Sintesi chimica

Discuteremo molti percorsi di sintesi, elaborando come ottenere un composto chimico a partire da un altro. Impareremo anche come procedere nelle reazioni chimiche e quali reagenti e catalizzatori utilizzare.

• In questo articolo imparerai cos'è un percorso di sintesi.
• Imparerai a mappare un percorso di sintesi quando ti viene dato un materiale di partenza e un composto finale.
• Verrà presentata una panoramica delle vie di sintesi per i composti alifatici e aromatici.
• La panoramica dei percorsi di sintesi ti aiuterà a mappare le fasi di conversione di un composto organico in un altro- i reagenti, i catalizzatori e le condizioni necessarie per ogni reazione.
• Discuteremo e mapperemo alcuni esempi di vie sintetiche per aiutarti a capire come utilizzare le informazioni fornite in questo articolo.

Sintesi in chimica organica

Cominciamo con l'elencare tutti i gruppi funzionali che conosciamo. Conosciamo:

• Alcani
• Alcheni
• Alogenuri alchilici
• Alcoli
• Acidi carbossilici
• Aldeidi
• Chetoni
• Esteri
• Ammine
• Ammidi
• Nitrili

Sono un bel po'! Possiamo disegnare un diagramma di flusso di quali gruppi funzionali possono essere convertiti in altri gruppi. In questo modo sarà più facile capire e ricordare.

Figura 1. Vie di sintesi organica.

Le frecce rappresentano quali gruppi possono essere sintetizzati da altri gruppi utilizzando i giusti reagenti, catalizzatori e condizioni.

Vie di sintesi alifatica

Via di sintesi: 1-bromopropano ad acido propanoico

Consideriamo la sintesi dell'acido propanoico dall'1-bromopropano. L'acido propanoico ha un gruppo funzionale acido carbossilico, mentre l'1-bromopropano è un alogeno.

Figura 2. Acido propanoico.

Figura 3. 1-Bromopropano.

Osservando il diagramma di flusso, il percorso più semplice per passare dall'alogeno all'acido carbossilico è attraverso un alcol. Pertanto, possiamo convertire l'1-bromopropano in un alcol e poi in un acido carbossilico. Esaminiamo le fasi di questa reazione.

1. Gli alogenuri alchilici possono essere convertiti in alcoli attraverso l'idrolisi. L'idrolisi degli alogenuri alchilici è una reazione di sostituzione nucleofila. In questa reazione, il nucleofilo è H₂O. Poiché l'H₂O da solo è un nucleofilo debole, la reazione è lenta. Pertanto, si aggiunge NaOH e si riscalda la soluzione a riflusso. L'alogeno viene sostituito dal gruppo -OH.
2. Per convertire l'alcol in acido carbossilico, è necessario ossidarlo. Per questa reazione si aggiunge bicromato di potassio acidificato (K₂Cr₂O₇/H⁺). Il K₂Cr₂O₇ è una sostanza di colore arancione che è un forte agente ossidante. La reazione deve avvenire con calore a riflusso.

La via sintetica dell'acido propanoico a partire dall'1-bromopropano può essere descritta come segue:

Figura 4. Via sintetica dall'1-bromopropano all'acido propanoico.

Via sintetica: etene e propilammina

Consideriamo un'altro percorso di sintesi. Possiamo sintetizzare la propilammina dall'etene. L'etene è un alchene con un doppio legame tra due atomi di carbonio. La propilammina ha un gruppo amminico attaccato all'estremità di una catena a 3 atomi di carbonio.

Figura 4. Etene.

Figura 5. Propilammina.

Guarda di nuovo il diagramma di flusso. Per ottenere un'ammina da un alchene, si può seguire il percorso alchene → alogeno → ammina. Ma se seguiamo questa strada, il prodotto finale sarà l'etilammina, che è un composto a 2 atomi di carbonio. Da dove prendere un carbonio in più? Dovremo seguire un percorso più lungo attraverso il nitrile. Quindi, il percorso finale sarà alchene → alogeno → nitrile → ammina. Il gruppo nitrile (CN) ci fornirà il carbonio in più di cui abbiamo bisogno. Esaminiamo le fasi di questa via di sintesi:

1. Gli alcheni possono essere convertiti in alogenuri alchilici aggiungendo un alogenuro di idrogeno a 20^oC. Quindi, aggiungendo un alogenuro di idrogeno (ad esempio HBr) all'etene e mantenendo la reazione a 20^o C si ottiene l'1-bromoetano. Il doppio legame dell'etene viene sostituito dall'idrogeno da un lato e dal bromo dall'altro.
2. Ora sostituiremo l'alogeno con un gruppo nitrile. Gli alogenuri alchilici possono essere convertiti in nitrile facendoli reagire con una soluzione di cianuro di sodio (NaCN) o di cianuro di potassio (KCN) in etanolo e riscaldando a riflusso. Con questa reazione, l'1-bromoetano viene convertito in propanenitrile.
3. Successivamente, è necessario convertire il gruppo nitrile in un gruppo amminico. Il gruppo nitrile è costituito da un triplo legame tra carbonio e azoto. Questo può essere ridotto mediante idrogenazione catalitica (reazione con l'idrogeno in presenza di un catalizzatore). Il catalizzatore utilizzato è solitamente un catalizzatore metallico come il palladio, il platino o il nichel. Attraverso questa reazione si ottiene la propilammina.

