Radicali Stabili

Nel 1922, Goldschmidt e Renn scoprirono il 2,2-difenil-1-picrilidrazil radicale (DPPH), radicale libero, stabile, colorato di viola, che ora è usato come standard per ESR e come reagente colorimetrico per processi redox.

Poiché il DPPH può essere tenuto indefinitamente con poca decomposizione e poiché in presenza di ossigeno questo non dimerizza né reagisce, si è dimostrato essere abbastanza utile in una varietà di indagini, quali l'inibizione della polimerizzazione o la chimica dei radicali, la determinazione di proprietà antiossidanti di amine, fenoli o composti naturali (vitamine, estratti da piante, farmaci) e per l'inibizione di reazioni omolitiche. La DPPH è intensamente colorata di viola come il KMnO₄ e la sua controparte ridotta 2,2-difenil-1-picrilidrazina (DPPH-H) è arancio-gialla.

La sintesi è interessante.

N,N-Nitrosodifenilamina. Difenilamina (2.2 g, 12.0 mmol) è sciolta in etanolo (20 mL) con 1.6 mL di HCl conc., immediatamente seguita da NaNO₂ (1.0 g, 14.3 mmol, 1.1 equiv) in 2 mL di acqua. La miscela viene agitata per 30 min a 0 °C, e il precipitato giallo viene raccolto, lavato con acqua e (velocemente) con etanolo freddo (-5 °C), e asciugato per suzione a t.a., resa 81%, m.p. 68 °C.

N,N-1,1-Difenilidrazina. N,N-Nitrosofenilamina (2.1 g, 10.5 mmol) viene ridotta con 1.5 equiv di LiAlH₄ usando il metodo della addizione inversa, in etere anidro per 1h a 0-5 °C. Dopo decomposizione dell'intermedio ridotto (EtOAc 20 mL, etere 20 mL, sodio potassio tartato al 20% 70 mL), la fase organica è seperata e quindi combinata con gli estratti eterei della fase acquosa (3x50 mL), anidrificata (Na₂SO₄), e concentrata a 100 mL sotto vuoto. A questa soluzione vengono aggiunti 1.2 equiv di acido p-toluensolfonico dissolti in 30 mL di alcole tert-amilico. Il precipitato bianco viene raccolto, lavato bene con etere anidro, ed evaporato a t.a., resa 75%, m.p. 189-190 °C dec.

1-cloro-2,4,6-trinitrobenzene. Sintetizzato dall'1-idrossi-2,4,6-trinitrobenzene usando il metodo standard (POCl₃/N,N-dietilamina, 0 °C, 45 min), resa 92%.

2,2-Difenil-N-picrilidrazina. Il sale di tosilato (7.9 mmol) e il picril cloruro (8.3 mmol, 1.05 equiv) vengono sciolti in 50 mL di metanolo a cui viene aggiunto 1.0 g di sodio carbonato in 20 mL di acqua. La miscela viene agitata a t.a. per 2h sotto argon, diluita con acqua (10 mL), e raffreddata (-5 °C). Il precipitato rosso-mattone viene raccolto, lavato con metanolo/acqua (5:2), con acqua, e asciugato sotto vuoto (1 mmHg) a t.a. per 10h. La resa del composto quasi puro è stata del 99%, m.p. 172-173 °C.

DPPH. 2,2-Difenil-N-picrilidrazina (7.9 mmol) viene agitato per 2h a t.a. con PbO₂ e Na₂SO₄ in CHCl₃. La soluzione viene filtrata, il residuo viene raccolto dopo diversi lavaggi, e concentrato a 30 mL. Il prodotto viene completamente precipitato tramite diluizione con esano (100 mL), raccolto, e asciugato (1 mmHg, 40 °C) per 5h, resa 90%, m.p. 127-130 °C dec.

Ricristallizzazione da etere di petrolio.

Bellissime informazioni e interessanti sintesi. La prima mi sembra fattibile la secondo beh non so se sia difficile reperirsi il LiAlH4 le altre neanche parlo

ricordo che le nitrosoamine primarie e secondarie sono tossiche, se non in alcuni casi cancerogene. occhio.

no problem, non sono sintesi che farei

cioè è un radicale che non reagisce all'istante come gli altri??

è affascinante, si sa come fa ad essere così stabile?

Grazie Quimico era quello di cui avevo bisogno! posso chiederti i riferimenti bibliografici?

NaClO3 ha scritto:

cioè è un radicale che non reagisce all'istante come gli altri?? è affascinante, si sa come fa ad essere così stabile?

è un radicale stabile, lo vendono ed entro un certo range rimane intatto... ne esistono anche altri di radicali di questo tipo: TEMPO ad esempio... è così stabile perché il radicale è stabilizzato su ben 3 anelli benzenici, senza contare che il picrile ha ben 3 gruppi NO₂

TheChef ha scritto:

Grazie Quimico era quello di cui avevo bisogno! posso chiederti i riferimenti bibliografici?

quali riferimenti? l'articolo intendi? mi hanno spedito la parte sperimentale. comunque è JOC, 61, 22 (1996) le sintesi sono fatte a partire da Na[¹⁵N]O₂ quindi guarda bene i calcoli. equivalenti sono sicuri, millimoli e grammi sono da ricontrollare

Visto che hai citato tale radicale stabile, parliamone. Questo è il primo esempio di un radicale organico libero, scoperto da Moses Gomberg [1] nel 1900. Tre anni prima, Gomberg aveva preparato il tetrafenilmetano [2], ed ora si era cimentato nella sintesi dell'esafeniletano tramite reazione del trifenilmetil cloruro con zinco. Con sua sorpresa si era prodotto un idrocarburo giallo che non era inerte come ci si aspettasse dovesse essere l'esafeniletano, ma reagiva rapidamente con l'ossigeno a dare trifenilmetil perossido e con gli alogeni a dare l'alogenuro trifenilmetilico. Gomberg bocciò l'idea di una molecola di esafeniletano particolarmente reattiva, e postulò la formazione del radicale trifenilmetile. Il colore giallo del radicale trifenilmetile in soluzione diventa più intenso per riscaldamento e meno intenso per raffreddamento: venne postulato un equilibrio reversibile del radicale trifenilmetile con il suo dimero. Referimenti 1. M. Gomberg, Ber., 1900, 33, 3150; J. Amer. Chem. Soc., 1900, 22, 757. 2. M. Gomberg, Ber., 1897, 30, 2043; J. Amer. Chem. Soc., 1897, 20, 773. Esafeniletano? Basandosi sul colore [1] e su misure di suscettività magnetica [2], venne stabilito un equilibrio reversibile del trifenilmetile con una forma dimera. L'opinione generale fu che il dimero era esafeniletano, e fu fatto un numero di indagini degli effetti dei sostituenti sulla posizione dell'equilibrio. Il sorprendentemente grande effetto dei sostituenti in meta- e para- (specialmente quando tutti e tre gli anelli erano sostituiti) non fu spiegato a pieno [3]. Il problema fu risolto nel 1968, quando fu dimostrato definitivamente tramite spettroscopia NMR che il dimero possedeva la struttura chinonoide mostrata sotto [4]. Sembra che il radicale trifenilmetile sia troppo ingombrato attorno all'atomo di carbonio alfa centrale per far sì che l'esafeniletano poss formarsi; invece un legame viene formato tra l'atomo di carbonio alfa di un radicale con l'atomo di carbonio in para meno ingombrato di uno dei gruppi fenile del secondo radicale. Referimenti 1. J. Piccard, Annalen, 1911, 381, 347; . K. Ziegler and L. Ewald, ibid., 1929, 473, 163. 2. E. Muller and I. Muller-Rodloff, Annalen, 1936, 521, 89; M. F. Roy and C. S. Marvel, J. Am. Chem. Soc., 1937, 59, 2622. 3. C. S. Marvel, J. F. Kaplan and C.M. Himel, J. Amer. Chem. Soc., 1941, 63, 1892. 4. H. Lankamp, W. Th. Nanta and C. MacLean, Tet. Letters, 1968, 249. Torsione d'anello nel trifenilmetile La proposta che il trifenilmetile avesse una forma "a mulino o a elica" venne fatta da Lewis, Lipkin e Magel [1] che misurarono lo spettro UV di assorbimento. La torsione è un compromesso tra la repulsione sterica orto-orto che coinvolge gli idrogeni aromatici sugli anelli adiacenti e il massimo di stabilizzazione di risonanza che favorisce una struttura planare. Uno studio di diffrazzione elettronica in fase gas [2] e indagini ai raggi X del tris(p-nitrofenil)metile [3] e del tris(3,5-di-tert-butilfenil)metile [4] suggeriscono che l'angolo di torsione di circa 35°. Studi ESR delle costanti di accoppiamenti ¹³C indicano che la torsione dei sostituenti sul fenile avviene anche in soluzione [4]. Referimenti 1. G.N. Lewis, D. Lipkin, and T.T. Magel, J. Amer. Chem. Soc., 1944, 66, 1579. 2. P. Anderson, Acta Chem. Scand., 1965, 19, 629. 3. P. Anderson and B. Klewe, Acta Chem. Scand., 1967, 21, 2599. 4. K. Schreiner, A. Berndt and F. Baer, Mol. Phys., 1973. 26, 929. Spettro ESR del radicale trifenilmetile A causa della sua stabilità e facilità di preparazione, il radicale trifenilmetile ha giocato un ruolo significante nello sviluppo della spettroscopia ESR. Lo spettro ESR mostrato sopra è stato registrato a temperatura ambiente dal Dr Angelo Alberti su un moderno spettrometro Bruker.

Mi pare a questo punto necessario spiegare meglio cosa si intende per radicali stabili o radicali liberi.

I radicali liberi possono esser definiti come specie chimiche che hanno un singolo elettrono spaiato, non accoppiato. Nell'importante caso (per la chimica organica) del radicale metile, il centro radicalico è trivalente ed ibridizzato trigonalmente (vedi sotto). L'atomo di carbonio ibridizzato sp² ed i tre idrogeno sono coplanari e elettrono spaiato (dispari) occupa un orbitale atomico (OA) 2p del carbonio, in questo caso arbitrariamente designato come 2p_z. Questo orbitale occupato singolarmente è di importanza speciale per la chimica dei radicali liberi ed è spesso abbreviato come SOMO (singly occupied molecular orbital o orbitale molecolare singolarmente occupato).

L'elettrone dispari può avere sia uno spin alfa sia beta, così ci sono due stati di spin che sono energeticamente distinguibili in presenza di un campo magnetico, ma che, in assenza di un qualche campo esterno, sono isoenergetici. I radicali liberi sono definiti doppietti di spin a causa dell'esistenza di questi due stati discreti. Allo stesso modo, specie chimiche con due elettroni spaiati sono chiamati tripletti, poiché ci sono tre stati di spin indistinguibili di un sistema. Speciecon tutti gli elettroni accoppiati hanno solo uno stato di spin e sono chiamati singoletti.

Stabilizzazione del radicale

Da un esame delle energie di dissociazione (del legame), D, dei legami C-H di metano, etano, e altri alcani, diventa evidente che i centri radicalici sono progressivamente stabilizzati attraverso sostituzione di uno, due, o tre degli idrogeni del radicale metile da parte di gruppi alchile methane, ethane, and other alkanes, it becomes evident that radica. Per esempio le energie di dissociazione di metano ed etano sono 105 e 98 kcal/mol, rispettivamente. Il trend di diminuzione del valore di D continua passando dal legame C-H primario dell'etano a legame C-H secondario (come avviene nel propano, butano e altri alcani: 95 kcal/mol), e infine arrivando al legame C-H terziario (92 kcal/mol). Molta di questa stabilizzazione è considerata risultato della stabilizzazione di risonanza del radicale, come risultato della delocalizzazione dell'elettrone dispari così che non sia più necessario che sia totalmente localizzato sull'atomo di carbonio centrale radicale (come nel radicale metile). Risultati spettroscopici e teorici indicano che circa il 15% dell'elettrone dispari nel radicale etile è delocalizzato sui (tre) idrogeni beta. Questo tipo di stabilizzazione di risonanza (vedi sotto) è spesso denominata iperconiugazione, poiché gli effetti di stabilizzazione di risonanza che esso genera sono più deboli che nel caso della coniugazione (che coinvolge solo orbitali di tipo π, non gli orbitali σ come nel caso dei legami C-H beta).

Radicali persistenti e liberi stabili

La sfida definitiva nell'ottenere un radical libero stabile isolabile, o anche uno che persista in soluzione ma è difficile o impossibile da isolare, è l'accoppiamento di due radicali di modo da ottenere un dimero (vedi sotto). Questo tipico metodo di reazione radicalica risulta nella formazione di un legame covalente senza la necessità di rompere un qualsiasi legame. Esso è di conseguenza termodinamicamente molto favorevole, almeno per radicali semplici, ed anche estremamente veloce.

L'equilibrio tra i radicali monomerici e i corrispondenti dimeri può ovviamente essere influenzato in favore dei radicali fornendo ad uno o più modi di stabilizzazione radicalica. Comunque, i radicali maggiormente stabili e anche persistenti richiedere più della sola stabilizzazione radicalica in senso elettronico. L'impulso addizionale richiesto per la totale stabilizzazione è tipicamente fornito attraverso stabilizzazione del dimero, in particolare in senso sterico. Come detto prima, un caso di questo tipo è il radicale persistente trifenilmetile, che fu per il primo radicale in assoluto ad esser osservato (Gomberg, 1900).

Un altro fattore ancora può essere sfruttato, ed è di solito richiesto, per la stabilizzazione di un radicale al punto che esso sia di fatto stabile isolabile. Non solo può un dimero essere stabilizzato attraverso interazioni steriche, esso può anche essere destabilizzato in un modo ancora più fondamentale, cioè, attraverso il fatto che il nuovo legame covalente formato nel dimero è di un tipo che è per sua natura relativalmente instabile. Un esempio davvero carino di questo è visibile nel radicale 2,2,6,6-tetrametilpiperidinossile (TEMPO) (vedi sotto). Questo radicale esibisce un interessante combinazione di effetti che sia stabilizzano sia destabilizzano il dimero. A questo proposito, possiamo notare che la formazione del dimero richiederebbe la formazione di un legame O-O. In aggiunta, il dimero dovrebbe avere una destabilizzazione sterica per l'interazione di quattro gruppi metile per ogni unità monomerica. Infine, il radicale è sostanzialmente stabilizzato attraverso un legame a tre elettroni.

Come detto sopra, il 2,2,6,6-TEtraMetilPiperidinilOssi è un radicale nitrosilico stabile, che serve nelle ossidazioni come catalizzatore. Attraverso sostituzione in posizione 4 (4-idrossi-TEMPO, 4-acetamido-TEMPO) questa reattività può essere pilotata.

Per esempio, processi con l'ossigeno e il 5 mol-% di TEMPO permettono reazioni dal punto di vista ambientale benigne come alternative ad alcune ossidazioni, dove da sempre sono usati reagenti a base di cromo ad esempio.

Meccanismo proposto per l'ossidazione di alcoli primari in condizioni basiche: M. Angelin, M. Hermansson, H. Dong, O. Ramström, Eur. J. Org. Chem., 2006, 4323-4326.

Buon Quimico, grazie di quello che hai condiviso, se un giorno avrai voglia sarebbe molto bello anche un simil-lavoro sui carbeni.

sui carbeni? vedremo.

Grazie mille anche da parte mia quimico (idem per il lavoro iniziato sui carbeni)!

Con calma li leggerò attentamente entrambi, per oggi ho troppo poco tempo di connessione disponibile.