Derivati Halogenati

C. Csunderlik, M. Medeleanu Derivaţi halogenaţi 1

DERIVAŢI HALOGENAŢI Definiţie, clasificare, nomenclatură Derivaţii halogenaţi sunt compuşi cu grupă funcţională monovalentă cu halogen, formată prin înlocuirea unui atom de hidrogen de la un atom de carbon cu un atom de F, Cl, Br sau I. În funcţie de tipul de atom de carbon de care se leagă atomul de halogen, derivaţii halogenaţi se clasifică astfel:

- derivaţi halogenaţi saturaţi atunci când halogenul este legat de un atom de carbon hibridizat sp3; - derivaţi halogenaţi nesaturaţi sau aromatici atunci când halogenul este legat de un atom de carbon hibridizat sp2 alchenic sau aromatic;

În funcţie de natura halogenului pot fi derivaţi fluoruraţi, cloruraţi, bromuraţi şi ioduraţi:

În funcţie de numărul atomilor de halogen (legaţi de atomi de carbon diferiţi), derivaţii halogenaţi pot fi mono-, di-, tri-,…polihalogenaţi. Derivaţii di-, tri- sau tetrahalogenaţi cu atomii de halogen legaţi de acelaşi atom de carbon (în poziţie α sau geminală) sunt de fapt compuşi cu funcţe compusă, care sunt derivaţi funcţionali ai grupelor funcţionale bivalente, trivalente sau tetravalente. Exemple: - derivaţi mono-, di-, tri-, poli-halogenaţi saturaţi:

- derivaţi mono-, di-, tri-, poli-halogenaţi nesaturaţi sau aromatici:


Nomenclatura: Denumirea derivaţilor halogenaţi se poate face în două feluri: - folosind prefixele: fluoro-, cloro-, bromo-, iodo- înaintea denumirii hidrocarburii din care provin (clorometan, cloroetan, fluorobenzen,etc.); atunci când catena are mai mulţi atomi de carbon se indică şi poziţia atomului de halogen pentru diferenţierea izomerilor de poziţie, numerotarea catenei începe cu poziţia cea mai apropiată de atomul de halogen (1-cloropropan, 2-cloropropan, 1-cloropentan, 3-bromopentan); atunci când sunt mai mulţi atomi de halogen se folosesc particolele di-, tri-, tetra şi per-, atunci când toţi atomii de hidrogen sunt înlocuiţi cu acelaşi tip de halogen (diclorometan,

tetraclorometan, 1,3-diclorobutan, hexaclorociclohexan, perfluoropentan); - denumiri radicalo-funcţionale prin care se folosesc denumiri similare cu cele ale sărurilor hidracizilor: fluorură, clorură, bromură şi iodură, urmate de numele radicalului de hidrocarbură (iodură de metil, clorură de metilen, clorură de benzil,

clorură de vinil); Se folosesc şi denumiri tradiţionale: tetraclorura de carbon, tricloretilenă, tetrafuoroetilena. Structura electronică şi reactivitatea generală Atomii de halogen sunt în grupa a VII-a şi au 7 electroni pe stratul de valenţă: s2

p5; cu

excepţia fluorului, ceilalţi halogeni au şi orbitali d şi f vacanţi pe stratul de valenţă. Halogenii formează legături ionice cu metalele electropozitive, prin acceptarea unui electron, sau legături covalente prin punerea în comun a unui electron de pe stratul de valenţă cu un electron al unui atom de carbon, hidrogen sau alt atom cu electronegativitate apropiată. Legăturile covalente sunt polare, atomii de halogen având densitate mărită de electroni în aceste legături. Polaritatea legăturilor C – Halogen scade cu scăderea electronegativităţii atomului de halogen, de la fluor la iod, dar polarizabilitatea (posibilitatea de scindare ionică) lor creşte, odată cu creşterea razei covalente a atomilor de halogen, de la fluor la iod:

:: :

:

Datorită polarităţii legăturii C – X, halogenii prezintă un efect inductiv atrăgător de electroni – I, efect care scade de la F la I dar şi cu distanţa dintre atomul de halogen şi atomii de carbon sau hidrogen dintr-o catenă saturată: – Cδδδ+ – Cδδ+ – Cδ+ – Xδ- Perechile de electroni neparticipanţi de la atomii de halogen se pot conjuga cu electroni π ai unor legături duble sau triple, astfel încât, atomii de halogen pot să aibă şi un efect mezomer respingător de electroni + M. Având însă un caracter pronunţat electronegativ, efectul inductiv atrăgător de electroni este mai important. În cazul conjugării cu electronii π din sisteme aromatice, halogenii având efectul mezomer + M, sunt substituenţi de ordin I, orientează substituţia în poziţiile 2, 4 şi 6 dar, datorită efectului inductiv – I, dezactivează nucleul aromatic pentru substituţii electrofile:


