soluzione del problema 17

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Problema 17
Imidazole
1. Disegna le strutture di imidazolo (1,3-diazolo), dell’anione imidazol-1-uro, del catione
imidazolonio, di 1,3-ossazolo (ossazolo, C3H3NO) e di 1,3-tiazolo (tiazolo, C3H3NS). Quali di queste
strutture è aromatica?
..
N
..
N
..
N
+
N
H
..
N
..
N
.. −
..
N
..
N
..
O
..
..
S
..
H
H
6 elettroni π
aromatico
6 elettroni π
aromatico
6 elettroni π
aromatico
6 elettroni π
aromatico
6 elettroni π
aromatico
imidazolo
anione
imidazol-1-uro
catione
imidazolonio
1,3-ossazolo
1,3-tiazolo
Nell’1,3-tiazolo la sovrapposizione degli orbitali π 3p-2p tra zolfo e carbonio è minore della normale
sovrapposizione 2p-2p che c’è negli altri casi, per cui 1,3-tiazolo è il meno aromatico dei sei.
2. Metti imidazolo, ossazolo e tiazolo in ordine di punto di fusione ed ebollizione decrescenti.
..
N
..
N
..
N
..
N
>
..
S
..
>
..
O
..
H
I più alti punti di fusione ed ebollizione sono dell’imidazolo che può fare legami idrogeno tra le
molecole. Tra tiazolo e ossazolo, entrambi incapaci di fare legami idrogeno, il tiazolo deve avere il più
alto punto di ebollizione perché ha PM maggiore e quindi serve una maggiore energia cinetica, quindi
una temperatura maggiore, per farlo fuggire dalla superficie del liquido.
3. Scrivi le reazioni di ionizzazione in acqua di imidazolo, ossazolo e tiazolo. Metti le tre sostanze in
ordine decrescente di forza basica e giustifica.
..
N
+
N
+
..
N
H2O
..
N
..
N
H2O
H2O
..
S
..
+
−
OH
+
OH
H
..N
O+
+
N
+
−
OH
H
H
..
O
..
..
N
+
N+
+
N
+
..
O
..
H
..N
H
H
..
S
..
H
H
H
..N
−
S+
La sostanza che ha la reazione più spostata a destra è la più basica. Imidazolo è il più basico perché lo
ione positivo che si forma è stabilizzato da due forme limite di risonanza identiche. Ossazolo è un po’
meno basico perché la forma limite con l’ossigeno positivo è meno importante dell’altra a causa della
maggiore elettronegatività dell’ossigeno. Il tiazolo è il meno basico dei tre perché la seconda forma
limite di risonanza è trascurabile a causa della cattiva sovrapposizione tra gli orbitali π 3p e 2p.
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Soluzioni preliminari dei problemi preparatori
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4. Proponi un meccanismo di reazione per l’idrolisi di un estere RCOOR’ in presenza di imidazolo
giustificando il suo comportamento catalitico in assenza di ioni OH–.
−
O
O
..
H2O
+
CH3 C
+
OH
CH3 C
O CH3
−
:O
CH3 C
H
CH3 O
..
CH3 O
+
N:
H
O
OH
H
:N
N:
CH3 C
OH
:N
CH3 OH
H
L’imidazolo ha la struttura giusta per aiutare il trasferimento dell’H+ dall’ossigeno dell’acqua a quello
dell’alcol che così diventa il miglior gruppo uscente. In questo modo si comporta da catalizzatore.
5. Proponi un meccanismo per la sintesi del 1,1’-carbonildiimidazolo (C7H6N4O, CDI) da imidazolo e
fosgene.
O
H
N:
N:
H
C
+
N
N:
− O:
O
C
:N
Cl
:N
: O−
C
H
C
Cl
Cl
:N
:N
Cl
Cl
:N
:N
O
+
N
:N
H
:N
:N
C
N:
N:
Cl
6. Spiega perchè lo stretching del C=O del 1,1’-carbonildiimidazolo (CDI) è maggiore di 100 cm–1 di
quello della 1,1’-carbonildipirrolidina CO(C4H8N)2.
O
Nel 1,1’-carbonildiimidazolo, il doppietto di non legame dell’azoto può
fare solo una debole risonanza col carbonile, perché è impegnato nella
C
:N
:N
N:
N: risonanza nell’anello a cui i 6 elettroni π danno l’aromaticità. Il carbonile
ha un maggior carattere di doppio legame e quindi assorbe a frequenze
maggiori (100 cm–1 in più).
Nella 1,1’-carbonildipirrolidina, il doppietto di non legame dell’azoto è
O
completamente disponibile per la risonanza col carbonile. Quindi il
C
:N
N:
carbonile ha un minor carattere di doppio legame, il legame CO è più
debole e assorbe a frequenze minori (100 cm–1 in meno).
7. Scrivi le reazioni di preparazione del CDI usando
a) 4 mol di imidazolo e 1 mol di fosgene
b) 2 mol di imidazolo, 1 mol di fosgene e 2 mol di NaOH
Spiega perché il metodo a) è preferibile.
O
O
2
H
N:
N:
+
:N
C
Cl
:N
C
N:
N:
+
2 HCl
Cl
Nella reazione tre 2 mol di imidazolo e 1 mol di fosgene, oltre a CDI si formano 2 mol di HCl. Queste
devono essere neutralizzate da 2 mol di base per evitare che HCl reagisca con imidazolo e lo sottragga
alla reazione. Come base è meglio usare 2 mol di imidazolo così non ci sono interferenze nella
reazione (metodo a). Se invece si usano 2 mol di NaOH (metodo b), queste reagendo con HCl
producono 2 mol di H2O che possono reagire con fosgene secondo la reazione:
2 H2O + COCl2 → CO2 + 2 HCl
In questo modo il fosgene si distrugge e l’imidazolo si protona.
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8.1 Usa le frecce curve per mostrare il meccanismo della seguente serie di reazioni:
Ad un pH intorno a 6, l’amminoacido Ala si presenta alla sintesi come zwitterione (quindi come
carbossilato B–), mentre CDI si può presentare nella forma protonata (A+):
−
:O
O
:N
:N
C
+
N
N:
H
:N
:N
O
N:
C
O
CH3
+
H3N C C
H
B
−
O:
H3C CH
:N
N+
O
C
:N
C
O
CH
CH3
H
C
O
:N
:N
+ NH3
O
−
+
NH3
H
+
A
C
D
E
L’anidride intermedia D reagisce con l’imidazolo E sul carbonile dell’amminoacido, che è il più
reattivo perchè l’altro carbonile riceve elettroni per risonanza dall’anello.
−
O
O
:N
C
C
O
+
:N
CH
CH3
+N
:N
−
:O
O
NH3
H
H
C
O
N
+
O
NH3
:N
CH
CH3
CH NH3
CO2
N:
N
..
..
N
H
N:
:N
C
CH3
N
..
N
N..
C
+
H
E
F
G
E
F
+
Una molecola di imidazolo può catalizzare il trasferimento di H tra i due anelli in F
8.2 Proponi un meccanismo di reazione per la formazione del dipeptide Ala-Gly da G e glicina.
−
O
O
CH3
CH
C
CH3
N:
N:
CH
H2 N
H2 N
..
−
H2N CH2 COO
N:
CH
N:
+
NH
CH2 H
−
COO
H
N
:N
H2 N
C
N:
NH
N+
H
CH2
−
COO
O
CH3
H2N CH
C
−
:O
CH3
C
NH
−
CH2 COO
alanilglicina
Soluzione proposta da
prof. Mauro Tonellato - ITI Marconi - Padova
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Soluzioni preliminari dei problemi preparatori
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