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Química Orgânica II: Livro didático de Química Orgânica
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Química Química Orgânica II Química Química Orgânica II Universidade Estadual do Ceará - Universidade Aberta do Brasil F iel a sua missão de interiorizar o ensino superior no estado Ceará, a UECE, como uma ins�tuição que par�cipa do Sistema Universidade Aberta do Brasil, vem ampliando a oferta de cursos de graduação e pós-graduação na modalidade de educação a distância, e gerando experiências e possibilidades inovadoras com uso das novas plataformas tecnológicas decorrentes da popularização da internet, funcionamento do cinturão digital e massificação dos computadores pessoais. Comprome�da com a formação de professores em todos os níveis e a qualificação dos servidores públicos para bem servir ao Estado, os cursos da UAB/UECE atendem aos padrões de qualidade estabelecidos pelos norma�vos legais do Governo Federal e se ar�culam com as demandas de desenvolvimento das regiões do Ceará. Jane Eire Silva Alencar de Menezes Sônia Maria Oliveira Costa Geografia 12 9 3 História Educação Física Química Ciências Biológicas Artes Plás�cas Computação Física Matemá�ca Pedagogia Química Química Orgânica II Jane Eire Silva Alencar de Menezes Sônia Maria Costa Siqueira 2ª edição Fortaleza - Ceará Geografia 12 9 3 História 2015 Educação Física Química Ciências Biológicas Artes Plásticas Computação Física Matemática Pedagogia Copyright © 2015. Todos os direitos reservados desta edição à UAB/UECE. Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida, transmitida e gravada, por qualquer meio eletrônico, por fotocópia e outros, sem a prévia autorização, por escrito, dos autores. Editora Filiada à Presidenta da República Dilma Vana Rousseff Ministro da Educação Aloisio Mercadante Presidente da CAPES Carlos Afonso Nobre Diretor de Educação a Distância da CAPES Jean Marc Georges Mutzig Governador do Estado do Ceará Camilo Sobreira de Santana Reitor da Universidade Estadual do Ceará José Jackson Coelho Sampaio Vice-Reitor Hidelbrando dos Santos Soares Pró-Reitor de Pós-Graduação Jerffeson Teixeira de Souza Coordenador da SATE e UAB/UECE Francisco Fábio Castelo Branco Coordenadora Adjunta UAB/UECE Eloísa Maia Vidal Direção do CED/UECE José Albio Moreira de Sales Coordenadora da Licenciatura em Química Evanise Batista Frota Coordenação de Tutoria e Docência da Licenciatura em Química Solange de Oliveira Pinheiro Editor da EdUECE Erasmo Miessa Ruiz Coordenadora Editorial Rocylânia Isidio de Oliveira Projeto Gráfico e Capa Roberto Santos Diagramador Francisco Oliveira Conselho Editorial Antônio Luciano Pontes Eduardo Diatahy Bezerra de Menezes Emanuel Ângelo da Rocha Fragoso Francisco Horácio da Silva Frota Francisco Josênio Camelo Parente Gisafran Nazareno Mota Jucá José Ferreira Nunes Liduina Farias Almeida da Costa Lucili Grangeiro Cortez Luiz Cruz Lima Manfredo Ramos Marcelo Gurgel Carlos da Silva Marcony Silva Cunha Maria do Socorro Ferreira Osterne Maria Salete Bessa Jorge Silvia Maria Nóbrega-Therrien Conselho Consultivo Antônio Torres Montenegro (UFPE) Eliane P. Zamith Brito (FGV) Homero Santiago (USP) Ieda Maria Alves (USP) Manuel Domingos Neto (UFF) Maria do Socorro Silva Aragão (UFC) Maria Lírida Callou de Araújo e Mendonça (UNIFOR) Pierre Salama (Universidade de Paris VIII) Romeu Gomes (FIOCRUZ) Túlio Batista Franco (UFF) Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Sistema de Bibliotecas Biblioteca Central Prof. Antônio Martins Filho Lúcia Oliveira – CRB-3/304 Bibliotecário M543q Menezes, Jane Eire Silva Alencar Química orgânica II / Jane Eire Silva Alencar Menezes, Sônia Maria Oliveira Costa. - 2. ed. - Fortaleza : EdUECE, 2015. 154 p. - 20,0cm x 25,5cm. (Química) Inclui bibliografia. ISBN: 978-85-7826-612-7 1. Química orgânica. I. Costa, Sônia Maria Oliveira. II. Título. III. Série. CDD: 547 Editora da Universidade Estadual do Ceará – EdUECE Av. Dr. Silas Munguba, 1700 – Campus do Itaperi – Reitoria – Fortaleza – Ceará CEP: 60714-903 – Fone: (85) 3101-9893 Internet: www.uece.br – E-mail: eduece@uece.br Secretaria de Apoio às Tecnologias Educacionais Fone: (85) 3101-9962 Sumário Apresentação......................................................................................................5 Capítulo 1 – Mecanismos de reações de hidrocarbonetos saturados e insaturados.......................................................................................................7 1. Alcanos..................................................................................................................9 2. Alcenos................................................................................................................ 11 3. Alcinos.................................................................................................................23 Capítulo 2 – Mecanismo de reações de substituição eletrofílica em compostos aromáticos....................................................................................29 1. Reação de halogenação....................................................................................33 2. Reação de nitração............................................................................................34 4. Reação de alquilação de Friedel-Crafts...........................................................36 5. Reação de acilação de Friedel-Crafts..............................................................38 6. Efeitos dos substituintes na reatividade do anel aromático do benzeno........40 7. Reações da cadeia lateral dos alquilbenzenos................................................46 Capítulo 3 – Propriedades e reações de haletos de alquila e reações de álcoois, éteres e fenóis...........................................................49 1. Nomenclatura de haloalcanos ou haletos de alquila ......................................52 2. Propriedades físicas dos haletos de alquila.....................................................54 3. Estrutura dos haletos de alquila........................................................................54 4. Reações de haletos de alquila..........................................................................55 5. Álcoois, fenóis e éteres:......................................................................................71 6. Fenóis..................................................................................................................79 7. Éteres..................................................................................................................83 Capítulo 4 – Mecanismo de Reações de Aldeídos e Cetonas..................89 1. Natureza do grupo carbonila.............................................................................92 2. Propriedades dos aldeídos e cetonas...............................................................92 3. Reações de adição nucleofílica à ligação dupla carbono-oxigênio................93 4. Outras reações de grupos carbonílicos..........................................................105 Capítulo 5 – Mecanismo de reações dos Ácidos Carboxílicos e seus derivados..........................................................................................................117 1. Ácidos carboxílicos e seus derivados............................................................. 119 2. Acidez dos ácidos carboxílicos.......................................................................120 3. Preparação de ácidos carboxílicos.................................................................121 4. Derivados de ácidos carboxílicos....................................................................123 5. Reatividade relativa dos derivados de ácidos carboxílicos...........................123 6. Reações dos ácidos carboxílicos...................................................................124 7. Síntese de derivados de ácidos carboxílicos.................................................125 8. Reações de derivados de ácidos carboxilicos...............................................130 Capítulo 6 – Reações de Compostos Orgânicos Nitrogenados............133 1. Propriedades e estrutura..................................................................................136 2. Sais de amônio e sais de amônio quaternário...............................................141 3. Reações de aminas.........................................................................................141 Sobre as autoras.............................................................................................154 Apresentação Foi visto no livro de Química Orgânica I, anterior a esse, que a Química Orgânica é a química dos compostos que contêm carbono. Cada organismo vivo, planta ou animal, é composto de substâncias orgânicas. Dessa forma, qualquer pessoa que tenha interesse na vida e nas coisas da vida precisa ter um conhecimento básico de Química Orgânica. Este livro foi escrito para atender aos alunos do curso de Química da Universidade Aberta a Distância da Universidade Estadual do Ceará. Durante a sua elaboração, tivemos a preocupação redobrada de repassar para o aluno, de maneira clara e concisa, as informações relativas ao conteúdo da disciplina de Química Orgânica II. O tema central deste livro de química orgânica dá ênfase à relação entre a estrutura e a reatividade das moléculas orgânicas. A forma como está organizado combina as características estruturais dos grupos funcionais presentes na molécula e os mecanismos envolvidos em um variado número de reações. Dentro dessa organização, foram enfatizadas as semelhanças estruturais entre as funções estudadas, as reatividades, as reações e os mecanismos reacionais destes compostos orgânicos. Ao longo de cada capítulo, foram selecionados alguns exercícios como forma de fixação dos conteúdos abordados. Se, ao final de cada capítulo, o aluno tiver conseguido responder corretamente pelo menos 80% das questões propostas, ele terá mostrado um bom aprendizado da matéria em questão. Os conteúdos da disciplina foram divididos em 6 capítulos que abordam os seguintes assuntos: No capítulo 1, Mecanismos de reações de hidrocarbonetos saturados e insaturados, serão mostradas as etapas da reação entre um halogênio e um alcano, identificando as etapas de iniciação, propagação e terminação, bem como os produtos e reagentes das reações de alcenos, não esquecendo do uso do formalismo das setas para demonstrar o movimento de elétrons. No capítulo 2, Mecanismo de reações de substituição eletrofílica em compostos aromáticos, o aluno aprenderá as noções básicas das reações de substituição eletrofílica aromática, bem como entenderá como os efeitos indutivos e mesoméricos influenciam na reatividade dos compostos aromáticos substituídos. No capítulo 3, Propriedades e reações de haletos de alquila e reações de álcoois, éteres e fenóis, é dada ênfase especial aos mecanismos SN1 e SN2, E1 e E2 para um dado haloalcano com base nas estruturas dos halo- alcanos, nas estruturas dos nucleófilos, grupos abandonadores e forças das bases e ainda ao reconhecimento e à predição das principais reações de álcoois, éteres e fenóis. No capítulo 4, Mecanismo de reações de aldeídos e cetonas, foi mostrado o mecanismo geral, utilizando setas curvas para adições nucleofílicas ao grupo carbonila dos aldeídos e cetonas. No capítulo 5, Mecanismo de reações dos ácidos carboxílicos e seus derivados, ao aluno será dada a oportunidade de comparar a reatividade entre os ácidos e seus derivados, levando em consideração os fatores estéricos e eletrônicos presentes na molécula em questão, assim como serão mostradas as reações dos ácidos carboxílicos e seus derivados através de seus respectivos mecanismos. No capítulo 6, Reações de compostos orgânicos nitrogenados, finalizamos com a comparação da basicidade de aminas, em termos de sua estrutura e serão mostradas as reações de aminas através de seus mecanismos. Finalmente é bom lembrar ao aluno que ele deve ter sempre em mente que a consulta ao material bibliográfico complementar, inclusive o livro de Química Orgânica I das autoras, é essencial para o aprendizado nesta disciplina. As autoras Capítulo Mecanismos de reações de hidrocarbonetos saturados e insaturados 1 Química Orgânica II 9 Objetivos • Escrever todas as etapas na reação entre um halogênio e um alcano, identificando as etapas de iniciação, propagação e terminação e usando o formalismo das setas para demonstrar o movimento de elétrons. • Escrever as etapas do mecanismo de reação da adição eletrofílica, envolvendo os seguintes termos: regra de Markovnikov, eletrófillo, nucleófilo e carbocátion. • Conhecer o mecanismo, os produtos e reagentes para as seguintes reações de alcenos: hidrogenação, halogenação, hidrohalogenação, hidratação, epoxidação, hidroboração-oxidação, dihidroxilação, ozonólise e Diels-Alder. • Explicar a regioseletividade envolvendo halogenação, hidrohalogenação, adição de ácido sulfúrico e hidratação de alcenos. • Escrever o mecanismo para as seguintes reações de alcinos: halogenação, hidrohalogenação e hidratação. 1. Alcanos Os alcanos possuem pouca afinidade química com outras substâncias e são quimicamente inertes com a maioria dos reagentes encontrados no laboratório. Entretanto, os alcanos reagem com o oxigênio, os halogênios e com algumas poucas substâncias sob condições apropriadas. As reações com o oxigênio ocorrem durante a combustão em um motor ou forno quando o alcano é utilizado como combustível. O dióxido de carbono e a água são formados como produto da reação, e uma quantidade enorme de energia é liberada. A reação de um alcano com Cl2 (reação de halogenação) ocorre quando uma mistura de dois compostos é irradiada com luz na região do ultravioleta. Dependendo da quantidade relativa dos reagentes e do tempo de reação, ocorre uma reação de substituição dos átomos de hidrogênio pelos átomos de cloro, formando uma mistura de produtos clorados. Como a eletronegatividade do carbono e hidrogênio são próximos, a quebra das ligações atômicas frequentemente são homolíticas (quebras simétricas) realizando reações radicalares. Radicais livres são espécies reativas originadas de reações que não se completam. Ex. Ânios superóxidos, OH, O2, H2O2. 10 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. A facilidade com que a ligação C-H pode ser rompida depende dos grupamentos da molécula. O pequeno efeito indutivo dos grupos alquil estabiliza o átomo de carbono terciário, facilitando a saída do hidrogênio. 1.1. Reação de halogenação Nessas reações, um ou mais átomos de hidrogênio são substituídos por um halogênio (Cl, Br, I = X) O mecanismo para essa reação envolve três etapas fundamentais: iniciação, propagação e término. Os demais alcanos também reagem da mesma forma com os halogênios, só que quanto mais carbono maior o número de produtos possíveis. Utilizando as setas curvas, temos: Química Orgânica II 2. Alcenos 2.1. Reações de Alcenos As reações de adição são as mais comuns dos alcenos e levam a compostos saturados. Muitas das adições às ligações são exotérmicas e, portanto, favorecidas, desde que sejam mecanisticamente possíveis. No processo de adição de um reagente hipotético A-B a um alceno, a ligação pi (π) C-C e a ligação sigma (σ) A-B se convertem em duas ligações σ (C-A e C-B). Equação Geral 11 12 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Os principais exemplos de reações de adição à ligação dupla são: hidrogenação de alcenos, adição de ácidos próticos, adição de halogênios, formação de haloidrinas, adição de radicais livres, hidratação, hidroboração, epoxidação, hidroxilação, ozonólise e reação Diels-Alder. 2.1.1 Hidrogenação catalítica de alcenos A reação mais simples de uma ligação dupla é a saturação com hidrogênio, em que um átomo de hidrogênio se adiciona a cada átomo de carbono da dupla ligação. Para a reação ocorrer com velocidade considerável é necessária a presença de um catalisador que pode ser homogêneo ou heterogêneo, isto é, solúvel ou insolúvel no meio reacional. Como produto da adição do hidrogênio, teremos um alcano e, como resultado da reação, dizemos que a ligação dupla foi hidrogenada ou reduzida. Quando houver uma alternativa a adição de H2, ocorrerá pelo lado menos impedido da molécula. Os catalisadores mais comumente utilizados são: platina, níquel, paládio, ródio e rutênio. A principal função do catalisador é a ativação do hidrogênio na superfície do metal. Sem o metal, a quebra térmica da ligação H-H é energeticamente proibida. Os solventes mais usados são o metanol, o etanol, o ácido acético e o acetato de etila. A hidrogenação é um processo heterogêneo e tem como característica a estereoespecificidade. Os dois átomos de hidrogênio são adicionados na mesma face da ligação dupla (adição sin). Grupos funcionais como cetonas, ésteres e nitrilas não sofrem reações nas condições utilizadas na hidrogenação de alcenos. Por isto, a reação é bastante seletiva. Observe os exemplos a seguir. Química Orgânica II 13 2.1.2 Adição eletrofílica de haletos de hidrogênio (ácidos próticos) Os ácidos próticos H-X são reagentes eletrofílicos que se adicionam a alcenos via reação de natureza polar. A ligação dupla rica em elétrons pode agir como um nucleófilo, ceder um par de elétrons para o eletrófilo (ácido de Lewis) e atuar como uma base de Lewis. Orientação da adição eletrofílica: a regra de Markovnikov. Na adição de HX a alcenos assimétricos, dois produtos são possíveis, embora somente um dos produtos seja observado. Dizemos que uma reação em que um produto predomina muito sobre os outros produtos possíveis é uma reação regioespecífica. Observe que na adição de HCl ao 2-Metil-buteno, o único produto formado foi o 2-cloro-2-metil-butano. Uma justificativa para esse resultado é baseada na regra de Markovnikov. A Regra de Markovnikov diz: Na adição de HX a um alceno, o hidrogênio se liga ao carbono, que possui menos substituintes alquila (C mais hidrogenado), e o halogênio se liga ao carbono com mais substituintes alquilas. Clique na página do livro, no site HTTP://www. thomsonlearning.com. br, em organic interactie. Redução de alcenos, para prever diferentes produtos de hidrogenação de alcenos. 14 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. A explicação para esse fenômeno é a estabilidade relativa dos carbocátions que se formam. A ordem crescente é: Clique na página do livro Química Orgânica 2, no site HTTP://www. thomsonlearning.com. br, em organic interactive. Adição de halogênios a alcenos, para prever diferentes produtos. 2.1.3 Adição Eletrofílica de Halogênios ( Br2 e Cl2 ) Os halogênios bromo e cloro podem ser adicionados a alcenos para dar 1,2-di-halogenetos (di-halogeno-alcanos vicinais) como produtos de adição. Essas reações são feitas normalmente à temperatura normal ou abaixo dela, em solventes halogenados inertes, como halogeno-metanos. Nesta reação de adição não se forma o produto com os dois bromos do mesmo lado. A reação ocorre com estereoquímica anti. A justificativa para a adição anti está na natureza do intermediário formado, como sendo um íon bromônio cíclico. Química Orgânica II A reação de adição de Br2 ao Cis-2-buteno e ao Trans-2-buteno é claramente estereoespecífica. O primeiro composto sofre bromação para dar a mistura racêmica de (2R, 3R)-2,3-dibromo-butano e (2S, 3S)-2,3-dibromo-butano, já o trans-2-buteno para dar o meso-2,3-dibromo-butano. Veja exemplos 6 e 7. 15 A adição de Br2 é fácil de ser observada, pois ocorre a mudança de vermelho para incolor e este fenômeno pode ser utilizado para detectarmos a presença de insaturação. 16 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 2.1.4 Reação de Formação de Haloidrina Se a halogenação de um alceno for feita em solução aquosa, o produto principal não será um di haleto vicinal, mas um 1,2-haloálcoois, ou haloidrinas. O seu mecanismo é semelhante à adição de halogênios, sendo que, na segunda etapa, a água é quem vai atuar como nucleófilo e ataca um átomo de carbono do íon halônio 2.1.6 Reação de adição de ácido sulfúrico aos alcenos Quando os alcenos reagem com ácido sulfúrico concentrado a frio, ocorre uma dissolução e os produtos da reação são os sulfatos ácidos de alquila. O mecanismo é semelhante ao da adição de HX. Ocorre inicialmente a adição do próton com formação do carbocátion e, em seguida, o carbocátion reage com o sulfato ácido de alquila: Química Orgânica II 17 Esta é também uma reação regioespecífica e segue a regra de Markovnikov, como pode ser observado no exemplo a seguir: 2.1.7 Reação de Hidratação Na presença de ácido, água é adicionada a alcenos através de reação de hidratação. O ácido comumente usado é H2SO4. O sulfato ácido de alquila é hidrolisado a álcool. A reação também obedece à regra de Markovnikov. Os perácidos normalmente usados são: ácido perbenzóico ( C6H5CO3H ), ácido m-cloroperbenzoico ( C6H4CO3HCl ) e ácido peracético ( CH3CO3H ). 18 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 2.2.8 Reação de epoxidação de alcenos A epoxidação é o método mais utilizado para a síntese dos epóxidos. Esta síntese envolve a reação entre um alceno e um peroxiácido ou perácido, com a quebra da ligação π (pi) e formação de um éter cíclico de três membros chamado epóxido ou oxirano. Nesta reação, o perácido transfere um átomo de oxigênio para o alceno, como pode ser observado no exemplo a seguir: Determinadas moléculas do ambiente tornamse carcinogênicas pela “ativação” através de processos metabólicos. Este é o caso de dois dos compostos mais carcinogênicos conhecidos: dibenzo[a,l]pireno e a aflatoxina B1. No fígado e nos intestinos, essas moléculas sofrem epoxidação pelas enzimas chamadas de citocromos P450. Os peróxidos têm estruturas de três membros altamente tensas. Tais moléculas podem sofrer abertura do anel por ação de ácidos ou bases gerando como produto final os 1,2 diol. Química Orgânica II A adição de oxigênio à ligação dupla de um alceno em uma reação de epoxidação é estereoespecífica e ocorre por adição sin (mesmo lado). O produto resultante da hidrólise ácida ou básica de um époxido é de natureza trans, como visto no exemplo 13 acima. 2.1.9 Reação de hidroboração-oxidação Um átomo, ou uma molécula, não tem de estar carregado positivamente para ser um eletrófilo. O borano (BH3), uma molécula neutra, é um eletrófilo porque o boro apresenta apenas seis elétrons compartilhados em sua camada de valência. 19 Borano e diborano O borano existe como um gás incolor chamado diborano. O diborano é um dímero – uma molécula formada pela junção de duas moléculas idênticas. A adição de borano (BH3) a um alceno leva à formação de um intermediário organoborano, RBH2. Veja a reação a seguir. Um dos aspectos que torna a reação de hidroboração-oxidação tão útil é a regioquímica da reação de alcenos assimétricos, cuja adição do H e do B é do tipo sin. A reação ocorre via um estado de transição cíclico de quatro centros. A adição de BH3 a um alceno é um exemplo de reação concertada. Uma reação concertada é a reação na qual todas as ligações que se formam e que se rompem ocorrem em uma única etapa. 20 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. O tratamento dos intermediários trialquilboranos com peróxidos de hidrogênio em meio básico, conduz à formação de três moléculas de álcool. A reação total foi publicada primeiro por H. C. Brown, em 1959. A adição do borano a um alceno também é um exemplo de reação pericíclica. Uma reação pericíclica é a reação que ocorre como resultado de um rearranjo cíclico de elétrons. O álcool, que é formado em uma reação de hidroboração-oxidação de um alceno, apresenta os grupos H e OH em carbonos opostos de maneira diferente à adição de água a alcenos vistos no exemplo 11. Em outras palavras, a reação viola a regra de Markovnikov. Dessa forma, a hidroboração-oxidação é uma reação estereoespecífica e a orientação é anti-Markovnikov. Além do caráter polar da ligação B-H, temos também o efeito estérico do grupo BH3, o que leva a adição ao carbono menos impedido, justificando a sua orientação anti-Markovnikov. Podemos visualizar bem isso no exemplo 14 abaixo, em que a molécula do propeno dá como produto o 1-propanol, quando sofre reação de hidroboração-oxidação; e o 2-propanol, quando reage com água em meio ácido. 2.1.10 Reação de dihidroxilação: oxidação de alcenos A reação de dihidroxilação sin de um alceno, ou seja, a adição de um grupo OH- do mesmo lado de cada um dos carbonos da ligação dupla (ligação π) pode ser realizada com os reagentes permanganato de potássio diluído e neutro (KMnO4) e tetróxido de ósmio (OsO4). A reação ocorre via um intermediário cíclico de estereoquímica rígida e produz um 1,2-diálcool ou diol vicinal, também conhecido como glicol. Química Orgânica II 21 A estereoquímica sin da dihidroxilação pode ser observada na reação do 2-buteno com tetróxido de ósmio dando como produto diol de esteroquímica cis 1,2-butanodiol. 2.1.11 Reação de ozónolise Em todas as reações de adição que foram descritas até o momento para os alcenos, a ligação do tipo π carbono-carbono sempre foi convertida em duas ligações do tipo σ, mas o esqueleto carbônico original permaneceu intacto. Entretanto, existem oxidantes que conseguem romper completamente a ligação dupla (C=C), produzindo assim dois fragmentos da molécula de partida. Esse tipo de reação é conhecida como ozonólise e utiliza como principal reagente uma molécula de ozônio (O3). Assim sendo, a reação entre alcenos e ozônio ocorre rapidamente a baixas temperaturas, levando à quebra da ligação dupla. Durante a reação, há formação de intermediários cíclicos denominados moloozonídeos. Estes, por sua vez, rearranjam-se para formar os ozonídeos, como visto a seguir na equação geral dessa reação. Após a formação do ozonídeo, este é tratado com um agente redutor, como o zinco metálico dissolvido em ácido acético para dar como produto final da reação compostos carbonilados, como descrito abaixo na equação geral dessa reação. Os ozonídeos de baixa massa molecular são altamente explosivos e desta forma não conseguem ser isolados. 22 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Os carbonos nãosubstituídos e monosubstituídos de alcenos são oxidados a aldeídos. Já os carbonos dissubstituidos de alcenos são oxidados a cetonas. 2.1.12 Reação de Diels-Alder: reação de cicloadição O Prêmio Nobel de Química foi dado a Diels e Alder em reconhecimento pela importância de sua descoberta. A reação de cicloadição de Diels-Alder é diferente das outras reações que estudamos neste capítulo, pois ela não é polar nem radicalar. Este tipo de reação é um processo pericíclico. Uma reação de cicloadição é a reação em que dois reagentes (um dieno e um dienófilo) se adicionam para produzir um produto cíclico. O mecanismo da reação de cicloadição de Diels-Alder ocorre em uma única etapa por meio do estado de transição cíclico no qual as duas novas ligações carbono-carbono se formam simultaneamente. Esta reação se constitui no método mais importante de preparação de alcenos cíclicos. Envolve a adição 1,4 de um alceno a um dieno conjugado e é chamada uma ciclo-adição [4 + 2], pois requer a combinação de um sistema de quatro elétrons π (1,3 dieno) com um sistema de dois elétrons π (dienófilo). Química Orgânica II 23 Para que este tipo de reação realmente ocorra, o dieno deve estar na configuração S-cis e esta se passa mais rapidamente quando o dienófilo está substituído por grupos retiradores de elétrons, tais como: -COR, -COOR ou – C≡N. Vejamos a seguir alguns exemplos de alcenos cíclicos formados através deste tipo de reação. 3. Alcinos Adição à ligação tripla carbono-carbono Em muitos aspectos, os alcinos são como os alcenos. A semelhança eletrônica existente entre eles sugere que a reatividade dos dois grupos funcionais seja muito parecida. A ligação π da ligação tripla é relativamente fraca (224 Kj / mol), e os elétrons são acessíveis ao ataque dos reagentes. Logo, os alcinos também sofrem reações de adição de hidrogênio e ataques eletrofílicos de HX e X2 . 3.1. Redução de alcinos para produzir alcenos trans. Adição de hidrogênio a ligação tripla carbono-carbono na presença de catalisador pode levar à formação de alcanos ou alcenos, dependendo das condições e do catalisador empregado. Quando usamos, por exemplo, um catalisador de platina, o alcino geralmente reage com dois equivalentes molares de hidrogênio para formar alcano. Uma oxidação orgânica forma frequentemente ligações C-O enquanto a redução leva geralmente a ligações C-H. 24 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Se utilizarmos sódio metálico dissolvido em amônia líquida como reagente para redução de alcinos, obtemos alcenos trans como produto. O mecanismo da redução de alcino por sódio metálico em amônia líquida é: Observe que na 1ª etapa do mecanismo, o carbono da ligação tripla aceita um elétron formando um carbânion. Em seguida, temos a sua protonação pelo solvente (amônia) e a formação do radical alquenila. Na 4ª etapa, o ânion alquenila recebe um próton da amônia para formação do alceno trans. Para a formação de alcenos com estereoquímica cis, pode ser utilizado o catalisador de Lindlar, feito com paládio precipitado em carbonato de cálcio e tratado com acetato de chumbo e quinolina. Química Orgânica II 3.2. Adição de HX Como regra geral, os reagentes eletrofílicos se adicionam aos alcinos da mesma forma que aos alcenos. Embora as reações possam ser usualmente interrompidas após a adição de um equivalente de HX, o excesso de ácido leva a um di-halogeneto. A adição de HBr ao 2-Pentino, por exemplo, produz o (Z)-2-bromo-penteno e o mecanismo é semelhante ao que vimos para adição de HX aos alcenos (reação 1). Em geral, a estereoquímica da reação 22 é anti, principalmente quando o íon halogeneto está em excesso. A química de adição de uma segunda molécula de HBr segue a regra de Markovnikov. O halogênio se adiciona ao carbono mais substituído e o hidrogênio ao carbono menos substituído da ligação dupla. Como resultado, temos dois átomos de bromo ligados ao mesmo átomo de carbono. 3.3. Adição de X2 Via de regra, os halogênios Cl2 e Br2 também se adicionam a alcinos via reações similares as já vistas para alcenos. Embora as reações possam ser usualmente interrompidas após a adição de um equivalente de X2, na presença de um excesso de halogênio, uma segunda reação de adição pode ocorrer, levando à formação de um tetra-halogeneto. Utiliza-se nesse tipo de reação, CH2Cl2 como solvente. A adição de Br2 ao propino produz o 1,1,2,2-tetrabromo-propano e o mecanismo é semelhante ao que vimos para adição de Br2 aos alcenos (reação 5). 25 26 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 3.4. Adição de H2O: Hidratação catalisada pelo íon mercúrio Como regra geral, os alcinos, na presença de sulfato mercúrico como catalisador sofrem reação de hidratação. A hidratação ocorre com regioquímica Markovnikov. O grupo OH se adiciona ao carbono mais substituído e o produto formado é então uma cetona. A seguir, iremos mostrar o mecanismo da hidratação de um alcino catalisada por íon mercúrio. Química Orgânica II Atividades de avaliação 1. A cloração do (R)-2-clorobutano produz uma mistura de isômeros com a fórmula C4H8Cl2. Com relação a esses dados, responda: a) Quantos isômeros diferentes você esperaria serem produzidos? b) Se a mistura dos isômeros de C4H8Cl2 fosse submetida à destilação fracionada, quantas frações você esperaria obter? c) Quais dessas frações seriam oticamente ativas? 2. Qual seria o produto majoritário da reação do 2-metil-2-buteno com cada um dos seguintes reagentes: a) HBr b) HBr + peróxido c) H2/Pd d) BH3/THF, seguido por H2O2/OHe) H2O + traços de HCl f) Br2/H2O g) Br2/CH2Cl2 h) HI 3. Dê o produto majoritário de cada uma das seguintes reações: a) propino com HBr b) propino com HBr + peróxido c) propino com H2/Pd d) propino com excesso de HBr e) 2-butino com excesso de HBr f) 2-butino com Br2/CH2Cl2 g) 2-butino com H2O em H2SO4/HgSO4 Referências ALLINGER, N. L.; CAVA, M. P.; JONGH, D. C.; JOHNSON, C. R.; LEBEL N. A. e STEVENS, C. L. Química Orgânica, 2. ed., Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1976. BRUICE, P. Y. Química Orgânica, 4. ed., vol. 1. – São Paulo: Pearson / Prentice Hall, 2006. 27 28 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. MCMURRY, J. Química Orgânica. 6. ed. vol.1. São Paulo: Thomson Learning, 2005. SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE, C. B. Química Orgânica, 8. ed., vol. 1, Rio de Janeiro: LTC, 2005. VOLHARD, K. P. C.; SCHORE, N. E. Química Orgânica: Estrutura e função, 4. ed., Porto Alegre: Bookman, 2004. Capítulo Mecanismo de reações de substituição eletrofílica em compostos aromáticos 2 Química Orgânica II Objetivos • Reconhecer o mecanismo de substituição aromática eletrofílica, sendo capaz de escrevê-lo. • Ser capaz de descrever as reações de substituição eletrofílica aro- mática dos seguintes tipos: halogenação, nitração, sulfonação e acilação de Friedel-Crafts e alquilação. • Entender como os efeitos indutivos e mesoméricos influenciam na reatividade dos compostos aromáticos substituídos. • Explicar os efeitos dos substituintes na reatividade do anel aromático do benzeno. • Escrever as reações da cadeia lateral dos alquilbenzenos. O benzeno é uma substância cíclica, planar, com uma nuvem de elétrons π deslocalizados acima e abaixo do plano do anel. Como consequência disso, a molécula do benzeno é um nucleófilo e a reação mais comum de um composto aromático é a de substituição aromática eletrofílica, ou seja, um eletrófilo (E+), que é uma espécie deficiente de elétron com uma carga parcial ou efetiva positiva grande, reage com o anel aromático e substitui um dos seus átomos de hidrogênio. 1. Vários substituintes diferentes podem ser introduzidos no anel aromático por meio das reações de substituição eletrofílica. Pela escolha adequada dos reagentes, é possível realizar as seguintes reações de substituição em um anel benzênico. 31 32 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Alquilação de Friedel-Crafts Sulfonação Mesmo sem olhar o diagrama de energia, podemos prever que o primeiro passo é que é a etapa lenta, determinante da velocidade da reação: neste passo é que ocorre a perda da aromaticidade do anel. O segundo passo deve ser rápido, pois devolve a estabilidade ao composto. Nitração Acilação de Friedel-Crafts Halogenação É possível observar como se dá a substituição do H do anel aromático, examinando o mecanismo geral para a substituição aromática eletrofílica mostrado a seguir. Inicialmente, na etapa lenta da reação, um par de elétrons do anel benzeno ataca um eletrófilo (E+), formando um intermediário carbocátion. A estrutura do carbocátion pode ser estabilizada por três contribuições ressonantes. No segundo passo da reação, um próton do anel é atacado por um nucleófilo do meio, e o elétron que ligava o próton ao anel fica disponível para restabelecer a aromaticidade. A partir deste ponto, iremos ver com maior aprofundamento como este mecanismo genérico de dois passos se aplica a todas as cinco reações de substituição eletrofílica em aromáticos mencionadas. 1. Reação de halogenação Nas reações de halogenação, o benzeno age como um doador de elétrons (uma base de Lewis ou nucleófilo). Para esta reação ocorrer, é necessária a presença de um catalisador (ácidos de Lewis). Os ácidos de Lewis mais utilizados nas reações de cloração ou de bromação são FeCl3, FeBr3 ou AlCl3, todos nas formas anidras. Química Orgânica II Mecanismo da halogenação: Observa-se que, na última etapa, o catalisador, FeBr3, é regenerado. Vale ressaltar que o mecanismo de cloração do benzeno é semelhante ao da bromação. O cloreto férrico agirá como catalisador, auxiliando na geração e transferência de um íon halogênio positivo. Já a fluoração requer condições especiais, pois o flúor reage muito velozmente com o benzeno. O iodo, entretanto, por ser inerte, é necessária a presença de um agente oxidante, como ácido nítrico. 33 34 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 2. Reação de nitração A introdução de um nitrogênio em um anel aromático através da sequência de reação de nitração e redução é peça-chave na síntese industrial de corantes e de muitos agentes farmacêuticos. O benzeno reage lentamente com o ácido nítrico concentrado para dar o nitrobenzeno. Em temperaturas moderadas, a nitração do benzeno não ocorre na presença de HNO3 concentrado porque o nitrogênio do HNO3 tem baixo poder eletrofílico e tem de ser ativado com H2SO4 concentrado, que protona o HNO3. O íon nitrônio, NO2+, um eletrófilo forte, é gerado pela eliminação da água. Esta é uma reação particularmente importante, pois o produto pode ser reduzido com Fe ou SnCl2 à arilamina, ArNH2. Mecanismo de nitração: Os ácidos sulfônicos aromáticos são intermediários importantes na preparação de corantes e produtos farmacêuticos. As sulfas, como a sulfanilamida, encontram-se entre os antibióticos mais úteis conhecidos. 3. Reação de sulfonação Os anéis aromáticos podem ser sulfonados com ácido sulfúrico fumegante, uma mistura de H2SO4 e SO3 (8%), para formar o ácido benzenosulfônico. A substituição ocorre pelo mecanismo em duas etapas. Esta reação é reversível, isto é, pode ocorrer nos dois sentidos. Química Orgânica II O eletrófilo da reação é o trióxido de enxofre (SO3), produzido em ácido sulfúrico concentrado. Veja a etapa 1 do mecanismo. Mecanismo de sulfonação: A reação de sulfonação também é uma importante síntese na formação de detergentes. Observe a síntese do sódio p-(1-metilundecil) benzenossulfonato a seguir. 35 36 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 4. Reação de alquilação de Friedel-Crafts Algumas reações orgânicas recebem o nome do químico responsável pela sua descoberta. Esses são os casos da alquilação e a acilação de Friedel-Crafts, que levam os nomes de dois cientistas, que desenvolveram estes importantes processos reacionais, contribuindo em muito para a síntese orgânica. Esta é uma reação eletrofílica em aromáticos em que o eletrófilo é um carbocátion, R+. O cloreto de alumínio, AlCl3, catalisa a reação (catalisador de Lewis) auxiliando o halogeneto de alquila a se ionizar. Mecanismo da alquilação: Química Orgânica II Uma grande limitação da reação de alquilação de Friedel-Crafts é que, as vezes, pode ocorrer rearranjo da cadeia dos grupos alquilas durante a reação, principalmente quando halogenetos primários são usados como reagentes. O grau do rearranjo depende do catalisador, da temperatura de reação e do solvente empregado. Como exemplo disso, temos a reação abaixo: Ainda que a reação de alquilação de Friedel-Crafts seja muito ampla para síntese de alquilbenzenos, como vimos anteriormente ela apresenta algumas limitações. Uma limitação desse tipo de reação é que os hologenetos de arila (ex. 10) e os halogenetos vinílicos não reagem. Uma outra limitação é que estas reações não funcionam quando o anel contém grupos retiradores de elétrons fortes (-NO2, -CN, -SO3H, -CHO, -CO2H, -CO2CH3) e, finalmente, a última limitação é o fato de normalmente ser difícil interromper a reação após a monosubstituição. Assim, frequentemente se obtém polialquilação. Além de reagir com carbocátions gerados a partir de haletos de alquila, o benzeno pode reagir com carbocátions gerados a partir da reação de um alceno ou de um álcool com um ácido. Veja os exemplos a seguir. 37 38 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Uma vez que o produto de uma acilação contém um grupo carbonila que pode vir a complexar com o catalisador AlCl3, estas reações devem ser conduzidas com mais de um equivalente de AlCl3. Quando a reação termina, é adicionada água à mistura reacional para liberar o produto do complexo. 5. Reação de acilação de Friedel-Crafts Um íon acílio, com a estrutura geral [RC=O]+, é o eletrófilo necessário para uma reação de Friedel-Crafts. Este íon é formado pela reação de um haleto de acila ou um anidrido de ácido na presença de AlCl3 (ácido de Lewis) como catalisador. O mecanismo da reação de acilação de Friedel-Crafts é semelhante ao da alquilação. O eletrófilo reativo é um cátion acila estabilizado por ressonância, formado na reação entre o haleto de acila e o AlCl3, como indicam as estruturas de ressonância na Figura abaixo: Química Orgânica II Mecanismo da acilação: Diferentemente das alquilações de Friedel-Crafts que, normalmente, dão substituições múltiplas, as acilações nunca ocorrem mais de uma vez no mesmo anel, porque o acilbenzeno formado é sempre menos reativo do que o reagente de partida. 6. Efeitos dos substituintes na reatividade do anel aromático do benzeno 6.1. Substituintes halo: orientadores orto-para desativadores Embora os grupos cloro e bromo sejam considerados grupos desativadores fracos, eles são orientadores orto-para, sendo doadores de carga por ressonância. O efeito indutivo prevalece e o anel aromático fica desativado. As velocidades de reação do clorobenzeno e do bromobenzeno indicam que eles reagem bem mais lentamente que o benzeno. 39 40 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 6.2. Classificação dos substituintes Os substituintes afetam a orientação da reação, alguns ativam o anel benzênico frente à substituição eletrofílica enquanto outros desativam o anel. A natureza do substituinte, que já está presente no anel, determina a posição do segundo grupo que vai ser substituído pelo H. Os vários substituintes podem ser classificados pelo seu poder de ativação em dois grupos: orientadores orto e para e orientadores meta, de acordo com a Tabela 1. Tabela 1 EFEITO DOS SUBSTITUINTES NA SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICA AROMÁTICA Orientadores Orto e Para Orientadores Meta Ativantes Fortes Desativantes Fortes Ativantes Moderados Visite o site http://www. thomsonlearning.com. br, organic interative. Substituição eletrofílica aromática e preveja os produtos das substituições. Desativantes Moderados Ativantes Fracos Desativantes Fracos 6.3. Teoria de efeitos dos substituintes na substituição aromática eletrofílica Teoria da orientação: Efeitos indutivos e de ressonância Uma característica comum dos grupos ativantes é que eles doam elétrons ao anel aromático, estabilizando o intermediário carbocátion; já os desativantes retiram elétrons do anel aromático e desestabilizam o intermediário carbocátion. 6.3.1. Efeito indutivo Efeito indutivo é a retirada ou doação de elétrons por meio de uma ligação sigma devido à eletronegatividade e polaridade nos grupos funcionais. Sabemos que alguns grupos doam por indução (alquilas), já outros são retiradores de elétrons. Como exemplos, temos: Química Orgânica II Substituintes retiradores 41 Substituinte doador Outros grupos retiradores de elétrons por indução são: Observa-se que, em alguns casos, o átomo que ficará diretamente ligado ao anel benzeno possui uma carga total ou parcialmente positiva. 6.3.2. Efeito de ressonância Grupos contendo um ou mais pares de elétrons não-ligantes podem doar elétrons para o anel por meio de uma ligação pi. Como exemplo, podemos citar os substituintes –NH2, -NR2, -OH, -OR, e –X. Já os substituintes abaixo retiram elétrons do anel aromático por efeito de ressonância. Vale ressaltar que, apesar dos substituintes NH2, -NR2, -OH, -OR, e –X apresentarem efeitos doadores de elétrons por ressonância, possuem efeitos retiradores de elétrons por indução por causa da eletronegatividade dos átomos N, O e X. Essa estrutura de ressonância pode ser usada para outros anéis com substituintes doadores de elétrons. 42 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 6.4. Grupos orientadores meta Os grupos orientadores meta, nas reações de substituição eletrofílica aromática, como o grupo –COR, agem através da combinação dos dois efeitos: indutivo e de ressonância. Se analisarmos as estruturas de ressonância do diagrama a seguir, veremos que os intermediários orto e para são desestabilizados pelo efeito indutivo, já que a carga positiva, ocasionada pelo efeito de ressonância, fica no carbono do anel vizinho ao grupo retirador de elétrons (-COR). Logo, o ataque meta será favorecido já que não teremos essa situação desfavorável. Química Orgânica II 6.5. Grupos orientadores orto e para Grupos que doam elétrons por ressonância, como −NH2 e −OH, ativam o anel e orientam as posições orto e para. Os carbocátions, formados pela substituição do eletrófilo que entra nas posições orto e para, têm uma quarta forma de ressonância. Essa é uma forma de ressonância especialmente estável, porque é a única em que todos os átomos (exceto o hidrogênio) têm octetos completos. Logo, o ataque orto e para será favorecido já que teremos uma estrutura mais estável e o resultado é uma diminuição na barreira da energia de ativação com relação a orto e para. Veja o diagrama a seguir. 43 44 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 6.6. Efeito indutivo e hiperconjugativo de grupo alquila: orientação orto e para Os grupos alquilas, −R, doam elétrons ao anel através do efeito de hiperconjugação e indutivo, ativando o anel em orto e para. Os ataques nas posições orto e para produzem um carbocátion intermediário em que uma das formas de ressonância localiza uma carga (+) próxima ao grupo alquila substituinte. Por causa do seu efeito doador, este estabiliza a carga (+), produzindo forma de ressonância benéfica mais importante. O ataque meta não produz nenhuma forma de ressonância benéfica para a estabilização da carga (+). Veja o diagrama a seguir. Química Orgânica II 6. 7. Benzenos dissubstituídos Os efeitos de dois substituintes no anel com relação à velocidade de reação e orientação são aditivos. Além do efeito eletrônico, devemos considerar o efeito estérico naquelas posições ativadas que estão entre dois grupos. Em geral, a posição duplamente ativada torna o anel mais reativo do que aquela com somente uma ativação. 45 46 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Todas as posições orto ou para ao grupo -OH são ativadas. Como exemplo deste tipo de comportamento das moléculas de benzenos dissubstituidos, vejamos a reação de nitração do ácido 1,3-benzenodicarboxílico abaixo. Observe que o grupo nitro (NO2) entra seletivamente na posição meta aos dois grupos carboxila, pois, como vimos, tais grupos (desativantes e orientadores m) adicionam os seus efeitos, favorecendo a substituição na posição meta. ácido 1,3-benzeno-dicarboxilico ácido 5-nitro-1,3-benzeno-dicarboxilico 7. Reações da cadeia lateral dos alquilbenzenos 7.1. Oxidação das cadeias laterais do alquilbenzeno O anel benzênico é inerte em relação aos agentes oxidantes fortes, como KMnO4 e o Na2Cr2O7, entretanto suas cadeias alquílicas laterais reagem rapidamente com estes agentes oxidantes e são convertidas em grupos carboxílicos, −CO2H. Um exemplo disso é o butilbenzeno que é oxidado por uma solução aquosa de KMnO4 em ácido benzóico com rendimento elevado. Química Orgânica II 7.2. Halogenação das cadeias laterais do alquilbenzeno A reação de bromação da cadeia lateral na posição benzílica ocorre quando um alquibenzeno é tratado com N-bromosuccinimida (NBS). Por exemplo, a reação do propilbenzeno com NBS dá como produto o (1-bromopropil) benzeno com um rendimento de 97%. Veja a equação desta reação abaixo. Note que a bromação ocorre exclusivamente na posição benzílica e, por isso, não há formação de uma mistura de produtos. Atividades de avaliação 1. Indique os produtos majoritários das seguintes reações: a) monossulfonação do tolueno; b) monobromação do fenol; c) mononitração da anilina; d) monoalquilação do benzeno; e) monoacilação do tolueno. 2. Utilize as estruturas de ressonância para explicar os intermediários da reação quando o trifluormetilbenzeno (C7H5F3) reage com um eletrófilo nas posições orto, meta e para. 3. Preveja os produtos obtidos das reações vistas abaixo: a) monossulfonação do 1,4-dimetilbenzeno; b) monobromação do 3-metilfenol; c) monoacilação do 1-metil-3-clorobenzeno. 4. Quais produtos aromáticos você espera obter na reação de oxidação das seguintes substâncias com o KMnO4? a) 1-nitro-3-sec-butilbenzeno; b) 1-metil-4-terc-butililbenzeno 47 48 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Referências ALLINGER, N. L.; CAVA, M. P.; JONGH, D. C.; JOHNSON, C. R.; LEBEL N. A. e STEVENS, C. L. Química Orgânica, 2. ed., Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1976. BRUICE, P. Y. Química Orgânica, 4. ed., vol. 1. – São Paulo: Pearson / Prentice Hall, 2006. MCMURRY, J. Química Orgânica. 6. ed. vol.1. São Paulo: Thomson Learning, 2005. SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE, C. B. Química Orgânica, 8. ed., vol. 1, Rio de Janeiro: LTC, 2005. VOLHARD, K. P. C., SCHORE, N. E. Química Orgânica: Estrutura e função, 4. ed., Porto Alegre: Bookman, 2004. Capítulo Propriedades e reações de haletos de alquila e reações de álcoois, éteres e fenóis 3 Química Orgânica II Objetivos • Fornecer os nomes IUPAC e comuns para haloalcanos. • Escrever mecanismos de reações SN1, SN2, E1 e E2 utilizando as setas curvas. • Desenhar os diagramas de energia potencial para reações SN1, SN2. • Predizer a reação favorável entre os mecanismos SN1 e SN2, E1 e E2 para um dado haloalcano com base nas estruturas dos haloalcanos, nas estruturas dos nucleófilos, grupos abandonadores e forças das bases. • Reconhecer e predizer as principais reações de álcoois, éteres e fenóis. Alcóxidos e fenóxidos, formação de éteres, conversão de álcoois em halogenetos de alquila, conversão de álcoois em ésteres, conversão de álcoois em alcenos, oxidação, reações de éteres e reações de epóxidos. Os haletos de alquila ou haloalcanos são compostos que possuem um átomo de halogênio (X) ligado a um átomo de carbono saturado (hibridização sp3). Existem outras classes de halogenetos orgânicos, como os halogenetos aromáticos (halogenetos de arila) e os halogenetos de alquenila (halogenetos de vinila) cuja química, porém, é diferente. Nesta unidade, estudaremos somente os haletos de alquila. Haleto de alquila Halogeneto de arila de vinila Halogeneto Os haloalcanos são muito comuns na natureza, principalmente em organismos marinhos (p. ex., em corais e algas vermelhas). Eles geralmente agem como repelentes tóxicos contra inimigos naturais. Na indústria, são usados como refrigerantes, solventes industriais e pesticidas. Exibem também atividade biológica interessante. Como exemplo, podemos citar a tiroxina, o plocameno B e o haloetano. 51 52 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Os haloalcanos são importantes intermediários em sequências sintéticas para obtenção de compostos com aplicação direta no dia a dia. Como exemplo, podemos citar o fármaco Prozac (antidepressivo), anestésicos, herbicidas, intensificadores de sabores, solventes para perfumaria, etc. Começaremos com as regras de nomenclatura dos haloalcanos, uma vez que esse assunto não foi abordado no livro de Química Orgânica 1. 1. Nomenclatura de haloalcanos ou haletos de alquila De acordo com a IUPAC, o halogênio é considerado um substituinte do alcano (haloalcano). CH3CH2Cl CH3CH2CH2F Se a cadeia principal tiver tanto um substituinte halogênio quanto um grupo alquila ligado a ela (exemplo A), numere a cadeia a partir da extremidade mais próxima do primeiro substituinte, independentemente de ele ser o halogênio ou o alquila. Se dois substituintes estão a distâncias iguais (exemplo B), então numere a cadeia a partir da ponta mais próxima do substituinte que tem precedência alfabética: 5-Cloro-2-Metilheptano (A) 6-Bromo-2-Metilheptano (B) Química Orgânica II Se dois ou mais halogênios idênticos estiverem presentes, utilize os prefixos di, tri, tetra. Vejamos o exemplo a seguir: 2-Metil-3,4-dibromohexano A nomenclatura usual para muitos haloalcanos simples ainda é muito utilizada e aceita pela IUPAC. Os nomes comuns são considerados como haletos de alquila. Haleto de alquila Nomenclatura Brometo de metila Iodeto de etila Cloreto de terc-butila Cloreto de isopropila Atividades de avaliação 1. Forneça a nomenclatura para os compostos abaixo: a) CH CHClCH CH b) CH CH(CH )CH CHBrCH c) CH CHCl d) CH ClCH Cl e) (CH ) CBr 3 3 2 2 3 2 2 3 2 2 3 3 3 2. Desenhe a fórmula estrutural para os seguintes compostos: a) Iodometano b) 2-Fluoropropano c) 2-Bromo-2-metilpropano d) 4-Bromo-1-iodo-3-metilpentano 53 54 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 2. Propriedades físicas dos haletos de alquila No geral, os haloalcanos apresentam baixa solubilidade em água, porém podem se misturar uns com os outros e com outros solventes de baixa polaridade. Em virtude da maior massa molar, os haloalcanos apresentam temperaturas de ebulição mais elevadas que os alcanos de mesmo número de átomos de carbono. A palavra nucleófilo vem de núcleo, a parte positiva de um átomo, mais filo (do grego phileo, que significa amar). Um nucleófilo é um íon negativo ou uma molécula neutra com par de elétrons não ligante. No caso dos haletos de alquila de mesmo número de átomos de carbono, a temperatura de ebulição aumenta com a massa atômica do halogênio (Tabela 1). Tabela 2 TEMPERATURA DE EBULIÇÃO DE DIFERENTES HALOALCANOS Composto X= Cl, Br, I CH3X CH3CH2X CH2X2 CHX3 CX4 Temperatura de Ebulição (ºc) Cloro -24 12,5 40 61 77 Bromo 5 38 99 151 189,5 Iodo 43 72 186 Sublima Sublima 3. Estrutura dos haletos de alquila A ligação carbono-halogênio em halogeneto de alquila é polar com o átomo de carbono deficiente em elétrons (δ+) já que a densidade eletrônica ao longo da ligação é deslocada na direção do átomo de halogênio (mais eletronegativo), que fica com uma carga parcial negativa (δ-). Assim, os haletos de alquila são eletrófilos e participam de reações polares com bases e nucleófilos. Quanto maior a diferença de eletronegatividade entre o átomo de C e o halogênio maior a polaridade da ligação C-X. Este efeito produz uma maior carga positiva no átomo de C e uma maior atração para os nucleófilos. A polaridade da ligação decresce na ordem: CF > CCl > CBr > CI. Química Orgânica II 4. Reações de haletos de alquila Haletos de alquila podem reagir com nucleófilos (Nu) de duas maneiras: substituição do grupo X pelo nucleófilo ou eliminação de HX para formar um alceno. Um nucleófilo é qualquer íon negativo ou qualquer molécula neutra que tenha pelo menos um átomo com par de elétrons não ligante. Observa-se que o haleto de alquila é o substrato e o grupo retirante ou abandonador é o substituinte halogênio, que sai como um íon haleto. O uso dos halogenetos de alquila como intermediários sintéticos resulta da grande versatilidade de uma das suas reações mais características, a substituição nucleofílica (SN). Nesta reação, os haloalcanos são transformados em outros compostos com diferentes grupos funcionais (Figura 1), utilizando por sua vez, nucleófilos (Nu) diversos. Figura 1 – Diferentes classes de compostos obtidos a partir de haletos de alquila 55 56 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Atividades de avaliação 1. Indique o substrato, o nucleófilo e o grupo abandonador nas seguintes reações: a) CH3I + OH- → CH3OH + Ib) CH3Br + :NH3 → CH3NH3 + Brc) CH3CH2Br + CH3ONa → CH3CH2OCH3 + NaBr d) CH3CH2Cl + NaCN → CH3CH2CN + NaCl 4.1 A reação de substituição nucleofílica 4.1.1 Cinética da reação de substituição nucleofílica A palavra bimolecular indica que as duas espécies CH3Br e –OH estão envolvidas na etapa cuja velocidade está sendo medida. Velocidade de reação é a velocidade exata com que um reagente se converte em produto. A determinação da velocidade é um instrumento muito útil no estudo dos mecanismos de reação. Vamos examinar a cinética de uma substituição nucleofílica simples – a reação de brometo de metila (CH3Br) com -OH para produzir metanol (CH3OH). Sabemos que, quando aplicamos o método de monitoramento da velocidade através do desaparecimento dos reagentes e o aparecimento de um dos produtos, a velocidade depende das concentrações de ambos os reagentes, ou seja, se dobrarmos a concentração de qualquer um dos reagentes, a velocidade será dobrada. Logo a expressão da velocidade será: K = constante de velocidade. Os valores em colchetes representam a concentração molar. Diz-se que esta reação é de segunda ordem e representamos por SN2 (substituição nucleofílica bimolecular ou de segunda ordem). Consideremos agora a reação do brometo de terc-butila ((CH3)3CBr) com hidróxido de sódio (NaOH). Se fosse semelhante à reação de CH3Br com OH-, então esta seria também de segunda ordem. Entretanto, isto não acontece na realidade. A velocidade da reação depende somente da concentração do halogeneto de alquila e não da concentração de OH-. Em outras palavras, a reação é de primeira ordem e denominamos de SN1 (substituição nucleofílica unimolecular ou de primeira ordem). Química Orgânica II 57 O estado de transição dura pouco tempo, aproximadamente 10-12s. K = constante de velocidade Se dobrarmos a concentração do (CH3)3CBr, a velocidade da reação também dobrará. Entretanto, se alterarmos a concentração de OH-, não teremos efeito significativo. A observação de uma cinética de primeira ordem para a reação (CH3)3CBr com NaOH indica que o halogeneto de alquila está envolvido na etapa unimolecular limitante da velocidade. Em outras palavras, o (CH3)3CBr sofre reação espontânea que limita a velocidade e não envolve o nucleófílo. 4.1.2 A reação SN2 O mecanismo para reação SN2 envolve uma única etapa sem a presença de intermediários. Ocorre a formação de um estado de transição que é um arranjo instável dos átomos em que se observa que tanto o nucleófilo como o grupo abandonador estão parcialmente ligados ao átomo de carbono que está sofrendo a substituição. Considerando a reação, temos que o mecanismo é: A reação SN2 é um processo em uma etapa ou concertado. Estereoquímica da reação de substituição nucleofílica (SN2) Analisando o exemplo da reação de substituição do (S)-2-bromo-butano, observa-se que ela ocorre em uma única etapa, sem intermediários, com o nucleófilo atacando o substrato pelo lado oposto ao grupo de saída e invertendo, desta maneira, a configuração (estereoquímica) do átomo de carbono da 58 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. molécula, o que mostra que esta reação é estereoespecífica. Como podemos ver, no estado de transição, à medida que o átomo de Br vai se deslocando a configuração do C onde está ocorrendo a substituição vai invertendo. Como resultado, temos uma inversão de configuração que, no exemplo em questão, passa de S ((S)-2-bromo-butano) para R (R-2-iodo-butano). A inversão ocorrida é conhecida como inversão de Walden. O substrato e os efeitos estéricos na reação SN2 Considerando que o estado de transição de uma reação SN2 envolve a formação parcial de ligação entre o nucleófilo que entra e o C do halogeneto de alquila, espera-se que, se tivermos um substrato volumoso, a aproximação do nucleófilo (Nu) seja mais difícil e, consequentemente, a formação da ligação C-Nu. Logo, o estado de transição de um haleto de alquila mais impedido tem energia maior do que o menos impedido estericamente e se formará mais lentamente. A dificuldade para o ataque do Nu aumenta à medida que aumenta o tamanho dos substituintes ligados ao carbono que contém o grupo abandonador. Analisando a reatividade de uma sequência de haloalcanos, observa-se que os haletos de metila são bem mais reativos. À medida que se aumenta o nº de ramificações no C ligado ao halogênio, a reatividade diminui. Logo, a reação SN2 ocorrerá mais facilmente com haletos de metila, haletos primários e com poucos haletos secundários. Com haletos terciários, o impedimento estérico é maior e a reação do tipo SN2 não ocorrerá. Observemos os exemplos a seguir: Química Orgânica II Os halogenetos de vinila ( R2C=CRX ) e os halogenetos de arila não são reativos em reação do tipo SN2, provavelmente devido a fatores estéricos. Atividades de avaliação 1. Em cada par de compostos abaixo, indique qual reagirá mais rapidamente frente a um nucleófilo, em uma reação tipo SN2. Efeito do nucleófilo atacante Qualquer espécie química, neutra ou negativa pode atuar como nucleófilo, embora saibamos que a nucleofilicidade dependa de vários fatores, tais como: carga, basicidade, natureza do solvente e substituinte e polarizabilidade. Considerando o efeito da carga, observa-se que quando se compara nucleófilo que tem o mesmo átomo atacante sua reatividade aumenta com o aumento da carga negativa. 59 60 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Solventes apróticos são aqueles que não têm H ligado a átomo fortemente eletronegativo. Podemos correlacionar a nucleofilicidade com a basicidade e verificar que as espécies mais básicas são nucleófilos mais reativos. No entanto, dentro de um período da tabela periódica, a nucleofilicidade cresce da direita para a esquerda. Este comportamento pode ser exemplificado com as duas reações abaixo, em que temos o mesmo substrato reagindo com nucleófilos diferentes. Na 1ª linha da tabela periódica, a ordem de reatividade do nucleofilo é: H2N- > HO- > NH3 >F->H2O Observa-se que os átomos de N e O pertencem ao mesmo período da tabela periódica e que o oxigênio que está à direita do nitrogênio apresentou menor reatividade. Efeito do grupo de saída Na maioria das reações de substituição nucleofílica (SN2), o grupo de saída é aquele que fica com a carga negativa, logo, espera-se que os melhores grupos de saída sejam aqueles que acomodam melhor a carga negativa. O átomo de halogênio de um haloalcano é, por exemplo, um bom grupo abandonador, pois, quando ele sai, ele é uma base fraca e um ânion estável. Como a estabilidade de um ânion está relacionada com a sua basicidade, os melhores grupos de saída devem ser as bases mais fracas. Como podemos observar, os iodetos de alquila são os que reagem mais rapidamente. Como os fluoretos são os menos reativos, eles raramente participam das reações de substituição nucleofílica. O efeito do solvente A cinética de muitas reações SN2 é afetada pelo solvente. Os melhores solventes são os polares apróticos que contêm grupos fortemente polares, mas não têm grupos OH ou NH. Temos como exemplos os seguintes compostos: Química Orgânica II Os solventes próticos, como o metanol e o etanol, diminuem a velocidade das reações SN2 porque interagem com o nucleófilo atacante através de ligações de H, um processo conhecido como solvatação. 4.1.3 A reação SN1 Vimos que nas reações SN2 o grupo de saída é deslocado ao mesmo tempo em que o nucleófilo que vai substituí-lo se aproxima. Já nas reações SN1, o grupo de saída é eliminado antes da aproximação do nucleófilo. Veja o exemplo a seguir. Dois intermediários são formados. A primeira etapa é a etapa determinante da velocidade (etapa lenta). Ocorre a formação do carbocátion e o íon haleto. Diagramas de energia livre Algumas reações ocorrem de forma lenta, outras de forma rápida, algumas dão altos rendimentos, e outras, baixos rendimentos. A velocidade de uma reação química é determinada por ∆G# (energia livre de ativação) que é a diferença na energia livre entre os reagentes e o estado de transição. ∆Go (energia livre para reação) indica a diferença na energia livre entre os reagentes e produtos. 61 Solventes próticos são aqueles que têm H ligado a átomo fortemente eletronegativo. As moléculas de água e de álcool são solventes próticos 62 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. A diminuição da energia do reagente ou o aumento da energia do estado de transição causam o aumento de ∆G# e, em consequência, a redução na velocidade. O aumento na energia do reagente ou a diminuição da energia do estado de transição causam a diminuição de ∆G# e, em consequência, o aumento da velocidade de reação. A variação de energia que ocorre durante as reações pode ser descrita considerando-se a velocidade e o equilíbrio. A posição do equilíbrio químico é determinada pela variação de energia livre (∆G), que é dada por: ∆G = ∆H - T∆S ∆H = variação líquida da energia das ligações químicas (entalpia). ∆S = variação do grau de desordem durante a reação (entropia). Uma reação que possui energia de ativação mais alta será mais lenta do que aquela que tiver uma energia de ativação mais baixa. Quando ∆G é negativo, a reação libera energia chamada exergônica e seu equilíbrio é favorável. Já as reações com valores positivo de ∆G absorverão energia e serão chamadas de endergônicas, com equilíbrio desfavorável. Podemos representar o curso de uma reação (desde os reagentes, passando pelo estado de transição até chegar aos produtos) através do diagrama de energia de reação. Para melhor entendimento do diagrama, faz-se necessária a definição de alguns termos: l Estado de transição: é um complexo ativado que ocorre no ponto em que a reação tem maior energia. l Energia de ativação: quantidade de energia necessária para que os rea- gentes atinjam o topo da colina de energia (estado de transição). l Intermediário de reação: é uma espécie de vida curta que se situa em um mínimo de energia entre duas etapas sucessivas na curva de reação. l Coordenada de reação: grandeza que mede o progresso da reação. Considerando a reação SN2, observa-se que o grupo abandonador é deslocado no mesmo instante em que o nucleófilo se aproxima (Figura 2). Já na reação SN1 ocorre a dissociação espontânea do haleto de alquila para formar um intermediário carbocátion e esta é a etapa determinante da velocidade da reação (Figura 3). No estado de transição, a ligação C-X é quebrada e os íons começam a se desenvolver. Química Orgânica II Figura 2 – Diagrama de energia para reação SN2 Figura 3 – Diagrama de energia para reação SN1 Estereoquímica da reação SN1 Como as reações SN1 ocorrem através da formação de carbocátion como intermediário, as consequências estereoquímicas devem ser diferentes das observadas nas reações SN2. Para minimizar a repulsão eletrônica, o carbono contendo a carga positiva assume uma geometria trigonal plana, com hibridação sp2. O produto de uma reação SN1 sobre um enantiômero de um reagente quiral é obtido a partir de um intermediário carbocátion aquiral e é oticamente inativo. O carbocátion pode ser atacado pelo nucleófilo por qualquer um dos lados para dar a mistura de enântiomeros na proporção de 50:50 – uma mistura racêmica. 63 64 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Características da reação SN1 A reação SN1, do mesmo modo que a reação SN2, é fortemente influenciada pelas variáveis: solvente, grupo de saída, estrutura do substrato e natureza do nucleófilo atacante. O substrato Examinaremos agora os efeitos dos radicais alquilas (R) sobre as velocidades relativas das reações SN1. Os halogenetos de vinila e de arila não reagem com facilidade sob condições SN1, pois os cátions formados são instáveis: A reação SN1 é favorecida cineticamente quando se formam carbocátions estáveis, pois uma vez que esse íon está sendo gerado na formação do estado de transição, o haleto de alquila que levar à formação do carbocátion mais estável reagirá mais rapidamente. O aumento da estabilidade é atribuído ao efeito de hiperconjugação e à capacidade de dispersão da carga positiva através do efeito indutivo. A ordem esperada de estabilidade do carbocátion de alquila é: terciário > secundário > primário > metil. Devemos também acrescentar os cátions alila e benzila, estabilizados por ressonância. Espera-se que os haletos terciários reajam mais rapidamente e que os haletos de metila reajam tão lentamente a ponto de serem considerados inertes através de um mecanismo SN1. Química Orgânica II O grupo de saída Nas reações de substituição, os melhores grupos de saída devem ser os mais estáveis, isto é, as bases conjugadas de ácidos fortes. A mesma ordem de reatividade é encontrada tanto em SN2 como em SN1 porque o grupo de saída está diretamente envolvido na etapa limitante da velocidade. A ordem é o inverso da basicidade: O nucleófilo Como o nucleófilo atacante não participa da etapa determinante da velocidade nas reações SN1, este não tem a importância fundamental que tem nas reações SN2. Por exemplo: na reação do 2-metil-2-propanol com HCl, HBr ou HI ocorre a mesma velocidade. O solvente Os efeitos do solvente nas reações SN1 são devido principalmente à estabilização ou à desestabilização do estado de transição. Por causa da polaridade do estado de transição, os solventes polares estabilizam este estado e aumentam a velocidade da reação. Sabemos que solventes polares, como água, metanol e dimetil-sulfóxido (CH3SOCH3) solvatam bem íons, estabilizando o intermediário. A seguir, mostraremos na Tabela 2 um resumo geral das reações de substituição nucleofílicas SN1 e SN2. Tabela 2 R Metil Primário Secundário Terciário RESUMO GERAL DA REATIVIDADE DE R-X NAS SUBSTITUIÇÕES NUCLEOFÍLICAS SN2 SN1 Frequente; rápida com bons Nu e bons grupos Não é observado em solução. abandonadores Frequente; rápida com bons Nu e bons grupos Não é observado em solução. abandonadores. Relativamente lenta; melhor em solventes polares Relativamente lenta; melhor com altas próticos (p. ex., água, álcool) com bons grupos concentrações de bons Nu em solventes abandonadores. apróticos (p. ex., DMSO, DMF). Frequente; particularmente rápida em solventes Extremamente lenta. próticos e com bons grupos abandonadores. 65 66 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Atividades de avaliação Esta reação chama-se eliminação β porque o próton eliminado está ligado a um carbono β 1. Preveja se as seguintes reações são do tipo SN1 ou SN2 e indique o produto de cada reação: 4.2 Reações de eliminação dos halogenetos de alquila Dois tipos de reações são possíveis quando um nucleófilo (base de Lewis) reage com um halogeneto de alquila. O reagente pode atacar o átomo de carbono e substituir o halogênio (substituição nucleofílica) ou pode atacar o hidrogênio do átomo vizinho que contém o halogênio e eliminar HX para formar um alceno (reação de eliminação). Esta reação é normalmente chamada de desidrohalogenação. Exemplo: As reações de eliminação quase sempre produzem misturas de alcenos. Quando usamos haletos de alquila assimétricos, o máximo que se pode fazer é prever o produto majoritário. As reações de eliminação induzidas por bases, geralmente, produzem o alceno mais substituído (mais estável), isto é, o alceno que possui o maior número de substituintes nos carbonos da ligação dupla. Este comportamento é conhecido como regra de Zaitsev. Química Orgânica II 4.2.1 A reação E2 (Eliminação bimolecular) A reação E2 ocorre quando um halogeneto de alquila é tratado com uma base forte, como os íons hidróxidos ou alcóxidos (RO-). A velocidade de formação do alceno é proporcional à concentração do halogeneto e da base. A equação é de segunda ordem e deve ser bimolecular, semelhante à reação SN2. Consideremos como exemplo a reação do brometo de isopropila com etóxido de sódio em etanol sob refluxo. Vimos que forma-se muito mais propeno do que etil-isopropil éter. Cinética da reação E2 do brometo de isopropila Mecanismo da reação E2 As reações E2 sempre ocorrem com uma geometria periplanar, o que significa que os quatro átomos que participam da reação – o hidrogênio, os dois átomos de carbono e o grupo de saída – ficam no mesmo plano. A geometria antiperiplanar, em que H e X estão em lados opostos da molécula é favorecida energeticamente. 67 68 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Reação de eliminação e a conformação do ciclo hexano A geometria antiperiplanar da reação E2 é particularmente importante em anéis de ciclo-hexano, em que a geometria em cadeira torna rígida a relação entre os substituintes localizados em átomos de carbonos vizinhos. No sistema ciclo-hexano, a exigência da geometria antiperiplanar para reação E2 só pode ser atendida se o hidrogênio e o grupo de saída tiverem uma relação trans-diaxial. Substituição versus Eliminação (SN2 x E2) As duas reações são favorecidas por uma alta concentração do nucleófilo ou base forte. Haleto primário Se tivermos uma base desimpedida (p. ex., íon CH3CH2O-), a substituição é altamente favorecida, pois a aproximação da base do C contendo o grupo abandonador será mais fácil. Haleto secundário A reação de eliminação será favorecida com a presença de uma base forte porque o impedimento estérico (C com dois substituintes) dificultará a substituição. Haleto terciário A reação de substituição SN2 será difícil de ocorrer porque o impedimento estérico é ainda maior. Se tiver substituição, será através do mecanismo SN1. Se a reação for a altas temperaturas, a eliminação será muito favorável. A presença de uma base estericamente impedida (p. ex., o íon terc-butóxido) favorece a eliminação. Esse efeito pode ser observado nos exemplos a seguir: Química Orgânica II Observe que o íon terc-butóxido que é estericamente impedido favorece a eliminação. 4.2.2. A reação E1 (Eliminação unimolecular) Assim como a reação SN2 é análoga à reação E2, a reação SN1 também tem uma reação análoga: a reação E1. As reações têm em comum com a reação SN1 a etapa de dissociação unimolecular, mas, após a dissociação, o intermediário carbocátion perde um próton. Como esperado, as reações E1 tem cinética de primeira ordem, o que está de acordo com um processo de dissociação espontânea. Velocidade = K [ RX ] RX = Halogeneto de alquila. Ao contrário da reação E2 que requer geometria periplanar não existem restrições geométricas para a reação E1 porque o halogeneto e o hidrogênio são perdidos em etapas diferentes. Assim, na reação E1 para alcanos assimétricos, forma-se o produto mais estável (regra de Zaitsev). As reações E1 e SN1 normalmente ocorrem em competição quando halogenetos de alquila são tratados com nucleófilos não básicos em um solvente prótico. Assim, os melhores substratos para E1 também são os melhores substratos para SN1 e, geralmente, obtêm-se misturas de produtos. 69 70 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Mecanismo da reação de eliminação E1: Vimos que a etapa determinante da velocidade foi a formação do cátion terc-butila. Vale ressaltar que as reações E1 quase sempre acompanham as reações SN1. No exemplo que acabamos de ver, o oxigênio da água poderia ter atacado o carbono positivo do íon terc-butila e o produto teria sido o álcool terc-butílico. Substituição versus Eliminação (SN1 x E1) Tanto a reação SN1 como a E1 respondem de maneira semelhante aos fatores que afetam as reatividades. Fatores que favorecem E1: Substratos que formam carbocátions estáveis (p. ex., haletos terciários). Nucleófilos pobres (bases fracas) e solventes polares. Em baixas temperaturas, a reação SN1 é favorecida sobre a reação E1. Entretanto, se quisermos o produto da eliminação, é necessário o uso de uma base forte (p. ex., RO- ou R2N-) que favorecerá a reação E1. Química Orgânica II 71 Atividades de avaliação 1. Preveja se cada uma das reações abaixo é SN1, SN2, E1 ou E2: 5. Álcoois, fenóis e éteres Os álcoois e éteres possuem grupos de saída (OH−, RO−) que são bases mais fortes que os íons haleto (X−). Portanto, estes são menos reativos que os haletos de alquila em reações de substituição e eliminação. Como ácidos fracos, os álcoois e fenóis se dissociam fracamente em solução aquosa diluída, doando um próton para a água, formando (H3O+) e um íon alcóxido (RO−) ou um íon fenóxido (ArO−), como veremos a seguir. Os álcoois são compostos que têm grupos hidroxilas ligados a átomos de carbono sp3. Os álcoois são muito comuns na natureza e têm grande aplicação industrial e farmacêutica. O etanol, por exemplo, é utilizado como aditivo em combustíveis, como solvente e como bebida. O mentol, um álcool obtido do óleo de menta, é utilizado como flavorizante e odorizante. Quanto mais fraca for a base, mais facilmente ela poderá ser deslocada. Quanto mais forte for o ácido, mais fraca será sua base conjugada. Carbono sp3 é um átomo de carbono ligado somente por ligações do tipo σ, ou seja, um átomo saturado. 72 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 5.1. Propriedades dos álcoois: acidez e basicidade Os álcoois são fracamente ácidos e fracamente básicos. 5.2. Reações de álcoois As reações dos álcoois podem ser divididas em dois grupos. Existem as que ocorrem sobre a ligação C-O e as que ocorrem sobre a ligação O-H. Estas reações estão relacionadas principalmente com a reatividade do átomo de oxigênio da hidroxila como uma base fraca e com o próton da hidroxila como um ácido fraco. 5.2.1. Reação de desidratação Um álcool pode sofrer uma reação de eliminação, também conhecida como reação de desidratação, formando um alceno pela perda de H2O, em que a ligação C-O e uma ligação C-H vizinha se quebram para formar uma ligação π de alceno. A desidratação de um álcool requer um catalisador ácido e aquecimento. Geralmente, o produto formado segue a regra de Zaitsev e o alceno mais substituído é formado. Química Orgânica II 73 Reação geral Como exemplo, temos: Mecanismo: Apenas os álcoois terciários são rapidamente desidratados com ácido. Os álcoois secundários podem reagir somente em condições drásticas (75% H2SO4,100 oC) causando a degradação das moléculas mais sensíveis. Os álcoois primários são ainda menos reativos que os álcoois secundários. Sendo assim, a ordem de reatividade para as desidratações de álcoois catalisadas por ácido é: A determinação do tipo de álcool, se primário, secundário ou terciário, pode ser feita por meio das velocidades relativas com que estes álcoois reagem com HCl/ZnCl2. Esse método de análise é conhecido como teste de Lucas. 74 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Quando um álcool secundário é protonado, o carbocátion gerado sofre rearranjo, formando um carbocátion terciário mais estável, como visto a seguir. Muitos reagentes foram desenvolvidos para evitar o uso de ácidos fortes, levando à desidratação de álcoois secundários em condições mais brandas. Tais reagentes são eficientes em condições básicas. Como exemplo desse tipo de reagente, temos o POCl3. Química Orgânica II 75 Mecanismo: 5.2.2. Conversão de álcoois em halogenetos de alquila Os álcoois reagem com uma variedade de reagentes para produzir haletos de alquila. Todas essas reações resultam na quebra da ligação C − O do álcool, em que o grupo hidroxila é primeiramente convertido em grupo abandonador apropriado. Os álcoois são também bases de Lewis, isto é, podem doar um par de elétrons do oxigênio por coordenação a um ácido de Lewis. Os álcoois terciários se convertem facilmente em halogenetos de alquila por tratamento com HCl ou HBr Os álcoois secundários e primários são mais resistentes aos ácidos, mas se convertem em halogenetos por tratamento com SOCl2 ou PBr3. Esse tipo de reação funciona bem para álcoois primários e secundários, mas os terciários fornecem rendimentos baixos, pois o intermediário formado por um álcool terciário é impedido estericamente do ataque pelo íon haleto. 76 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. As reações dos álcoois primários e secundários seguem um mecanismo SN2, em que o grupo hidroxila é convertido em um bom grupo de saída, sendo liberado pelo ataque do nucleófilo pelo lado oposto. Já álcoois terciários seguem um mecanismo SN1, via formação de carbocátion. 5.2.3. Conversão de álcoois a éteres Como vimos anteriormente, os álcoois podem se desidratar para formar alcenos. Entretanto, os álcoois também podem se desidratar para formar éteres. A limitação desse tipo de reação é que ela só pode ocorrer entre álcoois primários. A formação do éter ocorre através de um mecanismo SN2 com uma molécula do álcool agindo como nucleófilo, e a outra molécula protonada do álcool agindo como o substrato. Química Orgânica II 5.2.4. Conversão de álcoois a ésteres Os álcoois são normalmente convertidos a ésteres pela reação com uma molécula de ácido carboxílico ou uma molécula de cloreto de ácido. 5.2.5. Oxidação de álcoois Uma das reações mais úteis dos álcoois é a reação de oxidação para produzir compostos carbonilados. Nesse tipo de reação, os álcoois primários produzem aldeídos e ácidos carboxílicos, e os álcoois secundários dão cetonas. Já os álcoois terciários não reagem com a maioria dos agentes oxidantes. Os álcoois primários são oxidados a aldeídos ou a ácidos carboxílicos, dependendo do reagente e das condições empregadas. Provavelmente, o melhor método para formação de aldeído é aquele que usa o reagente PCC (piridina-cloro-cromato). 77 78 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Os demais reagentes, como o trióxido de cromo (CrO3) em H2SO4 aquoso, conhecido como reagente de Jones, oxida os álcoois primários diretamente a ácidos carboxílicos, sem passar por aldeído. Mecanismo: A reação ocorre em duas etapas. Primeiramente ocorre a reação entre o álcool e um reagente de Cr (VI) para dar um intermediário cromato que contém uma ligação O-Cr. Na segunda etapa, ocorre a eliminação bimolecular dando como produto o composto carbonilado. 5.3. Proteção de álcoois Algumas vezes, na síntese de moléculas complexas, é comum a interferência de um grupo funcional na reação que se pretende realizar em outro grupo da mesma molécula. Soluciona-se este tipo de problema protegendo o grupo funcional que interfere. A proteção envolve três etapas: (1) introduzindo um grupo protetor com a finalidade de bloquear a função interferente; (2) a realização da reação que se deseja e (3) a remoção do grupo protetor. Um dos métodos mais comuns de proteção de álcoois é a reação com clorotrimetilsilano para produzir o grupo protetor trimetilsilil éter (TMS). Química Orgânica II 79 Atividades de avaliação 1. Começando com cada um dos seguintes compostos, esboce uma síntese prática do butan-1-ol: a) but-1-eno c) 2-clorobutano b) 1-clorobutano d) but-1-ino 6. Fenóis Os fenóis são compostos que têm um grupo −OH diretamente ligado a um anel aromático, ArOH. São comuns na natureza e são intermediários na síntese industrial de diversos produtos, como adesivos e anti-sépticos. 6.1. Propriedades dos fenóis Os fenóis são consideravelmente mais ácidos do que os álcoois, pois os pares de elétrons livres do átomo de oxigênio estão envolvidos na ressonância do anel e, desta forma, a ligação entre o oxigênio e o hidrogênio fica mais fraca. Assim sendo, o átomo de hidrogênio irá ser mais facilmente removido. O conservante de comida BHT é preparado pela reação de alquilação de Friedel-Crafts do p-cresol com o 2-metilpropeno na presença de ácido. 80 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. A sua maior acidez em relação aos álcoois é explicada pelo fato de o ânion fenóxido ser mais estabilizado por ressonância do que o fenol. A sua acidez poderá aumentar ou diminuir em razão da natureza de grupos substituintes no anel. 6.2. Reações dos fenóis Os fenóis apresentam propriedades químicas muito semelhantes à dos álcoois. Desta forma, os fenóis podem ser convertidos em ésteres por reação com cloreto de acila ou anidrido de ácidos, e em éteres por reação com halogenetos de alquila em meio básico (síntese de Williamson). Mecanismo: 6.2.1. Reação como ácidos Apesar dos fenóis serem estruturalmente semelhantes aos álcoois, são ácidos muito mais fortes. Química Orgânica II Resultados experimentais e teóricos mostram que a maior acidez dos fenóis é devida, principalmente, a uma distribuição de carga elétrica no fenol que faz com que o oxigênio do –OH seja mais positivo, portanto, o próton está ligado com menor força. O anel benzênico atua como se fosse um grupo retirante de elétrons, comparado ao cicloexanol. Este efeito é entendido, se observarmos que o carbono que se liga ao grupo –OH é sp2 no fenol e sp3 no cicloexanol. Devido ao caráter mais acentuado em s, os átomos de carbonos sp2 são mais eletronegativos do que os carbonos sp3. Outro fator que influi na distribuição de elétrons pode ser as contribuições ao híbrido da ressonância global, como mostram as estruturas canônicas de I a V, mostradas a seguir. 6.2.2. Reações de substituição aromática eletrofílica do anel benzênico dos fenóis O grupo hidroxila é um ativante forte e um dirigente orto e para nas reações de substituição aromática eletrofílica. Como resultado deste comportamento, os fenóis são substratos muito reativos nas reações eletrofílicas de halogenação, nitração, sulfonação, alquilação e acilação de Friedel-Crafts, assim como no acoplamento com sais de diazônio para dar corantes azo. 81 82 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Exemplos: Bromação: Nitração: Sulfonação: 6.2.3. Reação de oxidação de fenóis e produção das quinonas Os fenóis não sofrem oxidação da mesma forma que os álcoois, pois estes não apresentam átomo de hidrogênio ligado a átomo de carbono que contém o grupo hidroxila. Como se sabe, os fenóis apresentam o anel rico em elétrons, resultando então na suscetibilidade dos fenóis à oxidação. O tratamento com oxidantes fortes leva à formação de quinonas. Química Orgânica II 83 O éter dietílico (conhecido simplesmente como éter) é um relaxante muscular de vida curta e tem sido amplamente utilizado, por meio da inalação, como anestésico. CH3CH2OCH2CH3 “éter” Atividades de avaliação 1. Mostre o mecanismo de reação do 4-metilfenol com o 2-metilpropeno na presença de ácido como catalisador para formar o conservante BHT. 7. Éteres Os éteres diferem dos álcoois pelo fato de o átomo de oxigênio de um éter estar ligado a dois átomos de carbono. Estes podem ser considerados derivados orgânicos da água com os átomos de hidrogênio H−O−H, substituídos por grupos R (R−O−R), onde R = alquila, alquenila, vinila, alquinila ou arila. As ligações R−O−R têm ângulos aproximadamente tetraédricos (112o) com o átomo de oxigênio apresentando hibridização sp3. 7.1. Propriedades dos éteres Os grupos −OR de um éter e −OH de um álcool têm, aproximadamente, a mesma basicidade, pois seus ácidos conjugados têm valores similares de pKa. Os dois grupos anteriormente citados são bases fortes e grupos de saída fracos. Em consequência disto, álcoois e éteres não são muito reativos diante da reação de substituição nucleofílica. No entanto, assim como os álcoois, os éteres podem ser ativados por protonação e, desta forma, podem sofrer reações de substituição nucleofílica com HBr e HI. 84 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 7.2. Reações dos éteres 7.2.1. Reações em meio ácido Os éteres dialquílicos reagem com poucos reagentes que não os ácidos. Os éteres são inertes frente a muitos reagentes químicos, tais como: halogênios, ácidos diluídos, bases e nucleófilos. Porém, em meio ácido forte ocorre a quebra da ligação. HI aquoso é o reagente preferido para a quebra de éteres simples, embora HBr aquoso também seja usado, HCl não quebra éteres. A quebra em meio ácido ocorre via SN1 e SN2, dependendo da estrutura do éter. Os éteres de alquilas primários e secundários reagem via SN2, com iodeto (I−) ou brometo (Br−) atacando o éter protonado no sítio menos substituídos. O resultado é, geralmente, a quebra seletiva, com produção de um único álcool e um único halogeneto de alquila. Já os éteres terciários, benzílicos e alílicos sofrem quebra via SN1 e E1, pois estes podem produzir carbocátions mais estáveis. Os éteres nos quais o átomo de oxigênio está incorporado em um anel (éteres cíclicos), em sua maioria, se comportam como os éteres de cadeia aberta. Os éteres, como tetrahidrofurano (THF) e o dioxano, por exemplo, são Química Orgânica II frequentemente usados como solventes porque são inertes, apesar da quebra em meio ácido forte. Os únicos éteres cíclicos que se comportam de forma diferente dos éteres de cadeia aberta são os que têm um átomo de oxigênio incorporado a um anel de três átomos, os epóxidos ou oxiranos. A tensão angular do anel de três átomos dá aos epóxidos sua reatividade química característica. Apesar de um epóxido e um éter terem o mesmo grupo de partida, os epóxidos são muito mais reativos que os éteres diante de reações de substituição nucleofílica. Os anéis dos epóxidos abrem-se em meio ácido, reagindo em condições mais suaves do que os éteres de cadeia aberta. Mecanismo: 85 86 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Uma outra peculiaridade dos epóxidos em relação aos outros éteres é que os epóxidos podem ser abertos também por bases. 7.2.2. Regioquímica da ruptura do anel de um epóxido Se um epóxido é assimétrico, na abertura do anel catalisada por base, a direção da abertura do anel depende de sua estrutura e das condições da reação. Com um nucleófilo básico (SN2), o ataque ocorre no átomo de carbono menos substituído do anel do epóxido. Já na abertura do anel catalisada por ácido de um epóxido assimétrico, a regioquímica da abertura do anel depende da estrutura do epóxido e, geralmente, ocorre a formação da mistura de produtos. Atividades de avaliação 1. Dê o produto principal para cada uma das seguintes reações: Química Orgânica II Referências ALLINGER, N. L.; CAVA, M. P.; JONGH, D. C.; JOHNSON, C. R.; LEBEL N. A. e STEVENS, C. L. Química Orgânica, 2. ed., Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1976. BRUICE, P. Y. Química Orgânica, 4. ed., vol. 1. – São Paulo: Pearson / Prentice Hall, 2006. MCMURRY, J. Química Orgânica. 6. ed. vol.1. São Paulo: Thomson Learning, 2005. SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE, C. B. Química Orgânica, 8. ed., vol. 1, Rio de Janeiro: LTC, 2005. VOLHARD, K. P. C., SCHORE, N. E. Química Orgânica: Estrutura e função, 4. ed., Porto Alegre: Bookman, 2004. 87 Capítulo Mecanismo de Reações de Aldeídos e Cetonas 4 Química Orgânica II Objetivos • Escrever o mecanismo geral, utilizando setas curvas para adições nucleofílicas ao grupo carbonila dos seguintes nucleófilos: reagente de Grignard, alquil-litio, álcool, água, amina, ácido cianídrico e ilídeos. • Reconhecer os reagentes para transformação de aldeído em ácidos carboxílicos. • Reconhecer os reagentes e as condições usadas para redução de aldeídos e cetonas a álcool. • Escrever as reações de condensação com amoníaco e seus derivados. • Reconhecer os reagentes e as condições usadas para α-halogenação. Veremos nesta unidade o grupo funcional mais importante da química orgânica, o grupo carbonila, C=O. Aldeídos e cetonas, frequentemente combinados com outros grupos funcionais, são muito abundantes na natureza. Alguns são obtidos de plantas ou micro-organismos (Figura 1), e outros são de origem animal (Figura 2). Cinamaldeído Vanilina Citral Helmintosporal Carvona Figura 1 – Compostos carbonilados obtidos de plantas ou fungos. Muscona Progesterona Testosterona Figura 2 – Compostos carbonilados de origem animal. Cortisona Cânfora 91 92 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Muitas moléculas que contêm o grupo carbonila têm importância biológica e agem como agentes farmacêuticos. O acetominofeno, por exemplo, é o ingrediente ativo de muitos remédios contra dor de cabeça. 1. Natureza do grupo carbonila Na ligação dupla carbono-oxigênio do grupo carbonila, o átomo de carbono tem hibridação sp2 e forma três ligações σ. O quarto elétron de valência permanece no orbital p do carbono e forma ligação π com o oxigênio, por superposição com o orbital p do oxigênio. O átomo de oxigênio tem dois pares de elétrons não-ligantes nos dois orbitais restantes. As reações comuns dos grupos carbonilas ocorrem por um dos três mecanismos gerais: adição nucleofílica, substituição alfa e condensação de compostos carbonilados. 2. Propriedades dos aldeídos e cetonas O grupo carbonila é um grupo planar, com ângulos de ligação de 120o, aproximadamente. Devido à grande eletronegatividade do oxigênio, a ligação é polar e aldeídos e cetonas têm momentos de dipolo (D) maiores que alcenos. As estruturas de ressonância acima ilustram essa polaridade, e os valores dos momentos de dipolo relativos do formaldeído e de outros aldeídos e cetonas confirmam a influência que os substituintes alquilas (R) têm na es- Química Orgânica II 93 tabilidade do carbocátion. Aldeídos e cetonas possuem maiores pontos de ebulição que alcenos de tamanhos semelhantes, e a presença do oxigênio com dois pares de elétrons não ligantes tornam aldeídos e cetonas receptores de ligação de hidrogênio, fazendo com que suas solubilidades em água sejam relativamente maiores que dos hidrocarbonetos. A reação mais comum dos aldeídos e das cetonas é a adição nucleofílica, em que um nucleófilo se adiciona ao carbono eletrofílico do grupo carbonila. O carbono da carbonila passa da hibridação sp2 para sp3, correspondendo ao íon alcóxido de geometria tetraédrica. Por razões estéricas e eletrônicas, os aldeídos são geralmente mais reativos do que as cetonas nas reações de adição nucleofílica. Do ponto de vista estérico, a presença de dois substituintes relativamente grandes nas cetonas contra um nos aldeídos significa que os nucleófilos atacantes podem se aproximar mais facilmente dos aldeídos do que das cetonas. Assim, o estado de transição que leva ao intermediário tetraédrico é menos impedido e tem menor energia nos aldeídos do que nas cetonas. Do ponto de vista eletrônico, os aldeídos são mais reativos do que as cetonas, pois o átomo de carbono da carbonila do aldeído é mais positivo que o átomo de carbono da cetona. 3. Reações de adição nucleofílica à ligação dupla carbono-oxigênio Na reação de adição nucleofílica, um nucleófilo (Nu) ataca o átomo de carbono eletrofílico da carbonila (C=O), formando a ligação C-Nu. Embora a reação geral mais importante seja a adição nucleofílica, aldeídos e cetonas contêm três regiões, onde a reação pode ocorrer. O Nu pode ser uma espécie com uma carga negativa ou uma espécie neutra, como exs., temos: 94 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Os reagentes como H2O, HCl, HBr e H2SO4, normalmente não rendem produtos de adição à carbonila, pois suas constantes de equilíbrio para a reação são desfavoráveis. 3.1. Adição nucleofílica de H2O: hidratação Aldeídos e cetonas reagem com água para dar 1,1-dióis, ou dióis geminados (gem). A água reage rapidamente com a função carbonila dos aldeídos e cetonas. Em muitos casos, o hidrato resultante (diol-gem) é instável e não pode ser isolado. Exceção a esta regra ocorre com o formaldeído que, em água (formalina), é quase exclusivamente o hidrato ou polímeros do hidrato. 1. Considerando a adição de água à acetona, temos a seguinte reação de equilíbrio: 2. Esta reação é lenta em água pura, mas é catalisada por ácidos e por bases. O mecanismo para formação do hidrato é: Química Orgânica II Meio Ácido: Meio Básico: Atividades de avaliação 1. Mostre as etapas de formação dos hidratos a partir dos seguintes compostos: a) cicloexanona; b) acetaldeído (etanal); c) benzaldeído; d) 3-pentanona 3.2. Adição nucleofílica de álcoois: formação de acetais Aldeídos e cetonas reagem reversivelmente com dois equivalentes de um álcool, na presença de um catalisador ácido, para dar acetais ( R2C(OR)2). 95 96 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Algumas vezes o acetal recebe a denominação de CETAL, quando derivado da cetona. Assim como a água, os álcoois são nucleófilos fracos, necessitando de um catalisador ácido. Sob condições ácidas, a reatividade do grupo carbonila é aumentada pela protonação, de modo que a adição de um álcool ocorre de forma rápida. Após a adição de um equivalente de álcool, temos a formação do hemiacetal, como pode ser observado no mecanismo a seguir: Para formação do acetal é necessário que o hemiacetal formado reaja com um outro equivalente molar de álcool. Um acetal é um diéter geminado que possui dois grupos –OR ligados ao mesmo átomo de carbono. O hemiacetal é frequentemente muito instável para ser isolado. R2C=O + 2 R’OH → R2C(OR’)2 + H2O Veja o mecanismo de formação do acetal catalisada por ácido. Química Orgânica II Atividades de avaliação 1. Mostre o mecanismo das etapas de formação do acetal a partir da reação abaixo: 3.3 Adição nucleofílica de HCN: formação de cianoidrinas Aldeídos e cetonas reagem com HCN para dar cianoidrinas. RCH=O + H–C≡N RCH(OH)CN (cianoidrina) É uma reação reversível e catalisada por base. Se usarmos somente o ácido HCN, a reação ocorrerá lentamente. Entretanto, na presença de base, a reação ocorrerá rapidamente após formação do íon cianeto (CN-). A formação da cianoidrina é fracamente exotérmica e é favorável para aldeídos e para cetonas cíclicas impedidas e metil cetonas. Dois exemplos são mostrados a seguir. 97 98 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Consideremos como exemplo a adição nucleofílica de CN- ao benzaldeído. O mecanismo para formação da mandelonitrila (cianoidrina) é: 3.4 Adição de reagentes organometálicos: formação de álcool Os dois compostos mais comumente utilizados neste tipo de reação são os reagentes alquil-lítio e os reagentes de Grignard. Eles são preparados a partir de haletos de alquila e arila. Estes reagentes são nucleófilos poderosos e bases muito fortes de modo que se ligam facilmente a átomos de carbono da carbonila, dando alcóxido sais de lítio ou de magnésio. Reações desse tipo estão entre os mais importantes métodos sintéticos disponíveis aos químicos, porque elas permitem formar estruturas mais complexas a partir de simples compostos. A reação geral está representada no diagrama seguinte. A reação de um composto de Grignard, RMgX com aldeído ou cetona para dar álcoois é uma adição nucleofílica de um ânion de carbono, ou carbânion. A ligação C-Mg no composto de Grignard é tão fortemente polarizada que os reagentes de Grignard atuam, para todos os fins práticos, como R-Mg+X. Química Orgânica II 99 As adições de Grignard são irreversíveis porque um carbânion é um grupo de saída muito pobre para ser expelido na reação inversa. Mecanismo: Inicialmente, o Mg se coordena com o oxigênio da carbonila tornando-a um melhor grupo receptor de elétrons. Em seguida, o grupo alquila é adicionado para formar um alcóxido de Mg complexo do qual o álcool pode ser liberado pela adição de ácido diluído. A reação a seguir mostra a formação de um álcool secundário a partir do benzaldeído. Os reagentes organo-lítio comportam-se do mesmo modo que os reagentes de Grignard em reações de aldeídos e cetonas. Vejamos o exemplo a seguir. Atividades de avaliação 1. Desenhe a estrutura do maior produto esperado em cada uma seguinte reação: Cetonas reagem com reagentes organometálicos para dar alcoóis terciários; aldeídos reagem para produzir alcoóis secundários. 100 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 3.5. Adição nucleofílica de aminas: formação de iminas e enaminas A reação de aldeídos e cetonas com amônia ou aminas primárias (RNH2) forma iminas, R2C=NR, também chamadas de base de Schiff. Já a reação com aminas secundárias produz enaminas, R2N-CR=CR2. Formação da imina: Formação da enamina: Estas reações são reversíveis, catalisada por ácido, e envolvem o ataque nucleofílico ao grupo carbonila pela amina. A reação é lenta em pH alto ou baixo, porém alcança uma velocidade máxima em pH fracamente ácido. Em um meio ácido demais (pH baixo), o nucleófilo amina é completamente protonado, e o estágio inicial da adição nucleofílica não pode ocorrer. Química Orgânica II Adição nucleofílica de uma amina primária para formar imina. Etapa 1: Uma reação ácido/base. Protonação da carbonila, tornandoa mais susceptível para o ataque do nucleófilo neutro (N da amina). Etapa 2: Ataque do N nucleofílico da amina primária ao C eletrofílico do grupo C=O. Etapa 3: A remoção do próton e neutralização da carga positiva do N. Etapa 4: Protonação do O do grupo –OH para formar H2O em uma simples reação ácido/base. Etapa 5: Uso dos elétrons do N para expulsar o grupo abandonador, uma molécula de água neutra, e formação do íon imínio. Etapa 6: Uma reação ácido/base. Retirada do próton do íon imínio formando a imina e o catalisador ácido. 101 102 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Mecanismo de formação da enamina: Adição nucleofílica de uma amina secundária para formar enamina. Etapa 1: Uma reação ácido/base. Protonação da carbonila, tornandoa mais susceptível para o ataque do nucleófilo neutro (N da amina secundária). Etapa 2: Ataque do N nucleofílico da amina primária ao C eletrofílico do grupo C=O. Etapa 3: A remoção do próton e neutralização da carga positiva do N. Etapa 4: Protonação do O do grupo -OH para formar H2O em uma simples reação ácido/base. Etapa 5: Remoção do próton de um C adjacente com formação da ligação dupla e liberação da água para formação da enamina. Iminas às vezes são difíceis de isolar e purificar devido à sua sen- sibilidade à hidrólise. Por conseguinte, outros reagentes do tipo Y-NH2 (Y=OH, por exemplo) foram estudados e produtos estáveis foram obti- Química Orgânica II 103 dos (R2C = N-Y). Um aspecto interessante dessa reação é que estereoisômeros podem ser formados quando os grupos R da carbonila do reagente são diferentes. Assim, o benzaldeído forma duas oximas estereoisoméricas, um isômero contendo o grupo hidroxila cis com hidrogênio do aldeído (chamado sin), e um isômero no qual o grupo hidroxila e hidrogênio são trans (isômero anti). 8. Na reação de aldeídos ou cetonas com semicarbazidas, o produto formado será uma semicarbazona. 3.6 Adição nucleofílica de hidreto: redução A reação de adição de hidretos metálicos a aldeídos e cetonas diminui o estado de oxidação do carbono e pode ser classificada como redução. Os redutores mais comuns são LiAlH4 (hidreto de alumínio e lítio) e NaBH4 (boridreto de sódio ). A reação de redução de aldeídos e cetonas é uma reação de adição nuleofílica do íon hidreto, H, e é um método geral de preparação de álcoois. Inicialmente o ânion hidreto (nucleófilo) é adicionado à cetona ou ao aldeído e o intermediário tetraédrico alcóxido é formado. A adição posterior de água ou ácido aquoso protona o alcóxido e gera o álcool. As cetonas são convertidas em álcoois secundários e os aldeídos em álcoois primários. O reagente NaBH4 é o mais utilizado por questões de segurança e facilidade de manuseio. Já o LiAlH4, embora seja mais reativo, é muito mais perigoso que o NaBH4. 104 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. A hidrogenação catalítica é considerada um método prático para a redução de aldeídos e cetonas a álcoois. Tal reação pode ser conseguida na presença de solventes inertes ou em líquidos puros usando-se catalisadores de Pt, Pd, Ni ou Ru. Como a hidrogenação de uma ligação dupla carbono-carbono é mais rápida que a hidrogenação da carbonila de aldeídos e cetonas, fica difícil reduzir cataliticamente uma carbonila em presença de ligações duplas carbono-carbono sem afetá-la. 3.7 Adição nucleofílica de ilídeos de fósforo: A reação de Wittig A reação de Wittig converte aldeídos e cetonas em alcenos; o ilídeo de fósforo R2C-P(C6H5)3, também denominado fosforano, é gerado pela reação dos sais apropriados com bases fortes. Ele se adiciona a um aldeído ou a uma cetona, para dar um intermediário dipolar denominado betaína. Este intermediário se decompõe facilmente para dar alceno e óxido de trifenilfosfina. Formação do sal: Formaçao do ilídeo: Química Orgânica II Condensação com o composto carbonilado: Mecanismo: A importância da reação de Wittig é que ela produz alcenos puros e de estrutura conhecida. 4. Outras reações de grupos carbonílicos 4.1. Redução de Wolff-Kishner A reação de aldeído ou cetona com excesso de hidrazina gera um derivado hidrazona que, quando aquecido com base, forma o hidrocarboneto correspondente. Esta reação é um método valioso de conversão de aldeídos e cetonas em alcanos. A reação a seguir mostra como essa redução pode ser usada para converter ciclopentanona em ciclopentano. Observe que o grupo carbonila foi convertido no grupo metileno (CH2) com a remoção completa do oxigênio. O mecanismo desta transformação envolve tautomerização da hidrazona inicialmente formada para dar um isômero azo. As condições fortemente básicas utilizadas nesta reação impedem sua aplicação com compostos sensíveis à base. 105 106 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 4.2. Redução de Clemmensen Existe, além da reação de Wolff-Kishner, um outro processo, denominado redução de Clemmensen, que também converte cetonas ou aldeídos em alcanos. Este método alternativo envolve aquecimento de um grupo carbonila em amálgama de zinco na presença de ácido clorídrico. A reação é usada, principalmente, quando a cetona ou o aldeído são sensíveis às fortes condições básicas requeridas pela redução de Wolff-Kishner. O exemplo a seguir mostra uma aplicação comum desta reação. 4.3. Reações de oxidação O átomo de carbono de uma carbonila tem um estado de oxidação relativamente elevado. A reação de oxidação mais comum é a conversão de aldeídos em ácidos carboxílicos. Na equação abreviada mostrada a seguir, o símbolo [O] refere-se às condições de oxidação não especificada. Alguns métodos diferentes de realizar essa transformação serão descritos aqui. RCH=O + [O] RCO2H Outros reagentes, entre eles o permanganato de potássio aquoso e o bromo diluído, fazem a mesma transformação. Mesmo o oxigênio no ar vai oxidar lentamente aldeídos a ácidos ou peroxiácidos, provavelmente por um mecanismo via radical. Os testes de Tollens, de Benedict e de Fehling, que são usados para identificação de aldeídos, utilizam essa reação de oxidação em que Ag (+) e Cu (2+) são os agentes oxidantes. Química Orgânica II 107 Quando o cátion prata é o oxidante, como na equação acima, ele é reduzido à prata metálica no decurso da reação e se deposita como um espelho na superfície interna do recipiente de reação. Este teste é utilizado para distinguir os aldeídos da maior parte das cetonas, pois ele dá ensaio negativo com todas as cetonas, exceto com aquelas α-hidroxiladas. Os reagentes de Fehling e de Benedict são usados para promover a oxidação seletiva dos aldeídos, especialmente em carboidratos. Esses reagentes contêm o cátion cúprico (Cu+2) como oxidante. Ao oxidar-se o aldeído para formar um ácido carboxílico, o complexo azul de Cu+2 é reduzido a íon cuproso (Cu+), que, na solução básica, forma um precipitado marrom-avermelhado de Cu2O. Todas estas oxidações devem ser conduzidas sob condições alcalinas. Para evitar a precipitação dos hidróxidos metálicos insolúveis, os cátions devem ser estabilizados como íons complexos. A prata no teste de Tollens é usada na forma de complexo de amônia, Ag(NH3)2(+), e íons cúpricos são usados como complexos de citrato ou tartarato. A D-glicose e outros carboidratos, que são oxidados por oxidantes fracos como reagente de Tollens (Ag+), Fehling ou Benedict (Cu+2), são chamados redutores (porque reduzem estes reagentes). A maior parte das reações de caracterização de cetonas baseia-se na formação de um derivado, a partir da reação de condensação com aminas substituídas. As reações ocorrem entre o grupo carbonila e o grupo -NH2 da amina substituída (serve também para identificar aldeídos). O nucleófilo que, no exemplo a seguir, será a 2,4-dinitrofenilidrazina (1), ataca o carbono carbonílico em (2), formando compostos cristalinos (3) de ponto de fusão bem definidos e, portanto, úteis para a identificação e caracterização. O reagente de Fehling é usado como um teste qualitativo para a presença de glicose na urina, indicação de diabetes ou disfunção renal. 108 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Ao discutir a oxidação de álcoois 1º e 2º, observamos que o reagente de Jones (uma solução de trióxido de cromo em ácido sulfúrico concentrado) converte aldeídos em ácidos carboxílicos, presumivelmente através do hidrato. Álcoois terciários não reagem. A oxidação é acompanhada de formação de precipitado verde do sulfato crômico. Atividades de avaliação 1. Que produto você esperaria obter a partir da oxidação dos seguintes compostos com CrO3 em meio aquoso ácido? 2. Mostre os produtos obtidos das reações de redução dos compostos abaixo: 4.4. Reações no carbono α 4.4.1. Halogenação de aldeídos e cetonas Muitos aldeídos e cetonas sofrem reações de substituição em um carbono alfa. Estas reações são catalisadas por ácido ou base, mas, no caso de halogenação, a reação gera um ácido como um dos produtos. Se o carbono alfa é um centro quiral, os produtos de halogenação são racêmicos. As formas cetônicas e enólicas dos compostos carbonílicos são isômeros constitucionais que recebem um termo especial chamados de tautômeros, e a conversão de uma forma na outra é denominada tautomerização. Química Orgânica II As reações no carbono α são caracterizadas pelo um ataque eletrofílico da ligação dupla rica em elétron de um tautômero enol. Portanto, se reações de substituição eletrofílica deste tipo ocorrerem, é necessário que o caráter nucleofílico seja estabelecido no carbono alfa. Uma descrição completa da tautomerização ceto-enol catalisada por ácido e base pode ser vista a seguir. Observa-se que apenas duas espécies intermediárias satisfazem esta exigência. Estes são os tautômero enol e sua base conjugada, normalmente referida como um ânion enolato. Halogenação promovida por base As cetonas e os aldeídos que possuem um hidrogênio alfa reagem facilmente com halogênios através de reações de substituição. As velocidades das reações aumentam com a presença de ácidos ou bases. Na presença de bases, a halogenação ocorre através da lenta formação de um ânion enolato ou um enol, seguida por uma reação rápida do ânion enolato ou enol com halogênio. 109 110 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Mecanismo: Halogenação promovida por ácido Na presença de ácidos, a halogenação ocorre através da lenta formação de um enol, seguida pela rápida reação do enol com o halogênio. Mecanismo: Considerando a cinética da reação, sabe-se que, nas duas reações de halogenação (meio básico/meio ácido), as velocidades iniciais não dependem da concentração de halogênio e, como podemos ver nos mecanismos propostos acima, a etapa lenta que determina a velocidade da reação ocorre antes da intervenção do halogênio. Química Orgânica II 111 4.4.2. A reação de halofórmio A halogenação de metil cetonas catalisada por base é acompanhada pela ruptura de uma ligação C-C, produzindo um sal de carboxilato e halofórmio (CHX3). Como mostrado no exemplo a seguir, uma base conjugada (enolato) reage com o halogênio para formar uma α- halo cetona. Este processo é repetido até que o carbono α seja totalmente halogenado. Os derivados trihalogenados formados a partir de metil cetonas sofrem ataque ao carbono carbonílico por base, provocando uma clivagem carbono-carbono entre o grupo carbonila e o grupo trihalometila (CHX3). Nomenclatura do CHX3: clorofórmio (X=Cl), bromofórmio (X=Br) e iodofórmio (X=I). O teste iodofórmio pode ser utilizado para identificar metil cetonas, bem como álcoois, que dão metil cetonas quando oxidado. O iodofórmio é um produto facilmente identificável, amarelo brilhante, insolúvel em água, sólido e com um odor característico. Quando as metilcetonas reagem com os halogênios na presença de base, halogenações múltiplas sempre ocorrem no carbono do grupo metila. Isto ocorre porque a introdução do primeiro halogênio (devido a sua eletronegatividade) torna os demais hidrogênios- no carbono de metila, mais ácidos. Quando a reação ocorre com hidróxido de sódio, o íon hidróxido ataca o átomo de carbono carbonílico da cetona trialogenada e provoca uma clivagem carbono-carbono entre o grupo carbonila e o grupo trialometila. O teste do iodofórmio se baseia na reação de metil cetonas com o iodo e solução aquosa de NaOH. 112 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 4.4.3. Condensação de aldol A condensação de aldol é uma reação de substituição eletrofílica no carbono alfa muito utilizada para formar novas ligações C-C. Três reações de condensação aldólica catalisadas por base são mostradas a seguir: A transformação fundamental para essa reação é uma dimerização de um aldeído (ou cetona) para formar um betahidroxi-aldeído (ou cetona). Quando o acetaldeído (reação 1) reage com hidróxido de sódio diluído à temperatura ambiente, ocorre uma dimerização, produzindo o 3 – hidroxi-butanal. Esta reação é conhecida como condensação de aldol. O mecanismo dessa reação envolve a formação de um íon enolato que ataca o carbono da carbonila de outra molécula, havendo, posteriormente, a transferência de próton. Química Orgânica II Se a mistura básica que contém o aldol for aquecida, ocorre a desidratação, e o 2 – butenal será formado. Mecanismo: 4.4.4. Alquilação direta das cetonas via enolatos de lítio A reação de haletos de alquila com ânions enolatos apresenta o mesmo problema de competição entre as reações SN2 e E2, que foi visto no capítulo haleto de alquila. Já que ânions enolatos são bases muito fortes, eles geralmente causam a eliminação quando reagem com halogenetos secundários e terciários. Logo, essas reações de alquilação que ocorrem via substituição nucleofílica SN2 ocorrerão com êxito quando forem usados haletos de alquila primário, haleto benzílico primário e haleto alílico primário. Dois exemplos da C-alquilação de ânions enolato em síntese são exibidos no diagrama seguinte. Eles utilizam a base forte LDA (diisopropilamida de lítio- (i-C3H7)2N-Li+), 113 114 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. que é o reagente de escolha para a maioria das alquilações intermoleculares de compostos carbonílicos simples. O agente alquilante dicloro utilizado na reação 1 ilustra bem a alta reatividade de haletos alílicos e a natureza reativa de haletos vinílicos em reações SN2. O mecanismo da reação 2 é mostrado a seguir. Observa-se que a base LDA remove o próton do carbono α da cetona para produzir o enolato de lítio que, em seguida, reage com o halogeneto. 4.4.5 Adição aos aldeídos e cetonas α,β-insaturados - adição de Michael As adições conjugadas de ânions enolatos aos aldeídos e cetonas α,βinsaturados são geralmente conhecidas como adição de Michael. O mecanismo desta reação ocorre inicialmente através da remoção do próton α-carbonílico pela base, formando o íon enolato que ataca o carbono β do composto carbonilado α,β-insaturado. Em seguida, o enolato resultante sofre protonação. Química Orgânica II Atividades de avaliação 1. A condensação aldólica ocorre pela formação da ligação carbono-carbono entre um doador enolato e um aceitador carbonila. Para cada um dos seguintes produtos aldólicos (1 a 5), selecionar um composto doador e um receptor a partir da lista fornecida ao lado (compostos de A a H). 2. Proponha sínteses para o composto a seguir, utilizando a reação de Michael. 115 116 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Referências ALLINGER, N. L.; CAVA, M. P.; JONGH, D. C.; JOHNSON, C. R.; LEBEL N. A. e STEVENS, C. L. Química Orgânica, 2. ed., Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1976. BRUICE, P. Y. Química Orgânica, 4. ed., vol. 1. – São Paulo: Pearson / Prentice Hall, 2006. MCMURRY, J. Química Orgânica. 6. ed. vol.1. São Paulo: Thomson Learning, 2005. SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE, C. B. Química Orgânica, 8. ed., vol. 1, Rio de Janeiro: LTC, 2005. VOLHARD, K. P. C.; SCHORE, N. E. Química Orgânica: Estrutura e função, 4. ed., Porto Alegre: Bookman, 2004. Disponível em http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/aldket1.htm. Acesso em 05 de Fev. de 2010. Capítulo Mecanismo de reações dos Ácidos Carboxílicos e seus derivados 5 Química Orgânica II 119 Objetivos • Discutir as propriedades físicas dos ácidos carboxílicos e seus derivados. • Discutir e comparar a reatividade entre os ácidos e seus derivados. • Mostrar as reações dos ácidos carboxílicos e seus derivados através de seus mecanismos. • Resolver todos os problemas propostos na unidade. 1. Ácidos carboxílicos e seus derivados Os ácidos carboxílicos, RCO2H, ocupam um lugar de real importância entre os compostos carbonilados. Estes compostos são importantes também por serem matérias de partida para produzir vários derivados acila, tais como ésteres, amidas e haletos de ácidos. O grupo carboxila, (–CO2H ou –COOH), é um dos grupos funcionais mais importantes encontrados na química. Encontram-se vários ácidos carboxílicos na natureza, como por exemplo, o ácido acético (CH3CO2H), que é o principal componente orgânico do vinagre. Um outro exemplo é o ácido butanóico (CH3CH2CH2CO2H), que é o responsável pelo odor característico da manteiga. Aproximadamente 2 milhões de toneladas de ácido acético são produzidas a cada ano nos Estados Unidos para uma variedade de síntese, incluindo a preparação do polímero acetato de vinila, usado em pinturas e adesivos. Como nas cetonas, o átomo de carbono da carboxila tem hibridação sp2 e, por isto, os grupamentos do ácido carboxílico são planares com ângulo de ligação C−C=O e O=C−O de aproximadamente 120°. Como os álcoois, os ácidos carboxílicos são substâncias polares. Suas moléculas podem formar ligações de hidrogênio fortes umas com as outras e com a água. A maioria dos ácidos carboxílicos existe como dímeros cíclicos mantidos juntos por duas ligações de hidrogênio. Como resultado dessa forte ligação, os ácidos possuem geralmente altos pontos de ebulição, quando comparados com os álcoois correspondentes. Dímero de um ácido, nada mais é do que a associação de duas moléculas desse ácido. 120 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Os ácidos carboxílicos de baixa massa molecular apresentam solubilidade apreciáveis em água, ou seja, os primeiros quatro ácidos são miscíveis em água e, à medida que a cadeia carbônica aumenta, a solubilidade em água diminui. 2. Acidez dos ácidos carboxílicos De acordo com o próprio nome, os ácidos carboxílicos, são ácidos e assim sendo, reagem com bases como hidróxido de sódio (NaOH) e o bicarbonato de sódio (NaHCO3) para produzir carboxilatos metálicos (RCO-2M+). Os ácidos carboxílicos se dissociam ligeiramente em soluções aquosas diluídas para produzir H3O+ e ânion carboxilato, RCOO-. Os ácidos carboxílicos, apesar de mais fracos do que os ácidos minerais, são ácidos muito mais fortes do que os álcoois. Apesar de ambos conterem o grupo OH, a maior acidez está relacionada com a estabilidade relativa dos ânions carboxilato e alcóxido. Os alcóxidos, ânions de oxigênio, tem a carga negativa localizada em um único átomo eletronegativo, sendo portanto menos estável. Os carboxilatos, por outro lado, têm a carga negativa deslocalizada sobre dois átomos de oxigênio. Em termos de ressonância, o íon carboxilato é um híbrido de ressonância estabilizado por duas estruturas de Kekulé equivalentes, sendo desse modo mais estáveis que os alcóxidos. Química Orgânica II Visto que a dissociação dos ácidos carboxílicos é uma reação de equilíbrio, qualquer fator que estabilize o ânion carboxilato em relação ao ácido não-dissociado desloca o equilíbrio no sentido de maior dissociação aumentando a acidez. Por outro lado, qualquer fator que desestabilize o ânion carboxilato em relação ao ácido diminuindo a acidez. Senão vejamos a seguir: R – grupo que remove elétrons, estabiliza o ânion carboxilato e aumenta a acidez 121 Os aldeídos são oxidados pelo reagente de Tollens com alto rendimento, sem danificar as ligações duplas carbono-carbono ou outros grupos funcionais sensíveis à ácido na molécula em questão. R’ – grupo que doa elétrons, desestabilizando o ânion carboxilato e diminuindo a acidez. Com base na presença desses grupos na molécula dos ácidos, a seguir serão mostrados alguns desses ácidos e sua escala de acidez, onde se observa que a entrada de um grupo retirador de elétrons, no caso o átomo de flúor (F) em substituição a um átomo de hidrogênio (H), aumenta sensivelmente a acidez desse ácido. 3. Preparação de ácidos carboxílicos Muitos são os métodos para a preparação dos ácidos carboxílicos, a seguir serão listados alguns desses. 3.1. Clivagem oxidativa de alcenos Alcenos que tem ao menos um hidrogênio vinílico podem ser oxidados em ácidos carboxílicos pelo tratamento deste com KMnO4 alcalino a quente. 3.2. Oxidação de aldeídos e álcoois primários Como já foi visto na unidade 4 a oxidação de aldeídos e álcoois primários produz ácidos carboxílicos. Os aldeídos podem ser oxidados a ácidos com agentes oxidantes moderados, tais como, Ag2O (reagente de Tollens) e álcoois primários podem ser oxidados com KMnO4. Aldeídos e álcoois primários são oxidados a ácidos carboxílicos pelo tratamento com ácido crômico (H2CrO4) em acetona, conhecida por oxidação de Jones. O átomo de flúor (F) tem uma eletronegatividade maior do que o átomo de hidrogênio (H), daí dizse que ele é um grupo retirador de elétrons da molécula. 122 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 3.3. Hidrólise de nitrilas As nitrilas podem ser preparadas através de reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2) de haletos de alquila com um íon cianeto (CN−). A posterior hidrólise da nitrila é um método excelente para preparar um ácido carboxílico a partir de um haleto de alquila (RBr → RC≡N → RCO2H). Veja que o ácido formado tem uma cadeia com um átomo de carbono a mais do que o haleto de alquila original. 3.4. Carboxilação de reagentes de Grignard Um método alternativo para se preparar ácidos carboxílicos é através de uma reação entre um reagente de Grignard com CO2 para produzir um carboxilato metálico. A acidificação deste produz o ácido carboxílico. Essa reação é aplicável a haletos primários, secundários, terciários, de alila, de benzila e de arila, desde que estes não apresentem grupos incompatíveis com a reação de Grignard. No mecanismo de carboxilação de Grignard, o haleto de magnésio adiciona-se à ligação C=O do dióxido de carbono (CO2) em uma reação de adição nucleofílica e a posterior protonação (H3O+) do carboxilato produz o ácido carboxílico livre. Química Orgânica II 123 4. Derivados de ácidos carboxílicos Os derivados de ácidos carboxílicos são os compostos nos quais um grupo acila está ligado a um átomo eletronegativo ou substituinte que possa agir como grupo de saída em uma reação de substituição. Muitos são os derivados de ácidos, mas nos deteremos neste estudo primeiramente com quatro dos mais comuns: haletos de acila, anidridos de ácidos, ésteres e as amidas. A reação química característica dos derivados de ácidos é similar a uma substituição nucleofílica em grupamentos acila, reação esta que será vista mais à frente. A seguir está a equação geral deste tipo de reação. 5. Reatividade relativa dos derivados de ácidos carboxílicos Já é de conhecimento que os fatores estéricos e eletrônicos são importantes na determinação da reatividade dos derivados de ácidos carboxílicos. Pelo lado estérico, encontramos uma série de derivados de ácidos similares que com o aumento do número de substituintes no carbono adjacente ao carbono acílico provoca a diminuição da reatividade deste derivado. Como exemplo, o cloreto de acetila (CH3COCl), é muito mais reativo que o cloreto de 2,2-dimetilpropanoíla ([CH3]3CCOCl). A ordem de reatividade dos derivados de ácidos com relação ao fator estérico é: Os grupos - OR’, - Cl, - NH2, - OCOR’ nos derivados de ácidos podem atuar como grupos de saída nas reações de substituição nucleofílica, quando estes são deslocados por um nucleófilo (Nu). Para estudar mais sobre ácidos e derivados de ácidos, voltar à unidade 5 do livro de química orgânica I. 124 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Com relação ao fator eletrônico, sabe-se que os derivados de ácido fortemente polarizados reagem mais rapidamente que os menos polarizados. Em outras palavras, os cloretos de acila são mais reativos, pois o átomo de cloro (Cl) eletronegativo retira elétrons do carbono do grupo carbonila, enquanto as amidas são os derivados de ácidos menos reativos, pois o átomo de nitrogênio do grupo (NH2) tem um par de elétrons e doa estes para o grupo carbonila. A seguir é mostrada a escala de reatividade dos derivados em relação ao fator eletrônico. Como consequência da diferença de reatividade, é normalmente possível converter um derivado de ácido mais reativo em um derivado menos reativo. Assim sendo, os cloretos de acila (mais reativo) podem ser facilmente convertidos em anidridos de ácido, ésteres e amidas (menos reativo), mas as amidas (menos reativo) não são facilmente convertidos em ésteres, anidridos de ácido e cloretos de acila (mais reativo). Em outras palavras, um derivado mais reativo pode ser convertido em um menos reativo, mas não vice-versa. Outra consequência da diferença de reatividade entre os derivados de ácidos carboxílicos é que apenas os ésteres e amidas são normalmente encontrados na natureza. 6. Reações dos ácidos carboxílicos Os ácidos carboxílicos são ditos muitas vezes similares em alguns aspectos (reacionais) aos álcoois e às cetonas. Desta forma, a exemplo dos álcoois, os ácidos carboxílicos podem ser desprotonados para produzir ânions, os quais são bons nucleófilos em reações SN2. Como as cetonas, os ácidos podem sofrer adição de nucleófilos ao grupo carbonila. Além destas, os ácidos podem sofrer outro tipo de reação, que não são comuns a álcoois nem a cetonas. A seguir veremos esse tipo característico das reações de ácidos e seus derivados. Química Orgânica II 6.1. Adição – Eliminação nucleofílica no carbono acílico Foi visto anteriormente que a reação característica de aldeídos e cetonas é uma adição nucleofílica à ligação dupla carbono-oxigênio. Nos ácidos carboxílicos e derivados de ácidos suas reações são caracterizadas pela adição-eliminação nucleofílica que ocorre no átomo de carbono da carbonila. Neste tipo de mecanismo, a etapa determinante é a formação de um intermediário tetraédrico que retorna a ser um grupo carbonila após a eliminação. É após o ataque nucleofílico que as duas reações citadas anteriormente se diferenciam. O intermediário tetraédrico formado a partir de um aldeído ou cetona geralmente recebe um próton para gerar um produto de adição estável. Entretanto, o intermediário formado a partir de um composto de acila via de regra elimina um grupo abandonador (L), visto na equação mecanística anterior. Esse tipo de eliminação leva à reconstituição da carbonila (C=O) e a um produto de substituição, via um processo mecanístico conhecido como adição – eliminação nucleofílico. Isso ocorre, pois os grupos presentes nos compostos de acila são via de regra bons grupos abandonadores. Por exemplo, no cloreto de acila o grupo abandonador é um íon cloreto, base conjugada fraca de um ácido forte – HCl, e assim sendo um bom grupo abandonador. 7. Síntese de derivados de ácidos carboxílicos Explorando a síntese dos derivados do ácidos carboxílicos descobrimos que, muitas vezes, um derivado pode ser produzido através de um reação de adição – eliminação nucleofílica de outro derivado. A seguir veremos algumas dessas sínteses. 7.1. Síntese dos cloretos de acila Os cloretos de acila são produzido sem reação usando-se os reagentes SOCl2, PCl3 e PCl5. 125 126 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Mecanismo 7.2. Síntese de anidridos Os ácidos carboxílicos reagem com os cloretos de acila na presença de piridina, gerando anidrido de ácidos carboxílicos como produto. Em alguns casos os anidridos são gerados a partir da reação de sais de sódio. Química Orgânica II Em algumas vezes, é possível preparar anidridos cíclicos pelo simples aquecimento do ácido dicarboxílico apropriado. 7.3. Síntese de ésteres: Esterificação Os ácidos carboxílicos reagem com álcoois para produzir ésteres através de uma reação de desidratação conhecida como esterificação. Mecanismo desse tipo síntese 127 128 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Os ésteres podem ainda ser sintetizados a partir da reação de cloretos de acila com álcoois. Esta reação ocorre rapidamente, não necessitando de ácidos, porém, piridina é frequentemente adicionada à mistura reacional para reagir com o HCl que se forma. Os anidridos de ácidos carboxílicos também reagem com álcoois para formar ésteres na ausência de um catalisador ácido. Os ésteres não sofrem apenas hidrólise ácida, mas também hidrólise promovida por base. A hidrólise promovida por base é chamada saponificação. Nas moléculas dos ácidos carboxílicos que possuem um grupo hidroxila em um carbono γ ou δ, estas sofrem uma esterificação/desidratação intramolecular para fornecer ésteres cíclicos conhecidos como γ ou δ - lactonas. Química Orgânica II 7.4. Síntese de amidas As amidas podem ser geradas de várias maneiras, partindo de cloretos de acila, anidrido de ácidos, ácidos carboxílicos e sais carboxílicos. Em todos estes métodos está envolvida uma reação de adição-eliminação nucleofílica com amônia ou uma amina primária/ secundária em um carbono acílico. Mecanismo Outro exemplo para produção de uma amida é visto a seguir. Os cloretos de acila também reagem com aminas terciárias, dando como produto um ácido carboxílico. 7.5. Ácidos α-halogenados: A reação de Hell-Volhard-Zelinski Os ácidos carboxílicos alifáticos reagem com bromo ou cloro na presença de fósforo ou haleto de fósforo para produzir ácidos α-halogenados. 129 130 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 8. Reações de derivados de ácidos carboxilicos Como foi visto anteriomente, os fatores estéricos e eletrônicos são importantes na determinação da reatividade dos derivados de ácidos carboxílicos. Do ponto de vista eletrônico, tem-se que os derivados mais fortemente polarizados reagem mais facilmente. Assim, os cloretos são mais reativos do que os ésteres, que são mais reativos que as amidas. O átomo de cloro polariza mais o grupo carbonila do que um grupo alcóxido ou amino. O cloro retira elétrons do grupo acila, enquanto o grupo amino e alcóxido doam elétrons ao grupo acila por ressonância diminuindo a reatividade do grupo acila. A seguir serão descritas algumas sínteses que envolvem os derivados de ácidos como um dos reagentes, não esquecendo de levar em consideração a maior ou menor reatividade desses em reação. Uma vez que, as reações do tipo adição – eliminação nucleofílica são o tipo de reação característica dessas moléculas e estas são dependentes do nível de reatividade da molécula de partida (derivado de ácido). Química Orgânica II Atividades de avaliação 1. Ponha os compostos a seguir na ordem crescente de acidez. a) Ácido benzóico, ácido p-metil-benzóico, ácido p-nitro-benzóico b) Ácido acético, ácido cloroacético, ácido fluoacético 2. O tratamento do ácido 5-hidroxi-pentanóico com um catalisador ácido dá uma reação de estereficação intramolecular. Qual é a fórmula estrutural do produto? 3. Complete a reação abaixo e desenvolva o seu mecanismo. 4. Que produto você esperaria obter quando o cloreto de acetila reage com os seguintes compostos? a) H2O B) CH3NH2 c) NH3 (excesso) d) NaOH/H2O 5. A seguinte ordem de reatividade foi encontrada para a saponificação de acetatos de alquila por NaOH aquoso. Explique a ordem de reatividade mostrada a seguir. 131 132 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Referências ALLINGER, N. L.; CAVA, M. P.; JONGH, D. C.; JOHNSON, C. R.; LEBEL N. A. e STEVENS, C. L. Química Orgânica, 2. ed., Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1976. BRUICE, P. Y. Química Orgânica, 4. ed., vol. 1. – São Paulo: Pearson / Prentice Hall, 2006. MCMURRY, J. Química Orgânica. 6. ed. vol.1. São Paulo: Thomson Learning, 2005. SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE, C. B. Química Orgânica, 8. ed., vol. 1, Rio de Janeiro: LTC, 2005. VOLHARD, K. P. C.; SCHORE, N. E. Química Orgânica: Estrutura e função, 4. ed., Porto Alegre: Bookman, 2004. Capítulo Reações de Compostos Orgânicos Nitrogenados 6 Química Orgânica II Objetivos • Discutir as propriedades físicas das aminas. • Discutir e comparar a basicidade de aminas, em termos de sua estrutura. • Explicar porque alquil aminas são mais básicas do que arilaminas. • Mostrar as reações de aminas através de seus mecanismos. • Resolver todos os problemas da unidade. Aminas são compostos orgânicos derivados da amonia, NH3, possuindo algumas semelhanças como a basicidade e nucleofilicidade, por exemplo. As aminas existem em abundância nas plantas e nos animais. Algumas desempenham importantes funções biológicas, a trimetil amina, encontrada em tecidos animais é responsável pelo odor característico de muitos peixes, a quinina é uma importante droga antitumoral, a codeina e a morfina são remédios narcóticos encontrados na papoula e são usados no tratamento sintomático da dor. A cocaína tem efeitos anestésicos e foi isolada da planta Erythroxylon coca. Por seu alto grau de atividade biológica, muitas aminas comuns são utilizadas como medicamentos. 135 136 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 1. Propriedades e estrutura Nas aminas, os átomos de hidrogênio na amônia são substituídos um a um por grupos de hidrocarbonetos alquila ou arila. Os diferentes tipos de aminas são: Aminas primárias Em aminas primárias, apenas um dos átomos de hidrogênio na molécula de amônia foi substituído. Isso significa que a fórmula da amina primária será RNH2 onde “R” é um grupo alquilo. Exemplos: Metilamina Etilamina Propilamina 2-aminopropano Aminas secundárias Em uma amina secundária, dois dos hidrogênios em uma molécula de amônia são substituídos por grupos de hidrocarbonetos. Exemplos: Dimetilamina Dietilamina Aminas terciárias Em uma amina terciária, todos os hidrogênios em uma molécula de amônia foram substituídos por grupos de hidrocarbonetos. Exemplo: Trimetilamina As ligações das aminas são semelhantes as da amônia, o átomo de nitrogênio tem hibridação sp3. Os três substituintes ocupam três vértices de um tetraédro, e o par de elétrons livre ocupam o quarto vértice, com ângulo de ligação próximo de 109º. Química Orgânica II 137 1.1. Propriedades Físicas Pontos de ebulição Os pontos de ebulição de algumas aminas simples encontram-se na Tabela 1. Tabela 1 Tipo/nome Primária- metilamina Primária-etilamina Primária-propilamina Secundária-dimetilamina Terciária-trimetilamina PONTOS DE EBULIÇÃO DE AMINAS Formula Ponto de ebulição (°C) -6.3 CH3NH2 16.6 CH3CH2NH2 48.6 CH3CH2CH2NH2 7.4 (CH3)2NH 3.5 (CH3)3N Se compararmos o ponto de ebulição da metilamina, CH3NH2 com o etano, CH3CH3 , veremos que embora os dois compostos tenham peso moleculares semelhantes, o ponto de ebulição da metilamina (-6.3ºC) é bem maior que do etano (-88,6ºC). A explicação para os maiores pontos de ebulição das aminas primárias é que elas podem formar ligações de hidrogênio entre si, bem como forças de dispersão de London e interações dipolo-dipolo. As ligações de hidrogênio nas aminas são formadas entre o par isolado no átomo de nitrogênio muito eletronegativo e o átomo de hidrogênio ligeiramente positivo em uma outra molécula. Analisando a Tabela 1 vimos que os pontos de ebulição de aminas primárias crescem a medida que se aumenta o comprimento da cadeia, isso ocorre por causa da maior quantidade de forças de dispersão de London entre as moléculas maiores. Comparando-se o ponto de ebulição de dimetilamina com a da etilamina (Tabela 1) observamos que o ponto de ebulição da amina secundária é um pouco menor do que o da amina primária correspondente com o mesmo número de átomos de carbono. Aminas secundárias ainda formam ligações de hidrogênio, mas como o átomo de nitrogênio fica no meio da cadeia, o dipolo permanente na molécula fica um pouco menor. Logo, podemos dizer que o ponto de ebulição é menor devido a menores atra- De acordo com a teoria de Bronsted-Lowry base é uma substância que se combina com íons de hidrogênio. 138 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. ções dipolo-dipolo na dimetilamina quando comparadas com etilamina. De acordo com os dados da Tabela 1, observamos que as aminas terciárias apresentam menores pontos de ebulição, compare por exemplo o ponto de ebulição da trimetilamina (3,5 °C) com seu isômero 1-aminopropano (48,6 °C) que possuem o mesmo peso molecular. Em uma amina terciária não há átomos de hidrogênio ligados diretamente ao nitrogênio. Isso significa que não existem ligações de hidrogênio entre as moléculas de amina terciária. É por isso que o ponto de ebulição é muito menor. Solubilidade em água As aminas de baixo peso molecular são muito solúveis em água. Na verdade, as que seriam normalmente encontradas, como gases, à temperatura ambiente são normalmente vendidas como soluções na água, da mesma maneira que a amônia é normalmente fornecida como solução de amoníaco. Todas as aminas podem formar pontes de hidrogênio com a água mesmo as terciárias. Embora as aminas terciárias não tenham um átomo de hidrogênio ligado ao nitrogênio e assim não podem formar ligações de hidrogênio entre si, elas podem formar ligações de hidrogênio com moléculas de água usando apenas o par isolado no nitrogênio. Vale ressaltar que a solubilidade decresce a medida que as cadeias de hidrocarbonetos aumentam (a partir de 6 carbonos, aproximadamente). 1.2. Propriedades químicas - Basicidade das aminas A basicidade das aminas está relacionada com a presença de um par de elétrons livres no nitrogênio. Elas reagem com ácidos formando sais e reagem com eletrófilos em muitas reações polares. As reações das aminas com ácidos são mais facilmente consideradas usando a teoria de Bronsted-Lowry de ácidos e bases. Química Orgânica II 139 A medida que substituímos o H da amônia por grupos alquila ou arila, a força da base vai alterando. Observe a Tabela 2 a seguir: Tabela 2 VALORES DE PKB DE ALGUMAS AMINAS Amina pKb a 25ºC NH3 4,75 CH3NH2 3,36 (CH3)2NH 3,28 De acordo com a teoria de Lewis base é uma substância doadora de par de elétrons. 9,38 Anilina 3,36 Cicloexilamina De acordo com a Tabela 2, a ordem de basicidade das aminas alifáticas é Essa diferença na basicidade é explicada em termos de efeito indutivo doador de elétrons dos grupos alquilas. Este efeito doador estabiliza o íon alquilamínio que resulta da reação ácido-base através da dispersão de sua carga positiva. Quanto mais substituída for a amina por grupos alquila (R), maior basicidade. Se examinarmos a amina aromática (anilina), veremos que ela é uma base mais fraca do que a amina não-aromática correspondente, cicloexilamina. O menor pKb da anilina é devido a possibilidade do par de elétrons não ligante ser deslocalizado pelo sistema π do anel benzeno, ficando menos disponível para ser protonado, como pode ser observado no diagrama a seguir. Quanto maior pKb menor basicidade. 140 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Uma outra justificativa é o fato do nitrogênio está ligado a um átomo de carbono com hibridação sp2, que por ser mais eletronegativo que os átomos de carbono sp3 dos grupos alquilas, retiram elétrons por indução. A basicidade de aminas aromáticas aumenta com a presença de substituintes doadores de elétrons no anel e diminui com a presença de substituintes retiradores de elétrons que aumentem a deslocalização do par de elétrons no sistema π do anel (especialmente aqueles em posicões orto ou para ao grupo funcional amina). Veja exemplo a seguir. Exemplos de substituintes doadores de elétrons: -NH2, -NHR, -NR2, -OH, -OR, etc. Exemplos de substituintes retiradores de elétrons: -NO2, -CN, -SO3H, -CO2H, -COR, CCl3, etc. Atividades de avaliação 1. Para cada série de compostos, coloque-os em ordem decrescente de basicidade (a) (b) (c) Química Orgânica II 1.3. As propriedades nucleofítica de aminas Por que as aminas agem como nucleófilos? Um nucleófilo é uma espécie química que é atraído pela parte positiva ou ligeiramente positiva de uma outra molécula ou íon. Como já vimos, todas as aminas contem um par de elétrons livres ativos no átomo de nitrogênio que é muito eletronegativo. E são esses elétrons que são atraídos por partes positivas de outras moléculas ou íons. O nucleófilo pode ser um ânion ou uma molécula com disponibilidade eletrônica (com orbital preenchido para coordenar elétrons não-ligantes). Quando um eletrófilo se combina com um reagente orgânico, chamado de substrato (S), temos uma reação nucleofílica. Pelo conceito de Lewis, o reagente nucleófilo é uma base e o substrato é um ácido. 2. Sais de amônio e sais de amônio quaternário Quando aminas primárias, secundárias e terciárias atuam como base e reagem com ácidos elas formam compostos chamados sais de amônio. Quando o átomo de nitrogênio central de um composto está carregado positivamente, mas não está ligado a um átomo de hidrogênio, o composto é chamado de sal de amônio quaternário. 3. Reações de aminas Veremos agora diferentes reações de aminas agindo como nucleófilos. Dentre elas citaremos as reações de aminas com haletos de alquila, cloretos de acila, aldeídos, cetonas e com anidridos ácidos, ácido nitroso, cloreto de sulfonila, reações de oxidação, reação de Sandmeyer e Eliminação de Hofmann. 141 142 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 3.1. Alquilação de aminas Inicialmente citaremos como exemplo a reação de alquilação da amônia. Como podemos observar trata-se de uma reação de substituição nucleofílica onde a amônia reage como um nucleófilo com o haleto de alquila tendo como produto uma amina primária. O rendimento desta reação é geralmente baixo, uma vez que a amina primária formada continua reagindo com o haleto de alquila e o resultado é uma mistura contendo amimas primárias, secundárias, terciárias e sais de amônio quaternários. Primária Secundária Terciária Quaternária Veja a seguir o mecanismo de alquilação de aminas. Etapa 1: O nitrogênio da amônia age como nucleófilo e ataca o C eletrofílico do haleto de alquila deslocando o brometo e formando a nova ligação CN. Etapa 2: Uma reação ácido / base. A base (amônia em excesso) pega o H, neutralizando o centro positivo (N do íon amônio) formando um novo produto de alquilação, a amina primária. Como vimos, as aminas primária, secundária e terciária reagem rapidamente com halogenetos de alquila para dar sais de amônio quaternário, R4N+X. 4. Química Orgânica II 5. 6 . Acilação de aminas As aminas primárias e secundárias podem ser aciladas por reação do tipo substituição nucleofílica com cloretos de acila ou anidridos para dar amidas. Alguns exemplos comuns podem ser observados a seguir: As reações de aminas com anidridos são quimicamente similares aquelas com os cloretos de acila, mas são mais lentas, necessitando de calor. Como exemplo, podemos citar a reação entre metilamina e anidrido etanóico. O produto é N-Metiletanamida e etanoato de metilamônio. 10. (CH3CO)2O + 2CH3NH2 → CH3CONHCH3 + CH3COO- + +NH3CH3 143 144 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 3.2. Eliminação de Hofmann Como os álcoois, as aminas também podem ser convertidas em alcenos por meio de uma reação de eliminação. Os íons de amônio quaternário podem ser convertidos a alcenos, através deste tipo de reação. A reação de eliminação de Hofmann, como é conhecida, é uma reação E2, que ocorre em uma única etapa. Neste tipo de reação o próton e a amina são removidos simultaneamente na mesma etapa reacional. Uma característica interessante da eliminação de Hofmann é que essa reação dá origem a produtos diferentes da maioria das reações E2. Apesar do alceno mais substituído geralmente predominar em uma reação E2 de um haleto de alquila (regra de Zaitsev), o alceno menos substituído prevalece na eliminação de Hofmann de um sal de amônio quaternário. 11. Em uma reação de eliminação de Hofmann, o hidrogênio é removido do carbono β ligado ao maior número de hidrogênios. Na reação de um íon de amônio quaternário com um íons hidróxido, por exemplo, o grupo de saída é uma amina terciária . Como a amina terciária é um grupo de saída relativamente fraco, a reação necessita de aquecimento. Vejamos a seguir o mecanismo dessa reação. Mecanismo August Wilhelm von Hofmann nasceu na Alemanha. Começou a estudar direito e depois resolveu mudar para o curso de química. Foi um dos fundadores da indústria de pigmentos alemã. Fundou a Sociedade Química Alemã. 3.3. Oxidação de aminas As aminas alifáticas primárias e secundárias são facilmente oxidadas, algumas vezes apenas pela exposição ao ar. Entretanto, na maioria das vezes, não obtemos produtos úteis, devido a formação de misturas complexas. As aminas primárias são oxidadas a hidroxilaminas, que por sua vez, são oxidadas a substâncias com o grupo nitroso, o qual é oxidado ao grupo nitro. Já as aminas secundárias são oxidadas a hidroxilaminas secundárias. Química Orgânica II Aminas terciárias podem ser oxidadas diretamente a óxidos de amina terciária. Os óxidos de aminas terciárias formados sofrem reações similares à reação de eliminação de Hofmann, denominadas de eliminação de Cope. Esses compostos, sofrem a eliminação de uma dialquilidroxiamina quando são aquecidos. A reação de elimação de Cope, assim como as reações de eliminação de Hofmann, ocorre sob condições brandas. A eliminação de Cope é uma eliminação do tipo sin e avança através de um estado de transição cíclico. Mecanismo 3.3.1. Reação de aminas com ácido nitroso Aminas alifáticas primárias reagem com ácido nitroso através de uma reação chamada diazotação para levar a sais de diazônio alifáticos altamente instáveis. Estes se decompõem pela perda de nitrogênio para formar carbocátion. 145 Arthur C. Cope nasceu em Indiana. Tornou-se PhD pela Universidade Wisconsin e foi professor da Universiade de Columbia e no MIT. 146 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. As aminas secundárias, tanto arilicas quanto alquílicas, reagem com ácido nitroso produzindo as N-nitrosaminas. Entretanto, quando uma amina alifática terciária é misturada com ácido nitroso, um equilíbrio é estabelecido entre a amina terciária, seu sal e um composto de N-nitrosoamônio. Quando arilaminas terciárias reagem com o ácido nitroso para formar compostos aromáticos C-nitrosos. A reação de nitrosação ocorre quase que exclusivamente na posição para, caso esteja livre, e se essa não estiver livre a posição escolhida é a orto. A reação para a formação do p-nitroso-N,N-dimetilanilina, mostrada a seguir é um exemplo deste tipo de reação. A reação mais importante das aminas com ácido nitroso, é a reação de arilaminas primárias. As arialaminas primárias reagem com ácido nitroso, HNO2 para formar os sais de arenodiazônio, Ar−N+≡N X­. Estes são mais estáveis do que sais de diazônio alifático. Química Orgânica II Mecanismo para a diazotação 3.4. A reação de sais de diazônio: A reação de Sandmeyer Os sais de arenodiazônio são intermediários extremamente úteis na síntese de compostos aromáticos, porque o grupo diazônio (N2) pode ser substituído por um nucleófilo em uma reação de substituição. Os sais de diazônio são quase sempre preparados através da diazotação de aminas aromáticas primárias. Sais de arenodiazônio reagem com cloreto cuproso, brometo cuproso e cianeto cuproso para formar produtos onde o grupo diazônio foi substituído por Cl, Br e CN, respectivamente. Veja exemplos 21, 22 e 23. 147 148 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 3.4.1. Reações de síntese utilizando sais de arenodiazônio Muitos outros nucleófilos reagem com os sais de arenodiazônio, dando origem a diferentes tipos de benzenos substituídos. A seqüência completa de nitração, redução, diazotação e substituição nucleofílica é provavemnente o método mais versátil de substituição aromática. Química Orgânica II 24. 3.5. Reação de aminas com cloreto de sulfonila As aminas primárias e secundárias reagem com cloreto de sulfonila para formar sulfonamidas. 25. Sulfanilamidas podem ser sintetizadas a partir da anilina através da sequência reacional mostrada no exemplo a seguir: 26. 149 150 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. 3.6. Reação de substituição eletrofílica em aminas aromáticas Arilaminas são potencialmente muito mais reativas nas reações de substituição eletrofílica aromática do que a molécula do benzeno não substituída. Isso ocorre porque, os grupos −NH2, −NHR e −NR2 são ativadores fortes e dirigentes orto e para. Equação geral: No entanto a basicidade do grupo amino é inadequada quando as reações de substituição eletrofílica aromática ocorrem em meios ácidos, como são os casos das reações de nitração, sulfonação, alquilação de Friedel-Crafts e acilação de Friedel-Crafts. As polisubstituições também podem ser um problema. Por exemplo, a reação de bromação da anilina é muito rápida, mesmo na ausência de um catalisador. Essa reação leva a bromação em todas as posições orto e para disponíveis. Veja o exemplo 27 a seguir: 27. Para evitar esses problemas, é comum “proteger” as arilaminas como seus derivados N-acila. O grupo de proteção (uma amida) pode ser removido posteriormente, por ácido ou base, através de uma reação simples de hidrólise. Sulfas são agentes químicos que destroem seletivamente células infecciosas sem destruir simultaneamente o hospedeiro. 28. amina amida Geralmente faz-se isso, pois o grupo amida é menos reativo que o grupo amino simples, −NH2. Na verdade, ele é um grupo desativante nas reações de substituição eletrofílica aromática na molécula do benzeno. Esse fato é Química Orgânica II explicado pela ressonância do grupo N-acetil da amida (veja abaixo), onde a deslocalização do par de elétrons do átomo de N, concorre com a ressonância no anel aromático. Efeitos estéricos na amida também muitas vezes levam a uma diminuição na quantidade de produtos na posição orto. Atividades de avaliação 1. Quais os produtos majoritários você esperaria obter a partir da reação de eliminação de Hofmann das seguintes aminas: (a (b (c 2. Preveja os produtos das seguintes reações: a) 151 152 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. b) 3. Mostre os produtos da reação da aminas a seguir: a) b) c) d) Química Orgânica II Referências ALLINGER, N. L.; CAVA, M. P.; JONGH, D. C.; JOHNSON, C. R.; LEBEL N. A. e STEVENS, C. L. Química Orgânica, 2. ed., Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1976. BRUICE, P. Y. Química Orgânica, 4. ed., vol. 1. – São Paulo: Pearson / Prentice Hall, 2006. MCMURRY, J. Química Orgânica. 6. ed. vol.1. São Paulo: Thomson Learning, 2005. SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE, C. B. Química Orgânica, 8. ed., vol. 1, Rio de Janeiro: LTC, 2005. VOLHARD, K. P. C.; SCHORE, N. E. Química Orgânica: Estrutura e função, 4. ed., Porto Alegre: Bookman, 2004. 153 154 MENEZES, J. E. S. A. DE; SIQUEIRA, S. M. C. Sobre as autoras Jane Eire Silva Alencar de Menezes: Possui graduação em Licenciatura Plena em Química pela Universidade Estadual do Ceará (1990), Mestrado em Química Orgânica pela Universidade Federal do Ceará (2000), Doutorado em Química Orgânica pela Universidade Federal do Ceará (2005) e Pós-Doutorado em Química pela Universidade Federal do Ceará (2008). Atualmente é Pesquisadora e Professor efetivo (classe Associado N) da Universidade Estadual do Ceará. Tem experiência na área de Química, com ênfase em Química dos Produtos Naturais e mais especificamente espécies nativas da caatinga cearense e testes biológicos das espécies estudadas. Atua também na área de biopolímeros com objetivo de encapsulação de compostos ativos. Pesquisadora do grupo de pesquisa cadastrado no CNPq: Química, Espectrocópia e Farmacologia de produtos naturais na UFC). Membro colaborador do projeto GRUPO DE ESTUDO INTEGRADO QUÍMICA/BIOLOGIA/FARMACOLOGIA/AGRONOMIA) DE RECURSOS NATURAIS (TERRESTRE/MARINHO) DE ECOSSISTEMAS CEARENSES , referente edital FUNCAP/MCT/CNPq? Nº 06/2006, PROGRAMA DE APOIO A NÚCLEOS DE EXCELÊNCIA? PRONEX. Presidente da Comissão que elaborou e implementou o Novo Currículo do Curso de Química da FACEDI em 2007. Pesquisadora com Bolsa de Produtividade (BPI) da FUNCAP de 2008 A 2012. Professora permante do Mestrado Acadêmico em Recursos Naturais da UECE (MARENA) desde 2012. Professora permante do Curso de Especialização no Ensino em Química da UECE - Fortaleza desde 2014. Membro da Comissão Permanente de Acecibilidade e Mobilidade das Pessoas com Deficiencia na UECE desde 2014. Vice-Coordenadora do Curso de Libras - FAEC desde 2015. Coordenadora do Laboratório de Ensino do Curso de Química - Itaperi desde 2015. Professora permanente do Curso de Química - Itaperi desde 2016. Sônia Maria Costa Siqueira: Possui graduação em Química Industrial pela Universidade Federal do Ceará(1988), mestrado em Química Inorgânica pela Universidade Federal do Ceará(1993), doutorado em Química pela Universidade Federal do Ceará(2002) e pós-doutorado pela Universidade Federal do Ceará(2013). Atualmente é Professor associado da Universidade Estadual do Ceará, Vice coordenadora do Mestrado em Recursos Nat da Universidade Estadual do Ceará e Revisor de periódico da J. Essential Oil Bearing Plants ( JEOBP). Tem experiência na área de Química, com ênfase em Química Orgânica. Atuando principalmente nos seguintes temas:alecrim, Lippia sidoides, quinona. A não ser que indicado ao contrário a obra Química Orgânica II, disponível em: http://educapes.capes.gov.br, está licenciada com uma licença Creative Commons Atribuição-Compartilha Igual 4.0 Internacional (CC BY-SA 4.0). Mais informações em: <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.pt_BR. Qualquer parte ou a totalidade do conteúdo desta publicação pode ser reproduzida ou compartilhada. Obra sem fins lucrativos e com distribuição gratuita. O conteúdo do livro publicado é de inteira responsabilidade de seus autores, não representando a posição oficial da EdUECE. Química Química Orgânica II Química Química Orgânica II Universidade Estadual do Ceará - Universidade Aberta do Brasil F iel a sua missão de interiorizar o ensino superior no estado Ceará, a UECE, como uma ins�tuição que par�cipa do Sistema Universidade Aberta do Brasil, vem ampliando a oferta de cursos de graduação e pós-graduação na modalidade de educação a distância, e gerando experiências e possibilidades inovadoras com uso das novas plataformas tecnológicas decorrentes da popularização da internet, funcionamento do cinturão digital e massificação dos computadores pessoais. Comprome�da com a formação de professores em todos os níveis e a qualificação dos servidores públicos para bem servir ao Estado, os cursos da UAB/UECE atendem aos padrões de qualidade estabelecidos pelos norma�vos legais do Governo Federal e se ar�culam com as demandas de desenvolvimento das regiões do Ceará. Jane Eire Silva Alencar de Menezes Sônia Maria Oliveira Costa Geografia 12 9 3 História Educação Física Química Ciências Biológicas Artes Plás�cas Computação Física Matemá�ca Pedagogia
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