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ISBN 978-65-88024-03-4 © 2020, direitos dessa obra pelos autores. Obra disponibilizada gratuitamente. Cite essa obra como: BRANCO, C. H. L. G. T.; GUILHON-SIMPLICIO, F.; MESQUITA, L. S. B. Mecanismos gerais em Química Orgânica: guia prático para estudantes de Farmácia. 1 ed. Manaus: BK Editora, 2020. 173p. Prefácio Este guia foi idealizado durante os primeiros períodos do curso de Farmácia da Universidade Federal do Amazonas (UFAM), onde o estudante se depara com um extenso conteúdo em Química Orgânica. Para muitos, uma surpresa, visto que se trata de um curso da área da saúde. Contudo, passado o susto inicial, percebe-se a cada dia como a Química Orgânica é importante e fundamental para a formação do Farmacêutico. Com o tempo e as dificuldades vivenciadas, a ideia e a vontade de produzir um material para tornar essa fase do curso mais amena foi se consolidando. Com o apoio das professoras Fernanda Guilhon Simplicio e Lenise Socorro Benarrós de Mesquita, a ideia se converteu em projeto, que obteve a chancela da Pró-Reitoria de Extensão da UFAM, por meio do Programa Institucional de Bolsas de Extensão (PIBEX). Portanto, esta é uma obra construída, com todo carinho e empenho, de estudante para estudante! Em geral, para o estudo da Química Orgânica você precisa utilizar vários livros, muitas vezes com mais de um (gigantesco) volume, entre outros artifícios didáticos. O objetivo deste Guia é oferecer um material de apoio para consulta rápida dos mecanismos de reações orgânicas, os quais são demonstrados em etapas, comentando suas particularidades, para que o estudante possa memorizar e compreender o objetivo de cada processo reacional. Com este guia, através do sumário ou na busca rápida do próprio leitor de PDF, é possível encontrar rapidamente a reação desejada, com suas etapas e particularidades detalhadas. Muitas vezes você poderá encontrá-la em mais de um capítulo, pois seus constituintes podem ser o produto para um capítulo e o reagente em outro, visto que na Química os conteúdos são interligados um ao outro. Este guia prático traz ainda uma lista de símbolos e termos e abreviaturas comumente utilizados na descrição de reações orgânicas, cujos significados muitas vezes não são mencionados nos livros didáticos. Adiante, possui o “esquema de reações” que mostra os principais tipos de reações químicas, para que o leitor observe as principais diferenças entre elas. Outro diferencial deste guia é trazer não somente as etapas das reações, mas a ordem entre elas, do ponto de vista didático A ideia de um livro gratuito e disponível em versão digital está atrelada à premissa de que o conhecimento deve ser universal. Portanto, ofereço esta obra a todos aqueles que gostam ou precisam estudar Química Orgânica. Sendo esta a primeira versão, todos os leitores são convidados a contribuir com sugestões, correções e críticas construtivas para que as próximas edições sejam cada vez melhores! Carlos Henrique Lamego Guimarães Thomaz Branco Agradecimentos À Deus por me conceder bênçãos na minha vida, minha mãe, vó e toda minha família, namorada, e aos amigos e colegas que me motivaram a construir esse livro. Agradeço as minhas orientadoras, Profª. Drª Fernanda Guilhon Simplicio e Profª. Drª Lenise Socorro Benarrós de Mesquita, por me proporcionarem essa oportunidade e de sempre me ajudarem ao longo dessa caminhada, À Universidade Federal do Amazonas, pela aprovação e amparo desse projeto de extensão. “Deus dá as batalhas mais difíceis aos seus melhores soldados”. Papa Francisco Lista de Símbolos Reação Geral Representa a reação de forma resumida, representando todos os reagentes e produtos formados. Também pode ser denominada de reação global. Mecanismo Representa a reação de forma detalhada, com os processos e etapas de reação, com os produtos intermediários até a formação do produto. Esquema Geral Representa uma reação com etapas simplificadas, não sendo necessária a separação entre a “reação geral” e “mecanismo”. São encontradas em etapas simples de reações químicas. + Parcialmente positivo. O átomo que apresenta essa simbologia sugere que este possui tendência em ceder elétrons na próxima etapa de reação. Entre dois ligantes, o que possui menor eletronegatividade. _ Parcialmente negativo. O átomo que apresenta essa simbologia sugere que este possui tendência em adquirir elétrons na próxima etapa de reação. Entre dois ligantes, o que possui maior eletronegatividade. Nu (Nucleófilo) Átomo que apresenta pares de elétrons livres para realizar ataques no núcleo de outro átomo (aceptor), produzindo uma nova ligação química. Também este pode conter ligação dupla ou tripa (π- pi). São considerados base de Lewis. E (Eletrófilo) Átomo que apresenta carência (falta) de elétrons, aceptor de elétrons em um ataque realizado por um nucleófilo. São considerados ácidos de Lewis. B (Base) Caráter nucleofílico, são capazes de formarem ligações químicas, podem representar o meio reacional interativo com os reagentes. X Representante dos halogênios (família 7A da tabela periódica). Grupo abandonador (A) Representa um grupo de saída da molécula principal, no qual possui característica aceptora de elétrons por geralmente possuir maior eletronegatividade que outros ligantes. e- Representativo de elétron. R, R1, R2, Rn... ou R1, R2, Rn... Representa os radicais da molécula principal, geralmente de qualquer cadeia carbônica. Representativo dos pares de e- de um nucleófilo. Representativo de um e- presente no átomo. Δ Representativo de aquecimento/calor submetido a um processo reacional. Hv Representativo de luz, onda de luz propagada em reações radicalares. ºC Representativo da temperatura em graus Celsius. Seta indicadora do sentido reacional, de reagente para produto. Seta indicadora de reação reversível, de reagente para produto e produto para reagente Seta indicadora de ressonância. Rearranjo de ligações intramoleculares. Δ H + Indicam sobre os componentes da reação, podem estar abaixo ou em cima conforme demonstrado. A ordem de prioridade segue de cima para baixo da seta de sentido reacional. Δ H + Indicam os componentes reacionais de acordo com o sentido da reação. Presentes ao oposto do principal sentido indicam a reversibilidade quando submetido a esse componente. 2 Seta indicadora do sentido da reação. Os números adjacentes as setas representam a ordem das etapas. - H+ Representam átomos ou compostos que se desagregaram da molécula principal (subprodutos). [ ] Representativo da etapa contendo intermediários reacionais. Sumário 1. Esquema de reações ......................................................................................................... 16 1.1. Reações de substituição ............................................................................................... 16 1.2. Reações de adição. ........................................................................................................ 17 1.3. Reações de eliminação. ................................................................................................. 18 2. Alcanos ................................................................................................................................... 19 2.1. Síntese de alcanos ......................................................................................................... 19 2.1.a. Por hidrogenação (redução catalítica) ..................................................................C CH3 H Br + OH – K +3 2 1 C C CH3 + OH2 - KBr Mecanismo C C CH3 H Br KOH CH 3 CH 2 OH C C CH3 + K + Br – + OH2 Reação Geral Alquenos (alcenos) e dienos 42 ISBN 978-65-88024-03-4 3.15.d. Por desidratação de álcoois primários, secundários ou terciários, com formação de alquenos e éteres (simétricos ou não): Reação Geral Mecanismo R CH CH OH R" R' H HSO4 + _ R CH CH OH2 R" R' + _ R CH C R" R' OH2 S OHOH O O + OHR''' R CH CH O + R" R' R''' H HSO4 _ + R CH CH O R" R' R''' R CH CH OH R" R' Ácido Forte R'''OH R CH C R" R' R CH CH O R" R' R''' + Maior rendimento Menor rendimento O produto dependerá do reagente seguinte na interação com a molécula, influenciando no rendimento da reação ou HSO4 _ 3.15.e. Por desidratação de éteres terciários: C R 1 CH OR 2 R R 4 R 3 Reação Geral Ácido Forte Δ R C R 1 C R 4 R 3 + R 2 OH C R 1 CH XR R 4 R 3 + Subproduto Haloalcano parcialmente produzido Alquenos (alcenos) e dienos 43 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo C R 1 CH OR 2 R R 4 R 3 H Cl Δ C R 1 C OR R 4 R 3 R 2 H H + Δ C R 1 C OR R 4 R 3 R 2 H H + Cl – R C R 1 C R 4 R 3 + R 2 OH Δ C R 1 C OR R 4 R 3 R 2 H H Cl – C R 1 C ClR R 4 R 3 H + HCl + 3.15.f. Por pirólise de ésteres: R O R 1 O 240 - 300°C R O OH + Mecanismo R O O R 1 H Δ Lento R O OH R 1 + R 1 Reação Geral 3.15.g. Por eliminação de Cope: Perácido Δ C CR 1 H R 2 N R 3 R 4 R R C C R 2 R 1 R 4 R 3 C CR 1 H R 2 N R 3 R 4 O R R _ + OH NR2 + Produção de um N,N-dialquil hidroxilaminas a partir de perácidos como oxidante, com formação de alquenos pela indução térmica submetida na reação. Alquenos (alcenos) e dienos 44 ISBN 978-65-88024-03-4 3.15.h. Por eliminação de Hofmann: R R 1 R 2 NH2 Reação Geral R R 1 R 2 1º 3CH3I 2º. Ag 2 O, Δ Meio aquoso Mecanismo R R 1 R 2 NH2 CH3 I+ R R 1 R 2 N + CH3 H H 1º mol I _ 2 CH 3 I Repete-se mais duas vezes R R 1 R 2 N + CH3 CH3 CH3 H I _ OH R R 1 R 2 N CH3 CH3 CH3 + _ + 2AgI Ag 2 O - 2H 2 O - HI 3.15.i. Por adição de ilídeos, onde, geralmente, é utilizado a trifenilfosfina, um ilídeo, para formar um alqueno: Bz = anel aromático ( ) C O R R1 CH2=P(Bz)3 C CH2 R R1 + O P(Bz)3 C O R R1 CH2 P Bz Bz Bz C P O CH2 Bz Bz Bz R R1 1 2 3 C CH2 R R1 + O P(Bz)3 Reação Geral Mecanismo Alquenos (alcenos) e dienos 45 ISBN 978-65-88024-03-4 3.15.j. Por hidrogenação radicalar de alcinos: C CR R 1 Reação Geral Mecanismo Na NH 3 C C R H R 1 H C CR R 1 Na C C R R 1 _ + N H H H - NaNH2 C C R R 1 H Na C C R R 1 H - NaNH 2 NH 3 C C R H R 1 H Alquinos (Alcinos) 46 ISBN 978-65-88024-03-4 4. Alquinos (Alcinos) 4.1. Síntese de alquinos. 4.1.a. Por eliminação de haletos em dihaloalcanos: Reação Geral C C H R R 1 H X 2 CH2Cl2 C H R X C X R 1 H 2 KOH/ etanol ou 1. NaNH 2 , NH 3 2. H2O C CR R 1 Mecanismo C C H R R 1 H Cl Cl+ C C H Cl + R 1 H R Cl – C C H Cl H Cl R R 1 Parte inferior protegida do ataque Trans + _ CH2Cl2 B _ B = qualquer uma das bases pertencentes a segunda etapa C C R Cl R 1 H Cl – ou B _ C CR R 1 + 2HB + Cl - ou HB + HCl 4.1.b. Produção de alcinos por alquilação de acetileno: C CR R 1 Reação Geral Mecanismo 1. NaNH2 2. RX C CH H C CR H 1. NaNH2 2. R1X C CH H NH2 _ Na + O comportamento dos alcinos é de fraca acidez, pelo qual proporciona a formação de um íon carbânion na dissociação com uma base fraca, mas com um deslocamento de equilíbrio da reação para a esquerda, demonstrando a baixa estabilidade de sua forma ionizada. Como mostra o exemplo, o íon acetileto é formado pela reação com uma base. - NH 3 C C – H Na + R Cl+ + _ C CH R - NaCl NH2 _ C C R _ Na + - NH3 R 1 Cl C CR R 1 - NaCl 4.2. Reações de alcinos. Alquinos (Alcinos) 47 ISBN 978-65-88024-03-4 4.2.1. Hidrogenação (redução catalítica) com formação de alcanos e alquenos (reação de Lindlar): C CH H C C HH H H H H H2 Pd/C ou Pt ou Ni + H2 catalisador de Lindlar HH Adição CIS 4.2.2. Hidrogenação radicalar com formação de alquenos: C CR R 1 Reação Geral Mecanismo Na NH 3 C C R H R 1 H C CR R 1 Na C C R R 1 _ + N H H H - NaNH2 C C R R 1 H Na C C R R 1 H - NaNH 2 NH 3 C C R H R 1 H 4.2.3. Hidroboração – Oxidação de alquinos: Reação Geral C CR R 1 BH 3 H 2 O 2 , OH – C C R 1 OHH R CCH2 R 1 O R Enol Aldeído C CR R 1 Mecanismo B H H H H 2 O 2 , OH – C C R 1 BH2H R Repetimos mais duas vezes o mesmo processo H 2 O 2 OH – Se R1 = C Cetona Se R1 = H Aldeído + 2 RC=CR1 Alquinos (Alcinos) 48 ISBN 978-65-88024-03-4 C C R 1 B(CR 1 =CHR) 2H R OOH _ OH2 C C R 1 OH R H H + C C R 1 O + H R HH OH – OH – CRCH2 R 1 O 4.2.4. Adição de hidrácidos (hidrohalogenação). 4.2.4.a. Radicalar utilizando peróxido – Regra anti-Markovnikov: Mecanismo Reação Geral R 1 O OR 1 Δ ou hV 2 R1O R 1 O H Cl Δ R1OH + Cl Cl C CR H C C R H Cl Δ + H Cl Δ C CR H C X H R C H X HC C X HH R HX R1OOR1 HX R1OOR1 C C R H Cl H Cl C R H Cl C H Cl H Cl Cl_ C R H Cl C H Cl H 4.2.4.b. Halossubstituição com formação de alquenos pela regra de Markovnikov: Reação Geral C CR H Excesso HX C X X R C H H H HX C C H HX R Alquinos (Alcinos) 49 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo C CR H H Cl C + C H H R Carbocátion intermediário Cl – C C H H R Cl H Cl C + Cl R C H H H Cl – CCl R C H H H Cl 4.2.4.c. Hidratação para produção de aldeídos e cetonas: C CR R 1 H 2 SO 4 meio ácido + OH2 C C OH R 1 H R Enol C C O R 1 H R H C CR R 1 HSO 4 _ H + O H H H 2 SO 4 C C O R 1 H R H O + H H Hmeio ácido C C O + R 1 H R H H C C O + R 1 H R H H OH2 C C O R 1 H R H Enol Reação Geral Mecanismo Se R1 = C Cetona Se R1 = H Aldeído 4.2.5. Halogenação para produção de dihaloalcanos: Esquema Geral C CR H X X + _ C CR H X + X _ C C X X H R X X + _ C X R C X H X + X _ C C X R X H XX Trans Alquinos (Alcinos) 50 ISBN 978-65-88024-03-4 4.2.6. Oximercuriação com produção de aldeídos ou cetonas: Reação Geral C CR R 1 C C R 1 HOH R H 2 O, H 2 SO 4 HgSO 4 ou Hg2+ C O R CH2 R 1 Mecanismo C CR R 1 Hg 2+ C CR R 1 Hg OH2 C C R 1 Hg + R O H H + H 2 O C C R 1 Hg + R OH + O + H H H C C R 1 Hg + R O H H + H 2 O C C R 1 Hg + R O H Hg 2+ - O + H H H C C H R 1 O R H C C H R 1 O R H Enol Cetona 4.2.7. Reações de oxidação. Quando estudamos sobre oxidação vemos muitos esquemas simplificados sobre a entrada do oxigênio na molécula devido à oxidação, mas podemos, por hipótese, sugerir mecanismos para a reação de oxidantes em alcinos. Note que os diferentes reagentes geram produtos diferentes. 