Pe de altă parte, după cum se observă din structurile limită cu sarcini despărţite, legătura C – Cl este parţial dublă ceea ce face ca să se scindeze mai greu heterolitic, decât în absenţa acestui efect mezomer donor de electroni. Reactivitatea derivaţilor halogenaţi este determinată de polaritatea şi polarizabilitatea legăturii C – Halogen dar şi de natura radicalului de care se leagă atomul de halogen. Fiind o legătură polară, scindarea se face predominant heterolitic, cu formarea unui carbocation şi a unui anion de halogenură. Cel mai uşor se scindează legătura C – I şi cel mai greu legătura C – F, derivaţii fluoruraţi fiind considerabil mai puţin reactivi. Atomul de carbon având densitate scăzută de electroni poate să fie atacat de un reactant nucleofil care produce o substituţie nucleofilă a halogenului. Halogenii sunt atomi (grupe) care sunt uşor substituite, în comparaţie cu alte grupe funcţionale monovalente (-OH, -OR, -SH, -NH2) ceea ce înseamnă că sunt grupe nucleofuge (“leaving group”) bune:

:: :

:

::

::

Efectul atrăgător de electroni al legăturii C – Halogen polarizează legăturile C – C şi pe cele C – H din poziţiile apropiate (de exemplu o legătură C – H din poziţia β), polarizare care măreşte aciditatea acestui atom de hidrogen care poate fi cedat unei baze tari (care poate fi chiar reactantul nucleofil). În acest caz are loc o reacţie de eliminare în care se formează o alchenă. Reactivitatea derivaţilor halogenaţi în aceste reacţii ionice de scindare a legăturii carbon - halogen este influenţată şi de natura radicalului de care este legat atomul de halogen. În cazul unui atom de halogen legat de un atom de carbon saturat, hibridizat sp

3, se manifestă doar efectul inductiv atrăgător de electroni, şi scindarea ionică a legăturii, se face în funcţie de natura halogenului (activitatea sa nucleofugă) şi de stabilitatea carbocationului care se formează:

Stabilitatea carbocationilor proveniţi din alcani creşte de la cationul de metiliu la carbocationii primari, secundari şi apoi terţiari, datorită efectului crecând respingător de electroni al grupelor alchil legate de atomul de carbon cu sarcina pozitivă, atom care este hibridizat sp

2 şi plan. Carbocationii de alil şi de benzil prezintă o conjugare între electronii π ai dublei legături sau aromatici şi orbitalul p vacant al atomului de carbon cationic:

Conjugarea stabilizează mult mai mult aceşti carbocationi decât pe cei care provin din alcani, astfel încât derivaţii halogenaţi corespunzători sunt cei mai reactivi în reacţiile care au loc cu scindarea heterolitică a legăturii C – halogen.


Derivaţii halogenaţi nesaturaţi sau aromatici prezintă conjugare între electronii neparticipanţi p ai halogenului şi electronii π (ai dublei legături sau aromatici), ceea ce face, aşa cum s-a arătat mai sus, ca legătura C – halogen să se scindeze mai greu heterolitic şi, ca urmare, aceşti derivaţi sunt foarte puţin reactivi în condiţiile obişnuite. În concluzie, reactivitatea derivaţilor halogenaţi în reacţii ionice poate fi descrisă astfel: - în funcţie de natura halogenului:

- în funcţie de natura radicalului:

În funcţie de reactivitatea lor în reacţiile ionice, de substituţie nucleofilă (de fapt în funcţie de condiţiile în care are loc reacţia de hidroliză) derivaţii halogenaţi se clasifică în trei categorii principale: - derivaţi halogenaţi cu reactivitate redusă în care halogenul este legat direct de un atom de carbon hibridizat sp

2; hidroliza lor este posibilă numai cu soluţii concentrate de hidroxizi alcalini la presiune şi temperaturi de peste 1000C; - derivaţi halogenaţi cu reactivitate normală cu halogenul legat de un carbon hibridizat sp

3 care este la rândul lui legat de un carbon sp3 sau de un hidrogen; hidroliza

lor se face la cald, cu soluţii de concentraţie medie de hidroxizi alcalini; - derivaţi halogenaţi cu reactivitate mărită cu halogenul legat de un carbon sp

3 care este legat de un carbon sp

2; hidroliza lor se face cu soluţii diluate de hidroxizi alcalini sau în prezenţa unor baze slabe organice, la încălzire uşoară. În general, reacţiile pe care le dau derivaţii halogenaţi sunt: - substituţii nucleofile (SN) cu nucleofili cu oxigen, azot, sulf, hidrogen, carbon; - reacţii de eliminare (E) de hidracizi în prezenţa unor baze; de cele mai multe ori aceste reacţii decurg în paralel cu cele de substituţie nucleofilă, deoarce reactanţii nucleofili au şi caracter bazic; - reacţii de substituţie nucleofilă, în condiţii specifice, la derivaţi halogenaţi aromatici (SNAr); - reacţii radicalice în care legătura C – Halogen se scindează homolitic sub acţiunea unui reactant donor de electroni (atom de metal):

Proprietăţi fizice Legăturile C – halogen sunt legături puternic polare, dar polaritatea moleculelor derivaţilor halogenaţi depinde şi de simetria moleculei, moleculele simetrice (CCl4 de exemplu) nefiind polare. Interacţiunile dipol-dipol dintre molecule nu sunt foarte importante, datorită respingerii dintre atomii foarte electronegativi de halogen, astfel că derivaţii halogenaţi au puncte de topire şi de fierbere doar cu ceva mai mari decât alcanii cu aceeaşi masă moleculară. Ele depind în mare măsură şi de natura şi masa halogenului: derivaţii fluoruraţi cu masa relativ mică a atomului de halogen şi electronegativitatea sa foarte mare au puncte de topire şi de fierbere (şi densitatea) relativ scăzute. Derivaţii bromuraţi şi ioduraţi cu masa mult mai mare a atomului de halogen au puncte de topire, fierbere şi densitate relativ mare:


