroperossidici è nota come reazione di Baeyer-Villiger. Un'equazione generale che illustra questa reazione di ossidazione è mostrata sotto, e può essere notato che il passaggio di riarrangiamento è simile a quello del riarrangiamento pinacolico. Esteri o lattoni sono i prodotti principali dai reagenti chetonici. In questa equazione un ossacatione discreto è disegnato come intermedio, ma è più esatto che il riarrangiamento sia concertato. Una volta che il peracido è stato aggiunto al gruppo carbonile, il riarrangiamento può essere facilitato tramite legame idrogeno intramolecolare, nel modo illustrato tra parentesi sulla destra.
L'attitudine migratoria di diversi gruppo sostituenti (cioè 1R & 2R) è generalmente: alchilico primario > alchilico secondario ~ benzilico ~ fenile > alchilico primario > metile. I fattori stereoelettronici favoriscono un'orientazione anti-periplanare del gruppo che migra verso la funzionalità uscente, e controllerà il riarrangiamento in alcuni casi.
Lo scambio del peracido con acido peracetico porta ad una reazione intramolecolare di Baeyer-Villiger tramite l'acilperossido biciclico disegnato tra parentesi. Qui i fattori stereoelettronici favoriscono la migrazione del meno sostituito carbonio α. Il lattone prodotto è stato identificato tramite esterificazione e scambio di estere con metanolo a dare il metil 2-carbometossi-7-idrossieptanoato.
Le aldeidi sono di solito ossidate ad acidi carbossilici nelle condizione usate per la reazione di Baeyer-Villiger.

[Immagine: bayvill1.gif]

[Immagine: bayvill2.gif]

[Immagine: bayvill3.gif]

Sebbene lo stesso perossido di idrogeno possa essere usato nella reazione di Bayer-Villiger, esso può addizionaarsi ad entrambe le estremità dei gruppi carbonilici reattivi, producendo composti ciclici dimerici, trimerici e di poliaddizione. Di conseguenza, i derivati come i peracidi (Z = RCO & ArCO sopra) sono i reagenti preferiti per questa reazione. Tra i più comuni peracidi usati in questo caso ci sono: acido peracetico, acido perbenzoico & acido meta-cloroperbenzoico (mCPBA).
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2. Riarrangiamenti di azoto cationico o elettron-deficiente

Dato che molti semplici composti azotati sono basi, essi formano cationi "onio" quando protonati. Due cationi di questo tipo sono mostrati sulla sinistra (nel riquadro blu) sotto. Poiché i cationi ammonio ed imminio hanno un azoto con un guscio elettronico di valenza pieno, un tale atomo di azoto non può fungere da sito per il legame di un nucleofilo o come estremità per la migrazione. Per un azoto cationico affinché avvenga riarrangiamento è necessario che esso abbia un guscio di valenza incompleto, e due di tali azacationi sono mostrati nel centro dello schema (riquadro rosa). Un atomo di azoto elettron-deficiente non deve essere un catione, come dimostra l'esempio del nitrene sulla destra (riquadro verde).

[Immagine: azacaton.gif]

Riarrangiamento di Beckmann

Se il gruppo idrossile di una chetossima è rimosso per azione di un acido forte o di fosforo pentacloruro, seguita da idrolisi, si forma una ammide. La completa rimozione del gruppo idrossi derivatizzato e la sua coppia di elettroni leganti genererà un azacatione divalente ibridizzato sp del tipo illustrato nel precedente diagramma. Dove questo avviene, entrambi i sostituenti carboniosi (1R & 2R) dovrebbero essere i candidati per il successivo shift 1,2. In pratica, comunque, è sempre il gruppo in anti rispetto all'OH che esce che migra sull'azoto. Questa stereospecificità indica che lo shift 1,2 è concertato con la rimozione N-O, come mostrato sotto. Il risultante intermedio nitrilio N-alchilato reagirà con nucleofili (acqua) all'atomo di carbonio elettrofilo adiacente all'azoto "onio". Notare che la struttura disegnata in questo intermedio è la più favorita dei due contributi di risonanza, nella misura in cui tutti gli atomi pesanti hanno gusci di valenza pieni. Il legame di un nucleofilo all'atomo di azoto dovrebbe richiedere l'espansione del suo guscio di valenza per includere dieci elettroni, o la formazione di una specie dipolare instabile. Il prodotto iniziale dall'idratazione al carbonio è un imminolo, che immediatamente tautomerizza alla più stabile ammide. Le reazioni con PCl5 probabilmente portano ad un imminocloruro, e questo a sua volta è idrolizzato alla stessa ammide.

[Immagine: beckman1.gif]

Il primo esempio nel seguente gruppo di reazioni è un tipico riarrangiamento di Beckmann. L'ossima dal cicloesanone ha gli identici sostituenti carbonilici e quindi esiste come singolo isomero. Il prodotto del riarrangiamento è un lattame (un'ammide ciclica), che può essere idrolizzata ad un omerga-amino acido. Questo lattame serve come importante precursore industriale per il nylon 6.
Il secondo esempio coinvolge un derivato dell'ossima con diversi sostituenti carbonilici, che esiste come coppia di stereoisomeri (syn & anti). L'isomero anti riarrangia tramite uno shift 1,2 di fenile, mentre l'isomero syn subisce uno shift 1,2 di isopropile. La prima reazione è molto più veloce dell'ultima, presumibilmente perché procede tramite un intermedio ione fenonio relativamente stabile (struttura è nel riquadro ombreggiato). Notare che il gruppo uscente picrato (2,4,6-trinitrofenolato) è un catione stabile.
L'esempio #3 è un altro caso che dimostra la stereospecificità del riarrangiamento di Beckmann. Lo shift 1,2 del sostituente o-fenolo è più veloce di quelle del gruppo fenile senza sostituenti, e l'idrossile è idealmente sito per legarsi al carbonio elettrofilo dell'intermedio. Di conseguena, il prodotto dall'isomero anti è un benzossazolo.

[Immagine: beckman2.gif]

Il quarto esempio sopra mostra un'insolita divergenza nel comportamento che qualche volta accade quando i frammenti del sostituente migrante dall'intermedio, portano ad un nitrile come prodotto stabile. Questa è stata chiamata una reazione di Beckmann anomala.

la rigida configurazione del catione fenonio mostrata sopra impone una tensione strutturale che è ben dimostrata tramite le velocità di riarrangiamento di alcuni composti biciclici ad anelli fusi.

[Immagine: beckman3.gif]

I derivati dell'ossima di fenil chetoni incorporati in anelli fusi a sei, sette ed otto membri sono stati studiati.A causa della catena di carbonio che unisce la funzione ossima al carbonio orto dell'anello benzenico, lo ione fenonio che normalmente facilita la migrazione del fenile può essere incapace di assumere la sua struttura preferita (anello a tre termini ortogonale all'anello fenile). La catena a tre carboni a ponte per n = 6 è un tale caso, ed il riarrangiamento dell'isomero anti è davvero lento. Come la lunghezza della catena che ponta aumenta, la sua tensione è meno grave, e la velocit del riarrangiamento aumenta. L'ossima del picrato ad otto membri idrolizza rapidamente, producendo un lattame a nove membri con una resa elevata.

R2C=N-NH2 + HNO2 → RCONHR + N2

Riarrangiamenti tipo Beckmann possono anche essere condotti trattando idrazoni con acido nitroso, come mostrato sopra. Come regola, questa è una procedura meno apprezzata perché gli idrazoni puri sono più difficili da ottenere, e la resa del prodotto puro è inferiore.

Un riarrangiamento diretto dei chetoni, evitando così la necessità di preparare un derivato, è possibile tramite una procedure nota come riarrangiamento di Schmidt. L'addizione acido catalizzata di acido idrazoico al gruppo carbonile di un chetone crea un instabile azidocarbinolo che, per disidratazione, produce lo stesso catione triazonio presumibilmente formato come intermedio nella deaminazione con acido nitrico di un idrazone. Il riarrangiamento di questa specie per rapida perdita di azoto inizia quindi un riarrangiamento di tipo Beckmann.
Sotto sono riportati due esempi del riarrangiamento di Schmidt.

[Immagine: beckman4.gif]

Il riarrangiamento di Stieglitz

Esempi di riarrangiamento di azacationi ibridizzati sp2 sono relativamente rari comparati a quelli degli analoghi al carbonio. I materiali di partenza per generara tali azacationi sono di solito cloramine o idrossil amine. Quattro esempi di queste trasformazioni, spesso chiamate "riarrangiamenti di Stieglitz", sono mostrati sotto. Il primo esempio è simile ad un riarrangiamento di Wagner-Meerwein, ed il secondo ad un riarrangiamento pinacolic. Shifts competitivi di gruppi fenile p-sostituiti in reazioni simili all'esempio #3, dimostrano che un sostituente metossi facilita il riarrangiamento, mentre un sostituente nitro lo ritarda. Nell'ultimo esempio, un azacatione coniugato attiva l'anello benzenico alla sostituzione nucleofila, in contrasto con il solito ruolo giocato dai sostituenti di un'amina.