Questo diagramma riassume le reazioni discusse in precedenza e rappresenta la via sintetica dell'etene alla propilammina.

Figura 6. Via sintetica dell'etene a propilammina.

2-step Idratazione di un alchene (etene a etanolo)

Consideriamo ora una semplice via di sintesi. Sintetizzeremo l'etanolo dall'etene. L'etene è un alchene con un doppio legame tra due atomi di carbonio. L'etanolo è un alcol con un gruppo -OH attaccato a una catena a due atomi di carbonio.

Figura 7. Etene.

Figura 8. Etanolo.

Osservando il diagramma di flusso, possiamo convertire un alchene in un alcol in un solo passaggio, cioè in una sola reazione. Questa reazione si chiama idratazione ed è il metodo diretto e più semplice. Nell'idratazione, l'alchene viene trattato con vapore ad alta temperatura e pressione, in presenza di un catalizzatore. Il catalizzatore utilizzato in questo processo è l'acido fosforico (H₃PO₄).

Ma esiste anche un processo di idratazione a due fasi degli alcheni. Vediamo le reazioni dell'idratazione a due fasi dell'etene.

1. Nella prima fase, l'etene viene trattato con acido solforico (H₂SO₄). Da questa reazione si ottiene l'idrogeno solfato di etile. È anche chiamato "Estere etilico dell'acido solforico".
2. Successivamente, l'idrogeno solfato di etile viene idrolizzato, cioè fatto reagire con l'acqua. Questa reazione produce etanolo e rigenera l'acido solforico.

Analogamente al diagramma di sintesi per i composti alifatici, possiamo tracciare un diagramma di sintesi per i composti aromatici. Fortunatamente, è molto più semplice di quello dei composti alifatici e molto più facile da ricordare.

Si sa che il capostipite di tutti i composti aromatici è il benzene. Tutti i composti aromatici possono essere sintetizzati a partire dal benzene, e già questo rende più facile ricordarlo. A titolo di esempio, proviamo a sintetizzare un composto aromatico a partire dal benzene.

Figura 10. Vie di sintesi dei composti aromatici.

Esempi di sintesi chimica

Sintesi del 4-bromo-3-nitroacetofenone dal benzene

Per prima cosa disegniamo il materiale di partenza e il composto finale.

Figura 11. Benzene come materiale di partenza, 4-bromo-3-nitroacetofenone come composto target.

Nel composto finale, ci sono 3 gruppi funzionali attaccati al composto originario (benzene). Osservando la panoramica delle vie di sintesi, possiamo notare che non esiste un percorso diretto per arrivare dal nostro materiale di partenza al composto finale. Pertanto, questo sarà un percorso dovrà avvenire 3 fasi, in cui ogni fase rappresenta una reazione che aggiunge un gruppo funzionale al composto di partenza. Per mappare questo percorso, utilizzeremo la tecnica della retrosintesi.

Osserviamo il composto target, pensando a quale reazione è stata fatta per ultima per ottenere questo composto. Per determinarlo, dobbiamo osservare i gruppi funzionali.

1. Sappiamo che il Br è un orto- e para- orientante a causa delle coppie di elettroni solitari presenti.
2. Sappiamo anche che il gruppo nitro è meta-orientante a causa della carica formale +1.
3. Sappiamo anche che il gruppo acilico è un meta-orientante a causa della parziale carica positiva sul carbonio legato a doppio filo con l'ossigeno.

Considerando questi punti, è logico che il gruppo nitro sia stato aggiunto per ultimo perché:

1. Si trova in posizione orto rispetto al bromo orto-orientante.
2. Si trova in posizione meta rispetto al gruppo acilico meta-orientante.

Quindi, il precursore del composto target era il 4-bromoacetofenone, sul quale è stata effettuata la reazione di nitrazione. Possiamo scrivere la reazione di nitrazione come segue:

Figura 12. Nitrazione del 4-bromoacetofenone

Seguendo la stessa procedura, sappiamo che il bromo è orto- e para-orientante e il gruppo acilico è un meta-orientante. Pertanto, ha senso che il precursore del 4-bromoacetofenone sia stato il bromobenzene e che il gruppo acilico sia stato aggiunto in posizione orto dal bromo orto-orientante. La reazione di aggiunta di un gruppo acilico è chiamata reazione di acilazione di Friedel-Crafts.

Figura 13. Acilazione di Friedel-Crafts del bromobenzene.

Infine, l'unico gruppo rimasto è il bromo. La reazione è una reazione di bromurazione: