Romualdo Caputo » 24.Acidi carbossilici e loro derivati – Parte seconda

Sostituzione nucleofila acilica

SNA
Il C del CO è elettrofilo. Perciò gli acidi carbossilici, ma molto meglio i loro derivati, danno reazioni di sostituzione nucleofila. Esse avvengono in due stadi:

1. attacco nucleofilo al carbonio carbonilico, con conseguente formazione di un intermedio tetraedrico
2. eliminazione di un gruppo uscente, con ripristino del carbonile

Se consideriamo ad esempio la conversione del cloruro di acetile in anidride acetica, la reazione complessiva equivale, quindi, al trasferimento del gruppo acilico da Cl ad NH₂: pertanto, queste reazioni si definiscono, reazioni di trasferimento di un gruppo acile (o reazioni di acilazione).
Il primo stadio della reazione con i nucleofili è lo stesso sia per i derivati degli acidi sia per le aldeidi ed i chetoni: aldeidi e chetoni, però, non possiedono buoni gruppi uscenti legati al carbonile e la reazione per essi si ferma a questo stadio (addizione nucleofila). Viceversa, i derivati degli acidi carbossilici danno la successiva reazione di eliminazione. Il risultato netto di un’addizione che sia seguita da eliminazione è una sostituzione.

Reattività dei derivati

Scala di reattività
I derivati degli acidi carbossilici presentano una reattività diversa nelle reazioni di sostituzione nucleofila.
Tale reattività nei confronti delle reazioni di sostituzione nucleofila al carbonio carbonilico diminuisce nell’ordine riportato di fianco.
Essa è direttamente proporzionale all’effetto di stabilizzazione per risonanza.

Ione carbossilato

Scala di reattività
Lo ione carbossilato, in cui la carica negativa è delocalizzata sui due atomi di ossigeno, risulta il più stabilizzato per risonanza; la presenza della carica negativa rende, pertanto, poco probabile l’attacco di un nucleofilo e, quindi, esso è il meno reattivo nei confronti dei nucleofili.
Lo ione carbossilato si ottiene ogniqualvolta un derivato acilico reagisce con acqua in presenza di una base. Quando il carbonile si trasforma nell’intermedio tetraedrico per attacco di una specie nucleofila, la stabilizzazione dovuta alla risonanza va perduta: quindi, l’energia di attivazione per la trasformazione nell’intermedio tetraedrico risulta minore per un cloruro acilico, già il meno stabile tra i derivati, che, ad esempio, per un’ammide che sta in un livello energetico più basso.

Idrolisi

Acqua e…
Tutti i derivati acilici reagiscono con l’acqua, reagente nucleofilo, per dare i corrispondenti acidi carbossilici.
In particolare, i cloruri acilici reagiscono con H₂O molto rapidamente formando l’acido corrispondente ed HCl come sottoprodotto (per eliminare il quale si aggiunge una base debole, come la piridina che forma con HCl il sale di ammonio, PirNH⁺Cl^-).
Le anidridi, sebbene meno reattive, reagiscono con la stessa rapidità e formano anch’esse l’acido carbossilico corrispondente.

Idrolisi degli esteri

Acqua e…
Gli esteri, molto meno reattivi, sono idrolizzati nei corrispondenti acidi carbossilici, riscaldando con acqua in presenza di un catalizzatore acido o basico.

Idrolisi degli esteri

Acqua e…
La reazione è reversibile: gli acidi reagiscono con gli alcoli per dare nuovamente gli esteri, come vedremo in seguito, e la reazione di idrolisi per andare a completezza richiede un largo eccesso di acqua.

Idrolisi degli esteri

Acqua e…
L’idrolisi basica di un estere lo trasforma nel sale dell’acido carbossilico corrispondente.
Il nucleofilo, in questo caso, è lo ione idrossido (OH^-); il gruppo uscente è lo ione alcossido (RO^-). Quest’ultimo, in realtà, non è di per sé un buon gruppo uscente per una reazione S_N2: tuttavia, l’energia di legame del carbonile è alta per cui è molto forte la tendenza ad eliminare lo ione alcossido e a riformare il carbonile.
La reazione va a completamento (freccia unica e doppia, nell’ultimo passaggio) perché lo ione alcossido (o lo ione idrossido) è una base molto più forte del carbossilato e quindi strappa il protone all’acido carbossilico via via che questo si forma.
La reazione inversa, in questo caso, richiede l’acidificazione della miscela di reazione con acidi più forti dell’acido carbossilico, come acido cloridrico o acido solforico.

Idrolisi dei nitrili

Acqua e…
I nitrili sono idrolizzati ad acidi carbossilici, formando come intermedi della reazione le ammidi che, in opportune condizioni sperimentali, possono essere isolate.
Nitrili ed ammidi possono essere idrolizzati anche in presenza di basi.

N.B. Poiché i nitrili sono i prodotti della sostituzione nucleofila degli alogenuri alchilici da parte dello ione cianuro, gli alogenuri alchilici si possono trasformare in due stadi (reazione con ione cianuro ed idrolisi) in acidi carbossilici con un carbonio in più.

Esterificazione

Preparazione di esteri
I cloruri acilici e le anidridi reagiscono con alcoli e formano gli esteri.
Anche gli acidi carbossilici reagiscono con gli alcoli, ma in presenza di acidi forti (acido cloridrico secco, acido solforico concentrato o acido p-toluensolfonico) per dare gli esteri.
In realtà, la formazione di un estere a partire da un acido carbossilico e da un alcol rappresenta l’inverso dell’idrolisi dell’estere stesso, catalizzata da acidi.

Esterificazione

Preparazione di esteri
Un acido carbossilico come tale non reagisce con un alcol, a meno che non venga usato un acido forte come catalizzatore: la protonazione rende il carbonile più elettrofilo, permettendo l’attacco dell’alcol che è un nucleofilo debole.
Questa reazione è nota come esterificazione di Fischer.

Transesterificazione

Preparazione di esteri.
La preparazione di un estere mediante riscaldamento di un altro estere con un eccesso di alcol o di acido carbossilico, in presenza di un catalizzatore acido o basico, si definisce transesterificazione.

Acilazione dell’azoto

Preparazione di ammidi

Cloruri acilici e anidridi reagiscono con ammoniaca e con ammine per dare le ammidi.

Anche gli esteri reagiscono con l’ammoniaca per dare ammidi ed alcoli.