[Immagine: stieglz.gif]

Riarrangiamento di acil nitreni ad isocianati

Diverse procedure utili e generali per la degradazioni di derivati di acidi carbossilici ad amine tutte comportano il riarrangiamento di un acil nitrene ad un isocianato. Sebbene l'atomo di azoto di un nitrene non ha carica formale, esso è elettron-deficiente e serve come luogo per riarrangiamenti 1,2. Come illustrato nel seguente schema, gli acil nitreni possono essere generati da diversi composti tipo ammide. Una volta formati, gli acil nitreni rapidamente riarrangiano agli isomeri isocianato relativamente stabili, i quali possono essere isolati o reagire con solventi idrossilici. La più comune applicazione di questi riarrangiamento è per la sintesi di amine. Perciò, l'addizione di acqua ad isocianati tipo chetene producono un instabile acido carbammico che decompone ad amina e diossido di carbonio. Le procedure generali per l'ottenimento di precursori nitrenici sono elencati sotto lo schema.

[Immagine: acylnitr.gif]

Hofmann: Ammidi primarie sono convertite a derivati N-alogenati tramite l'azione di HOX o X2 in soluzione alcalina. Un eccesso di base genera una base coniugata del prodotto.
Lossen: Un derivato dell'acido idrossamico (RCONHOH) è prodotto tramite reazione di un estere con idrossil amina. L'acido idrossamico è O-acilato e quindi convertito nella sua base coniugata.
Curtius: Un'acil azide (RCON3) è preparata in uno di due modi. (i) Reazione di un cloruro acilico con sodio azide, o (ii) Reazione di un estere con un eccesso di idrazina, seguita dalla reazione dell'acilidrazide prodotta (RCONHNH2) con acido nitroso freddo. Le acil azidi decompongono ad isocianati per riscaldamento.
Schmidt: Una variante della procedura di Curtius in cui un acido carbossilico è scaldato con acido idrazoico (HN3) e un catalizzatore acido.
Alcuni esempi di questi differenti riarrangiamenti sono mostrati nello schema sottostante. In ogni caso una lettera verde maiuscola (C, H, L o S) designa il tipo di reazione. Le prime tre reazioni illustrano il riarrangiamento di Hofmann, che è un metodo particolarmente utile per la preparazione di amine. L'ultimo esempio mostra una reazione di Curtius applicata ad un diestere tramite un intermedia bis-acilidrazide. Un approccio di Curtius alternativo per l'amina dell'esempio #2 è anche mostrato. La procedura di Curtius è particolarmente utile se l'isocianato è il prodotto desiderato, dato che la decomposizione dell'acil azide intermedia può essere condotto in assenza di solventi idrossilici che reagirebbero con l'isocianato.

[Immagine: hofclais1.gif]

[Immagine: hofclais2.gif]

L'esempio #5 mostra una reazione di Schmidt in cui un acido carbossilico otticamente attivo è il substrato. La configurazione S del gruppo fenetile migrante è ritenuta nell'amina prodotta, confermando il carattere intramolecolare di questi riarrangiamenti. La ritenzioni di configurazione è anche osservata nei riarrangiamenti di Curtius, Lossen e Hofmann di questo tipo. Le reazioni #6 & #7 sono interessanti casi in cui l'acqua è assente durante la formazione e la rerazione dell'isocianato. Il solvente alcolico in #6 si addiziona all'isocianato per produrre un estere carbammico, noto come uretano. Diversamente dagli instabili acidi carbammici, gli uretani non decompongono e possono essere composti puri. Se l'acqua era stata il solvente, la risultante enammina primaria dovrebbe aver riarrangiato ad immina ed essersi idrolizzata ad aldeide. Nel riarrangiamento di Lossen (#7) la butil amina si addiziona all'isocianato a dare un'urea sostituita.
Il riarrangiamento di Hofmann nella reazione #8 fornisce un nuovo esempio del tautomerismo di un amina primaria acetilenica ad un nitrile. Infine, l'ultimo esempio illustra un riarrangiamento di Hofmann selettivo di una bromo-immide. La reattività del gruppo carbonile in para rispetto al gruppo elettron-attrattore nitro è aumentata rispetto all'altra immide carbonilica. Di conseguenza, l'idrolisi base catalizzata avviene qui preferenzialmente, lasciando l'acil nitrene meta alla funzione nitro.
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1. La reazione di Arndt-Eistert

Il riarrangiamento di acil nitreni ad isocianati che è il punto cruciale dei riarrangiamenti di Hofmann, Curtius e Lossen, ha trovato un equivalente nel riarrangiamento di acil carbeni a cheteni, una transformazione chiamata riarrangiamento di Wolff. Questo riarrangiamento è un passaggio critico nella procedura di Arndt-Eistert per allungare un acido carbossilico di una singola unità metilenica, come descritto nello schema sotto. L'acido di partenza, scritto sulla sinistra, è convertito prima in un cloruro acilico, e quindi a diazometil chetone. Il diazometano ha un gruppo metilene nucleofilo, come indicato dalle formule di risonanza disegnate nel riquadro ombreggiato. L'acilazione del carbonio metilenico produce una miscela all'equilibrio di una specie diazonio e del diazometil chetone più HCl (scritto tra parentesi). Se HCl non è neutralizzato da una base, la miscela reagisce ulteriormente a dare un clorometil chetone con perdita di azoto. Comunque, se HCl è neutralizzato non appena formato, il diazo chetone relativamente stabile viene ottenuto e può essere usato nelle reazioni successive.
Dato che il diazometano stesso può funzionare come base, il decorso di una data reazione è stabilito dal modo in cui i reagenti sono combinati. Quando una soluzione eterea di diazometano è lentamente aggiunta ad una soluzione tiepida del cloruro acilico, l'evoluzione di azoto è osservata ed il clorometil chetone è il prodotto principale. Un equivalente di diazometano è richiesto per questa reazione. Se l'addizione è invertita, di modo che una soluzione fredda di cloruro acilico è aggiunta ad un eccesso di diazometano in soluzione eterea fredda, si osserva ancora evoluzione di azoto; ma sono consumati due equivalenti di diazometano. I prodotti sono il diazo chetone e il metile cloruro (un gas) dalla reazione del diazometano con HCl.

[Immagine: arnteist.gif]

Per concludere la reazione di Arndt-Eistert il diazo chetone viene decomposto in presenza di un catalizzatore di argento (di solit Ag2O o AgNO3) assieme a calore o radiazione UV. Il risultante riarrangiamento di Wolff genera un chetene, che rapidamente reagisce con qualsiasi reagente idrossilico o amina che può essere presente in soluzione. Le equazioni generali sulla sinistra, sotto, illustrano che il prodotto finale della reazione di Arndt-Eistert può essere un acido carbossilico, un estere o un'ammide.

[Immagine: arneist1.gif]

Tre esempi specifici di questa procedura sono presentati a destra delle equazioni generali. I primi due esempi sono tipiche reazioni di Arndt-Eistert. La tolleranza verso altri gruppi funzionali, quali il nitro, è dimostrata nel primo caso; ed il secondo esempio mostra che la configurazione del gruppo migrante è ritenuta nel riarrangiamento. Altre reazioni di cheteni, come una cicloaddizioni [2 + 2], possono avvenire in assenza di solventi idrossilici o amine. La reazione #3 è un esempio di una tale reazione alternativa. I nuovi legami nel cicloaddotto sono colorati in rosa.

2. Reazioni di diazo chetoni

La reazione di Arndt-Eistert è un caso speciale di una classe più generale di reazioni di diazo chetoni. Se si assume che i diazo chetoni normalmente decompongono ad acil carbeni, allora numerose reazioni successive possono essere immaginate, e molti sono state realizzate.
Il seguente schema sottolinea alcune di queste trasformazioni, che si originano dal diazo chetone, la cui formula è nel centro dello schema. L'azoto molecolare è perso in ogni caso, e il cammino del riarrangiamento di Wolff è sulla sinistra. La maggior parte di queste reazioni riflette l'abilità dei carbeni di inserirsi in legami sigma o di addizionarsi a doppi legami. Catalizzatori metallici sono a volte usati per facilitare certe reazioni, e possono associarsi a carbeni generando intermedi carbenoidi.

[Immagine: diazket1.gif]

[Immagine: diazket2.gif]

Con questo concludo la parte sui riarrangiamenti cationici. E domani inizio a parlare di quelli anionici. Stay tuned! asd
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Come promesso ieri, ora è il turno dei riarrangiamenti anionici. Sia subito chiaro che non sono tanti quanti quelli cationici. Ma andiamo a vederli più da vicino *Fischietta*

Shift 1,2 di gruppo

Due esempi di shifts 1,2 di fenile sono mostrati nello schema sotto. In ogni caso la driving force per il riarrangiamento è la conversione del meno stabile anione in uno più stabile. L'addizione reversibile dello ione idrossido ad uno dei gruppi carbonilici del benzile produce un intermedio che subisce un riarrangiamento simile a quello pinacolico. Diversamente dal caso della "influenza" del carbocatione che inzia il riarrangiamento pinacolico, questo riarrangiamento dell'acido benzilico integra una debole influenza elettronica tramite l'adiacente carbonio carbonilico con la "spinta" dello ione alcossido. Un rapido transfer di protone quindi forma il relativamente stabile anione carbossilato. Nel secondo esempio, un carbocatione primario davvero reattivo (pKa ≈ 45) è convertito a carbanione difenile stabilizzato per risonanza (pKa ≈ 34).

[Immagine: 12shift1.gif]

Simili shifts 1,2 di idrogeno o gruppi alchile possono anche essere favoriti dalla perdita di un anione stabile, come illustrato nel seguente esempio. Ancora una volta, un anione alcossido fornisce un "impulso", e la perdita del gruppo uscente stabile tosilato termina il riarrangiamento. Il reagente LiAlH4 non solo genera l'ossi-anione, ma riduce anche i risultanti prodotto carbonilici ad alcoli. Questo riarrangiamento è in contrasto con il riarrangiamento di Wagner-Meerwein in cui un gruppo uscente anione stabile inizia il processo che genera la specie carbocationica.

[Immagine: 12shift2.gif]

Riarrangiamento di Brook

Il riarrangiamento di gruppi silicio dal carbonio all'ossigeno è chiamato riarrangiamendo di Brook. Una importante driving force per questo shift è l'aumentata forza di legame di un legame Si–O bond (110 Kcal/mol) rispetto al legame Si–C (76 Kcal/mol). L'esempio fornito nella seguente equazione è catalizzato da base, ed uno stato di transizione ciclico è indicato dall'elevata entropia di attivazione. La ritenzioni di configurazione all'atomo di silicio è stata dimostrata tramite una sequenza di reazione mostrata nel secondo schema. Dato che la benzilazione del silil cloruro è nota procedere con inversione, e la finale riduzione con idruro avviene con ritenzione, lo stesso riarrangiamento devo essere avvenuto con ritenzione. Notare che il segno della rotazione ottica per diversi derivati silile non è necessariamente correlato alla loro configurazione.

[Immagine: brook1.gif]

[Immagine: brook2.gif]

Nello schema sottostante, sono mostrati i riarrangiamenti termici 1,2 e 1,3 di silicio all'ossigeno in silil esteri e chetoni.

[Immagine: brook3.gif]

Quando una base alcossido è aggiunta a silil chetoni, intermedi del silicio ipervalente possono esser formati prima del riarrangiamento, come mostrato nello schema sotto. I meccanismi per la formazione di diversi prodotti sono dati dalle frecce curve.

[Immagine: brook4.gif]

Riarrangiamenti di Wittig e di Stevens

Tre esempi di un insolito shift 1,2 di alchile da ossigeno a carbonio, noto come riarrangiamenti di Wittig [1,2], sono mostrati sotto. Qui una potente base genera un carbanione reattivo in alfa ad un etere. Uno shift intramolecolare di un gruppo alchile o arile crea quindi un ancora più stabile anione alcossido, che nell'ultimo esempio elimina l'anione cianuro. Molti studi del meccanismo di questo riarrangiamento sono stati condotti, ed esso è stato stabilito essere intramolecolare. La carica negativa inizialmente creata indebolisce l'altro legame carbonio-ossigeno, permettendo che avvenga un rapido processo di dissociazione-ricombinazione radicale-radical anione (riquadro verde ombreggiato).

[Immagine: 12shift3.gif]

Una reazione collegata che comporta uno shift 1,2 dall'azoto al carbonio è noto come riarrangiamento di Stevens. Molti aspetti di questa trasformazione sono simili al riarrangiamento di Wittig.

[Immagine: 12shift4.gif]
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