Reazioni Pericicliche

Le reazioni pericicliche avvengono senza formazione intermedia di specie reattive (anioni, cationi, radicali) attraverso un meccanismo concertato in cui tutti gli elettroni coinvolti nella rottura dei vecchi legami e nella formazione dei nuovi legami si muovono contemporaneamente in uno stato di transizione ciclico.

Appartengono alla classe delle reazioni pericicliche:

Cicloaddizioni: reazioni intermolecolari a 4 centri coinvolgenti sistemi insaturi coniugati in cui si formano due legami s tra gli atomi terminali dei due sistemi a spese di due legami p

Reazioni elettrocicliche: reazioni intramolecolari coinvolgenti polieni coniugati in cui si forma un legame s tra i carboni terminale a spese di un legame p (chiusura d'anello) o viceversa (apertura di anello)

Reazioni cheletropiche: reazioni intermolecolari a 3 centri in cui si formano due legami s tra gli atomi terminali di un poliene coniugato ed uno stesso atomo.

Trasposizioni sigmatropiche: reazioni intermolecolari in cui un legame s si forma a spese   di un altro legame s

Reazioni ene: reazioni intermolecolari tra un alchene (ene) e un sistema allilico (enofilo) in cui si ha formazione di un legame s e contemporanea migrazione di un atomo di idrogeno allilico.

Sperimentalmente si osserva che le reazioni elettrocicliche sono reversibili e avvengono con una forte variazione di entropia. Alcune avvengono facilmente (reazioni permesse) mentre altre, apparentemente simili, non avvengono (reazioni proibite)

La prima reazione periciclica studiata è stata la cicloaadizione [4+2] del butadiene con l'etilene (reazione di Diels-Alder). Il fatto che questa reazione avvenga, mentre la cicloaddizione di due molecole di etilene [2+2] non avvenga, fu spiegato assumendo che le reazioni pericicliche sono permesse quando nello stato di transizione ciclico sono coinvolti 4n+2 elettroni (stato di transizione aromatico Regola di Huckel). Tuttavia, l'evidenza che la cicloaddizione di due molecole di butadiene [4+4] avvenga, se pur più difficilmente della Diels-Alder, è in contraddizione con la regola di Huckel.

Una spiegazione definitiva fu data da Wodward e Hoffmann che formularono la Teoria della Conservazione della Simmetria degli Orbitali. Secondo tale teoria la simmetria degli orbitali coinvolti nella reazione deve essere conservata lungo tutto il percorso da reagenti a prodotti. Quando questo non è possibile la reazione risulta proibita.

Robert Burns Woodward Premio Nobel 1965

Roald Hoffmann (Zloczow, Polonia, 1937)

                                                                 

L'applicazione pratica del modello di Woodward e Hoffmann non è immediata per un chimico organico.

Risulta di più facile comprensione e applicabilità il Metodo degli Orbitali Molecolari di Frontiera, concetto introdotto da Fukui

L'enunciato del metodo di Fukui è semplice: nello stato di transizione sono coinvolti due orbitali molecolari (orbitali di frontiera), quello occupato a più alta energia di un reagente (HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) e quello non occupato a più bassa energia dell'altro reagente (LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital). Affinchè la reazione sia permessa occorre che i lobi terminali degli orbitali frontiera abbiano la stessa fase (lo stesso segno).  La sovrapposizione degli orbitali frontiera è tanto migliore quanto minore è la differenza di energia. Quindi, le reazioni sono favorite dai fattori che diminuiscono l'energia di LUMO (sostituenti EWG) di un reagente e aumentano l'energia di HOMO (sostituenti elettron donatori) dell'altro reagente.

Kenichi Fukui Nara, Japan, 1918) Premio Nobel 1982

Simmetria dei principali tipi di orbitali coinvolti nelle reazioni pericicliche

Cicloaddizioni I due reagenti si avvicinano su due piani paralleli. Se i lobi dei due orbitali coinvolti hanno due a due la stessa simmetria, la sovrapposizione avviene supra-supra. Questo si verifica sempre quando sono coinvolti 4n+2 elettroni (regola di Huckel). Se due lobi hanno la stessa simmetria, ma gli altri due no, la sovrapposizione potrebbe avvenire in modo twistato supra-antara. Questo succede sempre quando sono coinvolti 4n elettroni (Regola di Mobius). Questo modo di sovrapposizione soffre di grandi restrizioni torsionali, che impediscono la ciclizzazione [2+2].

Stereochimica della Reazione di Diels-Alder

Reazioni elettrocicliche. Essendo reazioni intramolecolari è coinvolto solo l'HOMO del sistema polienico. I due lobi terminali si devono sovrapporre in fase. Questo può avvenire con moto conrotatorio se sono coinvolti 4n elettroni (regola di Mobius) o con modo disrotatorio se sono coinvolti 4n+2 elettroni (regola di Huckel)

Reazioni cheletropiche. L'orbitale contenente il doppietto di non legame dell'atomo X (HOMO) si deve sovrapporre con il LUMO del sistema polienico. Per avere una sovrapposizione supra-supra occorre che i due lobi terminali del LUMO abbiano la stessa simmetria (4n+2 elettroni, Regola di Huckel). Se hanno simmetria diversa, la sovrapposizione avviene supra-antara (4n elettroni, Regola di Mobius), purchè la geometria del sistema lo consenta.

Trasposizioni sigmatropiche. Portano alla formazione di un legame s (CC o CH) a spese di un altro legame s CC o CH. Vengono coinvolti sistemi bis-allilici (trasposizione [3,3]) (esempio, trasposizione di Cope o di Claisen) ) o allilici (trasposizioni [1,3]). Sono permesse supra-supra se sono coinvolti 4n+2 elettroni (Huckel) o supra-antara (se possibile per geometria) se sono coinvolti 4n elettroni (Mobius). Per applicare la regola degli orbitali frontiera si immagini di separare la molecola nei due frammenti che si originano da rottura del legame che migra, assegnando entrambi gli elettroni di legame a uno dei due frammenti.

Reazioni ene

Reazioni radicaliche

Un radicale libero (o più semplicemente, radicale) è una specie contenente un elettrone spaiato. Specie contenenti due elettroni spaiati (come l'ossigeno molecolare) sono definiti diradicali. Un radicale si forma per scissione omolitica di un legame, che può essere monomolecolare (scissione termica o fotochimica) o bimolecolare (scissione indotta da un'altra specie radicalica).

Scissione omolitica monomolecolare Promossa da alte temperature o radiazioni ionizzanti (UV); è tanto più facile quanto più debole è il legame A-B.

La scissione monomolecolare termica (termolisi) avviene solo con legami particolarmente deboli (legami perossidici o solfuri diarilici), mentre la scissione fotochimica (fotolisi) avviene anche con legami C-C, C-H o C-Alogeno.

Scissione omolitica bimolecolare (Reazione di sostituzione omolitica bimolecolare S_H2) E' governata dalla forza relativa dei legami A-B e A-C. E ' chiamata anche reazione di strappo, o reazione di estrazione.

La reazione di sostituzione omolitica bimolecolare più nota e diffusa è la reazione di strappo di idrogeno

La reazione di strappo di idrogeno è governata dalla stabilità relativa dei radicali A^. e B^.. A sua volta, la stabilità di un radicalòe R^. è deducibile dalla forza del legame R-H: minore la forza, maggiore la stabilità del radicale. I radicali sono stabilizzati dalla presenza di gruppi alchilici (effetto iperconiugativo) o per delocalizzazione su sistemi p (ad esempio, radicali allilici o benzilici).

L'Ossigeno è un radicale

L'ossigeno molecolare (chiamato talvolta anche diossigeno) è una specie paramagnetica; cioè, posta in un campo magnetico si orienta. Questa sua caratteristica deriva dal fatto che il diossigeno possiede due elettroni spaiati. Da un punto di vista chimico, il diossigeno si comporta come un radicale. La trattazione del legame chimico secondo il metodo del legame di valenza (valence bond) non giustificano i dati sperimentali, come mostrato dalle formule di Lewis

La trattazione secondo il metodo degli orbitali molecolari (LCAO-MO) rende invece pienamente conto delle carattersitiche del diossigeno. In virtù della sua natura radicalica, il diossigeno è capace di promuovere la formazione di radicali da substrati organici per reazione di idrogeno estrazione.

Energia di legame e stabilità dei radicali

Reazioni radicaliche, a catena e non-a-catena

La generazione.Qualsiasi reazione radicalica inizia con la generazione di un radicale R^.. I principali metodi per la generazione del radicale R^. sono: a) fotolisi di uno iodoalcano R-I; b) termolisi di un perestere (RCO-O-R') o un acil perossido (RCO-O-O-CO-R); c) riduzione di un alogenuro RX; d) strappo di alogeno da parte di stannil radicali; e) strappo di idrogeno da parte di radicali all'ossigeno, e altri ancora.

Le reazioni del radicale R^.. Il radicale R^. reagisce attraverso tre porincipali strade: addizione su un doppio o triplo legame, b-scissione o estrazione di idrogeno (riduzione). In tutti questi casi si ha formazione di un nuovo radicale R'^.. Il radicale R'^. formato può, a sua volta, evolvere per estrazione di idrogeno (riduzione), ovvero per addizione su un legame multiplo, innescando una reazione a catena.

La rimozione del radicale. Al termine del processo il radicale viene rimosso (spento). La rimozione avviene principalmente attraverso reazioni di dimerizzazione, accoppiamento, o donazione di idrogeno ad altro radicale.

Esempi di reazioni radicaliche a catena

Reazioni a catena Le reazioni a catena, frequenti nella chimica dei radicali, sono quindi costituite da 3 stadi. Nel primo stadio, detto di iniziazione, viene inizialmente generata una specie radicalica In^., detto radicale iniziatore, partendo da un iniziatore radicalico. Gli iniziatori radicalici più frequentemente usati sono azoderivati (AIBN), perossidi (di-tert-butil perossido), peresteri (dibenzoil perossido) o disolfuri (RSSR) in condizioni termiche o fotochimiche.

Il radicale In^., reagendo con il substrato S, genera un nuovo radicale R^. attraverso reazione di strappo di idrogeno, di alogeno o di addizione.   Il radicale R^. è chiamato chain carrier (trasportatore di catena).

Iniziatore In^.     In^. + S R^. (chain carrier)                     Iniziazione

Nel secondo stadio, detto di propagazione, il chain carrier reagisce con il substrato S attraverso un ciclo catalitico, a sua volta costituito da uno o più stadi. Al termine del ciclo catalitico la molecola del chain carrier viene ripristinata, potendo coì iniziare un nuovo ciclo.

S + In^. P₁^. P₁^. P₂^.    P₂^. P + R^. Propagazione

Nel terzo stadio, detto di terminazione, si ha la scomparsa del chain carrier ("morte") attraverso reazioni parassite radicale/radicale (in genere, dimerizzazione o accoppiamento)

2 R^. R-R (Dimerizzazione) P₁^. + R^. P₁-R (Accoppiamento) Terminazione

Se la velocità dello stadio di terminazione (V_T) è maggiore della velocità di iniziazione (V_I), la reazione a catena si spegne. Solitamente, nelle prime fasi di una reazione a catena V_I > V_T, per cui la concentrazione del chain carrier cresce nel tempo. Con l'aumentare della concentrazione, aumentano anche le reazioni parassite che portano alla morte del chain carrier; si osserva che nelle fasi intermedie della reazione V_T = V_I , quindi la concentrazione del chain carrier rimane costante. Nelle fasi finali della reazione diventa V_T > V_I: la concentrazione del chain carrier tende rapidamente a zero e la reazione si spegne.

La velocità di scomparsa del substrato S, V_S, è data da

V_S = k_P [S][Chain carrier]

Dove k_P è la costante cinetica dello stadio di propagazione e [S] la concentrazione del substrato. Nelle fasi in cui V_T = V_I si ha [chain carrier] = costante, per cui

V_S = k' [S]