4.2.7.a. Produção de dicetonas em alquinos: Reação Geral C CR R 1 Alquino KMnO4 H2O C CR R 1 O O Dicetona Alquinos (Alcinos) 51 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo C CR R 1 Mn O O O O – K +1 2 3 A reação do permanganato promove conformação CIS C C R R1 O O Mn OO _ 2H 2 O - 2OH - MnO 2 C OH C OH R R1 C C O O Mn OO OH R OH R1KMnO 4 2H 2 O _ - 2OH - MnO2 C CR R 1 OH OH OH OH 2 OH - 2H+ C CR R 1 O – O – OH OH - 2 OH _ _ C CR R 1 O O + 2 H2O 4.2.7.b. Em alquinos terminais: Mecanismo C CR H Mn O O O O – K +1 2 3 A reação do permanganato promove conformação CIS C C R H O O Mn OO _ C OH C OH R H C C O O Mn OO OH R OH H KMnO 4 2H 2 O - 2OH- MnO 2 2H 2 O _ - 2OH - MnO 2 C CR H OH OH OH O H C CR O OH O C CR OH O + O + H H HOH C CR OH OH OH OH2 + - H 2 O C CR OH OH OH + + + _ 2 OH - 2H+ Reação Geral C CR H Alquino terminal KMnO 4 H 2 O C CR O OH O Ácido alfa-ceto carboxílico Alquinos (Alcinos) 52 ISBN 978-65-88024-03-4 Utilizando meio ácido, formação de ácidos carboxílicos (note que o mecanismo muda devido o meio ácido): Reação Geral C CR R 1 Alquino terminal CR OH OKMnO 4 H 3 O+ Ácido carboxílico + R 1 C O OH Mecanismo C CR R1 KMnO 4 2 H3O + C OH C OH R R1 KMnO4 C CR R 1 OH OH OH OH 2 H3O + Repetimos o mesmo processo das reações anteriores O + H H H C CR R 1 OH OH2 OH OH + CR OH OH + R 1 C H2O HO + + + CR OH O + R 1 C OH O 4 H 2 O - 4H+ Note que nessa reação há excesso de prótons devido o meio ser ácido e, portanto, a liberação de água da molécula é inviável por não garantir a estabilidade do carbono (não haverá produção de carbocátions). Note que o meio ácido é restaurado na última etapa. 4.2.7.c. Ozonólise com produção de ácidos carboxílicos: Reação Geral Mecanismo C CR R 1 Alquino terminal CR OH O Ácido carboxílico + R 1 C O OH C CR R 1 1. O 3 2. H 2 O Se R1 = H : CO2 O O O _ + C C R O O R 1 O C C R O R 1 O O – H 2 O C C R O R 1 O OH + + OH – C CR OH O OH O R 1 C CR R 1 OH OH O O CR O OH + R 1 C OH O Compostos aromáticos 53 ISBN 978-65-88024-03-4 5. Compostos aromáticos 5.1. Substituição aromática eletrofílica: 5.1.1. Halogenação. Substituição de halogênios (Br, Cl, I ou F geralmente) em um aromático, adicionando uma molécula no benzeno formando o halo- benzeno desejável. Cl Cl 2 FeCl 3 / Δ 1 Formação da Espécie Reativa Fe Cl Cl Cl Cl Cl Δ Fe – Cl + Cl Cl Cl Cl Δ Fe – ClCl Cl Cl + Cl + Base de Lewis Espécie Reativa 2 Formação do íon carbônio + Cl + _ FeCl 4 Δ H H Cl + 3 Regeneração do aromático (dupla ligação) H H Cl + + _ Δ Cl + FeCl 3 + ClH Regeneração do catalisador + FeCl 4 Reação Geral Primeiro formamos os compostos reativos a partir da reação entre o halogênio utilizado e o catalisador Férrico (principalmente), pois este reage com maior eficiência. O objetivo é formar a espécie reativa, que irá reagir diretamente com o anel formando o composto desejado (halo-benzeno), enquanto a base de Lewis servirá para estabilizar a reação. Compostos aromáticos 54 ISBN 978-65-88024-03-4 5.1.2. Nitração: uma substituição de um Hidrogênio do anel por NO2. Note que no decorrer da 1ª etapa o ácido nítrico reage com o ácido sulfúrico produzindo uma molécula de água, a base de Lewis (HSO4 - ) e a espécie reativa (NO2 +): Reação Geral HNO 3 H 2 SO 4 / Δ NO2 + OH2 ( NO2) Mecanismo 1 Formação da Espécie Reativa Base de Lewis Espécie Reativa 2 Formação do íon carbônio + + H H NO2 + 3 Regeneração do aromático (dupla ligação) H H NO2 + + Δ NO2 + + Regeneração do catalisador OH N + O O + S O O OHOH 1 _ N + O O 3 2 4 S O O OHO – OH2 + NO 2 + HSO 4 Δ _ HSO 4 _ H 2 SO 4 OH2 / Δ_ 5.1.3. Sulfonação. Essa reação, diferentemente da anterior, utiliza 2 moles de Ácido Sulfúrico, na qual suas etapas são um pouco mais complexas, mas também há produção de água. Estando em uma temperatura ambiente (25ºC), esse ácido serve como um bom catalisador: Compostos aromáticos 55 ISBN 978-65-88024-03-4 Reação Geral SO3H + OH2 H 2 SO 4 H 2 SO 4 / Δ Mecanismo 1 Formação da Espécie Reativa + S O O OHOH 1 3 2 S O O OHO – +S O O OHOH S O O OH + OH H Δ A água interage com a molécula reativa produzindo um íon Hidrônio Base de LewisEspécie Reativa 2 Formação do íon carbônio + H H SO3 + _ Δ S O O O – + + O + H H H Δ SO3 + H3O + HSO4 _+ Note que não possui carga SO3 + _ HSO 4 H 3 O , Δ 3 Regeneração do aromático (dupla ligação) H H SO3 + + SO3 + Regeneração do catalisador HSO 4 _ H 2 SO 4 O + H H H _ H 3 O , Δ _ H 2 SO 4 SO3H + OH2 + Ácido Benzenosulfônico Compostos aromáticos 56 ISBN 978-65-88024-03-4 5.1.4. Alquilação de Friedel-Crafts. Usada para adicionar uma cadeia carbônica no aromático. Uma observação importante é que o catalisador eficiente é o Alumínio e não o Ferro (como na halogenação de aromáticos). Reação Geral CH3 + Mecanismo 1 Formação da Espécie Reativa Base de Lewis Espécie Reativa CH3Cl AlCl 3 ClH CH3 Cl + Al Cl Cl Cl Al – Cl Cl ClClCH3 + Al – Cl Cl ClClCH3 + + 2 Formação do íon carbônio + H H CH3 + 3 Regeneração do aromático (dupla ligação) H H CH3 + + CH3 + + Regeneração do catalisador _ AlCl 3 CH3 + AlCl 4 Al – Cl Cl ClCl 1 2 3 ClH 5.1.5. Acilação de Friedel-Crafts. Como o nome diz, haverá uma substituição de um dos Hidrogênios do anel por um acil, formando um acil-benzeno: Compostos aromáticos 57 ISBN 978-65-88024-03-4 Reação Geral C CH3 O + Mecanismo 1 Formação da Espécie Reativa Base de Lewis Espécie Reativa 2 Formação do íon carbônio + H H C CH3 O + 3 Regeneração do aromático (dupla ligação) H H C CH3 O + + C CH3 O + + Regeneração do catalisador _ AlCl 3 C + CH3 O ClH C ClCH3 O + Al Cl Cl Cl Al – Cl Cl ClClCCH3 O + Al – Cl Cl ClClCH3 C O + Al – Cl Cl ClCl 1 2 3 ClH CH3 CCl O AlCl 3 + AlCl 4 Para reagentes de cadeias longas lembre-se que haverá ressonância entre os carbonos na qual o carbono mais substituído terá maior estabilidade e tendência em permanecer com a carga positiva para sofrer ataques de uma das duplas do composto aromático. Compostos aromáticos 58 ISBN 978-65-88024-03-4 CH CH3 CH3 + AlCl 3 Δ + CH3(CH2)2Br Ocorre efeito ressonante e deslocamento de um dos hidrogênios do carbono secundário (CH2)2CH3 Principal formado Menos formado Produto mais estável 5.2. Ressonâncias do anel: as duplas ligações do anel não são fixas, apesar de demonstrarmos nas imagens e esquemas. Elas possuem um efeito ressonante em que a energia de ligação se desloca conforme um efeito sobre o anel. Demonstraremos de maneiras simples esse deslocamento: _ + Poderá ocorrer formação de cargas parciais em qualquer uma das ligações, conforme um andamento de reação ou dependendo do efeito dos substituintes do anel (que será discutido logo adiante) Um deslocamento em uma das ligações pode ocasionar o deslocamento das outras duplas 5.2.1. Efeito dos substituintes. O primeiro substituinte do anel pode influenciar na reatividade em uma segunda reação desse composto, na qual a entrada do segundo grupo substituinte dependerá do efeito do primeiro grupo, ou seja, se haverá uma substituição eletrofílica na posição orto, para ou se haverá eficiência evidente em meta. Caso aquela molécula apresente dois (ou até mais) grupos substituintes no anel, a posição de entrada do próximo grupo dependerá do efeito do grupo (já contido no anel) mais influente. Existem 2 categorias que definem o efeito dos grupos para a formação das cargas parciais no anel: ✓ Ativantes: São grupos que proporcionam uma estabilidade da carga positiva (δ+) por possuírem um efeito de doadores de elétrons ao anel, em outras palavras, a δ+ permanecerá no carbono do anel que possui aquele ativante, enquanto que a carga negativa irá se deslocar para as posições orto e/ou para dirigente. Podemos considerar que em geral os ativantes são caracterizados por não possuírem dupla ligação. Exemplos comuns para entendimento Compostos aromáticos 59 ISBN 978-65-88024-03-4 básico desse conteúdo: CH3, OH e NH2 que são os mais utilizados para demonstrações básicas. CH3 CH3CH3 _+ sp3 sp2 Fluxo do maior para o menor Efeito indutivo Positivo (+) : doando elétrons para o Anel Efeito ReativoPositivo (+) : Possibilidade de entrada Orto, Para _ _ _ A característica de ativante ou desativante também são explicadas e induzidas pelo efeito indutivo e reativo apresentado pelo substituinte + _ CH3 _ + CH3 CH3 CH3ClAlCl3 / Δ CH3ClAlCl3 / Δ CH3 CH3 Orto e Para como produto final mais eficiente para a segunda reação do composto Obs: Baixa eficiência para meta Também o mesmo método se aplica a: OH NH2 e Entre outros... ✓ Desativantes/desativadores: São grupos que ocasionam o fluxo de elétrons para “fora do aromático”, ou seja, a movimentação e atração da energia dos elétrons possuirão sentido rumo ao substituinte que, geralmente possui característica sp2, possuindo uma definição de aceptores de elétrons. Contudo, a ressonância ocasionará cargas positivas no anel e, com isso, podemos confirmar que não há entrada Compostos aromáticos 60 ISBN 978-65-88024-03-4 orto e nem para dirigente com eficiência, mas haverá orientação meta dirigente com maior eficiência. Exemplos de compostos: COOH, NO2, CO(R – outro composto) e geralmente qualquer outro que apresente dupla ligação no átomo, ligado ao benzeno, do grupo desativante apresentam sp2. Para tentarmos comprovar essa ideia, vamos expor um exemplo de como esses aceptores não proporcionam substituição orto e para: N O O – NO2NO2 _ + sp2 Fluxo para o substituinte Efeito indutivo Negativo (-) : retirando elétrons para o Anel Efeito Reativo Negativo (-) : Entrada eficiente possível Meta _ _ _ + _ NO2 _ + CH3 CH3ClAlCl3 / Δ CH3ClAlCl3 / Δ CH3 Obs: Tendência para meta Também o mesmo método se aplica a: COOH COCH 3 X X SO3H ; ; Entre outros Esse teste nos mostra que não há entrada orto e/ou para + CH3 NO2 ✓ Halo-substituintes: são compostos halo-benzênicos que, por sua vez, possuem seu próprio conceito de efeitos do anel em uma Compostos aromáticos 61 ISBN 978-65-88024-03-4 reatividade com um segundo substituinte. O halogênio induz orientação orto e para, mesmo sendo um desativador, pois seu efeito indutivo é fraco. Segue o esquema abaixo: Cl ClCl _ + sp2 influencia (fraca e lentamente) o sentido para o substituinte Efeito indutivo Negativo (-) : sentido de elétrons para o substituinte Efeito Reativo Positivo (+) : Possibilidade de entrada orto e para _ _ _ + _ Cl _ + Cl CH3 CH3ClAlCl3 / Δ CH3ClAlCl3 / Δ Cl CH3 Orto e Para como produto final mais eficiente para a segunda reação do composto Obs: estabilidade da ocasiona tendência para orto e para O método se aplica a todos os halo - substituintes Apesar de ser um desativante, o halogênio influencia fracamente no seu efeito indutivo, possibilitando, assim como os ativantes, promovem a entrada orto e para dirigente sp + O que apresentamos foram, de maneira resumida, as influências de reatividade dos substituintes mais comuns estudados na química orgânica básica. Caso o leitor esteja interessado em se aprofundar nesse conteúdo é sugerida uma consulta em literaturas renomadas que possuem esse conteúdo de maneira específica e, também, demonstrativa. Lembrando ao leitor que há vários modos de demonstrar uma técnica e um mecanismo, desde que sigam as regras básicas de ataques nucleofílicos e eletrofílicos. Compostos aromáticos 62 ISBN 978-65-88024-03-4 5.2.2. Substituição em sistema de anéis fundidos. Os anéis fundidos, podendo ser formados a partir de reações de Diels- Alder, reagem diferentemente de um benzeno, possuindo características específicas para as reações, na qual serão demonstradas adiante: Uma ideia dessa substituição em um naftaleno: Naftaleno 1 2 3 4 10 9 8 7 6 5 Cl2 FeCl 3 / Δ Cl 1 Reação Geral Note que o primeiro substituinte entrará na posição a do aromático Mecanismo Cl Cl + FeCl 3 FeCl 4 + Δ Cl + _1 2 3 + Cl + Δ HCl H + HCl H + + FeCl 4 _ 1 2 Δ Cl O padrão de substituição se deve à estabilidade das posições 1 e 4 do naftaleno (principalmente conhecidas como α) são maiores que em β quando Compostos aromáticos 63 ISBN 978-65-88024-03-4 estão sob 50ºC, e a reação torna-se lenta. Essa influência da temperatura é conhecida como “Controle termodinâmico”. Todavia, conseguimos resultados diferentes quando submetemos os reagentes a altas temperaturas (em aproximados 170ºC) tornando mais rápida essa reação com o resultado na posição β (2 ou 3). O mesmo pode acontecer para eliminar aquele substituinte no aromático. Veremos abaixo como podemos representar os diferentes resultados: 5.2.3. Controle termodinâmico: Naftaleno SO3H + H2SO4 50°C (Lento) 170°C (Rápido) SO3H Note que em posição beta a reação não pode realizar os dois sentidos pois uma reação rápida é definitiva SO3H Curiosidade: formação de fenóis a partir de sulfonação KOH Δ OH + KHSO3 170°C (Rápido) As Acilações de Friedel-Crafts também são influenciadas pelos solventes, que podem alterar a posição do substituinte em anéis fundidos (inclusive o naftaleno). O CS2 (Dissulfeto de Carbono) proporciona entrada α, enquanto o Bz-NO2 promove entrada na posição β. Para nível de graduação, é necessário lembrar somente desses pontos. Para aprofundamento no assunto recomenda-se consultar literaturas renomadas. Observe a ideia desse conceito: Compostos aromáticos 64 ISBN 978-65-88024-03-4 COCH 3 COCH 3CH 3 COCl / AlCl 3 CH 3 COCl / AlCl 3 CS 2 NO 2 + ClH + ClH Acilção controlada por solvente O importante é entender que, para esse exemplo de acilação de aromáticos, diferentes solventes provocam modificações na posição de entrada do segundo substituinte e, com isso, formando diferente composto. 