Derivatul halogenat Formula M p.t.( 0C ) p.f.( 0C ) D420

Fluorometan CH3F 34,0 -142 -78,6 0,877(-790C) Clorometan CH3Cl 50,5 -98 -24,2 0,991(-250C) Bromometan CH3Br 95,0 -94 3,6 1,732 Iodometan CH3I 142 -66 42,5 1,499 Tetraclorometan CCl4 154 -23 76,7 1,594 Tetrabromometan CBr4 332 90 189,5 3,420 Diclorodiflurometan CCl2F2 121 -160 -28,0 1,486(-300C) Solubilitatea în apă a derivaţilor halogenaţi este relativ mică, asemănătoare cu cea a hidrocarburilor. Având, în majoritatea cazurilor, densitate mai mare decât apa, formează stratul inferior într-un sistem bifazic cu apa sau spluţiile apoase. O serie de derivaţi halogenaţi (diclorometanul, cloroformul, tetraclorura de carbon, tricloroetena, clorobenzenul, etc.) sunt solvenţi pentru substanţe organice nepolare sau puţin polare (în general substanţele “lipofile” cum sunt grăsimile şi uleiurile). Derivaţii halogenaţi au o activitate biologică importantă, fiind în general toxice pentru organismele vii. O serie de derivaţi halogenaţi inferiori (cloroetanul, cloroformul, tricloroetena) au efect narcotic şi au fost utilizate ca anestezice, dar toxicitatea lor hepatică a făcut să nu mai fie folosite în medicină. Toxice hepatice sunt mai ales tetraclorura de carbon şi 1,1,2,2-tetracloroetanul a căror utilizare ca solvenţi este evitată în prezent. Mulţi derivaţi halogenaţi au acţiune insecticidă, fiind folosiţi chiar şi în prezent, cu toate că, sunt în general compuşi greu degradabili şi pot produce poluarea îndelungată a solului sau apelor. Printre compuşii care au fost cel mai mult utilizaţi sunt: p,p’-diclorodifeniltricloroetanul (D.D.T), γ-hexaclorociclohexanul (“Lindan”), derivaţi ai hexaclorobiciclo-[2,2,1]heptanului (‘Aldrin”) şi alţii. Proprietăţi chimice Reacţii ionice ale derivaţilor halogenaţi Scindarea legăturii polare C – Halogen se face cel mai frecvent ionic sub acţiunea reactanţilor nucleofili sau a mediului de reacţie (solvenţi). Scindarea ionică duce la reacţii de substituţie nucleofilă cu formarea altor compuşi cu grupe funcţionale monovalente, sau la reacţii de eliminare cu formare de alchene (vezi pag. 3, schema generală). Aceste reacţii sunt, de obicei, reacţii paralele produşii obţinuţi şi raportul lor depinzând de reactanţi şi de condiţiile de reacţie care determină modul în care ele decurg (mecanismul de reacţie). În cazul compuşilor care prezintă izomerie sterică (enantiomerie sau diastereoizomerie) în funcţie de mecanism, reacţiile, atât cele de substituţie nucleofilă cât şi cele de eliminare pot să fie mai mult sau mai puţin stereoselective. Mecanismul reacţiilor de substituţie nucleofilă şi eliminare: La derivaţii halogenaţi cu reactivitate normală sau mărită, care au halogenul legat de un atom de carbon hibridizat sp

3, sunt posibile două moduri de scindare a legăturilor C – Halogen în reacţiile de substituţie nucleofilă: I. Direct din substrat, fără înteracţiunea cu reactantul nucleofil şi sub acţiunea mediului sau condiţiilor de reacţie; legătura polară C – Halogen se scindează ionic cu formarea unui carbocation şi a anionului de halogenură. Scindarea are loc sub acţiunea unui solvent polar, care solvatează ionii formaţi, sau a temperaturii prin creşterea amplitudinii vibraţiilor de legătură C – Halogen. Procesul este lent şi necesită o energie de activare relativ mare:


Carbocationul format este reactiv şi se combină cu un reactant nucleofil, anionic sau neutru, printr-o reacţie de coligare rapidă:

În ansamblu este o reacţie de substituţie nucleofilă în două etape în care etapa lentă, cea care determină viteza de reacţie, este scindarea legăturii carbon – halogen. Viteza de reacţie depinde doar de variaţia concentraţiei derivatului halogenat în timp, reactantul nucleofil nu participă în această etapă. De aceea expresia vitezei de reacţie (cinetica reacţiei) este de ordin unu (“substituţie nucleofilă monomoleculară”, SN1):

Atunci când la un atom de carbon din poziţia vecină se găseşte un atom de hidrogen, carbocationul se poate stabiliza şi prin cedarea unui proton unei baze (care poate fi solventul sau un reactantul nucleofil) formând o alchenă într-o reacţie de eliminare (“eliminare monomoleculară”, E1):

Prima etapă a reacţiei de eliminare este comună cu cea a reacţiei de substituţie şi, cum aceasta este etapa lentă, viteza ei depinde numai de concentraţia derivatului halogenat ca şi în cazul substituţiei monomoleculare. II. Din substrat, dar cu participarea reactantului nucleofil (în cazul substituţiei) sau a bazei (în cazul eliminării); în acest caz reacţia decurge printr-o stare de tranziţie (ST) în care, concomitent cu scindarea legăturii C – Halogen, are loc formarea legăturii C – Nucleofil (în cazul substituţiei nucleofile):

Viteza de reacţie depinde în acest caz de variaţia în timp a concentraţiei ambilor reactanţi, reacţia fiind o “substituţie nucleofilă bimoleculară”, SN2:

În cazul reacţiei de eliminare, baza (care poate fi reactantul nucleofil) atacă atomul de hidrogen de la carbonul vecin printr-o stare de tranziţie extinsă; spre deosebire de reacţia de substituţie nucleofilă, în cazul eliminării contează bazicitatea reactantului nucleofil, adică afinitatea lui pentru protoni şi nu afinitatea pentru carbon:


Cinetica acestei eliminări este tot bimoleculară, depinzând de concentraţia substratului şi a bazei (“eliminare bimoleculară” în mediu bazic, E2B). Se poate observa, din cele arătate mai sus că, prin reacţia unui derivat halogenat cu reactivitate normală sau mărită cu un reactant nucleofil (care are în acelaşi timp şi caracter bazic), se pot obţine produşi de substituţie nucleofilă şi de eliminare (alchene) printr-un mecanisme diferite: monomoleculare sau bimoleculare. Tipul mecanismului este determinat de mai mulţi factori: - structura derivatului halogenat: în cazul unor derivaţi halogenaţi cu halogenul legat de un carbon primar, care formează carbocationi primari, mai puţin stabili, este preferat mecanismul bimolecular atât pentru substituţie cât şi pentru eliminare; în cazul unor derivaţi halogenaţi la un carbon terţiar sau a celor alilici sau benzilici, care formează carbocationi mai stabili, este preferat mecanismul monomolecular cu fomarea carbocationilor ca intermediari. În cazul derivaţilor halogenaţi la un carbon secundar, mecanismul poate fi mono- sau bimolecular, în funcţie de ceilalţi factori care pot influenţa mecanismul de reacţie. - natura şi reactivitatea reactantului nucleofil: reactanţii nucleofili anionici mai reactivi decât cei neutri, favorizează mecanismele bimoleculare atât pentru substituţie cât şi pentru eliminare; reactanţii nucleofili care au şi caracter puternic bazic (anionii de HO-, R-O-, NH2

-) dau reacţii atât de substituţie cât şi de eliminare bimoleculară, predominând în general produşii de eliminare; reactanţii nucleofili neionici (H2O, R-OH, R-COOH) dau mai ales reacţii de substituţie care pot fi mono- sau bimoleculare în funcţie de natura derivatului halogenat; reactanţii nucleofili puţin bazici dar cu atomi polarizabili şi caracter nucleofil pronunţat (H2S, R-SH, SH-, NH3, R-NH2) dau mai ales reacţii de substituţie bimoleculară:

- condiţiile de reacţie, temperatura şi solventul: reacţiile monomoleculare şi cele de eliminare bimoleculară au o energie de activare mai mare şi de aceea sunt favorizate de temperaturi mai ridicate, în schimb reacţiile de substituţie bimoleculară au energie de activare mai scăzute şi sunt favorizate de temperaturi mai scăzute de reacţie (desigur în măsura în care la temperaturi mai scăzute viteza de reacţie nu scade prea mult). Solvenţii polari care au putere mare de solvatare a ionilor (în general solvenţii protici, apa, alcoolii, acidul acetic) favorizează reacţiile monomoleculare de substituţie şi eliminare; solvenţii aprotici dipolari (acetona, dimetilformamida, dimetilsulfoxidul, acetonitrilul) solvatează într-o măsură mai mică reactanţii nucleofili anionici decât solvenţii protici şi fac ca aceştia să fie mai puţin ecranaţi faţă de substrat, mărind astfel viteza reacţiilor de substituţie nucleofilă bimoleculară:


Prin alegerea reactanţilor nucleofili şi a condiţiilor de reacţie (temperatură, solvent) poate fi influenţat mecanismul de reacţie astfel încât să se obţină produşii doriţi. Stereoselectivitatea reacţiilor de substituţie nucleofilă şi eliminare: Stereoselectivitatea reacţiilor de substituţie nucleofilă depinde de mecanismul de reacţie. În cazul reacţiilor monomoleculare (SN1) se formează, în etapa lentă un carbocation care are atomul de carbon hibridizat sp

2 cu o configuraţie plană. Atacul reactantului nucleofil la acest carbocation are loc perpendicular pe acest plan din ambele direcţii cu aceeaşi probabilitate astfel că se vor forma, atunci când centrul de reacţie este chiral, ambii enatiomeri în proporţie egală. Se formează astfel, în urma substituţiei nucleofile la unul dintre enantiomeri, amestecul racemic al produsului de reacţie, atomul de carbon rămănând chiral. Din punct de vedere stereochimic reacţia decurge cu racemizare:

În cazul substituţiilor nucleofile bimoleculare (SN2) reactantul nucleofil atacă atomul de carbon cu densitate scăzută de electroni din partea opusă atomului de halogen. În starea de tranziţie reactantul nucleofil şi atomul de halogen sunt în poziţie opusă faţă de planul format de atomul de carbon şi cei trei substituienţi. După scindarea completă a legăturii C – halogen şi formarea legăturii noi dintre reactantul nucleofil şi atomul de carbon, configuraţia este inversată. De aceea reacţiile SN2 sunt stereospecifice şi au loc cu inversia configuraţiei:

În reacţiile de eliminare monomoleculare (E1) carbocationul plan permite libera rotaţie în jurul legăturilor simple astfel încât, atunci când se pot forma doi diastereoizomeri cis-

trans, reacţia nu este stereoselectivă şi se obţin ambii izomeri:


În reacţiile de eliminare bimoleculară (E2B) se scindează concomitent legăturile C – H şi C – Halogen şi se formează legătura dublă prin întrepătrunderea paralelă a orbitalilor p cu formarea legăturii π. Această întrepătrundere este posibilă numai când orbitalii sunt în acelaşi plan şi în conformaţie antiperiplanară. De aceea eliminarea este posibilă numai dacă există o astfel de conformaţie antiperiplanară pentru atomii de halogen şi de hidrogen vicinali (un unghi diedru de 1800 între legăturile C-halogen şi C-H). Astfel, eliminarea bimoleculară din 1-R,2R-1-bromo-1,2-difenilpropan are loc stereoselectiv, numai din conformaţia antiperiplanară a atomilor de brom şi de hidrogen care se elimină şi duce la formarea numai a unui singur diastereoizomer (trans-1,2-difenilpropena):

În cazul eliminării din compuşi ciclici, derivaţi ai ciclohexanului, eliminarea este posibilă numai atunci când există o conformaţie în care atomul de halogen şi atomii de hidrogen vicinali sunt în poziţie 1,2-diaxială (configuraţie trans 1,2-diaxială). Un exemplu îl constituie eliminarea din clorura de mentil, un derivat halogenat obţinut prin reacţia cu HCl a mentolului din uleiul de mentă, din care eliminarea de acid clorhidric în prezenţa bazelor duce doar la o singură alchenă (2-mentena):

Regioselectivitatea în reacţiile de eliminare: În reacţiile de eliminare bimoleculară (E2B) la derivaţii halogenaţi care au două legături C-H diferite în poziţia β, faţă de atomul de halogen, se pot forma cel puţin două alchene izomere:

Dacă eliminarea se face prin atacul bazei (anionul de C2H5O

-) asupra atomului de hidrogen din poziţia β se obţine alchena cea mai puţine substituită, conform regulii lui

Hofmann, în schimb dacă eliminarea are loc prin hidrogenul din poziţia β’ se obţine alchena cea mai substituită, conform regulii lui Zaitsev. De fapt se obţin practic întotdeauna cele două alchene în amestec, proporţia lor depinzând de factorii sterici: volumul radicalului alchil din alcoxidul folosit ca bază tare, pe de o parte şi volumul radicalului R din substrat. Astfel, folosind aceeaşi bază (C2H5O

-) dar cu diverşi radicali în substrat se obţin proporţii variabile de alchene Hofmann şi Zaitsev:


Se poate observa că odată cu creşterea volumului radicalului alchil, de la metil la terţ-butil, cantitatea de alchenă mai puţine substituită (Hofmann) creşte şi cea de alchenă mai substituită (Zaitsev) scade. Aceasta se explică prin faptul că, atacul bazei asupra atomului de hidrogen din poziţia β’ este impiedicat steric de volumul tot mai mare al radicalului R; în schimb este favorizat atacul asupra hidrogenului din poziţia β care este legat de un atom de caron primar mai puţin împiedicat steric, ducând la formarea alchenei Hofmann. Şi volumul bazei influenţează raportul dintre cele două alchene. Astfel, cu acelaşi substrat, folosirea ca bază a terţ-butoxidului de potasiu [(CH3)3C-O-K+] în locul etoxidului de potasiu inversează raportul de alchenă Zaitsev/Hofmann de la 80:20, în cazul etoxidului la 27:73 pentru terţ-butoxid. Şi în acest caz explicaţia constă în favorizarea atacului bazei mai voluminoase la atomul de hidrogen mai puţin împiedicat steric. Reacţii cu nucleofili cu oxigen Nucleofili cu oxigen sunt apa, compuşii hdroxilici, acizii carboxilici, sau anionii lor: anionii de hidroxil, alcoxil sau fenoxil, carboxil). Derivaţii halogenaţi cu reactivitate normală sau mărită reacţionează mai greu sau mai uşor cu nucleofilii neionici cu oxigen şi mai ales cu formele lor anionice prin reacţii de substituţie nucleofilă. Atunci când nucleofilii anionici sunt şi baze tari (ionii de hidroxil şi alcoxil) au loc mai ales reacţiile de eliminare bimoleculară, dacă există atomi de hidrogen în poziţia β. Reacţia cu apa (hidroliza): Hidroliza derivaţilor halogenaţi se face în soluţie (apă-solvent organic) în mediu bazic, în prezenţa hidroxizilor alcalini la cald; în funcţie de reactivitatea derivaţilor halogenaţi hidroliza are loc cu soluţii mai diluate sau mai concentrate de hidroxizi alcalini: - cu derivaţi halogenaţi cu reactivitate mărită (clorura de alil, clorura de benzil) hidroliza are loc uşor în soluţii diluate de hidroxizi alcalini:

Tot atât de uşor are loc şi hidroliza derivaţilor di- şi trihalogenaţi ai toluenului, formând benzaldehidă şi respectiv acid benzoic:

- la derivaţii halogenaţi cu reactivitatea normală hidroliza are loc cu soluţii mai concentrate de hidroxizi alcalini şi la cald:


Reacţia cu alcoolii, alcoxizii, acizii carboxilici: Derivaţii halogenaţi reacţionează greu direct cu alcoolii, doar cei cu reactivitatea mărită reacţionează cu alcoolii în prezenţa bazelor, formând eteri:

Reacţia de substituţie nucleofilă la derivaţii halogenaţi are loc mult mai uşor cu alcoxizii metalelor alcaline, care conţin anionul de alcoxid, mult mai nucleofil (dar şi mai bazic, astfel că sunt posibile şi reacţii de eleiminare). Reacţia, cunoscută şi ca sinteza

Williamson este utilizată pentru obţinerea eterilor micşti, R – O – R’.

Pentru că anionii de alcoxid sunt baze tari care pot duce şi la eliminări din derivaţii halogenaţi cu formare de alchene, reactanţii se aleg în aşa fel încât reacţia de eliminare să fie cât mai puţin probabilă: De exemplu pentru obţinerea terţ-butilmetileterului, dintre cele două variante posibile, reacţia clorurii de terţ-butil cu metoxid de sodiu sau cea a terţ-butoxidului de sodiu cu clorura de metil, se alege varianta a doua care nu duce la formare de alchene:

Asemănător se pot obţine şi esteri ai acizilor carboxilici prin reacţia derivaţilor halogenaţi cu săruri ale acizilor carboxilici:

Reacţia cu nucleofili cu sulf: Hidrogenul sulfurat şi sărurile sunt reactanţi nucleofili care substituie uşor atomii de halogen din deivaţii halogenţi, formând tioli şi tioeteri:

Datorită faptului că tiolii sunt de asemenea reactanţi nucleofili, reacţionează mai departe cu derivaţii halogenaţi formând tioeteri:

In mod asemănător reacţionează şi alţi reactanţi nucleofili cu sulf, cum sunt de exemplu tioureele sau sărurile acidului tiocianic:


Reacţii cu nucleofili cu azot: Reacţia cu amoniacul şi aminele: Amoniacul este un reactant nucleofil care substituie uşor atomii de halogen din derivaţii halogenaţi cu reactivitate normală sau mărită. Se formează amine primare, care fiind de asemenea nucleofile reacţionează în continuare cu halogenurile de alchil, formând amine secundare, acestea pot fi alchilate al amine terţiare, care cu exces de derivat halogenat formează săruri cuaternare de amoniu (reacţia este cunoscută ca alchilarea Hofmann a amoniacului şi aminelor). În prima etapă amoniacul reacţionează cu derivatul halogenat alifatic formând o sare de alchil-amoniu care cu un exces de amoniac trece într-o amină primară, care se poate alchila mai departe:

În mod obişnuit în urma reacţiei rezultă un amestec de amine primare, secundare, terţiare şi sare cuaternară de amoniu. Dacă se foloseşte un exces de amoniac se obţine amina primară ca produs principal, în timp ce cu un exces de derivat halogenat, se obţine amina terţiară sau sarea cuaternară de amoniu. Aminele primare, secundare şi terţiare se pot alchila de asemenea prin reacţia cu derivaţi halogenaţi, cu obţinerea aminelor secundare, terţiare sau a sărurilor cuaternare de amoniu:

Pentru obţinerea exclusivă a aminelor primare sau secundare prin reacţia de alcilare cu derivaţi halogenaţi cu reactivitate normală sau mărită se utilizează alchilarea altor reactanţi nucleofili cu azot. Astfel, pentru obţinerea numai a aminelor primare se alchilează, cu derivaţi halogenaţi, sărurile alcaline ale amidelor ciclice (imidele acizilor


dicarboxilici) în special amida ciclică a acidului ftalic (o-benzendicarboxilic); reacţia este cunoscută ca sinteza Gabriel a aminelor primare:

N-benzilftalimida obţinută prin alchilarea ftalimidei potasice se poate hidroliza uşor în mediu acid la acid ftalic şi benzilamina primară:

Aminele secundare pot fi obţinute într-un mod asemănător folosind ca reactant nucleofil sărurile alcaline ale sulfonamidelor aromatice:

Reactanţi nucleofili cu azot pot să fie şi anionii de azotit de azidă din azida de sodiu:


Nucleofili cu hidrogen: Hidrurile metalice simple sau complexe care conţin anionul de hidrură (NaH; LiH, LiAlH4, NaBH4) reduc derivaţii halogenaţi la hidrocarburi; reacţia este o substituţie nucleofilă a halogenului cu anionii de hidrură:

Reducerea cu metale şi acizi a derivaţilor halogenaţi este o reacţie de transfer de electroni şi protoni. Astfel, derivaţii halogenaţi, inclusiv cei fluoruraţi pot fi transformaţi în hidrocarburi prin reacţia cu magneziu (ca donor de electroni) şi un alcool secundar (de obicei izopropanol) ca donor de protoni. Reacţia are loc prin intermediul derivaţilor organo-magnezieni:

Nucleofili cu carbon: Nucleofilii cu carbon conţin fie un atom de carbon cu caracter anionic (nucleofili ionici cu carbon, carbocationii) fie un atom de carbon cu densitate mărită de electroni (nucleofili neionici cu carbon, compuşi cu grupe “metilen activa”). În toate aceste reacţii se formează o nouă legătură C – C. Nucleofili ionici cu carbon: Carbanionii din compuşii organometalici ai metalelor alcaline reacţionează cu derivaţii halogenaţi cu reactivitate normală sau mărită, formând hidrocarburi (se formează o nouă legătură C – C) :

Reacţia cunoscută ca reacţia Wurtz de obţinere a alcanilor se aplică doar pentru hidrocarburile cu moleculă simetrică şi număr par de atomi de carbon; reacţia are loc de fapt între un derivat halogenat şi sodiu metalic:

În prima etapă se formează derivatul organosodic care reacţionează apoi cu o nouă moleculă de derivat halogenat formând hidrocarbura cu un număr dublu de atomi de carbon în moleculă:

Folosind derivaţi halogenaţi diferiţi se obţin amestecuri de hidrocarburi. Folosind derivaţi dihalogenaţi în poziţie 1,3; 1,4; 1,5 sau 1,6 se pot obţine cicloalcani prin reacţia intramoleculară cu sodiul metalic:


Pentra a evita reacţia intermoleculară (prin care se formează compuşi liniari, aciclici), reacţia se efectuează în soluţii diluate în care reacţia intramoleculară este favorizată. Derivaţii halogenaţi aromatici dau şi ei această reacţie cu metalele alcaline fomând mai uşor derivaţi organo-sodici; aceştia pot reacţiona apoi cu derivaţi halogenaţi alifatici formând hidrocarburi aromatice alchilate (reacţia Fittig-Wurtz):

În cursul reacţiei nu apar carbocationi şi de aceea nu are loc o izomerizare a catenei derivatului halogenat alifatic. Se obţine exclusiv n-propilbenzenul şi nu în amestec cu izo-propilbenzen aşa cum se întâmplă la alchilarea Friedel-Crafts a hidrocarburilor aromatice. Compuşii organo-magnezieni au o legătură polară C – Mg şi sunt mai puţin reactivi decât derivaţii organo-sodici. Ei reacţionează numai cu derivaţi halogenaţi cu reactivitate mărită:

Clorura de etilmagneziu se obţine în soluţie de eter anhidru prin reacţia clorurii de etil cu magneziu (vezi şi reacţiile radicalice ale derivaţilor halogenaţi):

Acetilurile metalelor alcaline, care conţin anionul de acetilură, dau de asemenea reacţii de substutuţie nucleofilă cu derivaţii halogenaţi. Se obţin acetilene mono- sau di-substituite simetric sau nesimetric:

Anionii de cianură din cianurile alcaline sunt reactanţi nucleofili care reacţionează cu derivaţii halogenaţi cu reactivitate normală sau mărită formând nitrili:

Nitrilii, care sunt derivaţi funcţionali ai acizilor carboxilici, hidrolizează formând acizi:


Nucleofili neionici cu carbon: Nucleofili neionici cu carbon sunt compuşii cu “grupe metilen active”; sunt compuşi care au o legătură C – H în poziţia α faţă de o grupă cu efect atrăgător de electroni atât inductiv cât şi mezomer (-I şi –M). Aceste grupe polarizează legătura C – H vecină astfel încât aceasta are un caracter slab acid şi, în prezenţa unor baze tari cedează protonul formând un carbanion; carbanionul este stabilizat prin conjugare prin efectul mezomer atrăgător de electroni al acestor grupe:

Astfel, în prezenţa unor baze tari (alcoxizi, amiduri, hidruri) compuşii carbonilici, carboxilici (esteri, nitrili) sau nitroderivaţi, care au în poziţia α faţă de această grupă o legătură C – H (din grupe metil, metilen sau metin), reacţionează cu derivaţi halogenaţi cu reactivitate normală sau mărită, formând o nouă legătură C – C; se folosesc în aceste reacţii de obicei derivaţi halogenaţi care nu pot să dea şi reacţii de eliminare E2B; reacţia este o condensare cu lungirea catenei de atomi de carbon:

Mult mai uşor reacţionează compuşii în care “grupa metilen” este activată de două sau trei grupe cu efect atrăgător de electroni inductiv şi mezomer. Astfel de compuşi sunt derivaţii acidului propandioic, acidul malonic, sub formă de diesteri, nitrili-esteri, dinitrili sau derivaţi substituiţi ai acidului acetic: esteri cloroacetici, esteri acetilacetici, esteri nitroacetici:

Cei mai folosiţi în aceste reacţii de condensare cu derivaţi halogenaţi sunt esterii

malonici. În prezenţa alcoxizilor de sodiu sau potasiu, în mediu anhidru, esterii malonici formează săruri “esteri malonici sodaţi” care dau reacţii de substituţie nucleofilă cu derivaţi halogenaţi cu reactivitate normală sau mărită, obţinându-se esteri alchil-malonici. Esterii alchil malonici pot fi hidrolizaţi în mediu alcalin, formând prin hidroliză şi decarboxilare acizi carboxilici:


Esterii alchil malonici mai conţin o grupă “metilen activă” şi printr-o nouă reacţie cu o bază tare pot forma o nouă sare care reacţionează cu acelaşi sau cu alt derivat halogenat. Se obţin esteri malonici dialchilaţi care prin hidroliză formează acizi carboxilici cu catenă ramificată:

Atunci când se folosesc derivaţi 1,2; 1,3, 1,4 sau 1,5 dihalogenaţi se pot obţine acizi cicloalcani-carboxilici:

Reacţii de eliminare de hidracizi: Reacţiile de eliminare de hidracizi din derivaţii halogenaţi alifatici sunt utilizate pentru obţinerea de alchene. Reacţiile au loc în prezenţa bazelor tari la temperaturi mai ridicate. În aceste condiţii eliminările sunt bimoleculare şi regioselectivitatea este influenţată de structura derivatului halogenat şi de natura bazelor tari folosite. În general se folosesc hidroxizi alcalini (mai ales KOH) În soluţie de alcool anhidru, alcoxizi sau amidura de sodiu, NaNH2. Dintre alcoxizi se foloseşte frecvent terţ-butoxidul de potasiu. Astfel, din 2-clorobutan se obţine un amestec de 2-butenă şi 1-butenă (alchena Zaitsev şi respectiv Hofmann) în raport de 4:1 prin tratare cu terţ-butoxidul de potasiu:

Eliminarea din derivaţii 1,2-dihalogenaţi este utilizată pentru obţinerea de alchine:


Substituţii nucleofile aromatice: Derivaţii halogenaţi aromatici sunt compuşi cu reactivitate scăzută datorită conjugării electronilor neparticipanţi p ai halogenului cu electronii π ai nucleului aromatic. De aceea, hidroliza clorobenzenului la fenol are loc doar în condiţii foarte energice: soluţie concentrată de NaOH la 3500C la presiune ridicată (>200at.):

Substituţii nucleofile ale halogenilor din derivaţii halogenaţi aromatici sunt totuşi posibile în condiţii mult mai blânde. Astfel de substituţii nucleofile au loc în două cazuri: - la derivaţi halogenaţi aromatici obişnuiţi în prezenţa unor baze tari (amidură de sodiu) în amoniac lichid (cca -350C):

Mecanismul reacţiei, care a fost confirmat prin mai multe dovezi experimentale este prin eliminare-adiţie (EA) în care apare un intermediar puţin stabil, dar detectabil prin metode spectroscopice sau prin captare cu reactanţi potriviţi, care este benzinul:

Una dintre dovezile experimentale directe pentru acest mecanism constă în faptul că, un derivat halogenat care nu are atomi de hidrogen în poziţiile 2 şi 6 din nucleul aromatic, nu dă această reacţie pentru că nu este posibilă prima etapă, cea de eliminare:

- la derivaţii halogenaţi aromatici care, pe lângă atomul de halogen (F, Cl, Br, I) conţin substituenţi puternic atrăgători de electroni prin efect inductiv şi mezomer (de exemplu grupe – NO2) în poziţiile 2, 4, sau 6. Astfel de substituenţi micşorează densitatea de electroni în poziţia 1 (de care este legat atomul de halogen), astfel că sunt posibile substituţii nucleofile cu reactanţi nucleofili reactivi (alcoxizi, amine primare sau secundare). Reacţia decurge după un mecanism de adiţie-eliminare (AE) cu formarea unui intermediar complex care poate fi identificat şi uneori şi izolat (complex Meisenheimer). În prima etapă are loc adiţia reactantului nucleofil la atomul de carbon din poziţia 1 a


nucleului aromatic. Datorită efectului atrăgător de electroni al grupelor nitro acest atom de carbon are o densitate scăzută de electroni şi, intermediarul care se formează este stabilizat prin cojugare:

Cl

NO2

NO2

CH3-NH2

:

H3CNH2 ClNO2

NOO

:

:: :::

complex intermediarconjugat

Aditie Eliminare

-HCl

NH-CH3NO2

NO22,4-dinitro-N-metilanilina

2,4-dinitroclorobenzen

:::

::: :

:::

::

Reacţii radicalice: Cu toate că legăturile C- halogen sunt polare şi se scindează mai ales heterolitic, în reacţii cu mecanism ionic, există şi posibilitatea unor scindări homolitice a legăturii carbon-halogen. Astfel de reacţii au loc la tratarea derivaţilor halogenaţi cu metale. Aceste reacţii au loc printr-un transfer de electroni de la metal la legătura C-halogen, care se scindează homolitic. În urma acestui transfer de electron de la metal la legătura C-halogen se formează un compus organo-metalic care, în funcţie de natura metalului, are structură ionică sau covalentă polară:

În acest fel se obţin derivaţi organo-metalici ai metalelor alcaline, care reacţionează în continuarea cu derivaţii halogenaţi formând hidrocarburi (sinteza Wurtz sau Fittig-

Wurtz). Metalele mai puţin active (alcalino-pământoase, cele din grupele principale sau metalele tranziţionale) formează compuşi organo-metalici cu structură covalentă polară. Astfel, se obţin derivaţii organo-magnezieni prin reacţia dintre derivaţii halogenaţi (inclusiv cei cu reactivitate scăzută, cum sunt cei aromatici) cu magneziu metalic în soluţie de eteri (dietileter, diizopropileter, tetrahidrofuran, dioxan) în condiţii anhidre:


Derivaţii organo-magnezieni (compuşi Grignard) sunt solubili în eteri şi sunt folosiţi în continuare ca nucleofili cu carbon în reacţii de substituţie sau adiţie nucleofilă.

Date post:	23-Oct-2015
Category:	Documents
Upload:	bianca-olteanu
View:	617 times
Download:	6 times

Derivati Halogenati

Documents