Adição nucleofilica à ligação dupla carbono-oxigenio

Prévia do material em texto

� A reaç�o mais caracter�stica de alde�dos e cetonas � a adiç�o
nucleof�lica à ligaç�o dupla carbono-oxig�nio.
Os alde�dos e cetonas s�o especialmente suscet�veis à adiç�o nucleof�lica por
causa das caracter�sticas estruturais que abordamos na Seç�o 12.1, que s�o
�
�
�
1.
mostradas a seguir.
O arranjo trigonal plano dos grupos em torno do átomo de carbono da
carbonila significa que o átomo de carbono da carbonila está
relativamente aberto ao ataque por cima ou por baixo do plano do
grupo carbonila (veja anteriormente).
A carga positiva no átomo de carbono da carbonila significa que ele �
especialmente suscet�vel ao ataque por um nucle�filo.
A carga negativa no oxig�nio da carbonila significa que a adiç�o
nucleof�lica � suscet�vel à catálise ácida.
A adiç�o nucleof�lica à ligaç�o dupla carbono–oxig�nio ocorre, portanto,
em uma de duas maneiras gerais.
Quando� o� reagente� �� um� nucle�filo� forte� (Nu�–), a adiç�o
geralmente ocorre da seguinte maneira (veja o mecanismo a seguir):
convertendo o alde�do ou a cetona trigonal plana em um produto
tetra�drico.
Nesse tipo de adiç�o, o nucle�filo utili�a seu par de el�trons para
formar uma ligaç�o com o átomo de carbono da carbonila. � medida
que isso acontece, o par de el�trons da ligaç�o � carbono–oxig�nio se
desloca para o átomo de oxig�nio eletronegativo da carbonila e os
estados de hibridi�aç�o tanto do carbono quanto do oxig�nio mudam
de sp2 para sp3. ��aspecto��mportante�dessa�etapa���a�capac�dade�do
átomo�de�ox�g�n�o�da�carbon�la�em�acomodar�o�par�de�el�trons�da
l�gaç�o�dupla�carbono�ox�g�n�o.
2.
Na segunda etapa, o átomo de oxig�nio recebe um pr�ton. Isso acontece
porque o átomo de oxig�nio � agora muito mais básico� ele tem uma carga
negativa completa como um ânion alc�xido.
Quando�um�catalisador��cido� est��presente� e� o�nucle�filo� �� fraco, a
reaç�o do oxig�nio da carbonila com o ácido aumenta a eletrofilicidade
do grupo carbonila.
Esse mecanismo opera quando os compostos carbon�licos s�o tratados
com ácidos� fortes na presença de nucle�filos� fracos. Na primeira etapa, o
ácido doa um pr�ton a um par de el�trons do átomo de oxig�nio da carbonila.
O composto carbon�lico protonado resultante, um c�tion� ox�nio, � muito
reativo frente ao ataque nucleof�lico ao átomo de carbono da carbonila
porque o átomo de carbono da carbonila possui mais carga positiva do que
�
�
ele possui no composto n�o protonado.
Muitas adições nucleof�licas às ligações duplas carbono–oxig�nio s�o
revers�veis� os resultados globais dessas reações dependem, portanto,
da posiç�o de um equil�brio.
Isto contrasta enormemente com a maioria das adições eletrof�licas às
ligações duplas carbono-carbono e com as substituições nucleof�licas em
átomos de carbono saturados. As �ltimas reações s�o basicamente
irrevers�veis, e os resultados globais s�o funç�o das velocidades relativas das
reações.
Em geral, os alde�dos s�o mais reativos nas adições nucleof�licas do
que as cetonas. Tanto os fatores est�ricos quanto os eletrônicos
favorecem os alde�dos.
Fatores� Est�ricos Nos alde�dos, onde um grupo � um átomo de
hidrog�nio, o carbono central do produto tetra�drico formado a partir do
alde�do � menos impedido e o produto � mais estável. A formaç�o do
produto, consequentemente, � favorecida no equil�brio. Com as cetonas, os
dois substituintes alquila no carbono da carbonila provocam maior
impedimento est�rico no produto tetra�drico e o tornam menos estável.
Portanto, uma concentraç�o menor do produto está presente no equil�brio.