5.2.4. Efeito dos substituintes em anéis fundidos. Os anéis fundidos também possuem essas influências dos substituintes, em que diferentes resultados são possíveis dependendo do método. Podemos começar pelo seguinte raciocínio, em comparação com o efeito dos substituintes de benzeno (explicado anteriormente): OH OH Se é um ativante em um benzeno ocorre entrada orto e para Veremos "relação" entre o benzeno e naftaleno: quando há um ativante a entrada será em β e, pouco provável, em α (quase "similar" a do benzeno) OH NO2 NO2 2HNO 3 H 2 SO 4 / Δ Porém, esse precoce raciocínio pode não ser tão simples! Compostos aromáticos 65 ISBN 978-65-88024-03-4 A orientação do próximo substituinte não seria para β, mas para outro anel por conta, resumidamente, de sua estabilidade na reação. Demonstraremos isso com o mesmo exemplo: OH 2HNO 3 H2SO4 / Δ OH NO2 NO2 + OH NO2 NO2 OH NO2NO2 + Mas como ter ideia do composto mais estável, e consequentemente o principal formado? A resposta pode estar em uma simples "soma matemática" das posições dos substituintes que pode ser aproveitada para comparar a eficiência dos compostos nessa formação: 4,7 (Maior rendimento) 1,3 (Menor rendimento) 4,4 Para desativantes, o próximo substituinte não se encontrará no mesmo anel que está o primeiro (A), mas se localizará no anel adjascente (B). NO2 B A HNO 3 H 2 SO 4 / Δ NO2NO2 NO2 NO2 + NO2 NO2 Produtos esperados Não irá ocorrer substituição no 1º anel (o denominado neste exemplo de "A") B AX Substituição no anel adjascente (B) 5.2.5. Substituição em sistema de anéis fundidos. Antracenos e Fenatrenos também são possíveis realizar as reações de substituição, mas a entrada do substituinte ocorre na posição 9 e 10 do anel fundido (essas posições poderão ser verificadas nas páginas anteriores). Daremos um exemplo de substituição para cada um às regras das etapas são as mesmas: Compostos aromáticos 66 ISBN 978-65-88024-03-4 Antraceno 1 2 3 45 6 7 8 9 10 CH 3Cl AlCl 3 / Δ CH3 Reação Geral Mecanismo 1 Formação da Espécie Reativa Base de Lewis Espécie Reativa CH3 Cl + Al Cl Cl Cl Al – Cl Cl ClClCH3 + Al – Cl Cl ClClCH3 + + 2 Formação do íon carbônio + + _ AlCl 3 CH3 + AlCl 4 3 ClH CH3 H H + 3 Regeneração do aromático (dupla ligação) Al – Cl Cl ClCl CH3 + 1CH3 H H + 2 Compostos aromáticos 67 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo Fenatreno 1 2 3456 7 8 9 10 Br2 FeBr3 Br 1 Formação da Espécie Reativa Fe Br Br Br Br Br + Δ Fe – Br + Br Br Br Br Δ Fe – BrBr Br Br + Br + Base de Lewis Espécie Reativa Reação Geral 2 Formação do íon carbônio + Br + _ FeBr 4 Δ + 3 Regeneração do aromático (dupla ligação) + FeCl 4 _ Δ + FeBr 3 + BrH Br H H + Br H H Br Compostos aromáticos 68 ISBN 978-65-88024-03-4 2 Br2 Br Br Para realizar substituição com 2 mols de Br teremos predominantemente conformação TRANS / FeBr3 5.3. Oxidação de aromáticos. Geralmente, quando se estuda esse conteúdo pode-se dizer que uma oxidação deve ser controlada, para não causar a perda da estrutura desejada. Os anéis aromáticos podem sofrer degradação por ausência de controle da reação e a falta de proteção desse anel. Mostraremos a reação de modo mais simplificado e não convencional, mas que servirá de base para sua compreensão: CH3 Símbolo representativo da proteção do anel COOH C H H H 1 mol [ O ] C H OH H 1 mol [ O ] C OH OH H C OH OH H C H O + H OH – +OH2 C O H 1 mol [ O ] C O OH Reação Geral Mecanismo [ O ] controlada KmnO 4 , CrO 3 , KsCr 2 O 7 ou MnO 2 Compostos aromáticos 69 ISBN 978-65-88024-03-4 O controle deve ser equivalente à proporção molar da substância, os reagentes utilizados para oxidação (KMnO4, K2Cr2O7 ou MnO2) devem ser controlados para evitarem de reagir com outras partes da substância, sendo que o alvo principal dessa reação são os substituintes do anel. A proteção do anel é representada pelo símbolo usualmente denominado nuvem, pela qual pode ser um UV ou outro tipo de luz que fornece isolamento para o anel. 5.4. Redução de aromáticos. Reação Catalítica H 2 , Pt HOAc , 25ºC ou H 2 , 140ºC Ne , EtOH, 180ºC Essa reação é radicalar, portanto, não é necessário representação por mecanismo. Radicalar CH3 Na+ ou Li+ NH 3 liquido ROH CH3 CH3 Li 2 3 CH3 1 _ NH 3 EtOH + EtOH NH 3 CH3 H Li CH3 H _EtOH NH 3 CH3 H H +EtO+Li + _ Ataque radicalar influenciada pelo substituinte A regiosseletividade dependerá da natureza do substituinte: no esquema anterior é representado um substituinte doador de elétrons (ativante), a dupla se Compostos aromáticos 70 ISBN 978-65-88024-03-4 localiza prioritariamente no carbono mais substituído, ou seja, o que contém o metil. Já em outro esquema, com um aceptor de elétrons (desativante), ocorre formação de dupla ligação em carbonos menos substituídos, por exemplo: HOOC Na + ou Li + NH 3 liquido ROH HOOC HOOC Li HOOC 1 _EtOH+ EtOH HOOC H Li HOOC H H _ HOOC H H +EtO+Li + _ Ataque radicalar influenciada pelo substituinte2 3 Reação Geral Mecanismo EtO NH3 NH3 NH3 _ EtOH NH3 2 2 Álcoois e fenóis 71 ISBN 978-65-88024-03-4 6. Álcoois e fenóis Caracterizam-se por reações de rompimento na ligação entre hidroxila e cadeia carbônica: (R- OH), por rompimento na ligação de hidrogênio e oxigênio da hidroxila (RO-H) e outras ocorrendo reações de oxidação. Existe um termo comum para caracterizar uma formação de éteres na qual o álcool reage com uma base para formar um sal, pode reagir com metais alcalinos, mas também se comporta como ácido fraco quando se expõe à reatividade da água. O nome caracterizado a esse éter derivado desse álcool é alcoóxido e no caso dos fenóis, fenóxido. Por exemplo: 2 CH3O H + NaOH 2 CH3O _ Na + + OH2 Íon Alcoóxido 2 CH3O H + O HH 2 CH3O _ Íon Alcoóxido + OH3 + O H NaOH+ Na + + OH2 Íon Fenóxido O – 2 CH3O Íon Alcoóxido 2 CH3OH 2 K + + _ K + H2+ Quanto à reatividade de álcoois, uma curiosidade. Como mostra a figura abaixo, o potencial segue do maior para o menor: C OH R R R CH OH R R R OH> > Reatividade Álcool Terciário Álcool Secundário Álcool Primário A reatividade do álcool depende da posição da hidroxila na cadeia carbônica. Serão submetidas condições potentes para uma estrutura com baixa reatividade (p. ex. álcool primário), enquanto as mais reativas serão submetidas condições mais razoáveis. 6.1. Preparação de álcoois. Álcoois e fenóis 72 ISBN 978-65-88024-03-4 6.1.a. Por hidroboração: CH3 BH 3 THF CH3 H BH2 H H 2 O 2 OH _ CH3 H OH H Mecanismo CH3 B H H H THF CH3 H BH2 H HOO H OH _ _ + CH3 H B H O OH H Reação Geral OH _ CH3 H O H B OH H CH3 H OH H H 2 O - BH(OH) 2 6.1.b. Por oximercuriação CH3 Hg OAc OAc, H 2 O/THF NaBH 4 CH3 Hg OAc + OAcOH2 + _ CH3OH H HgOAc + HOAc + CH3OH HgOAc OAc + _ NaBH 4 + Na + B H H H H CH3OH HgOAc CH3OH + HgOAc _ _ Álcoois e fenóis 73 ISBN 978-65-88024-03-4 6.1.c. Hidroxilação por osmato: Mecanismo Reação Geral OsO 4 Piridina / NaHSO 3 H 2 O CH3 OH OH CH3 H Os OO O O 1 2 Piridina Os O OO O CH3 H Intermediário de Osmato Cíclico CH3 NaHSO 3 H 2 O 3 S O OO – Na H O + H H Os O OO O CH3 H Os O OO O CH3 H H + OH2 (Catalisador) O OH CH3 H Os O O O HH + O + OH CH3 H Os O O OHH OH2 + + OH OH CH3 H Os O OOH OH S O OOH Na Álcoois e fenóis 74 ISBN 978-65-88024-03-4 6.1.d. Por epoxidação: Produto é diferenciado por ter conformação TRANS. Reação Geral O CH3 H CH3 RCO 3 H CH 2 Cl 2 OH3 + CH3 OH H OH O O C H CH3 O CH3 H O H C CH3 O O O CH3 H + OH C CH3 O 1 2 3 4 5 CH3 O + H H H 1 2 CH3 OH H + O H H CH3 OH H OH + H CH3 OH H OH A formação de um composto TRANS ocorre graças ao hidrônio, em que o próton restante da reação mais provavelmente interage com ácido acético formando a partir da formação de epóxido, para estabilização da acidez. Um dos maiores desafios para eficiência da reação é o próton restante, na qual pode interagir com o composto secundário ou com o composto principal (Álcool Trans). H + Mecanismo _ 6.1.e. Por redução de carbonilados. Como lembrado, a redução ocorre com adição de hidrogênio no composto buscando substituir a dupla ligação existente. Para o caso de Cetonas e Aldeídos, a ideia central é a mesma, o que os difere é o Carbono, se é secundário ou primário. Demonstraremos esse mecanismo: C O R H C OH R H H C O R R 1 C OH R R 1 H Álcool Primário Álcool Secundário Aldeído Cetona Álcoois e fenóis 75 ISBN 978-65-88024-03-4 C O HCH3 C OH CH3 H H NaBH 4 , EtOH H 3 O+ Redução de Aldeídos Mecanismo C O HCH3 B – H H H H Na + O + H H H 1 2 3 EtOH Solvente Etanol C OH CH3 H H Etanol (Mais Formado) C O CH3CH3 C OH CH3 CH3 H NaBH 4 , EtOH H 3 O+ Redução de Cetonas Propan-2- ol Mecanismo C O CH3CH3 Na + O + H H H 1 2 3 EtOH Solvente C OH CH3 CH3 H Propan-2-ol (Mais Formado) Para Ácidos Carboxílicos e ésteres ocorre o mesmo processo, mas ambos possuem carbonila em um carbono primário: C O R OH C OH R H H C O R O R Álcool Primário Ác. Carboxílico Éster ou Note que difere-se por conta da substituição do segundo oxigênio no carbono Álcoois e fenóis 76 ISBN 978-65-88024-03-4 C O OHH3CH2C C OH H3CH2C H H LiAlH 4 , Éter H 3 O+ Redução de Ácido Carboxílico PropanolÁc. Propanóico Mecanismo Al – H H H H 1 2 Éter C O OHH3CH2C H 3 O+ C O – OHH3CH2C H 1 2 H 3 O+ Li + Li + C O HH3CH2C H 3 O+ Al – H H H H Li + 1 2 C O – HH3CH2C H Li + O + H H H + + + H 2 O COH H3CH2C H H Propanol (Mais Formado) O reagente redutor hidreto de lítio e alumínio (LiAlH4) é suscetível ao ataque do nucleófilo, possibilitando ceder um dos seus ligantes (hidrogênios) para a molécula principal. Uma interação com o lítio pode ser representada para simplificar o esquema em questão. O princípio reacional desse reagente está em ceder elétrons para a molécula pela doação de hidrogênios, formando hidroxilas na molécula reduzida. Quanto mais a molécula for submetida aos hidretos metálicos, mais reduzida ela ficará. Perceba que o LiAlH4 se torna AlH3 ao final, podendo ser regenerado ao estado inicial através do meio hidroalcóolico ou permanecer nessa segunda forma. É importante lembrar que o Li+ é mais reativo que o Na+ para esses dois compostos, na qual favorece a ocorrência citada anteriormente e a maior velocidade desta reação. No éster ocorre o mesmo: Álcoois e fenóis 77 ISBN 978-65-88024-03-4 C O OH3CH2C R C OH H3CH2C H H LiAlH 4 , Éter H 3 O+ Redução de Éster Propanol + H3COH Metanol Repare que o 2º produto (metanol) se forma, portanto, é importante representá-lo por ser um produto de natureza orgânica. Segue o mecanismo: Mecanismo Al – H H H H 1 2 Éter C O OH3CH2C CH3 H 3 O+ C O – OH3CH2C H CH3 1 2 Li + Li + C O HH3CH2C H 3 O+ Al – H H H H Li +1 2 C O – HH3CH2C H Li + O + H H H + + + H 2 O C OH H3CH2C H H Propanol (Mais Formado) + H 3 COH H 2 O 6.1.f. Álcoois produzidos por reagentes de Grignard. Um exemplo comum é a utilização desse composto com uma substância cetônica: C O R 1 R + MgXCH3 C O CH3 R R MgX O + H H H meio aq. ou THF-etOH C CH3 R R OH + Mg(OH)X + MgX2 Complexa com água Complexa-se com outra molécula de Grignard removendo seu Haleto Álcoois e fenóis 78 ISBN 978-65-88024-03-4 6.2. Reações alcoólicas. 6.2.1. Conversão de álcool a éster: esterificação de Fischer. Reação Geral CH2 C OH O CH3 1º Modo CH3 OH HCl, Δ CH2 C OCH3 O CH3 Mecanismo CH2 C OH O CH3 HCl, Δ CH3OH CH2 C O + O – CH3 H CH3 OH 1 2 3 4 CH2 C O + O CH3 H CH3 + OH – H + Cl – CH2 C OCH3 O CH3 + OH2 + HCl Esse primeiro modo utiliza um meio ácido com calor durante todo o processo. Já no segundo modo é utilizado cloreto de tionila para transformação de uma substância intermediária, um cloreto de acila, até submeter o composto a um álcool primário produzindo um éster. Segue o exemplo desse outro mecanismo: 1 Reação Geral CH2 C OH O CH3 2º Modo CH2 C Cl O CH3 Mecanismo CH2 C OH O CH3 CH2 C OCH3 O CH3 SOCl 2 Δ CH 3 OH S Cl O Cl 2 3 4 CH2 C Cl O – CH3 O + S Cl O H Δ Álcoois e fenóis 79 ISBN 978-65-88024-03-4 CH2 C O + O CH3 H CH3 Cl – CH2 C OCH3 O CH3 + 2HCl CH2 C Cl O CH3 OH CH3+ 1 2 3 4 + SO2 Podemos também realizar com o reagente tricloreto de fósforo para chegarmos à etapa com o haleto de acila (a partir desse composto segue o mesmo esquema de reação das anteriores): 1 Reação Geral CH2 C OH O CH3 3º Modo CH2 C Cl O CH3 Mecanismo CH2 C OH O CH3 CH2 C OCH3 O CH3 CH 3 OH P Cl ClCl 2 3 4 CH2 C Cl O – CH3 O + P Cl Cl H Δ PCl 3 Δ CH2 C Cl O CH3 + P Cl Cl OH + _ _ + Esse tipo de reagente possui certa vantagem por 1 molécula sua produzir 3 moléculas de interesse, note que o cloreto é substituído pela hidroxila, como ocorre nas reações anteriores. 6.2.2. Desidratação de álcoois: formação de alquenos. C C H H H H H OH H HSO 4 _+ C C H H H H H OH2 + C C H H H H H + C C H HH H + OH2 + H2SO4 -H+ Álcoois e fenóis 80 ISBN 978-65-88024-03-4 Em casos de cadeia ramificada: C CH2 CH3 CH3 CH3 OH H HSO 4 _+ C CH2 CH3 CH3 CH3 OH2 + C CH2 CH3 CH3 CH3 + C CH CH3 CH3 CH3 H + C CH CH3 CH3 CH3HSO 4 _ 1 2 Para formar a dupla entre o Cα e Cβ precisávamos que β possuísse hidrogênios, como segue a regra desse tipo de reação. Portanto, ocorre uma reorganização na molécula para formação dessa dupla ligação entre esses dois carbonos. 6.2.3. Oxidação de álcoois. O princípio da oxidação é a utilização de um reagente oxidante, como no caso o MnO2, KMnO4, CrO3, K2Cr2O7, H2CrO2, pela qual a molécula alcoólica necessita possuir ao menos uma hidroxila e em seu carbono ligante ao menos um hidrogênio. O esquema abaixo explica sobre uma classificação de álcoois em sua transformação quando submetidos à oxidação. Daremos um exemplo para os mais importantes reagentes, no estudo de química orgânica, nos mecanismos a seguir: C OH R H H [ O ] Controlado C O R H [ O ] Controlado C O R OH Aldeído Ácido CarboxílicoÁlcool Primário C OH R R 1 H [ O ] Controlado C O R R 1 Cetona Álcool Secundário C OH R R 1 R 2 [ O ] Controlado Sem reação Álcool Terciário Note que um álcool primário poderá ser mais amplo para formação de diferentes compostos, enquanto que o terciário é incapaz de reagir para formar outro composto, fato explicado pela ausência de hidrogênios no carbono com a ligante hidroxila (como dito anteriormente). Álcoois e fenóis 81 ISBN 978-65-88024-03-4 6.2.3.a. Com permanganato de potássio (KmnO4): C OH R H R 1 Mn O O O O – K + Base (OH) C O R H R 1 Mn O – O O O – H K + + C O R H R 1 Mn O – O OH O OH – 1 2 3 4 C O R R 1+ HMnO4 H2O + Sal ou Precipitado+ 6.2.3.b. Com trióxido de cromo (CrO3) ou ácido crômico (HCrO4): Cr (VI) O O O O + H H H HSO 4 _ Cr OH O OH O Formamos ácido crômico a partir do trióxido de cromo em meio ácido C H R H OH C O R H 1 2 H2CrO4OH2 Cr OH O O O H + C H R H OH2 + Cr OH O O – O + C H R H O Cr OH O O 3 + Cr OH OH O (IV) + C O R H O H H C OH H OH R Cr OH O O O H + C H OH R O Cr OH O O C H OH R OH2 + Cr OH O O – O + 1 2 C H OH R O Cr OH O O 3 + Cr OH OH O (IV)C O R OH Álcoois e fenóis 82 ISBN 978-65-88024-03-4 C O R OH + H2CrO4 + OH2 C O R H Cr O OH O OH O H H C O R O + H Cr OH OH O – O H H 1 2 3 C O R OH H Cr OH OH O – O 2 3 Estes métodos são específicos e relacionados para reagentes em particular. Note que tudo depende da molécula-alvo, caso seja secundária a reação se finaliza como composto cetônico, mas se primária torna-se de aldeído até um ácido carboxílico. Há uma compreensão geral mais conhecida e utilizada, na qual a representação da reação de oxidação é simplificada pelo símbolo “[O]” e a substituição automática do hidrogênio por uma hidroxila, sem os mecanismos demonstrados anteriormente, métodos considerados simplificados que podem resumir e aplicarem-se aos reagentes oxidantes: C OH R H H [ O ] Controlado C OH R H OH C O – R H OH2 + CR H O [ O ] Controlado C O OH CH3 OH2 Para álcool primário: _ Uma dica importante é observar as hidroxilas, se estiverem ligadas ao mesmo carbono a molécula se torna instável, mas quando elas se encontram em carbonos diferentes, a reatividade dependerá da temperatura: C OH R R 1 H [ O ] Controlado C OH R R 1 OH C O – R R 1 OH2 + C O R R 1 Para álcool secundário: OH2 _ Podemos exercer o mesmo esquema acima com H2CrO4, mas podemos exemplificar como representá-lo na transformação desse aldeído em ácido carboxílico: Álcoois e fenóis 83 ISBN 978-65-88024-03-4 Álcoois e fenóis 84 ISBN 978-65-88024-03-4 6.2.4. Síntese de fenóis. Uma síntese comum verificada para fenóis é a realização, a partir de um benzeno, de uma halogenação. O haleto formado é submetido a uma base forte para transformação em álcool: Halogenação (na dúvida verifique em aromáticos) Br 2 FeBr 3 / Δ Br K + OH – Δ Base Forte OH + KBr Para sínteseindustrial ocorre uma reação de hidrólise do clorobenzeno gerando um sal e submetendo-se a um ácido forte ocorre formação do produto desejado: Cl O – Na + HCl OH Reação Geral Na + OH _ NaOH 1 2 2NaOH 350°C / Pressão Elevada (↑P) 350°C ↑P Cl ONa Na + OH2++ _ O – Na + H Cl _+ OH 2 NaCl+ Mecanismo Outra síntese industrial pode ser realizada a partir do hidroperóxido de cumeno: H 2 C=CHCH 3 H 3 PO 4 / 250°C ↑P CH CH3 CH3 C O OH CH3 CH3 O 2 Δ OH + C O CH3 CH3 H 2 SO 4 Δ Cumeno Hidroperóxido de cumeno Reação Geral Álcoois e fenóis 85 ISBN 978-65-88024-03-4 + CH2 CHCH3 P OH OH O OH+ 250ºC ↑P CH3 CHCH3 + P OH OH O O – + 250ºC ↑P CH CH3 CH3 H H P OH OH O O – 250ºC ↑P CH CH3 CH3 + 1) Alquilação do Propeno H3PO4 Mecanismo A partir do tratamento com H2SO4 (10%) ocorrerá rearranjo molecular do peróxido, pelo qual a molécula torna-se instável e transforma-se em um composto intermediário éter até a entrada da molécula de água novamente, tornando-se um fenol. A cadeia propil torna-se propanona e o catalisador é restaurado no final da reação. 2) Formação do Hidroperóxido de cumeno através do consumo de O 2 atmosférico C CH3 CH3 H O O 2 1 3 Δ C O OH CH3 CH3 Hidroperóxido de cumeno 3) Formação de Fenol e acetona C O OH CH3 CH3 SOH O O OH Δ C O OH2 + CH3 CH3 1 2 Δ O C CH3 CH3 + O H H Δ O C CH3 O CH3 HH + Δ O + C CH3 OH CH3 H Δ OH C + O CH3 CH3 H + SO – O O OH+ Δ OH + C O CH3 CH3 Ocorre rearranjo Álcoois e fenóis 86 ISBN 978-65-88024-03-4 6.2.5. Formação de um substituinte éter. OH Reação Geral 1. NaOH 2. RCH2-X OCH2R 1. Tratamento com base forte O H + Na + OH – O – Age como ácido Na + + OH2 2. Reação de alquilação O – Na + RCH2 X X = Halogênio 1 2 3 O CH2R + NaX (Sal) Observe que primeiro o fenol é tratado com uma base forte, formando um sal, para haver reatividade com o segundo reagente 6.2.6. Formação de um substituinte éster: OH Reação Geral X = Halogênio 1. NaOH 2. RCOX Tipo 1: com Haleto de Acila Mecanismo O H + Na + OH – O – Na + + OH2 O – Na + RC X O 1 2 3 O CR O + NaX (Sal) OH Reação Geral X = Halogênio Tipo 2: com Anidrido Acético 1. NaOH 2. (RCO) 2 O O CR O O CR O Mecanismo O H + Na + OH – O – Na + + OH2 O – Na + C O R O C O R 1 2 3 4 O CR O - RCOO Na _ + 6.2.7. Substituição aromática eletrofílica de fenóis. Uma importante característica desse grupo é de a hidroxila no anel realizar orientações orto-para na próxima entrada de outro substituinte em Álcoois e fenóis 87 ISBN 978-65-88024-03-4 reações envolvendo compostos aromáticos, pelas quais foram vistas anteriormente (ver os mecanismos em aromáticos). OH a) Orientação de halogenação orto-para 3Br 2 FeBr 3 / Δ OH Br Br Br Para ortoorto b) Orientação com impedimento orto OH Br2 ; CS2 FeBr 3 / Δ OH Br c) Nitração OH HNO3 H2SO4 / Δ OH NO2 OH NO2 + Perceba que temos resultados parciais na reação contendo 1 mol de reagente, pela qual irá depender da forma de preparo e das condições para ocorrer reaçãoorto Para d) Reação de Kolbe - Formação de um substituinte carboxílico Esta reação poderá ser utilizada ao invés de uma oxidação, ocorrendo uma substituição eletrofílica dominantemente na orientação orto por um ácido carboxílico: O – Reação Geral Na + 1. CO 2 , 125ºC 2. H 3 O+ OH CO2H Mecanismo O – Na + C + O – O Δ O – C H O O – Na + + 2 1 3 OH C O O – Na + O + H H H OH C O OHH 2 O H 3 O+ Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 88 ISBN 978-65-88024-03-4 7. Aldeídos e cetonas Parte 1: aldeídos. 7.1. Síntese de aldeídos. 7.1.a. Por oxidação controlada de álcoois primários, utilizando KmnO4, CrO3 e entre outros (mecanismo visto em álcoois): C OH R H H [ O ] Controlada CR H O [ H ] O mecanismo é demonstrado na parte de oxidação de álcoois 7.1.b. Por ozonólise: C C H R2R R1 O O O _ C C R1 R R2 H O O O 1 2 3 C R1 R O + O – C R2 H O1 1 2 Mecanismo OO C O C H R2 R R1 1 2 3 C O + HR2 O_ + H OH + Δ Ozonídeo Zn, H 2 O C O R R1 Zn H 2 O 2 C O R R1 C R2 O H + C C H R2R R1 C O R R1 C R2 O H + O 3 , 78°C Zn, HOR' R' = Ac. ou H Reação Geral Δ Δ Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 89 ISBN 978-65-88024-03-4 7.1.c. Com clorocromato de piridínio (PCC): C H R H OH C5H5NH CrO 3Cl _+ CR H O + N + H HCrO3 _ Reação Geral (PCC) CH2Cl2 C H R H OH CrO – O O Cl N + H C H R H O + Cr O OH O – Cl – N + H C H R H O Cr O O O – N + H N C H R H O Cr O O OH CR H O + N + H HCrO3 _ Mecanismo 7.1.d. Por redução de ácido carboxílico ou éster: CR OR1 O H Al But But C O R H OR1 Al(But)2 CR H O Al(But)2 Meio aquoso R1O + CR H O _ R1 = C ou H R1O _ _ Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 90 ISBN 978-65-88024-03-4 7.1.e. Por hidratação de alquinos pela regra anti-Markovnikov: hidroboração. C CR H BH 3 H 2 O 2 , OH – C C H OHH R CCH2 H O R Alquino terminal Enol Aldeído C CR H Mecanismo B H H H H 2 O 2 , OH – C C H BH2H R + 2 RC=CH Repetimos mais duas vezes o mesmo processo H 2 O 2 OH – C C H B(CH=CHR) 2H R OOH _ OH2 C C H OH R H H + C C H O + H R HH OH – OH – CRCH2 H O Reação Geral 7.1.f. Por hidratação de alquinos pela regra Markovnikov: utilização de meio ácido. C CR H H 2 SO 4 meio ácido + OH2 C C OH HH R Álcool instável C C O H H R H C CR H HSO 4 _ H + O H H H 2 SO 4 C C O HH R H O + H H Hmeio ácido Álcool instável Reação Geral Mecanismo Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 91 ISBN 978-65-88024-03-4 C C O + H H R H H OH2 C C O H H R H Aldeído estável 7.1.g. Por redução de cloretos de acila. Os ácidos carboxílicos quando reduzidos com hidreto de alumínio (LIAlH4) formam aldeídos, mas estes reagem rapidamente no meio e formam álcool como produto, sendo quase impossível a reação finalizar-se no produto de aldeído. Na produção de cloreto de acila, geralmente originada de um ácido carboxílico, podemos ter êxito no produto desejado para este caso: Por Ácido Carboxílico CR OH O CR H O LiAlH 4 R CH2OH Esgotamento por reagente X LiAlH 4 Por Cloreto de Acila CR OH O SOCl 2 Reação Geral CR Cl O LiAlH(O-t-But) 3 , EtOH, -78ºC H 2 O CR H O Mecanismo CR OH O S O ClCl C O – R Cl O + S H Cl O CR Cl O Cloreto de AcilaÁcido Carboxílico Aldeído CR Cl O Al – OH O O C(CH 3)3 C(CH 3)3 C(CH 3)3 Li + 1 2 3 C O – R H Cl Li + Al[O-C(CH 3)]3 Alumínio torna-se receptor do par de elétrons C O R H Cl Al[O-C(CH 3)]3 _ C O R H Al[O-C(CH 3)]3 + Li+Cl _ CR H O+ Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 92 ISBN 978-65-88024-03-4 7.2. Reações de aldeídos. 7.2.1. Reações de adição à carbonila. C O R H BA + _ C B R H O A Caso o reagente e/ou o meio for ácido a reação tende a ser mais rápida Esquema Geral Sendo "B" um nucleófilo (poder de ceder elétrons), quando este é suficientemente forte, confere ataque ao carbono pertencente à carbonila. 7.2.2. Hidratação com adição de álcoois: formação de hemiacetais e acetais. Nessa adição há formação de hemiacetais, que possuem um grupo proveniente de uma reação de aldeídos com um mol de álcool (alcooxila) e uma hidroxila. Os acetais possuem dois grupos de alcooxila, proveniente da reação do aldeído com dois mols de álcool: CR H O meio ácido ou básico OH R 1 C OR 1 R H OH Hemiacetal C OR 1 R H OR 1 meio ácido ou básico OH R 1 Acetal Esquema Geral Grupo Alcooxila Paratransformação em hemiacetal: sem catalisador (processo considerado lento). CR H O OH R 1 C O R H O – H R 1 + C OR 1 R H OH Hemiacetal Lento Lento Para transformação em hemiacetal: com catalisador ácido. Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 93 ISBN 978-65-88024-03-4 CR H O + OH R 1 O H HH + CR H O O + R 1 H H + CR H O + H OH R 1 C O R H OH H R 1 + OH R 1 ou OH H C OR 1 R H OH OH3 + O + R 1 H H ou+ Hemiacetal Regeneração do meio ácido Para transformação em hemiacetal: com catalisador básico. CR H O R 1 O H+ OH – CR H O OR 1 _ C OR 1 R H O – ou C OR 1 R H OH OH2 HOR 1 + OR 1 _ OH – ou Hemiacetal Formação de acetal: segue o mesmo esquema que a reação de hemiacetais (sendo este um composto intermediário da reação), ocorrendo formação reversível de acetal, quando em excesso de álcool e catalisador ácido. CR H O HOR 1 OH3 + C OR 1 R H OH Hemiacetal O + R 1 H H ou OH3 + C OR 1 R H OH2 + CR H OR 1 OH R 1 + C O R H OR 1 H R 1 + OH R 1 C OR 1 R H OR 1 + OH3 + O + R 1 H H ou Regeneração do meio ácido Acetal Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 94 ISBN 978-65-88024-03-4 7.2.3. Hidratação. Lembre-se de que duas hidroxilas ligadas no mesmo carbono da molécula torna o composto instável, podendo reverter-se, novamente, em aldeído ou outro formar um novo composto contendo uma carbonila (um ácido carboxílico, por exemplo) no qual esses esquemas são vistos em reações presentes nesse capítulo: CR H O C O R H O – H H + CR H O OH2 C O R H O – H H ou O HH 1 2 C OH R H OH CR H OH + OH2 C O R H OH H H OH2 + C OH R H OH CR H O OH _ C OH R H O – H OH C OH R H OH meio ácido meio básico H3O + H3O +OH2 OH2 OH _ 7.2.4. Oxidação de aldeídos: formação de ácidos carboxílicos. Mostraremos os mecanismos dos principais reagentes utilizados para este conteúdo: CR H O Esquema Geral [ O ] controlada CR OH O Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 95 ISBN 978-65-88024-03-4 7.2.4.a. Com permanganato de potássio (KMnO4): CR H O KMnO 4 OH / Δ _ Reação Geral CR O – O OH3 + _ CR OH O Mecanismo CR H O Mn O – O O O K + Δ / CR H O Mn O O O O – _ K + OH – Δ O Mn O O O O – CR HOH _ K + 1 2 3 Δ CR O O H OH _ Meio Básico inicial CR O – O O + H H H CR OH O Meio Ácido submetido 7.2.4.b. Com ácido crômico (H2CrO4): CR H O Reação Geral CR OH O H 2 CrO 4 CR H O Mecanismo Cr O OH OH O CR H O Cr OH OH O – O + OH3 + O + H H H OH3 + Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 96 ISBN 978-65-88024-03-4 O Cr OH OH OH O CR H OH2 + O CR HO Cr OH OH OH O H H + O CR HOH Cr H2O OH OH O + O CR HOH Cr + OH OH O OH2 2 1 3 OH3 + CR OH O + CrO3 Reconformação do reagente no final da reação 7.2.4.c. Oxidação de Tollens com óxido de prata (Ag2O): CR H O Reação Geral CR OH O Mecanismo CR H O + CR H O Ag(NH3)2 +2 OH H Ag 2 O ou AgNO 3 H 2 O ou NH 3 ou H 2 O 2 Δ (50°C) NH3 Ag 2 O H 2 O ou H 2 O 2 Ag(NH3)2 +2 4 + 2 HO _ 2 Ag(NH3)2 +2 CR H O Ag(NH3)2 +2 OH – OH _ + Primeiro ocorre a preparação do reagente de Tollens, em seguida a reação com o aldeído. Note que no final a saída dessa diamina de prata por processo radicalar. CR OH O CR H O Ag(NH3)2 +2 OH -H+ Ag(NH3)2 +2 CR H O Ag(NH3)2 +2 OH Ag(NH3)2 +2 OH2 + -H+ CR H O Ag(NH3)2 +2 O Ag(NH3)2 +2 + _ + _ CR H O O Ag(NH3)2 +2 CR OH O Ag(NH3)2 +2 Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 97 ISBN 978-65-88024-03-4 7.2.5. Adição de aminas primárias e secundárias. 7.2.5.a. Formação de iminas: CR H O H 2 NR1 Meio Aquoso C NR 1 R H Reação Geral Mecanismo CR H O NH2 R 1 C O – R H NH R 1 H + OH _ H + C OH R H NH R 1 O meio aquoso pode estabilizar o composto ou o mesmo pode se estabilizar O + H H H Imina C OH2 R H NH R 1 + OH2 C N R H H R 1 + OH2 C NR 1 R HOH3 + Imina 7.2.5.b. Formação de enaminas: CR H O Meio Aquoso C NR 1 R H Mecanismo CR H O C O – R H N H R 1 R 2 + OH _ H + C OH R H N R 1 R 2 O meio aquoso pode estabilizar o composto ou o mesmo pode se estabilizar O + H H H + OH2 Reação Geral NH R 1 R 2 N R 1 R 2 H C OH2 R H N R 1 R 2 C R H N R 1 R 2 + Base _ Enamina Enamina Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 98 ISBN 978-65-88024-03-4 7.2.6. Adição de cianetos: formação de cianoidrina e redução do composto. CR H O Reação Geral C OH R H CN HCN Meio ácido LiAlH4 , THF H2O H3O + Δ C OH R H CH2NH2 CH OH R C O OH Cianoidrina Esta reação é caracterizada, no início, por adicionar cianeto na carbonila, pela qual se torna uma cianoidrina. Pode-se reduzi-la a um composto mais simples, por LiAlH4 formará uma amina primária e com adição de meio ácido irá se tornar um ácido carboxílico. Mecanismo CR H O C N _ C O – R H CN H + C NH ou LiAlH4 THF , H2O H 3 O+ Δ C OH R H C N Al HH H H _ Li + 1 2 3 C OH R H CH N – Al HH H Li + LiAlH 4 THF C OH R H CH NH Al HH H H _ Li + 1 2 3 C OH R H CH2 NH O HH Li + _ C OH R H CH2 NH2 C OH R H C N O HH H + C OH R H C NH Δ + OH2 Δ C OH R H C NH O + H H C OH R H C NH2 OH + C OH R H C NH2 O + H O HH H + Δ C OH R H C NH3 O + H OH2 + C OH R H C O + O + H H H H3N H2O CH OH R C O OH + NH4 + + OH3 + Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 99 ISBN 978-65-88024-03-4 7.2.7. Halogenação de aldeídos. Halogenação de aldeídos possui baixa eficiência, comparado com cetonas, por conta de uma possível interferência do hidrogênio localizado na carbonila: CC H O H R1 R Reação Geral X 2 H 3 O+ ou OH / Δ _ CC H O X R1 R HX+ X = Halogênio Mecanismo CC H O H R1 R Meio ácido: O + H H H Δ CC H O +H R1 R H Δ X X + _ CC H OH R1 R Δ X + 1 1 2 3 CC H O +X R1 R H OH2 Δ CC H O X R1 R + OH3 + HX CC H O H R1 R Meio básico: Δ X X + _ Δ OH _ 3 2 1 CC H O – R1 R 1 CC H O X R1 R + HX Meio neutro (processo lento de baixa eficiência): CC H O H R1 R X X + _ 1 2 3 Δ CC H O – R1 R 1 X + CC H O X R1 R + HX Δ 7.2.8. Condensação de aldol (Claissen). Esta reação envolve duas moléculas de aldeído, podendo ser iguais ou diferentes, que se condensam e formam um composto aldólico. As etapas consistem em uma transformação por meio básico, pela qual o composto aldólico Aldeídos e cetonas- Parte 1: aldeídos 100 ISBN 978-65-88024-03-4 poderá sofrer desidratação formando um composto conjugado (produto final). Abaixo ocorre um exemplo mais utilizado para este conteúdo, envolvendo moléculas iguais: CCH3 H O 2 H 2 O OH – CCH2 H O CHCH3 OH Mecanismo CC H O H H H OH _ CC H O H H _ C CH3 O H + CCH2 H O C CH3 O – H O H H CC H O CCH3 OH H H H 1 2 3 Δ Δ Δ CCH H O CHCH3 + OH2 Reação Geral CCH H O CHCH3 Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 101 ISBN 978-65-88024-03-4 Parte 2: Cetonas. 7.3. Síntese de cetonas. 7.3.a. Por ozonólise de alquenos: C C R 3 R 2 R 1 R O O + O _ C C R R 1 R 2 R 3 O O O 1 2 3 C R R 1 O + O – C R 2 R 3 O1 1 2 Mecanismo OO C O C R 3 R 2 R 1 R 1 2 3 C O + R 3 R 2 O _ + H OH Δ Ozonídeo Zn, H 2 O C O R 1 R Zn H 2 O 2 C C R 3 R 2 R 1 R C O R 1 R C R 2 O R 3 + O 3 , 78°C Zn, HOR' R' = Ac. ou H Reação Geral Δ Δ C O R 1 R C R 2 O R 3 + 7.3.b. Por hidratação de alquinos. 7.3.b. I. Hidroboração: C CR R1 BH 3 H 2 O 2 ,OH – C C R1 OHH R CCH2 R1 O R Alquino terminal Enol Cetona C CR R1 Mecanismo B H H H H 2 O 2 , OH – C C R1 BH2H R + 2 RC=CR 1 Repetimos mais duas vezes o mesmo processo H 2 O 2 OH – C C R1 B(CR1=CHR) 2H R OOH _ OH2 C C R1 OH R H H + C C H O + H R HH OH – OH – CRCH2 R1 O Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 102 ISBN 978-65-88024-03-4 7.3.b. II. Tratamento com meio ácido: C CR R1 H 2 SO 4 meio ácido + OH2 C C OH R1H R Álcool instável C C O R1 H R H C CR R1 HSO 4 _ H + O H H H 2 SO 4 C C O R1H R H O + H H Hmeio ácido C C O + R1 H R H H OH2 C C O R1 H R H Álcool instável Cetona estável Reação Geral Mecanismo 7.3.b. III. Com sulfato de mercúrio (II): C CR R1 HgSO 4 H2O / meio ácido C C OH R1H R Álcool instável C C O R1 H R H C CR R1 Reação Geral Mecanismo R = C ou H HgSO 4 H2O / meio ácido C CR R1 HgSO4 + OH2 C C OH R1Hg R O4S + _ O + H H H C C OH R1H R O + H H H C C O R1 H R H Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 103 ISBN 978-65-88024-03-4 7.3.c. A partir de álcoois utilizando clorocromato de piridínio (PCC): C H R R1 OH C5H5NH CrO3Cl _+ (PCC) CH 2 Cl 2 C R R1 O + N + H HCrO3 _ Reação Geral C H R R1 OH CrO – O O Cl N + H C H R R1 O + Cr O OH O – Cl – N + H C H R R1 O Cr O O O – N + H N C H R R1 O Cr O O OH + N + H HCrO3 _ C R R1 O Mecanismo 7.3.d. Por oxidação de álcoois secundários: C OH R H R1 [ O ] Controlada C R R1 O [ H ] O mecanismo é demonstrado na parte de oxidação de álcoois 7.3.e. Acilação de Friedel-Crafts para aromáticos (ver mecanismos em aromáticos): RC O X CH3 O AlX3 / Δ Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 104 ISBN 978-65-88024-03-4 7.4. Reação de cetonas. 7.4.1. Reações de adição à carbonila. C O R R1 BA + _ C B R R1 O A Caso o reagente e/ou o meio for ácido a reação tende a ser mais rápida Esquema Geral 7.4.2. Hidratação com adição de álcoois: formação de hemicetais e cetais. CR R1 O meio ácido ou básico OH R 2 C OR 2 R R1 OH Hemicetal C OR 2 R R1 OR 2 meio ácido ou básico OH R 2 Cetal Esquema Geral Grupo Alcooxila Para transformação em hemicetal sem catalisador (processo considerado lento): C R R1 O OH R 2 C O R R1 O – H R 2 + C OR 2 R R1 OH Hemicetal Lento Lento Para transformação em hemicetal com catalisador ácido: + OH R 2 O H HH + CR R1 O O + R 2 H H + CR R1 O + H OH R 2 C R R1 O C O R R1 OH H R 1 + OH R 2 ou OH H C OR 2 R R1 OH OH3 + O + R 2 H H ou+ Hemicetal Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 105 ISBN 978-65-88024-03-4 Para transformação em hemicetal com catalisador básico: R 2 O H+ OH – CR R1 O OR 2 _ C OR 2 R R1 O – ou C OR 2 R R1 OH OH2 HOR 2 + OR 2 _ OH – ou Hemicetal C R R1 O A formação de cetais seguem o mesmo esquema que a reação de hemicetais (sendo este um composto intermediário da reação), ocorrendo formação reversível de cetal, quando em excesso de álcool e catalisador ácido: CR R1 O HOR 2 OH3 + C OR 2 R R1 OH Hemicetal O + R 2 H H ou OH3 + C OR 2 R R1 OH2 + CR R1 OR 2 OH R 2 + C O R R1 OR 2 H R 2 + OH R 2 C OR 2 R R1 OR 2 + OH3 + O + R 2 H H ou Regeneração do meio ácido Cetal 7.4.3. Hidratação de cetonas: C R R1 O C O R R1 O – H H + O H HH + OH2 C O R R1 O – H H ou O HH 1 2 C OH R R1 OH OH2 C O R R1 OH H H OH2 + C OH R R1 OH meio ácido C R R1 O C R R1 OHH Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 106 ISBN 978-65-88024-03-4 OH _ C OH R R1 O – H OH C OH R R1 OH meio básico C R R1 OH 7.4.4. Adição de ilídeos. Normalmente é utilizado a trifenilfosfina, um ilídeo, para formar um alqueno. Bz = anel aromático ( ) C O R R1 CH2=P(Bz)3 C CH2 R R1 + O P(Bz)3 C O R R1 CH2 P Bz Bz Bz C P O CH2 Bz Bz Bz R R1 1 2 3 C CH2 R R1 + O P(Bz)3 Reação Geral Mecanismo 7.4.5. Adição de aminas primárias e secundárias. 7.4.5.a. Formação de iminas: C R R1 O H 2 NR1 Meio Aquoso C NR 1 R R1 Reação Geral Imina Mecanismo NH2 R 1 C O – R H NH R 1 H + OH2 H + C OH R H NH R 1 O + H H H C OH2 R H NH R 1 + OH2 C N R H H R 1 + OH2 C NR 1 R HOH3 + Imina C R R1 O OH2 Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 107 ISBN 978-65-88024-03-4 7.4.5.b. Formação de enaminas: CR H O Meio Aquoso C NR 1 R H Mecanismo CR H O C O – R H N H R 1 R 2 + OH _ H + C OH R H N R 1 R 2 O meio aquoso pode estabilizar o composto ou o mesmo pode se estabilizar O + H H H + OH2 Reação Geral NH R 1 R 2 N R 1 R 2 H C OH2 R H N R 1 R 2 C R H N R 1 R 2 + Base _ Enamina Enamina 7.4.6. Adição de hidroxilamina: para produção de oxima. C O R R1 NH2OH H3O + C N R R1 OH Oxima Reação Geral C O R R1 Mecanismo NH 2 OH H 3 O+ C R R1 O – N + OH H H O + H H H 1 2 3 C R R1 OH NHOH O + H H H C R R1 OH2 NHOH + C N + R R1 OH H OH2 C N R R1 OH 7.4.7. Adição de cianeto: formação e redução de cianoidrina. C R R1 O Reação Geral C OH R R1 CN HCN Meio ácido LiAlH4 , THF H2O H3O + Δ C OH R R1 CH2NH2 C OH R C O OH R1 Cianoidrina Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 108 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo CR R1 O C N _ C O – R R1 CN H + C NH ou LiAlH4 THF , H2O H 3 O+ Δ C OH R R1 C N Al HH H H _ Li + 1 2 3 C OH R R1 CH N – Al HH H Li + LiAlH 4 THF C OH R R1 CH NH Al HH H H _ Li + 1 2 3 C OH R R1 CH2 NH O HH Li + _ C OH R R1 CH2 NH2 C OH R R1 C N O HH H + C OH R R1 C NH Δ + OH2 Δ C OH R R1 C NH O + H H C OH R R1 C NH2 OH + C OH R R1 C NH2 O + H O HH H + Δ C OH R R1 C NH3 O + H OH2 + C OH R R1 C O + O + H H H H3N H2O C OH R C O OH R1 + NH4 + + OH3 + 7.4.8. Oxidação de cetonas. Por reagentes oxidantes comuns para compostos acíclicos, como o KMnO4 e CrO3, por exemplo, não ocorre reação de oxidação devido à ausência de hidrogênios no carbono que constitui a carbonila, impossibilitando a substituição das moléculas (como mostrado na parte de álcoois) e a transformação para ácido carboxílico com essas reações gerais: Não ocorre reação na cetona C O CH3 CH3 [ O ] X Não possui hidrogênio Alvo de reação Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 109 ISBN 978-65-88024-03-4 7.4.8. I. Oxidação de cadeias cíclicas. Pode ser possível, desde que possua hidrogênios em carbonos adjacentes à carbonila. O meio ácido é fundamental para a doação de energia desse hidrogênio para formar uma ligação dupla entre o carbono adjacente e a carbonila. O reagente mais apropriado a este método, segundo as renomadas literaturas, é o K2Cr2O7, por possuir maior reatividade que o H2CrO4. O H H O + H H H OH H H + K 2 Cr 2 O 7 [ O ] controlada H 3 O+ ou H 2 O OH H Cr O CrOH O O O – O O K + HO H CrO2 O – O CrO3 H 3 O+ ou H 2 O O + H H H HO H CrO2 OH O CrO3 OH2 + + HO H CrO2 OH O CrO3 O + H H OH2 Δ _ + OH2 O K 2 Cr 2 O 7 e meio Aquoso 2. Meio Básico / UV (CH2)4HOOC COH Extremidade carboxílica Extremidade Aldeídica Reação Geral Mecanismo HO H CrO2 OH O CrO3 OH _ + O H OH OH2 1 2 3 O H OH H OH2 + OH2OH2 Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 110 ISBN 978-65-88024-03-4 O – OH H3O + O H H H + OH OH Δ Instável Δ OH OH + + 2 OH _ O O Tratamento com luz UV para processo radicalar UV / Δ O O 1 Observa-se que, ao submeter à solução a um tratamento de luz UV,ocorre uma reação final de caráter radicalar, o que permite um rearranjo e formação de novas funções orgânicas. O rompimento radicalar nessa região é permitido por um efeito indutivo, uma atração de energia, proporcionado pelas duas carbonilas, pois os oxigênios são aceptores de elétrons (lembre-se que suas duas nuvens podem realizar um ataque aos compostos ácidos). O + O OH2 O O O H H - e _ + O O OH H A doação de elétrons (-e-) é proporcionada por outros componentes contidos na solução em questão. Lembre-se que deve sempre se enxergar uma reação radicalar envolvendo várias moléculas de forma contínua até o término da propagação. A teoria das reações radicalares é explicada, primeiramente, na parte de alquenos. 7.4.8. II. Baeyer-Villinger. É outra opção para oxidação, sendo ela mais comum para cetonas do que em aldeídos, com formação de éster na utilização de um perácido: C O R R1 Reação Geral COOH O R2 HA A = halogênio ou base fraca C O R O R1 Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 111 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo C O R R1 O O CR2 O H A H C OH R R 1 O + O CR2 O H A _ C OH R R 1 O O CR2 O Instável AH2 34 R C H O H 5 A _ + R C OR1 O C OH O R2 + Caso reagisse com um aldeído, o perácido iria realizar um ataque ao hidrogênio da carbonila, liberando água, e não formaria o composto desejado. Observe que nas cetonas o ataque acontece justamente ao carbono da carbonila. 7.4.9. Halogenação de cetonas: Mecanismo CC R2 O H R1 R Meio ácido: O + H H H Δ CC R2 O +H R1 R H Δ X X + _ 1 2 3 CC R2 O H R1 R Reação Geral X 2 H 3 O+ ou OH / Δ _ CC R2 O X R1 R HX+ X = Halogênio CC R2 OH R1 R Δ X + 1 CC R2 O +X R1 R H OH2 Δ CC R2 O X R1 R + OH3 + + HX Aldeídos e cetonas- Parte 2: cetonas 112 ISBN 978-65-88024-03-4 CC R2 O H R1 R Meio básico: Δ X X + _ Δ OH _ 3 2 1 CC R2 O – R1 R Instável 1 CC R2 O X R1 R + HX Meio neutro (processo lento de baixa eficiência): CC R2 O H R1 R X X + _ 1 2 3 CC R2 O – R1 R 1 X + CC R2 O X R1 R + HX Δ 7.4.10. Produção de halofórmio. É considerada uma halogenação, porém um dos radicais ligados à carbonila é um metil, pelo qual reage com halogênios até produzir um halofórmio: C O R CH3 C O R O – + CHX3 Halofórmio Reação Geral Mecanismo X X Δ 3 X 2 meio básico / Δ C O R C H H H OH _ K + C O R C – H H C O R C H H X OH _ K + ou X _ X2 / Δ Repete-se o mesmo esquema anterior C O R O – + CHX3 Halofórmio + 3 HX X XC O R C H X _ + _ C O R C H X X ou X _ OH _ K + C O R C X X X OH _ 1 2 3 4 C O R O H OH _ X _ ou Aldeídos e cetonas- Parte 3: Redução de aldeídos e cetonas 113 ISBN 978-65-88024-03-4 Parte 3: Redução de aldeídos e Cetonas. As reduções aplicadas a essas duas funções orgânicas são similares, apesar de serem diferentes. Por isso, um ligante à carbonila não especificado, irá representar ambas as funções. Caso o leitor deseje reescrever a reação, desenhe um hidrogênio para ter aldeído e uma cadeia carbônica para cetonas. 7.5. Redução a álcool. 7.5.1. Por compostos organometálicos. Mas, primeiro iremos preparar o reagente de Grignard: CR O R 1 Br 2 Li Et2O ou THF anidro Mg Et2O ou THF anidro R 1 Br Li + _ R 1 Li +_ + Br – Li + reagente de Grignard R 1 Br Mg + _ R 1 Mg + _ R 1 Mg Br +_ Br – R 1 Mg Br +_ reagente de Grignard C O – R R 1 Mg Br + O H H C OH R R 1 + HOMgBr 7.5.2. Por hidretos metálicos (LiAlH4 ou NaBH4): Al – H H HH Li + CR O 1 2 3 C O – R H Li + AlH3 Al – C O R H H H H Li + C R O Al – O O H H C C R H R HLi + C O – H RAlRCHO H H 2 R-C=O Repete-se mais duas vezes o mesmo processo Al – RCHO OCHR OCHR OCHR O + H H H Al – RCHO OCHR OCHR OCHR H + Meio Aquoso Aldeídos e cetonas- Parte 3: Redução de aldeídos e cetonas 114 ISBN 978-65-88024-03-4 AlRCHO OCHR OCHR OH2 Al – RCHO OCHR O + OCHR H H 1 2 3 Al OCHR OH RCHO Repete-se mais duas vezes o mesmo processo OH3 + Al(OH) 4 4 HOCH2R+ Álcool primário (se precessor for aldeído) ou álcool secundário (se for cetona). Aluminato Uma molécula de hidreto metálico na reação pode ser muito econômica para formação de 4 moléculas de álcool 7.5.3. Por hidroboração (forma simplificada). CR O B H HH THF C O R H BH2 HOO _ H + C OH R H 7.5.4. Por redução catalítica. CR O H2 , Pt ou Pd 1 atm / Δ ou 25ºC C OH H R 7.5.5. Por redução radicalar. CR O Li ou Na EtOH / Δ C OH R H CR O Li CR O Li EtOH / Δ C O – R _ OEtH OEtH 1 2 C OH R H 7.6. Redução à hidrocarbonetos. 7.6.1. Catalítica de Clemmensen: CR O ZnHg HCl concentrado R CH2 Aldeídos e cetonas- Parte 3: Redução de aldeídos e cetonas 115 ISBN 978-65-88024-03-4 7.6.2. Reação de Wolf-Kishner: CR O H 2 NNH 2 KOH / Δ (Aprox. 200ºC) R CH2 + N2 + KOH Reação Geral Mecanismo CR O NH2 NH2 C NR O – NH2 H H + C NR OH H NH2 C N + R NH2 H OH – C N R N H H OH _ OH – K + 1 2 3 C N R NH _ O H H OH – C N R N H H OH _1 2 3 C – R H O H H R CH2 + N2 + KOH K + K + K + KOH Δ Δ Δ ΔΔ/Δ Δ /Δ Ácidos carboxílicos e derivados 116 ISBN 978-65-88024-03-4 8. Ácidos carboxílicos e derivados 8.1. Síntese de ácidos carboxílicos. 8.1.a. A partir de alcanos (hidroperoxidação). Não existem mecanismos viáveis para representar essa reação: R CH3 + O2 Atm Δ Meio Aquoso R COOH 8.1.b. Por epoxidação de alcenos. R R2 O R3R1 C C R R1 R3 R2 COOH O R4 R4 C OH O + Reação Geral Mecanismo + O O C H R4 O CC H HH H O H C CH3 O O + OH C R4 O 1 2 3 C C R R1 R3 R2 4 5 R R2 O R3R1 8.1.c. Por oxidação de alcenos (poderá ser por KMnO4 - ou CrO3. Mais detalhes na parte de alcenos). C C R H R2 R1 _ C OH O R R, R1 e R2 = C ou H [ O ] Controlada Reação Geral KMnO 4 1. Meio Aq. , Δ 2. H 3 O+ C O R1 R2 + Ácido Carboxílico Cetona Mn O O O O – K + conformação CIS Mecanismo C C R H R2 R1 1 2 Δ C C R H R2 R1 O O Mn OO Δ OH3 + Ácidos carboxílicos e derivados 117 ISBN 978-65-88024-03-4 C O – C R2 O – R H R1 2 H3O + Δ C OH R H C OH R2 R1 Glicol instável C OH + R H + C R2 R1 OH + 2 H3O + Δ C R2 R1 O Cetona + C O R H Aldeído CR H O Mn O – O O O K + Δ / CR H O + Mn O O O O – _ K + OH – Δ O Mn O O O O – CR HOH _ K + 1 2 3 Δ CR O O H OH _ Meio Básico inicial CR O – O O + H H H CR OH O Meio Ácido submetido Aldeído C OH R C R2 R1(1) (2) Meio Básico Ácido Carboxílico Enol A explicação dos processos da reação se encontra na parte de alcenos O glicol formado é um composto instável, que sofre rearranjo possibilitando dois reultados diferentes Como nos interessa a produção de ácidos carboxílicos, daremos ênfase ao produto (2). O aldeído é rapidamente consumido por outro mol de KMnO4 + C R2 R1 O Cetona _ 8.1.d. Por oxidação de aromáticos (os mecanismos são demonstrados em aromáticos). CH 3 X AlX 3 Alquilação de Friedel Crafts CH3 KMnO4 [ O ] controlada _ COOH Esquema Geral Ácido BenzóicoMetil-Benzeno Ácidos carboxílicos e derivados 118 ISBN 978-65-88024-03-4 8.1.e. Por oxidação de álcoois utilizando KMnO4 - ou CrO3. Daremos um exemplo de um dos mecanismos apresentados em álcoois, o CrO3. Cr (VI) O O O C H R H OH C O R H 1 2 H2CrO4OH2 O + H H H HSO 4 _ Cr OH O OH O Formamos ácido crômico a partir do trióxido de cromo em meio ácido Cr OH O O O H + C H R H OH2 + Cr OH O O – O + C H R H O Cr OH O O 3 + Cr OHOH O (IV) + C O R H O H H C OH H OH R Cr OH O O O H + C H OH R O Cr OH O O C H OH R OH2 + Cr OH O O – O + 1 2 C H OH R O Cr OH O O 3 + Cr OH OH O (IV)C O R OH 8.1.f. Por oxidação de aldeídos. CR H O KMnO 4 ; OH / Δ _ Reação Geral CR O – O OH3 + _ CR OH O Mecanismo CR H O Mn O – O O O K + Δ / CR H O + Mn O O O O – _ K + OH – Δ O Mn O O O O – CR HOH _ K + 1 2 3 H 2 CrO 4 ; ou AgO2 Ex: Ácidos carboxílicos e derivados 119 ISBN 978-65-88024-03-4 Δ CR O O H OH _ Meio Básico inicial CR O – O O + H H H CR OH O Meio Ácido submetido 8.1.g. Por oxidação de cetonas através da reação de Baeyer-Villinger (contida no capítulo anterior). C O R R1 Reação Geral COOH O R2 HA A = halogênio ou base fraca C O R O R1 Mecanismo C O R R1 O O CR2 O H A H C OH R R 1 O + O CR2 O H A _ C OH R R 1 O O CR2 O AH 1 2 34 R C OR1 O H 5 A _ + R C OR1 O C OH O R2 + 8.1.h. Com produção de halofórmio, porém é um composto secundário dessa reação. Os mecanismos são apresentados no capítulo de cetonas. C O R CH3 C O R O – + CHX3 Halofórmio Reação Geral 3 X 2 meio básico / Δ Carboxilato 8.1.i. Por reagente de Grignard: Reação Geral R Li + _ ou R Mg Br CO 2 Meio Ácido R C OH O reagente de Grignard _ + Ácidos carboxílicos e derivados 120 ISBN 978-65-88024-03-4 R Br 2 Li Et2O ou THF anidro Mg Et2O ou THF anidro R Br Li + _ R Li +_ + Br – Li + reagente de Grignard R Br Mg + _ R Mg + _ R Mg Br +_ Br – reagente de Grignard Mecanismo RMg Br +_ Mg Br + O + H H H + HOMgBr C O O R C O – O R C OH O OH3 ++ 8.1.j. Por hidrólise utilizando ésteres. R C OR1 O + OH2 3 2 1 4 R C O + O H H OR1 _ HOR1+R C OH O OR1 _ 8.1.k. Por hidrólise utilizando haleto de acila. R C X O + OH2 3 2 1 4 X _ R C OH O + HX R C O + O H H _ X 8.1.l. Por haletos de alquila e nitrilas: Formação de amidas e ácidos carboxílicos. C H R 1 R Br R1 = H ou C NaCN C H R 1 R CN Cianoidrina Meio Aquoso C H R 1 R C NH2 O Amida C H R 1 R C OH O Ácido Carboxílico Meio Aquoso Reação Geral Ácidos carboxílicos e derivados 121 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo C H R 1 R Br C N _ Na + C H R 1 R C NNaBr + OH2 H O + H H 1 2 3 C H R 1 R C NH O + H H OH2 C H R 1 R C NH O H Instável C H R 1 R C N O H H H O + H H C H R 1 R C NH3 O + OH2 1 3 2 4 C H R 1 R C OH2 O OH2 C H R 1 R C O O H NH3 Ácido Carboxílico C H R 1 R C O – O + C H R 1 R C OH O Concentrado Meio ácido Ácido Carboxílico Íon Carboxilato O meio aquoso e nucleófilos formam uma molécula básica, para este caso NH4 + 8.2. Substituição nucleofílica de ácidos carboxílicos e derivados. Um nucleófilo (Nu) é um átomo com pares de elétrons disponíveis para realizar ligações covalentes com compostos menos eletronegativos, pelo qual seu ataque ao núcleo de outro átomo promove sua entrada na molécula alvo substituindo um grupo abandonador (A) que estava presente na molécula que, consequentemente, atrai a energia do fluxo de elétrons para si, retirando-se da molécula alvo. No esquema abaixo se pode compreender melhor a ideia: R C A O Nu C O – R Nu A R C Nu O A _ + + + _ Algo importante a ser lembrado é que, geralmente, esse grupo abandonador necessita ser um átomo com alta eletronegatividade como, por exemplo, os calcogênios e halogênios: Ácidos carboxílicos e derivados 122 ISBN 978-65-88024-03-4 R C A O O + H H H R C A O + H Nu C OH R Nu A R C Nu OH A _ + + R C Nu O + HA Influência do meio ácido (no esquema simplificado) torna mais rápida a reação pela influência desse meio como catalisador, potencializando o ataque do nucleófilo. 8.3. Reações de ácidos carboxílicos. 8.3.1. Reações ácido-base: R C OH O + Na + _ Base Forte OH R C O – O Na + + OH2 Neutralização R C OH O + N R3 R 1 R2 R C O – O N R3 R 1 R2 H + Sal SalBase Fraca 8.3.2. Formação de ésteres: 8.3.2.a. Por esterificação de Fischer: reação com álcool: Reação Geral R C OH O R 1 OH R C OR 1 O Meio Ácido Ácidos carboxílicos e derivados 123 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo 1 2 R C OH O + H R 1 OHR C OH O O + H H H OH2 R 1 OH R C O + OH H R 1 OHOH2 OH2 OH3 + R C O OH R 1 OH O + H H H OH2 R C O OH R 1 OH2 + R C O O + H R 1 OH2 R C OR 1 O OH3 + Instável 8.3.2.b. Utilizando cloreto de tionila (outra opção é o tricloreto de fósforo, visto na parte de álcoois). 1 Reação Geral CH2 C OH O R CH2 C Cl O R Mecanismo CH2 C OH O R CH2 C O + O R H R 1 Cl – CH2 C OR 1 O R + 2HCl SOCl 2 Δ CH 3 OH S Cl O Cl 2 3 4 CH2 C Cl O – R O + S Cl O H Δ CH2 C Cl O R OH R 1 1 2 3 4 + SO2 + _ CH2 C OR 1 O R Ácidos carboxílicos e derivados 124 ISBN 978-65-88024-03-4 8.3.2.c. Por hidroacetilação (um mecanismo hipotético para essa reação). C OH O R C O O R C CH2R 2 R 1 H R 1 CH=CHR 2 H2O / Δ Reação Geral Mecanismo C O O R C CH2R 1 R 2 H + O HHC C R 2 R 1 H H + _ + 1 2 COH O R C H R 1 H C H OH R 2 C O O R H Δ C H R 1 H C H OH2 R 2 + C O O R _ C O O R C CH2R 1 R 2 H A formação do Produto dependerá da orientação feita pelos reagentes do alqueno Δ 8.3.2.d. Por abertura de epóxidos (esquema simplificado). C OH O R Δ CH2 CH2 O C O O R CH2CH2OH C O O R H CH2 CH2 O Δ C O – O R CH2 CH2 O + H C O O R CH2CH2OH Mecanismo Reação Geral 8.3.3. Formação de aldeídos. CR OH O SOCl2 Reação Geral CR Cl O LiAlH(O-t-But)3 , EtOH, -78ºC H2O CR H O Cloreto de AcilaÁcido Carboxílico Aldeído Ácidos carboxílicos e derivados 125 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo CR OH O S O ClCl C O – R Cl O + S H Cl O CR Cl O CR Cl O Al – OH O O C(CH 3)3 C(CH 3)3 C(CH 3)3 Li + 1 2 3 C O – R H Cl Li + Al[O-C(CH 3)]3 Alumínio torna-se receptor do par de elétrons C O R H Cl Al[O-C(CH 3)]3 _ C O R H Al[O-C(CH 3)]3 + Li+Cl _ CR H O+ 8.3.4. Redução de ácidos carboxílicos à álcoois. 8.3.4.a. Redução por hidreto metálico: Reação Geral C O OHR C OH R H H LiAlH 4 , Éter H 3 O+ Mecanismo Al – H H H H 1 2 Éter C O OHR H 3 O+ C O – OHR H 1 2 H 3 O+ Li + Li + C O HR Al – H H H H Li + 1 2 + + H 3 O+ C O – HR H Li + O + H H H + H 2 O C OH R H H Ácidos carboxílicos e derivados 126 ISBN 978-65-88024-03-4 8.3.4.b. Por reagente de Grignard: C OH O R 2 R1MgX , H3O + Éter C OH R R 1 R 1 Ex: C OH O R MgXCH3 + _ _ + C O – R OH CH3 MgX + C CH3 O R MgXCH3 _ + + _ C O – R CH3 CH3 H3O + C OH R CH3 CH3 + 2 HOMgCl 8.3.4.c. Por hidroboração (esquema simplificado): C O R OH Reação Geral Mecanismo RCH2 OH 1. BH3 , THF 2. H3O + C O R OH B H H H C O R H OH BH2 C O R H 1 2 3 B H H H C O R H H BH2 H 3 O+ O + H H H C O R H H BH2H + OH2 C OH R H H 8.3.5. Formação de amidas: C OH O R C O – O R NH3 + R 1 C O O R NHR 1 Δ - 2H+ NaNH 2 R1 Ácidos carboxílicos e derivados 127 ISBN 978-65-88024-03-4 8.3.6. α-halogenação de ácidos carboxílicos (reação de Hell-Volhard- Zelinsky): C OH O C R 1 H R 2 Reação Geral C OH O C R 1 Br R 2 1. PCl 3 , Br 2 2. H 2 O Mecanismo C OH O C R 1 H R 2 P Cl Cl Cl Br 2 C OH O + C R 1 H R 2 P Cl Cl Cl – C O C R 1 H R 2 P Cl Cl O Cl H 1 2 3 C Cl O C R19 2.1.b. A partir de outras reações com haloalcanos ....................................................... 19 2.1.b. I. Reação de Grignard ............................................................................................. 19 2.1.b. II. Redução por hidretos metálicos ou redução por zinco .................................. 20 2.1.c. Redução catalítica de Clemmensen ...................................................................... 20 2.1.d. Reação de Wolf-Kishner ......................................................................................... 20 2.1.e. Reação de Wurtz ..................................................................................................... 21 2.1.f. A partir de ácidos carboxílicos por descarboxilação .......................................... 21 2.2. Reação de Alcanos ........................................................................................................ 21 2.2.1. Desidrogenação (adições conjugadas) ................................................................ 21 2.2.2. Halogenação por adições radicalares ................................................................... 21 2.2.3. Oxidação .................................................................................................................. 22 2.2.4. Aromatização ........................................................................................................... 23 2.2.5. Nitração e sulfonação ............................................................................................. 23 3. Alquenos (alcenos) e dienos................................................................................................ 24 3.1. Adição a alquenos .......................................................................................................... 24 3.1.1. Conformação CIS .................................................................................................... 24 3.1.2. Conformação TRANS .............................................................................................. 24 3.2. Adições com ácidos. ...................................................................................................... 25 3.2.1. Haloácidos ............................................................................................................... 25 3.2.2. Ácido sulfúrico ........................................................................................................ 25 3.2.3. Ácido trifluoroacético ............................................................................................. 25 3.2.4. Ácido etanóico ......................................................................................................... 25 3.3. Formação de haloidrina. ................................................................................................ 26 3.4. Adição de carbenos ....................................................................................................... 26 3.5. Síntese de Simmons-Smith. .......................................................................................... 27 3.6. Reações de hidratação .................................................................................................. 27 3.6.1. Catalisação por um ácido ....................................................................................... 27 3.6.2. Por oximercuriação ................................................................................................. 28 3.6.3. Hidroboração ........................................................................................................... 28 3.7. Hidrogenação de alcenos e dienos .............................................................................. 32 3.8. Adições conjugadas. ..................................................................................................... 32 3.8.1. Produção de um dieno ............................................................................................ 32 3.8.2. Reação de adição de ácidos ao dieno .................................................................. 32 3.8.3. Halogenação de dienos .......................................................................................... 33 3.8.4. Reação de Diels-Alder. ........................................................................................... 34 3.9. Hidroxilação .................................................................................................................... 35 3.10. Clivagem oxidativa de alcenos. .................................................................................. 36 3.11. Ozonólise ...................................................................................................................... 37 3.12. Epoxidação ................................................................................................................... 38 3.13. Adição radicalar em alquenos .................................................................................... 38 3.14. Polimerização ............................................................................................................... 39 3.15. Síntese de alcenos e dienos ....................................................................................... 41 3.15.a. Por desidrogenação de alcanos .......................................................................... 41 3.15.b. Por desidratação ................................................................................................... 41 3.15.c. Por desidro-halogenação ..................................................................................... 41 3.15.d. Por desidratação de álcoois ................................................................................ 42 3.15.e. Por desidratação de éteres terciários ................................................................. 42 3.15.f. Por pirólise de ésteres ........................................................................................... 43 3.15.g. Por eliminação de Cope ....................................................................................... 43 3.15.h. Por eliminação de Hofmann ................................................................................. 44 3.15.i. Por adição de ilídeos ............................................................................................. 44 3.15.j. Por hidrogenação radicalar de alcinos ................................................................ 45 4. Alquinos (Alcinos) ................................................................................................................. 46 4.1. Síntese de alquinos ........................................................................................................ 46 4.1.a. Por eliminação de haletos em dihaloalcanos ....................................................... 46 4.1.b. Produção de alcinos por alquilação de acetileno................................................ 46 4.2. Reações de alcinos ........................................................................................................ 46 4.2.1. Hidrogenação (redução catalítica) ........................................................................ 47 4.2.2. Hidrogenação radicalar com formação de alquenos .......................................... 47 4.2.3. Hidroboração – Oxidação de alquinos .................................................................. 47 4.2.4. Adição de hidrácidos (hidrohalogenação). .......................................................... 48 4.2.4.a. Radicalar ............................................................................................................... 48 4.2.4.b. Halossubstituição ................................................................................................ 48 4.2.4.c. Hidratação .............................................................................................................1 H R 2 O=PCl Haleto de acila H Cl Tautomerização C Cl OH C R 1 H R 2 + Cl – 1 2 3 CC R 1 R 2 Cl OH Br2 Br Br + _ (Forma enólica) C Cl O + C R 1 Br R 2 H Br _ C Cl O C R 1 Br R 2 α- Halo Haleto de acila H 2 O C Cl O C R 1 Br R 2 OH2 1 2 3 4 Cl – C O + O C R 1 Br R 2 H H Cl – C OH O C R 1 Br R 2 + ClH _ Derivados carboxílicos: haleto de acila 128 ISBN 978-65-88024-03-4 Derivados carboxílicos: haleto de acila. 8.4. Síntese de haletos de acila. C OH O R SOCl 2 Δ Reação Geral Mecanismo C Cl O R C OH O R S O Cl Cl C O O R S H O – Cl Cl + C O O R S H O Cl + Cl – 32 1 4 C Cl O R + O S H O Cl C Cl O R + SO2 + ClH 8.5. Redução de haletos a cetonas por organocuprados (mecanismo simplificado): Reação Geral Mecanismo C Cl O R LiCuR 2 Éter C R 1 O R + RCu LiCl C Cl O R Cu – R 1 R 1 Li +2 1 C O – R R 1 Cl Li + 1 C R 1 O R 8.6. Acilação de Friedel-Crafts (ver mecanismos em aromáticos): note que o cloreto de acila transforma-se em cetona ao reagir com um anel aromático. Derivados carboxílicos: haleto de acila 129 ISBN 978-65-88024-03-4 8.7. Redução de haletos de acila à álcoois. 8.7.a. Por reagente de Grignard: C Cl O R Reação Geral Mecanismo 2 R1MgX , H 3 O+ Et2O ou THP C OH R R 1 R 1 C Cl O R MgXR 1 +_ C O – R Cl R 1 C R 1 O R MgXR 1 +_ C O – R R 1 R 1 H 2 O Δ C OH R R 1 R 1 + +2 HOMgX HCl 8.7.b. Por hidretos metálicos: CR Cl O Al – HH H H Li + 1 2 3 C O – R H Cl Li + AlH3 Alumínio torna-se receptor do par de elétrons C O R H AlH3 CR H O+ _ C O R H Cl AlH3_ AlH4Li + _ Realiza o mesmo processo anterior 1. 2. H 2 O C O R H H AlH3 _ O H H 1 2 3 C OH R H H Derivados carboxílicos: haleto de acila 130 ISBN 978-65-88024-03-4 8.7.c. Por redução catalítica: C Cl O R H 2 Pd / Pt C H O R C OH R H H H 2 Pd / Pt H2 Pd / Pt CH3R 8.8. Redução de haletos de acila à aldeídos: CR OH O SOCl 2 Reação Geral CR Cl O LiAlH(O-t-But) 3 , EtOH, -78ºC H 2 O CR H O Mecanismo CR OH O S O ClCl C O – R Cl O + S H Cl O CR Cl O Cloreto de AcilaÁcido Carboxílico Aldeído CR Cl O Al – OH O O C(CH 3)3 C(CH 3)3 C(CH 3)3 Li + 1 2 3 C O – R H Cl Li + Al[O-C(CH 3)]3 Alumínio torna-se receptor do par de elétrons C O R H Cl Al[O-C(CH 3)]3 _ C O R H Al[O-C(CH 3)]3 + Li+Cl _ CR H O+ 8.9. Esterificação de haletos de acila: Reação Geral C Cl O R R1OH C OR 1 O R Derivados carboxílicos: anidridos 131 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo R C O + O H R 1 Cl – R C OR 1 O HCl R C Cl O OH R 1 1 2 3 4 +Piridina Piridina Derivados carboxílicos: anidridos 8.10. Síntese de anidridos. R C OH O Reação Geral Mecanismo 2. R1COO _ C O R O C O R 1 R C OH O SOCl 2 1. SOCl 2 Mecanismo visto anteriormente R C Cl O R 1 C O O _ Na + 3 2 1 4 C O R O C O R 1 íon carboxilato Anidrido Ácido Anidrido Acético Ou também é possível realizar com piridina: R C Cl O R 1 C O O H N Piridina C Cl O R R C O – O + 32 1 4 C O R 1 O C O R + N H + Cl – Derivados carboxílicos: anidridos 132 ISBN 978-65-88024-03-4 8.11. Formação de ésteres e ácidos carboxílicos por alocoólise com anidridos: esterificação. Reação Geral Mecanismo C O R O C O R 1 R 2 OH R C OR 2 O R 1 C OH O + C O R O C O R 1 OH R 2 3 2 1 4 R 1 C O + O H R 2 O C O R 1_ R C OR 2 O R 1 C OH O + 8.12. Formação de ácidos carboxílicos por hidrólise. C O R O C O R 1 OH2 C O R O C O + R 1 H OH C O R O C OH OH R 1 C O R O C O R 1 H 2 O Δ R C OR 2 O + R C OR 2 O Reação Geral Mecanismo Δ Δ _ R C O – O R 1 C OH O + H R C OH O + R 1 C OH O Δ Ou podemos realizar de outro modo: C O R O C O R 1 O HH C O R O C O R 1 H + 3 4 1 2 OH _ R C OH O + R 1 C OH O Δ Δ Derivados carboxílicos: anidridos 133 ISBN 978-65-88024-03-4 8.13. Redução de anidridos à álcool por hidretos metálicos: C O R O C O R 1 Reação Geral 1. LiAlH 4 2. H 3 O+ RCH2 OH R 1 CH2 OH+ Mecanismo C O R O C O R 1 + Al – H H H H Li + C O R O C R 1 O – H Li + C O R O – C O H R 1 AlH3 + O tratamento pode ser realizado, para cada um, nas seguintes etapas: C O – R H HC O R O – C O H R 1 LiAlH 4 C O R OH LiAlH 4 OH – + LiAlH 4 C O – H H R 1 H 3 O+ H 3 O+ 2 RCH2 OH + OH2 R 1 CH2 OH 1 2 8.14. Formação de ésteres, por alcoólise, a partir de anidridos: C O R O C O R 1 Reação Geral Mecanismo 1. R2OH 2. NaOH / H 2 O C O R OR 2 C O O R 1+ C O R O C O R 1 R 2 OH 3 2 1 4 C O R O + H R 2 _ C O O R 1 _ C O R OR 2 + C O OH R 1 NaOH/ H 2 O Tratamento com meio básico C O O R 1 _ Derivados carboxílicos: amidas 134 ISBN 978-65-88024-03-4 Derivados Carboxílicos: amidas 8.15. Síntese de amidas. Podemos formar amidas com aminas primárias e secundárias: R C Cl O Reação Geral Mecanismo NH(R1) 2 R1= C ou H R C N(R 1 )2 O N R 1 R 1 H C O – R Cl N + H R 1 R 1 R C Cl O R C N + O H R 1 R 1 Cl – R C N O R 1 R 1 HCl+ 8.16. Redução de amidas por hidretos metálicos: R C NH2 O Reação Geral Mecanismo LiAlH 4 Éter C H R NH2 H R C NH2 O Al – H H H H Li + Éter C O – R NH2 H Li + AlH3 Éter C O R NH2 H AlH3 _ R C N + H H H Al – H H H H Éter Éter C H R NH2 H Íon imínio Note que a regra se altera para esse caso. Nessa reação o grupo que provavelmente seria abandonador (NH 2 ) realiza uma dupla ligação com o carbono, expulsando o grupo AlH 3 O _ Derivados carboxílicos: amidas 135 ISBN 978-65-88024-03-4 Uma reatividade provocada pelo íon imínio induz um efeito de doação do hidreto metálico ao carbono para estabilizar o composto. A dupla C=N+ é estabilizada e ao final temos uma amina. 8.17. Formação de ácidos carboxílicos por hidrólise, a partir de amidas: R C NH2 O R C NH2 O + H H3O + OH2 C OH R O + NH2 H H R C OH O +C O R OH NH3 H +OH2 1º modo: NH3 + H 3 O+ 2º modo: C OH R OH NH3 + R C OH O + H + OH2 NH3 R C OH O OH2 + NH4 + Meio ácido: R C NH2 O Meio básico OH _ 32 1 4 R C OH O NH2 _ R C O – O + NH3 OH – Ésteres 136 ISBN 978-65-88024-03-4 9. Ésteres 9.1. Síntese de ésteres. 9.1.a. Utilizando haloalcanos (reação SN2): R C OH O Reação Geral R C OR' O NaOH R'X Mecanismo R C O – O CH3 Cl+ Na + OH2 R C O O CH3 + NaCl 9.1.b. Por processo de esterificação de Fisher (esse e outros mecanismos apresentados também no capítulo de álcoois e ácidos carboxílicos). Reação Geral CH2 C OH O CH3 CH3 OH HCl, Δ CH2 C OCH3 O CH3 Mecanismo CH2 C OH O CH3 HCl, Δ CH3OH CH2 C O + O – CH3 H CH3 OH 1 2 3 4 CH2 C O + O CH3 H CH3 + OH – H + Cl – CH2 C OCH3 O CH3 + OH2 + HCl Ésteres 137 ISBN 978-65-88024-03-4 9.1.c. Por hidroacetilação: C OH O R C O O R C CH2R 2 R 1 H R 1 CH=CHR 2 H2O / Δ Reação Geral Mecanismo C O O R C CH2R 1 R 2 H + O HHC C R 2 R 1 H H + _ + 1 2 COH O R C H R 1 H C H OH R 2 C O O R H Δ C H R 1 H C H OH2 R 2 + C O O R _ C O O R C CH2R 1 R 2 H A formação do Produto dependerá da orientação feita pelos reagentes do alqueno Δ 9.1.d. Por abertura de epóxidos (esquema simplificado). C OH O R Δ CH2 CH2 O C O O R CH2CH2OH C O O R H CH2 CH2 O Δ C O – O R CH2 CH2 O + H C O O R CH2CH2OH Mecanismo Reação Geral 9.1.e. Por metilação utilizando diazometano: R C OHO Reação Geral CH 2 N 2 R C O O CH3 Ésteres 138 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo R C O O H CH2 – N + N OH2 R C O O CH3 + Uma das ressonâncias do diazometano R C O – O CH3 N + N N2 9.1.f. Por hidrocarboxilação: hipótese com cadeia enólica com três ou mais carbonos. Reação Geral R C OR 4 O R 4 OH C C R 3 HR 1 R 2 Mecanismo C H R 1 R 2 C H R 3 H Redução Catalítica C H R 1 R 2 C X R 3 H X 2 hν ou Δ H 2 Ni ou Pd DMA Ni 2+ CO 2 / R1R2CCHR3 Agente redutor / Ni ou Pd/ DMA , Δ C H R 1 R 2 C Ni R 3 H X DMA Ni 2+ C H R 1 R 2 C Ni + R 3 H C O O DMA C H R 1 R 2 CH R 3 C O O Ni + H+ meio ác. submetido C H R 1 R 2 CH R 3 C OH O R 4 O H 1 2 3 4 C H R 1 R 2 CH R 3 C O O H R 4 + C H R 1 R 2 CH R 3 C OR 4 O OH _ Ésteres 139 ISBN 978-65-88024-03-4 9.1.g. Por reação de Baeyer-Villinger: C O R R1 Reação Geral COOH O R2 HA A = halogênio ou base fraca C O R O R1 Mecanismo C O R R1 O O CR2 O H A H C OH R R 1 O + O CR2 O H A _ C OH R R 1 O O CR2 O Instável AH 1 2 34 R C H O H 5 A _ + R C OR1 O C OH O R2 + 9.1.h. Síntese de ésteres cíclicos: formação de Lactonas ou Lactonização. OH OH O a b g O + OH O – H g b a O OH2 O – + O O g b a g b a OH2 _ Ésteres 140 ISBN 978-65-88024-03-4 9.2. Reações de ésteres. 9.2.1. Transesterificação: C OR 1 O R Reação Geral Mecanismo + R 2 OH meio ác. ou básico C OR 2 O R + R 1 OH C OR 1 O R H+ C OR 1 O + R H OH R 2 C OH R O + OR 1 R 2 H C OH R OR 2 OR 1 H + C OR 2 O + R H + R 1 OH ou OH2 C OR 2 O R + ou OH3 + R 2 OH2 + 9.2.2. Formação de ácidos carboxílicos e/ou íon carboxilato. 9.2.2.a. Por hidrólise: C OR 1 O R Reação Geral Mecanismo H3O + ou HX H 2 O C OH O R + R 1 OH C O O R R 1 H X R C O O + H R 1 OH2 C OH R O + OR 1 H H C OH R OH O + R 1 H C O O + R R 1 H X _ C OH O R + R 1 OH + HX Meio ácido: Ésteres 141 ISBN 978-65-88024-03-4 9.2.2.b. Por saponificação (meio básico): C OR 1 O R Reação Geral Mecanismo C OH O R + R 1 OH 1. NaOH , H 2 O 2. HCl C OR 1 O R 32 1 4 C O O R H OR 1 _ C O – O R Carboxilato HCl C OH O R OH _ + R 1 OH + NaCl Meio básico 9.2.2.c. Por pirólise (com formação de alquenos): R O R 1 O 240 - 300°C R O OH + Mecanismo R O O R 1 H Δ Lento R O OH R 1 + R 1 Reação Geral 9.2.3. Formação de aldeídos por redução utilizando hidreto metálico: CR OR1 O H Al But But C O R H OR1 Al(But)2 CR H O Al(But)2 Meio aquoso R1O OH – + CR H O _ 9.2.4. Redução a álcoois. 9.2.4.a. Por hidrogenação catalítica: C OR 1 O R H 2 Ni / Δ R CH2 OH + R 1 OH Ésteres 142 ISBN 978-65-88024-03-4 9.2.4.b. Por hidretos metálicos. Com cadeia alifática (aberta): C O OR R 1 LiAlH 4 , Éter H 3 O+ + R 1 OH Mecanismo Al – H H H H 1 2 Éter C O OR R 1 H 3 O+ C O – OR H R 1 1 2 Li + Li + C O HR H 3 O+ Al – H H H H Li +1 2 C O – H R H Li + O + H H H + + + H 2 O C OH R H H Reação Geral R CH2 OH - OR 1 - H 2 O _ Com cadeia cíclica: O O Li + Al – H H H H Éter H 3 O+ O O – H Li + Éter H 3 O+ O – O H LiAlH4 Éter/ H 3 O+ OH O – H H Li + Éter OH2 OH OH H H + OH – Li + 9.2.4.c. Por redução de Bouvelaut-Blanc: C OR 1 O R CH2R OH Reação Geral Na, EtOH o Ésteres 143 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo C OH O R Na o C O – OR R 1 Na + EtOH H OEt C OH OR R 1 Na o C – OH OR R 1 H OEt C O R O H R 1 H OEt _ C O HR Na o C O – HR Na + EtOH C OH HR Na o C – OH HR EtOH CH2 OH R 9.2.5. Formação de amida por aminólise: C OR 1 O R Reação Geral R2NH 2 Et 2 O C NHR 2 O R + R 1 OH Mecanismo C OR 1 O R N R 2 H H C O – R N + OR 1 H H H C O – R N O + H H H R 1 C NHR 2 O R Éteres e epóxidos 144 ISBN 978-65-88024-03-4 10. Éteres e epóxidos 10.1. Síntese de éteres. 10.1.a. Por alcoximercuriação-desmercuriação utilizando a regra de Markovnikov: CH CH2 R Reação Geral Mecanismo CH CH3 R R'O CH CH2 R Hg OAc OAc CH CH2 Hg OAc R + HOR'+ Ataque ao Carbono mais substituído CH CH2 OH R' R HgOAc AcO _ + CH CH2 R'O R HgOAc 1. Hg(OAc)2 , R'OH 2. NaBH 4 ou LiBH4 Na + B – H H H H + CH CH3 R R'O + AcO _ + Hg 10.1.b. Por síntese de Williamson. Geralmente, essa cadeia R representada para esse mecanismo será um composto cíclico (podendo ou não ser aromático) e R’ é consideremos cadeia pequena, para esse caso: Ex: R OH Base forte R O – R'X R O R' + Sal Esquema Geral OHNa + _ O H O – Na + CH3 Cl O CH3 + NaCl R O R' + OR" R O R" + OR' _ _ Obs: Caso a base seja um alcoóxido, podemos substituir uma das cadeias laterais do éter: Éteres e epóxidos 145 ISBN 978-65-88024-03-4 10.1.c. Por desidratação de álcoois primários, secundários ou terciários, com formação de alquenos e éteres (simétricos ou não): Reação Geral Mecanismo R CH CH OH R" R' H HSO 4 + _ R CH CH OH2 R" R' + _ R CH C R" R' OH2 S OHOH O O + OHR''' R CH CH O + R" R' R''' H HSO 4 _ + R CH CH O R" R' R''' R CH CH OH R" R' Ácido Forte R'''OH R CH C R" R' R CH CH O R" R' R''' + Maior rendimento Menor rendimento O produto dependerá do reagente seguinte na interação com a molécula, influenciando no rendimento da reação ou HSO 4 _ 10.2. Síntese de epóxido. R R2 O R3R1 C C R R 1 R 3 R 2 COOH O R 4 R 4 C OH O + Reação Geral R = C ou H Epóxido Ácido Carboxílico C C R 3 R2 RR 1 O O C H R 4 O C C R 3 R 2 RR 1 O H C R 4 O O R R 2 O R 3 R 1 + OH C R 4 O 1 2 3 4 5 Mecanismo Observe os saltos dos elétrons, Ocorre por conta da eletronegatividade. Este fenômeno direciona o curso da reação onde os oxigênios buscam formar uma estabilidade em um arranjo mais estável, até resultar nos produtos finais de interesse Éteres e epóxidos 146 ISBN 978-65-88024-03-4 Pode-se produzir também por formação prévia de haloidrina, como no exemplo abaixo: C C R 1 R R 3 R 2 X 2 H 2 O C X R C R 2 O R 3 R 1 H Formação de Haloidrina situada na parte de alquenos Na + OH – C R 1 C R 2 R 3 R O 10.3. Reações de éteres e epóxido. 10.3.1. Formação de peróxidos. Ocorre uma reação radicalar em cadeia, quando submetida a altas temperaturas: C R 1 H OR 2 R Reação Geral Mecanismo O2 Δ C R 1 OOH OR 2 R C R 1 OH OR O C R 1 OH OR 2 + C R 1 H OR 2 R + R 3 O2 Δ HR 3 + C R 1 OR 2 R O O C R 1 OO OR 2 R C R 1 H OR 2 R+ C R 1 OOH OR 2 R C R 1 OR 2 R+ C R 1 OR 2 R C R 1 OO OR 2 R+ C R 1 OH OR O C R 1 OH OR 2 Hidroperóxido peróxido Éteres e epóxidos 147 ISBN 978-65-88024-03-4 10.3.2. Formação de alquenos por desidratação de éteres terciários: C R 1 CH OR 2 R R 4 R 3 Reação Geral Mecanismo Ácido Forte Δ R C R 1 C R 4 R 3 + R 2 OH C R 1 CH XR R 4 R 3 + Subproduto Haloalcano parcialmente produzido C R 1 CH OR 2 R R 4 R 3 H Cl Δ C R 1 C OR R 4 R 3 R 2 H H + Δ C R 1 C OR R 4 R 3 R 2 H H + Cl – R C R 1 C R 4 R 3 + R 2 OH Δ C R 1 C OR R 4 R 3 R 2 H H Cl – C R 1 C ClR R 4 R 3 H + HCl + 10.3.3. Formação de álcoois: 10.3.3. I. Por rearranjo de Claissen. R 1 C CH R 2 O CH2 CH CH2 Δ (250°C) R 1 C CH R 2 O H2C CH H2C R 1 C CH R 2 O CH2CH CH2 R 1 C C R 2 OH CH2CH CH2 Caso a cadeia ligada ao oxigênio possua duplas conjugadas (composto aromático, por exemplo), poderá sofrer ressonância quando submetidaao aquecimento (Δ). Éteres e epóxidos 148 ISBN 978-65-88024-03-4 10.3.3. II. Por abertura de epóxidos. O R 1 R 3 R 2 R R 2 R 3 OH R 1 R OH Esquema Geral Meio Ácido: O R 1 R 3 R 2 R O + H H H O + R 1 R 3 R 2 R H OH2 R 2 R 3 O R 1 R OH HH + H 2 O H 3 O+ R 2 R 3 OH R 1 R OH H+ ou OH Meio aquoso Meio Básico: O R 1 R 3 R 2 R OH _ _ R 2 R 3 OH R 1 R O – H 2 O R 2 R 3 OH R 1 R OH OH _ + OH _ 10.3.4. Produção de haloálcoois através de ácido forte (segue a mesma orientação que as reações anteriores da produção de álcoois): O R 1 R 3 R 2 R O + R 1 R 3 R 2 R H R 2 R 3 X R 1 R OH H X X _ Tióis e sulfetos 149 ISBN 978-65-88024-03-4 11. Tióis e sulfetos 11.1. Síntese de tióis. 11.1.a. A partir de haloalcanos: Reação Geral Mecanismo CH X R 1 R NaSH CH SH R 1 R + NaX CH Cl R 1 R Na SH 2 1 3 CH SH R 1 R + NaCl 11.1.b. Por reação com tiouréia: Reação Geral Mecanismo (NH 2 ) 2 CS H2O , NaOH CH X R 1 R CH SH R 1 R + NaX+ C O NH2 NH2 CH Cl R 1 R + C S NH2 NH2 CH S + R 1 R C NH2 NH2 Cl – Sal de alquilisotiouréia OH2 CH S R 1 R C NH2 NH2 O H H + CH S + R 1 R C NH2 NH2 OH H OH _ CH SH R 1 R + C O NH2 NH2 NaCl Uréia Tiouréia Tióis e sulfetos 150 ISBN 978-65-88024-03-4 11.2. Reações de tióis. 11.2.1. Formação de tioéter: Reação Geral Mecanismo R SH Base Forte R'X R S R' R S H OH _ R S – H 2 O + R' Br R S R' + H 2 O NaBr + _ Reações com alquenos por regra de Markovnikov também podem produzir tioéteres: Reação Geral R SH R 3 CH C R 1 R 2 R S H R 3 CH C R 1 CH3 + Δ Mecanismo Δ C C R 1 R 2 R 3 H H + S – R R 3 CH2 C R 1 R 2 S R R 3 CH2 C R 1 R 2 S R 11.2.2. Formação de dissulfetos por oxidações: R SH R S S R Esquema Geral + H + +2 2e-2 I 2 ou Br 2 ou H 2 O 2 Fe3+ ou Zn ou meio básico 2HX 11.2.3. Reações de troca de cadeia de dissulfetos: Reação Geral R SH + R' S S R' R S S R' R' SH+ Mecanismo R S H + R' S S R' R' S + S R' H S – R+ R S S R' R' SH + Tióis e sulfetos 151 ISBN 978-65-88024-03-4 11.2.4. Oxidação de tióis: Esquema Geral R SH HNO 3 ou KMnO 4 ou 3H 2 O 2 SR O O OH Acredita-se que os mecanismos de oxidações são similares à oxidação de álcoois, porém não estão elucidados nas literaturas. 11.2.5. Formação de sulfonamidas: SR O O OH SR O O N R 1 R 2 Reação Geral Mecanismo SR O O OH NaOH SR O O O – Na + N H R 1 R 2 1. Meio básico ou meio ácido 2. R1R2NH, H 2 O SR O O Cl SOCl2 OH2 SR O O N + R 1 R 2 H SR O O N R 1 R 2 N H R 1 R 2 H 3 O+ SR O O OH N – R 1 R 2 OH2 O H H 3 2 1 4 11.2.6. Síntese de tióis a partir de ciclo-octa-enxofre utilizando reagente de Grignard: Reação Geral Mecanismo S 8 LiAl 4 ou meio ácido R-MgX R SH S S S S S S S S MgXR _ + S S S S S S – S R MgX + H 3 O+ R SH + SH (S)5 S – + HOMgX Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 152 ISBN 978-65-88024-03-4 12. Aminas e nitrilas Parte 1: aminas 12.1. Síntese de aminas. 12.1.a. Por redução aminativa de aldeídos e cetonas, com formação de iminas, enaminas e hemiaminais: Reação Geral Mecanismo R C R 1 O C R R 1 H N R 2 H R C R 1 O N R 2 H H C O – R R 1 N + H H R 2 C OH R R 1 N H R 2 Hemiaminal C N R R 1 R 2 2 1 3 Imina + OH2 1. R2R3NH 2. NaBH4 ou H2/Pd R2 e R3 = C ou H Pode-se ocorrer redução por hidretos metálicos tanto na forma hemiaminal quanto na Imina. Abaixo um exemplo da ideia: Mecanismo R C R 1 O N R 2 H R 3 C O – R R 1 N + H R 3 R 2 C OH2 R R 1 N R 3 R 2 Hemiaminal C N R R 1 CH3 CH3 Enamina OH2 + OH2- + C OH R R 1 N R 3 R 2 Mecanismo simplificado Hemiaminal B – H H H H Na + C R R 1 H N R 2 H Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 153 ISBN 978-65-88024-03-4 C N R R 1 R 3 R 2 B – H H H H Na + C R R 1 H N R 2 H BH3 + - Enamina C N R R 1 R 2 Imina B – H H H H Na + C H R R 1 N – R 2 C R R 1 H N R 2 H BH3 NaBH 4 12.1.b. Redução de amidas por hidretos metálicos (mecanismo presente no capítulo de ácidos carboxílicos e derivados): R C OH O R C NH2 O Esquema Geral 1ª SOCl 2 2ª NH 3 LiAlH 4 Éter C H R NH2 H 12.1.c. Por haletos de alquila (Essa reação também está presente no capítulo de aldeídos em “Adição de Cianetos”): Reação Geral Mecanismo C H R 1 R Br C N _ Na + C H R 1 R C NNaBr + CN _ RCH2X RCH2CN Al – H H H H Li + LiAlH4 Éter ou THF, H2O RCH2CH2NH2 C H R 1 R C N – H O HH C H R 1 R C NH H Repete-se mais uma vez os dois últimos processos Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 154 ISBN 978-65-88024-03-4 C H R 1 R C NH2 H H Neste processo consideramos o consumo de 2 LiAl 4 e 2 H2O para a reação, porém essa proporção pode variar de acordo com a literatura. 12.1.d. Por redução de oximas: C N R 1 R OH Esquema Geral C N R H OH RCH2NH2 CH NH2 R 1 R NaBH4 ou H2/Pd Zn HOAc 12.1.e. Por alquilação de amônias: R X NH3 R NH2 H OH – + X _ (base forte) R NH2 + + R 1 X N + H R H R 1 + X _ N R 1 R H + HX Realiza ataque nucleofílico em outras cadeias 12.1.f. Por redução de aquilazida derivada de haloalcano: Mecanismo Reação Geral R X NaN 3 LiAlH 4 , THF ou H 2 /Pd R N3 R NH2 R X N – N + N – + LiAlH 4 THF N N + N – R 1 Al – H H H H Li + Sal de azida Alquilazida Na + Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 155 ISBN 978-65-88024-03-4 N N N – H R Al H H H N + N N – H R Al – H H H N HR Al – H HH LiAlH4 THF Al – H H H H Li + R NH2 12.1.g. Por redução de acilazida derivada de haleto de acila (Rearranjo de Curtius): Reação Geral R 1 C X O NaN 3 R 1 C N3 O Δ R N C O R NH2 Meio Aquoso Alcilazida Isocianato Mecanismo R 1 C Cl O N – N + N – Na + Δ R 1 C N O N + N – 32 1 4 12 Δ N 2 + R N C O R 1 C N O N + N _ 1 2 3 OH2 R N – C O O H H + R N C O O H H OH2 Ácido Carbâmico R N – H - CO 2 OH2 R NH2 Pode ser realizado de outra forma: R N C O O H H RNH2 - CO2 OH2 R N – H R NH22 Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 156 ISBN 978-65-88024-03-4 12.1.h. Rearranjo de Hofmann. Simplificamos ressonâncias desnecessárias para você se concentrar no andamento reacional: Mecanismo R C N O H H 1ª etapa: produzir N-bromo amida. OH _ Na + R C N – O H Br Br + _ R C N O H Br- NaBr 1º mol - H 2 O 2ª etapa: reação de N-bromo amida com base para formar um sal. 3ª etapa: rearranjo da molécula formando isocianato. R C N O H Br - H 2 O 2º mol OH _ Na + R C N – O Br Na + R C N – O Br R C N O – Br2 1 3 -NaBr O C N R 4ª etapa: reação do isocianato com base, se rearranjando para ácido carbâmico (ou carbamato) na produção espontânea do produto final. O C N R Na + _ Entre essa etapa podem ocorrer ressonâncias consecutivas C N – OH O R C N OH O R _ Carbamato Ácido carbâmico C N OH O R H OH (ou OR") _ OH2 C N O O R HH OH – Ácido carbâmico N R H _ O H H + R NH2 Na2CO3 + CO2+OH – Reação Geral R C NH2 O Br 2 , 4NaOH H 2 O R NH2+ + +Na2CO3 2 H2O 2 NaBr Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 157 ISBN 978-65-88024-03-4 12.1.i. Pela síntese de Gabriel, utilizando ftalimida de potássio que reage com haleto de alquila para formação de amina primária: Reação Geral Mecanismo NH O O 1º KOH 2º RX N O O R NH 2 NH 2 EtOH (Tratamento em etapas) NH NH O O + R NH2 N O O H OH _ N – O O K + K + Cl R 1 R - KCl N O O R R 1 1ª etapa: produção de alquilftalimida Alquilftalimida É importante citar que essa primeira etapa é marcadapor muitas ressonâncias e, portanto, alternações de estados da molécula. Porém, é necessário o leitor saber que são essas estruturas moleculares que realizam o andamento da reação. 2ª etapa: Hipotética reação com hidrazina para produção da amina primária N O O R R 1 NH2 NH2 + _ N O NO – NH2 H H R R 1+ N O NHO – NH2 R R 1 H + NH O O NH NH2 R R 1 2 1 4 Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 158 ISBN 978-65-88024-03-4 NH N + O O H H N – R R 1 H + NH NH O O + NH2 R R 1 12.1.j. Por redução de nitrobenzeno para preparação de arilaminas: NO2 H 2 / Pd ou Fe, HCl/ meio básico NH2 12.1.k. Pela reação de Schmidt: Reação Geral Mecanismo R C OH O HN3 H 2 SO 4 R NH2 + N2 R C OH O N N + N H H+ HSO4 _ R C OH2 O + C + O R _ R C N O N + N H - N 2 C N O H R + C N O H R + O C N H R + + O H H C N H RO O H H + _ R NH2 + H2SO4 HSO4 - CO2 Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 159 ISBN 978-65-88024-03-4 12.2. Reações de aminas. 12.2.1. Reações de ácido-base: N H A Base Ácido + N + H + A _ Amônio como ácido conjugado Base conjugada É importante entender que aminas atuam como bases, já amônia como doador de prótons (caráter ácido). 12.2.2. Alquilação: NR 1 R R 2 + R 3 CH2 X N + R 1 R CH2 R 2 R 3 + X _ 12.2.3. Acilação: NR 1 H R 2 + R C X O 32 4 R C N O R 2 R 1 + HX 12.2.4. Nitrosação (Note a diferença dos reagentes para não se confundir com nitração): Reação Geral NH R 1 R NaNO 2 1. Meio Ácido 2. Meio básico N O N R 1 R Nitrosamina Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 160 ISBN 978-65-88024-03-4 12.2.5. Reação de Mannich para produção de aminometilados a partir de condensação dos reagentes: Reação Geral C O H H + C O CH2 R 3 R 2 N H R R 1+ Meio ácido C O C R 3 R 2 CH2 H N RR 1 Mecanismo C O H H H+ C OH H H N H R R 1 C OH H H N + H R R 1 C OH2 H H N R R 1 + + - H 2 O CH2 N R R 1 CH2 + N R R 1 + C O C R 3 R 2 H H ou H 3 O+ C OH C R 3 H R 2 3 2 1 C O C R 3 R 2 CH2 H N RR 1 Tautomerização Mecanismo N R 1 R H N O + N + R H R 1 N O Base N R 1 R N O Nitrosamina N O – O H Cl N OO H H Cl N O + O H H N O + - H 2 O - NaX Na + Na + Primeiro preparamos o cátion reagente: ou N O – O – R Na + Na + Cl – Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 161 ISBN 978-65-88024-03-4 12.2.6. Reação de Eschweiler-Clarke para metilação de aminas: Reação Geral Mecanismo NH R 1 R + CH2 O HCOOH R2N CH3 + +CO2 OH2 N R 1 R H + C O H H N + CR H R 1 O – HH N C OH HH R 1 R N C OH2 HH R 1 R + H+ - H+ OH2- N + R 1 R C H H H C O – O + 2 1 3 - CO2 N C R 1 R H H H 12.2.7. Eliminação de Cope: produção de N,N-dialquil hidroxilaminas a partir de perácidos como oxidante, com formação de alquenos pela indução térmica submetida na reação. Perácido Δ C CR 1 H R 2 N R 3 R 4 R R C C R 2 R 1 R 4 R 3 C CR 1 H R 2 N R 3 R 4 O R R _ + OH NR2 + 12.2.8. Rearranjo de Beckmann para produção de amidas: C N R R 1 OH Reação Geral H2SO4 (conc.) Δ Considerando R e R1 cadeias carbônicas fechadas ou abertas C NH O R R 1 Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 162 ISBN 978-65-88024-03-4 Mecanismo C N OH H+ C N OH2 + C N - H2O + Note que quando a ligação C-C foi rompida, o carbono destacado se torna deficiente C N + O H H C NO + H HC N +OH H C NO + H H +HSO4 _ C NO H H+_ 12.2.9. Eliminação de Hofmann para formação de alqueno e trimetilamina: R R 1 R 2 NH2 Reação Geral Mecanismo R R 1 R 2 R R 1 R 2 NH2 CH3 I+ R R 1 R 2 N + CH3 H H 1º 3CH 3 I 2º. Ag 2 O, Δ Meio aquoso 1º mol I _ 2 CH 3 I Repete-se mais duas vezes Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 163 ISBN 978-65-88024-03-4 R R 1 R 2 N + CH3 CH3 CH3 H I _ OH R R 1 R 2 N CH3 CH3 CH3 + _ + 2AgI Ag 2 O - 2H 2 O - HI 12.2.10. Reações de Schmidt. As reações de Schmidt têm por objetivo um rearranjo de uma cadeia carbônica na condensação com nitrogênio, produzindo aminas, amidas, nitrilas ou iminas dependendo do reagente: 12.2.11.a. Para produção de aminas: Reação Geral Mecanismo R C OH O HN 3 H2SO4 R NH2 + N2 R C OH O N N + N H H+ HSO4 _ R C OH2 O + C + O R _ R C N O N + N H - N2 C N O H R + C N O H R + O C N H R + + O H H C N H RO O H H + _ R NH2 + H2SO4 HSO 4 - CO2 Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 164 ISBN 978-65-88024-03-4 12.2.11.b. Para produção de nitrilas e amidas (possuem dois produtos que podem ser formados): Reação Geral Mecanismo R C H O HN3 H2SO4 R CN + R C H O H+ R C H O + H + N N + N H _ C N OH R H N + N H C N –OH2 + R H N + N -H 2 O C N N + NR H Base fraca _ N2 _ R CN C N O H R H Ou pode ocorrer outro produto R C H O C N O – R H N + N H C N O H R H N N + N H _ -N2 Pode-se conseguir utilizando cetonas: R C R 1 O H+ _ R C R 1 O + H N N + N H C N O R R 1 H N + N H H+ C N O R R 1 H N + N H H + _ HSO 4 N N + N C R R 1 OH2 2 1 3 -N2 -H+ C N O R R 1 H Aminas e nitrilas- Parte 1: aminas 165 ISBN 978-65-88024-03-4 12.2.11.c. Para produção de iminas, utilizando álcoois terciários: C R 2 OH R R 1 H+ C R 2 OH2 + R R 1 _ N N + N H C N N + N HR R 1 R 2 _ HSO4 1 2 3 4 C N R R 1 R 2 Considerando R2 como a de menor cadeia _ Ou pode-se utilizar alquenos. C C R 1 R R 3 R 2 H+ C CR 1 R R 3 R 2H + _ N N + N H C CR 1 R H R 3 R 2 N N + H N _ HSO 4C C + R 1 R H R 3 N H R 2 C CR 1 R H R 3 N R 2 12.2.12. Produção de oximas a partir de aldeídos e cetonas na reação com hidroxilaminas: C O R R1 NH 2 OH H3O + C N R R1 OH Oxima Reação Geral C O R R1 Mecanismo NH 2 OH H 3 O+ C R R1 O – N + OH H H O + H H H 1 2 3 C R R1 OH NHOH O + H H H C R R1 OH2 NHOH + C N + R R1 OH H OH2 C N R R1 OH Aminas e nitrilas- Parte 2: diazônios 166 ISBN 978-65-88024-03-4 Parte 2: diazônios 12.3. Diazotação, para produção de sais de diazônio, alquildiazônios e arenodiazônios: Reação Geral Mecanismo R NH2 N + N R NaNO2 ou HNO2 HX ou H2SO4 X _ N O – O H Cl N OO H H Cl N O + O H H N O + - H 2 O - NaX Na + Na + ou N + O – O H Cl – Primeiro preparamos o cátion reagente: N R H N O Nitrosamina N + R H N O – B H N R H H N O + N + R H R N O Base N + R H N O H N R N O H H + - H 2 O N R N + Diazônio 12.4. Reações de acoplamento dos sais de diazônio. Formação de azocomposto: D D = fortes grupos doadores de e- N N + Íon aril diazônio Base fraca D N N H B + D N N - H+ Azo composto Grupo doador regenerado Aminas e nitrilas- Parte 2: diazônios 167 ISBN 978-65-88024-03-4 12.5. Reações de Sandmeyer: substituições do grupo diazônio. As reações de arenodiazônio com reagentes cuprosos promovem uma substituição do diazônio por ligantes a esse reagente: haletos ou nitrilas. O cobre contido no reagente promove reações de natureza radicalar (hipoteticamente), induzindo ataque direcionado ao carbono do substituinte com liberação de N2 (uma simples-troca de substituintes). Os mecanismos de formação do arenodiazônio foram mostrados nas reações anteriores. NH2 NaNO2, HX Meio Aquoso N2 X N2 N2 BF4 CuX Δ X + N2 CN + N2 I + N2 OH + N2 F + N2 CuCN Δ NaNO 2 , H2SO4 Meio Aquoso HNO2 HBF4 Meio ácido Δ Cu2O Cu , H2O KI ou NaI + _ + _ + _ HSO4 12.6. Síntese de amidinas. C N R 2 Δ (100°C) NH2 R 1 C NH R NH R 1 C NH2 R N R 1 Reação Geral HX, R1OHAminas e nitrilas- Parte 2: diazônios 168 ISBN 978-65-88024-03-4 C N R N R 1 H H + Δ C N – R N R 1 H H + _ + Δ C N R NR 1 H H Δ C N R NR 1 H H Mecanismo C N R C NH R R 1 O +HX N R 1 H H 1. HX 2. R1OH Existem vários métodos de síntese, como esses dois exemplos: o primeiro depende da formação de enimidato, o qual reagirá com a amina; no segundo, a nitrila precursora reage diretamente com a amina, nas condições adequadas, para formação do produto desejado. 1 2 12.7. Arilação de amidinas. C NH R NH2 X Ar' C NH Ar NH Ar' Esquema Geral HX, CuI, Δ I Cu I N C N R H H H É difícil afirmar um mecanismo exato para identificar os processos. Contudo, sabe-se que essa reação é catalisada por cobre, no qual este interage, simultaneamente, com os dois componentes principais da reação para formar a ligação da arila. 169 ISBN 978-65-88024-03-4 REFERÊNCIAS ALLINGER, Norman et al. Química Orgânica. