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I l gruppo carbonilico è il gruppo funzionale di aldeidi (R’=H),

chetoni (R’=alchile), acidi carbossilici (R’=OH) e derivati diacidi carbossilici. Il doppio legame C-O consiste di un legame

σ, formato dalla sovrapposizione di orbitali sp3 del C e dell’O, e

di un legame π formato dalla sovrapposizione di orbitali 2 p

paralleli.

R

O

R'

Gruppo carbonilico: aldeidi e

chetoni



2

La reazione più comune del gruppo carbonilico è l’addizione di un

nucleofilo (es. H2O, ROH o RNH2) che utilizza la coppia di elettroni noncondivisa per formare un nuovo legame σ con il carbonio elettrofilo delcarbonile.

R

O

R'

Nu-O

-

R

R'

Nu

composto tetredrico di

addizione al carbonile

Reattività del Gruppo Carbonilico:reazioni

di addizione nucleofila



3

Il gruppo funzionale degli acidi carbossilici è il gruppo carbossilico

(CO2H). Essi prendono la desinenza –oico e sono molto comuni innatura.

R OH

O

ACIDI CARBOSSILICI



4

ALCUNI ACIDI CARBOSSILICI ALIFATICI



5

R OH

O

R OH

O

R OH

O

Come le aldeidi ed i chetoni, gli acidi carbossilici possonoessere rappresentati con delle strutture di risonanza. Talistrutture spiegano la reattività di questi composti, che sipuò localizzare in tre punti.

STRUTTURA E REATTIVITA’ DEGLI ACIDI

CARBOSSILICI



6

R OH

O

un idrogeno acido

ossigeno basico

un carbonio elettrofilo

basico

acido

elettrofilo

REATTIVITA’



7

L’idrogeno legato all’ossidrile degli acidi carbossilici èacido (pKa˜ 4-5). Per trattamento di un acido carbossilicocon una base si ottiene il corrispondente sale,caratterizzato dalla presenza dell’ an ion e carb ossi l a to

OH

O

O

O

NaOH, H2ONa

+

Acido butanoico Butanoato di sodio

Anione carbossilato

R OH

O

R OH

O

R OH

OEffetto induttivoesercitato dal carbonile

R O

O

R O

OStabilizzazione perrisonanza della baseconiugata dell’acido(ione carbossilato)

Gli acidi carbossilici reagiscono con le basi



8

R OH

OH

R OH

OH

R OH

OH

R OH

O

+ H+

R OH

O

R OH

O

R OH

O

Acidoprotonato

Acido nonprotonato

… .ma si comportano anche come basi!



9

Gli acidi carbossilici danno:Gli acidi carbossilici danno:

Reazione con basi forti (NaOH, KOH) per dare saliReazione con basi forti (NaOH, KOH) per dare sali

Reazione con LiAlH4 per dare alcoli primariReazione con LiAlH4 per dare alcoli primari

Reattività…



10

I derivati degli acidi carbossilici sono composti in cuil’ossidrile carbossilico è stato sostituito da altri gruppi.Tutti questi derivati hanno la caratteristica di dare, peridrolisi, i corrispondenti acidi carbossilici.

R Cl

O

R

O

R OR'

O

R NH2

O

O R'

O

I DERIVATI DEGLI ACIDI CARBOSSILICI



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Gli acidi carbossilici e i derivati reagiscono in maniera analogaad aldeidi e chetoni. Il C carbossilico è elettrofilo ed è soggettoall’attacco nucleofilo; il corso della reazione è diverso in

quanto al carbonile è legato un gruppo uscente. I l risultatocomplessivo della reazione è la sostituzione del gruppouscente con il nucleofilo.

LA REAZIONE DI SOSTITUZIONE NUCLEOFILA ACILICA

PUO’ ESSERE CATALIZZATA DAGLI ACIDI E DALLE BASI.

Nel primo caso (catalisi acida) la protonazionedell’ossigeno carbonilico migliora il carattere elettrofilo delcarbonio, attivandolo nei confronti dell’attacco nucleofilo.

Inoltre, la protonazione del gruppo uscente ne facilital’eliminazione.

Nel secondo caso (catalisi basica) la base, quando coincidecon la specie attaccante, rappresenta un nucleofilo piùefficiente, in quanto carico negativamente.

SOSTITUZIONE AL CARBONIOCARBOSSILICO: SN ACILICA



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RC

OH

O H+

RC

O

O

H+

H RC

O

O

H

+H

RC

O

O

H

+

H

H3CO H

RC

O

OH

+

H

OH CH3

RC

O

OH+

H

OCH3

H

RC

O

H

OCH3

+

RC

O

OCH3

- H2OH+

Un esempio di SN ACILICA: esterificazione

di Fisher



13

CLORURI ACILICI (idrolisi rapida in acqua aCLORURI ACILICI (idrolisi rapida in acqua a t.ambt.amb))ANIDRIDI (idrolisi lenta in acqua aANIDRIDI (idrolisi lenta in acqua a t.ambt.amb))ESTERI (idrolisi in acqua catalizzata H+ o OHESTERI (idrolisi in acqua catalizzata H+ o OH -- a caldo) AMMIDIa caldo) AMMIDI

(idrolisi con acidi o basi forti e lungo riscaldamento)(idrolisi con acidi o basi forti e lungo riscaldamento)

L’ordine di reattività dipende dalla natura del gruppolegato al carbonile.

R GU

O

R GU

O

R GU

O

Derivati di acidi carbossilici: ordine direattività



14



15

Gli aromatizzanti costituiscono la classe più numerosa di additivialimentari (AROMI), MOLTI DI QUELLI SINTETICI SONO ESTERI.

ESTERI COME AROMATIZZANTI



16

Un atomo di C adiacente al carbonile è chiamato carbonio in α, un

atomo di idrogeno legato ad esso è chiamato idrogeno in α. Gli idrogeniin α al gruppo carbonilico sono più acidi degli idrogeni alchilici (mameno acidi degli idrogeni degli –OH degli alcoli).

H3C

O

CH3

idrogeni in α

ACIDITA’ IDROGENO IN α al GRUPPO

CARBONILICO



17

L’anione enolato, che si forma per trattamento del compostocarbonilico con una base, è stabilizzato per risonanza e ciò lo rende piùstabile rispetto ad una anione che si formerebbe da un semplicealcano.

H3C

O

CH2 H + A-

H3C

O

CH2-

R CH2

O

+ HA

ANIONI ENOLATO: formazione e stabilità

Gli anioni enolato danno un importante reazione nella quale il carbonioin α dell’anione enolato si addiziona al carbonio carbonilico di un altrocomposto per formare un nuovo legame C-C.



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L’addizione dell’anione enolato derivante da un’aldeide o da un

chetone al gruppo carbonilico di un’altra molecola è detta reazionealdolica.

Il nome comune del prodotto originatosi da questa reazione è aldolo,così chiamato poiché è sia un’ aldeide sia un alcol.

Reazione aldolica: reazione di condensazione carbonilica tra due aldeidio tra due chetoni per dare una β-idrossialdeide o un β-idrossichetone.

H3C

O

H

+

etanale (acetaldeide)

H3C

O

H

NaOH

H3C

OH O

H

3-idrossibutanale(β-idrossialdeide o aldolo)

La Reazione Aldolica



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Esercizio: disegna il prodotto della reazione aldolica base-catalizzata dei seguenti composti:

a. Butanale

b. Cicloesanone

c. acetofenone

Meccanismo reazione aldolica

base-catalizzata



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Le β-idrossialdeidi ed i β-idrossichetoni sono facilmente disidratati espesso le condizioni necessarie per effettuare una reazione aldolica(ambiente basico) sono sufficienti a causare la disidratazione.Alternativamente la disidratazione può essere indotta riscaldando

l’aldolo in acido o in base.

acido o base diluiti

H3C

OH O

HH

3C

O

H

+ H2O

aldeide α,β-insatura

Disidratazione di un aldolo



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La condensazione di Claisen, come la reazione aldolica, richiede la presenza di

una base. Basi in soluzione acquosa, come NaOH, NON possono essere utilizzateperché provocano l’idrolisi dell’estere. Quindi si usa etossido di sodio in etanolo.

L’anione enolato di un estere reagisce egualmente con il gruppo carbonilico di unaltro estere per dare un prodotto di condensazione, detto β-chetoestere. Questareazione è detta reazione di Claisen.

1. NaOEt/ NaOH

O

OCH2CH3 H3C OCH2CH3

acetoacetato di etile

2

O O

2. H2O, HCl

Acetato di etile

La reazione di Claisen



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Queste reazioni sono tra le più importanti nel mondo biologico per la formazionedi legami C-C in importanti biomolecole, come gli acidi grassi, il colesterolo, gliormoni steroidei ed i terpeni. La fonte comune di atomi di carbonio per la sintesidi queste biomolecole è l’ acetilCoA, un tioestere dell’acido acetico e del gruppotiolico del CoA.

H3C SCoA

O

H2C SCoA

O+H

N

NN

NH2

O

PO OH

NCH2OPOPO

O O

OH OHNHNH OH

OO

HS

Coenzima AHSCoA

adenina

acido pantotenico

β-mercaptoetilammina

La reazione di Claisen ed aldolica nelmondo biologico



23

I gruppi acilici formano tioesteri quando si legano al gruppo tiolico del CoA.Data la loro elevata energia di idrolisi, i tioesteri hanno un alto potenziale ditrasferimento del gruppo acilico che può essere ceduto a una grande varietà dimolecole accettrici. Il gruppo acilico legato al coenzima A può quindi essereconsiderato come una forma “attivata” pronta per il trasferimento del gruppo.

H3C SCoA

O

H2C SCoA

O+H

Perché i tioesteri?Un tioestere ha significativi vantaggi rispetto ad un estere

ossigenato:gli idrogeni in α al carbonile sono più acidi, rendendo più facile laformazione dello ione enolato.Questo può essere spiegato in terminidi delocalizzazione elettronica…

La reazione di Claisen ed aldolicanel mondo biologico



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Esteri e Tioesteri

H3CC

OR

O

H3CC

OR

O

estere

La risonanza fa diminuire l’acidità degli idrogeni in α al carbonile

Nel tioestere questa risonanaza è meno favorevole, in quanto il doppiolegame fra S e C nella seconda struttura non si forma facilmente a causadelle diverse dimensioni dei due atomi.

H3C C S R

O

H3CC S R

O

tioestere

Inoltre il tioestere ha un gruppo uscente migliore, quindi è piùreattivo.



25

Un esempio: la reazione di Claisen nella

Biogenesi dei Terpeni

In una reazione di Claisen catalizzata dall’enzima tiolasi, l’acetilCoA

viene nel convertito nel suo anione enolato, che poi attacca il gruppocarbonilico di un’altra molecola di acetilCoA.L’enzima permette la formazione dello ione enolato, visto che inambiente biologico non esiste una base forte, come l’etossido disodio.

H3C SCoA

O

SCoA

O

H3C SCoA

O

+H3C

O

CoASH+



26

Composti 1,3-dicarbonilici

Sostanze in cui sono presenti due gruppi carbonilici in relazione 1,3.I metilene tra due gruppi carbonilici è notevolmente acido, perché lo ioneenolato che si forma è stabilizzato dalla risonanza.

OO

2,4-pentadione

baseOO

-

(anione enolato)

OO- O-OH



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Composti 1,3-dicarbonilici : il Malonil CoA

NHN

SCO

H H

O

Enz

C

O

HO

CoAS C

O

CH2

CoAS C

O

CH2

CO2H

malonil-CoA

biotina-enzima+

acetil-CoA

(enolato)

N

1

-carbossibiotina-enzima

attacco nucleofilo sulcarbonile; perdita delcomplesso biotina-enzimacome gruppo uscente



28

Reazione di Claisen tra Acetil CoA eMalonil CoA

La reazione di Claisen tra aceti l CoA e malonil CoA porta allaformazione di acetoacetil CoA, ossia lo stesso prodotto che si formerebbedalla condensazione di due molecole di acetil CoA.Il ruolo della carbossilazione è solo quello di attivare l’acetil CoA, CO2

infatti si allontana contemporaneamente alla condensazione.

CH3 C

O

SCoA

H2C C

O

SCoA

CO O H

CH3 C

O

SCoA

CH2 C

O

SCoA

CH3 C

O

CH2 C

O

SCoA

perdita di CoAScome gruppo

uscente

attacco nucleofilosul carbonile con

simultanea perditadi CO2

CO2

acetoacetil-CoA

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