Fatores� Eletr�nicos Uma ve� que os grupos alquila s�o doadores de
el�trons, os alde�dos s�o mais reativos em termos eletrônicos tamb�m. Os
alde�dos t�m apenas um grupo doador de el�trons para neutrali�ar
parcialmente e, com isso, estabili�ar a carga positiva no seu átomo de
carbono da carbonila. As cetonas t�m dois grupos doadores de el�trons e s�o
mais estabili�adas. A maior estabili�aç�o da cetona (o reagente) em relaç�o
ao seu produto significa que a constante de equil�brio para a formaç�o do
produto tetra�drico a partir de uma cetona � menor e a reaç�o � menos
favorável:
Por outro lado, substituintes retiradores de el�trons (por exemplo, grupos
—CF3 ou —CCl3) fa�em com que o carbono da carbonila seja mais positivo
(e o composto de partida se torne menos estável) fa�endo com que a reaç�o
de adiç�o seja mais favorável.
A adiç�o nucleof�lica a uma ligaç�o dupla carbono-oxig�nio pode levar a um
produto que � estável sob as condições de reaç�o que empregamos. Se esse �
o caso somos ent�o capa�es de isolar os produtos com a seguinte estrutura
geral:
Em outras reações o produto formado inicialmente pode ser instável e
sofrer reações subsequentes espontaneamente. Uma reaç�o subsequente
comum � uma reaç�o�de�eliminaç�o, especialmente a desidrataç�o. Mesmo
�
�
se o produto de adiç�o inicial � estável podemos reali�ar deliberadamente
uma reaç�o subsequente atrav�s da nossa escolha das condições de reaç�o.
Alde�dos e cetonas reagem com álcoois para formar hemiacetais e
acetais atrav�s de uma reaç�o de equil�brio.
As caracter�sticas estruturais essenciais de um hemiacetal s�o um
grupo —OH e um grupo —OR ligados ao mesmo átomo de carbono.
O hemiacetal resulta da adiç�o nucleof�lica do oxig�nio de um álcool ao
carbono da carbonila do alde�do ou cetona.
� Muitos hemiacetais de cadeia aberta n�o s�o suficientemente estáveis
para permitir o seu isolamento. No entanto, os hemiacetais c�clicos
com an�is de cinco ou seis membros s�o geralmente muito mais
estáveis:
A maior parte dos aç�cares simples (Cap�tulo 22) existe basicamente em
uma forma hemiacetal c�clica. A glicose � um exemplo:
Independentemente se a carbonila reagente � um alde�do ou uma cetona,
�
o produto com um grupo —OH e um grupo —OR � chamado um
hemiacetal.
A formaç�o de hemiacetais � catalisada por ácidos e bases.
Hidratos�de�Alde�dos��gem-Di�is A dissoluç�o de um alde�do, como o
acetalde�do, em água provoca o estabelecimento de um equil�brio entre o
alde�do e o seu hidrato. Esse hidrato � na realidade um 1,1-diol, chamado de
um diol geminado (ou, de maneira mais simples, um gem-diol).
O gem-diol resulta de uma adiç�o nucleof�lica de água ao grupo carbonila do
alde�do.
O equil�brio para a adiç�o de água à maioria das cetonas � desfavorável,
enquanto alguns alde�dos (por exemplo, o formalde�do) existem
principalmente como o gem-diol em soluç�o aquosa.
N�o � poss�vel isolar a maioria dos gem-di�is das soluções aquosas nas
quais eles s�o formados. A evaporaç�o da água, por exemplo, simplesmente
desloca o equil�brio global para a direita e o gem-diol (ou hidrato) reverte-se
ao composto carbon�lico:
Os compostos com fortes grupos retiradores de el�trons ligados ao grupo
carbonila podem formar gem-di�is estáveis. Um exemplo � o composto
chamado de hidrato de cloral:
� Um acetal possui dois grupos —OR ligados ao mesmo átomo de
carbono.
Se tomarmos uma soluç�o alco�lica de um alde�do (ou cetona) e passarmos
atrav�s dela uma pequena quantidade de HCl gasoso, forma-se o hemiacetal
e, ent�o, o hemiacetal reage com um segundo equivalente molar do álcool
para produ�ir um acetal.
�
�
O mecanismo para a formaç�o do acetal envolve a formaç�o do
hemiacetal catalisada por ácido e, ent�o, uma eliminaç�o de água
catalisada por ácido, seguida por uma segunda adiç�o do álcool e a
perda de um pr�ton.
Todas as etapas na formaç�o de um acetal a partir de um alde�do s�o
revers�veis.
Se dissolvermos um alde�do em um grande excesso de um álcool anidro e
adicionarmos uma pequena quantidade de um ácido anidro (por exemplo,
HCl gasoso ou H2SO4 concentrado), o equil�brio favorecerá fortemente a
formaç�o de um acetal. Ap�s o equil�brio
ser estabelecido, podemos isolar o acetal neutrali�ando o ácido e evaporando
o excesso de álcool.
Se colocarmos, ent�o, o acetal na água e adicionarmos uma quantidade
catal�tica de ácido, todas as etapas se invertem. Sob essas condições (um
excessode água), o equil�brio favorece a formaç�o do alde�do. O acetal sofre
h�dr�l�se:
Acetais�C�clicos
�
�
A formaç�o do acetal c�clico � favorecida quando uma cetona ou um
alde�do � tratado com um excesso de um 1,2-diol e traços de ácido:
Essa reaç�o tamb�m pode ser invertida pelo tratamento do acetal com ácido
aquoso:
A formaç�o do acetal n�o � favorecida quando cetonas s�o tratadas com
álcoois simples e HCl gasoso.
Apesar de os acetais serem hidrolisados a alde�dos e cetonas em ácido
aquoso, eles�s�o�estáve�s�em�soluções�bás�cas:
� Acetais s�o usados para proteger grupos alde�dos e cetonas de reações
indesejadas em soluções básicas.
Podemos converter um alde�do ou cetona em um acetal, reali�ar uma
reaç�o em alguma outra parte da mol�cula e, ent�o, hidrolisar o acetal com
ácido aquoso.
Como exemplo, vamos considerar o problema de converter
Os grupos cetônicos s�o mais facilmente redu�idos do que os grupos �steres.
Qualquer agente redutor (por exemplo, LiAlH4 ou H2/Ni) que pode redu�ir o
grupo �ster em A tamb�m redu� o grupo cetônico. Mas se “protegermos� o
grupo cetônico convertendo-o em um acetal c�clico (o grupo �ster n�o reage),
podemos redu�ir o grupo �ster em soluç�o básica sem afetar o acetal c�clico.
Depois de terminarmos a reduç�o do �ster, podemos hidrolisar o acetal
c�clico e obter nosso produto desejado, B:
�
�
Alde�dos e cetonas reagem com ti�is para formar tioacetais:
Os tioacetais s�o importantes em s�nteses orgânicas porque eles reagem
com o n�quel de Raney para produ�ir hidrocarbonetos. O n�quel de Raney �
um catalisador especial de n�quel que cont�m hidrog�nio adsorvido.
A formaç�o de tioacetal com subsequente “dessulfuri�aç�o� com
hidrog�nio e n�quel de Raney nos fornece um m�todo adicional para a
convers�o de grupos carbonila de alde�dos e cetonas em grupos —
CH2–:
�
Outro m�todo que estudamos � a reduç�o�de�Clemmensen (Seç�o 15.9).
Os alde�dos e cetonas reagem com aminas primárias para formar
iminas e com aminas secundárias para formar enaminas.
As iminas possuem uma ligaç�o dupla carbono-nitrog�nio. As enaminas
possuem um grupo amino unido a uma ligaç�o dupla carbono-carbono (elas
s�o alqueno-aminas).
Uma equaç�o geral para a formaç�o de uma imina a partir de uma amina
primária e de um alde�do ou cetona � mostrada aqui. A formaç�o de imina �
catalisada por ácido e o produto pode se formar como uma mistura de
isômeros (E) e (�):
A formaç�o de imina geralmente ocorre de maneira mais rápida entre pH 4 e
5 e � lenta em pH muito baixo ou muito alto. Podemos entender por que um
catalisador ácido � necessário se considerarmos o mecanismo que foi
proposto para a formaç�o de imina. A etapa importante � aquela na qual o
aminoálcool protonado perde uma mol�cula de água para tornar-se um �on
im�nio. Atrav�s da protonaç�o do grupo álcool, o ácido converte um grupo de
sa�da ruim (um grupo —OH) em um bom grupo de sa�da (um grupo —
OH2
+).
A reaç�o avança mais lentamente se a concentraç�o de �on hidrônio �
muito alta, porque a protonaç�o da pr�pria amina ocorre at� uma extens�o
considerável� isso tem o efeito de diminuir a concentraç�o do nucle�filo
necessário na primeira etapa. Se a concentraç�o do �on hidrônio � muito
baixa, a reaç�o torna-se mais lenta porque a concentraç�o do aminoálcool
protonado será mais baixa. Um pH entre 4 e 5 � um compromisso adequado.
A formaç�o de imina ocorre em muitas reações bioqu�micas porque as
en�imas geralmente utili�am um grupo —NH2 para reagir com um alde�do ou
uma cetona. A formaç�o de uma ligaç�o do tipo imina � importante na
bioqu�mica de fosfato piridoxal (que � relacionado à vitamina B6� veja em “A
Qu�mica de…� a seguir) e em uma etapa das reações que ocorrem durante o
processo da vis�o (veja “A Fotoqu�mica da Vis�o�, Seç�o 13.9).
As iminas tamb�m s�o formadas como intermediários em uma s�ntese de
laborat�rio �til de aminas que estudaremos na Seç�o 20.4.
� Os compostos tais como a hidroxilamina (NH2OH), a hidra�ina
(NH2NH2) e as hidra�inas substitu�das, tais como a fenil-hidra�ina
(C6H5NHNH2) e a 2,4-dinitrofenilhidra�ina, formam derivados C=N de
alde�dos e cetonas.
Esses derivados s�o chamados de oximas, hidra�onas, fenil-hidra�onas e 2,4-
dinitrofenilhidra�onas, respectivamente. Os mecanismos pelos quais esses
derivados C=N se formam s�o semelhantes ao mecanismo para a formaç�o
de uma imina a partir de uma amina primária. Da mesma forma que com as
iminas, a formaç�o de isômeros (E) e (�) � poss�vel. A Tabela 16.2 mostra
exemplos gerais dessas reações.
As oximas e os vários derivados da hidra�ona de alde�dos e cetonas s�o
algumas ve�es utili�ados para identificar alde�dos e cetonas desconhecidos.
Esses derivados geralmente s�o s�lidos relativamente insol�veis que t�m
pontos de fus�o definidos e caracter�sticos. O ponto de fus�o do derivado de
um composto desconhecido pode ser comparado com o ponto de fus�o para o
mesmo derivado de um composto conhecido ou com dados encontrados em
uma tabela de refer�ncia e, com base nisso, pode-se propor uma identidade
para o composto desconhecido. A maioria dos livros-texto de laborat�rio de
qu�mica orgânica incluem tabelas extensas de pontos de fus�o de derivados.
O m�todo de comparaç�o de pontos de fus�o somente � �til, no entanto, para
compostos que t�m pontos de fus�o de derivados previamente relatados na
literatura. M�todos espectrosc�picos (especialmente espectroscopia no IV, de
RMN e espectrometria de massas) geralmente s�o mais aplicáveis para a
identificaç�o de compostos desconhecidos (Seç�o 16.13).
Fosfato�piridoxal�(�itamina�B6).
Os alde�dos e cetonas reagem com aminas secundárias para formar enaminas.
A seguinte equaç�o � uma equaç�o geral para a formaç�o de enamina:
Um mecanismo para a reaç�o � apresentado no boxe a seguir. Observe a
diferença entre o mecanismo descrito anteriormente para a formaç�o de imina
e esse mecanismo para a formaç�o de enamina. Na formaç�o de enamina, que
envolve uma amina secundária, n�o existe pr�ton no nitrog�nio para remoç�o
no cátion im�nio intermediário. Logo, uma imina neutra n�o pode ser
formada. Em ve� disto, um pr�ton � removido de um carbono adjacente ao
antigo grupo carbonila, resultando em uma enamina. Veremos no Cap�tulo 18
que as enaminas s�o muito �teis para a formaç�o de ligaç�o carbono–carbono
(Seç�o 18.9).
As aminas terciárias n�o formam produtos de adiç�o estáveis com
alde�dos e cetonas porque, com a formaç�o do intermediário tetra�drico, a
carga formal positiva resultante n�o pode ser neutrali�ada pela perda de um
pr�ton.
� O cianeto de hidrog�nio � adicionado aos grupos carbonila de alde�dos
e da maioria das cetonas para formar compostos chamados de
cianoidrinas. (Cetonas nas quais o grupo carbonila � altamente
impedido n�o sofrem essa reaç�o.)
As cianoidrinas formam-se mais rapidamente sob condições onde os
ânions cianetos est�o presentes para agir como o nucle�filo. A utili�aç�o de
cianeto de potássio, ou qualquer base que possa gerar ânions cianeto a partir
do HCN, aumenta a velocidade da reaç�o em comparaç�o à utili�aç�o do
HCN so�inho. A adiç�o do pr�prio cianeto de hidrog�nio a um grupo
carbonila � lenta porque a fraca acide� do HCN (pKa � 9) fornece apenas
�
uma pequena concentraç�o do ânion cianeto nucleof�lico. A seguir vemos um
mecanismo para a formaç�o de uma cianoidrina.
As cianoidrinas s�o intermediários �teis em s�ntese orgânica porque
podem ser convertidas em diversos outros grupos funcionais.
A hidr�lise ácida converte as cianoidrinas em α-hidroxiácidos ou em
ácidos α, β-insaturados.
O mecanismo para essa hidr�lise � abordado na Seç�o 17.8H. A preparaç�o
de α-hidroxiácidos a partir de cianoidrinas � parte da s�ntese de Kiliani-
Fischer de aç�cares simples (Seç�o 22.9A):
� A reduç�o de uma cianoidrina com hidreto de alum�nio e l�tio fornece
um β-aminoálcool: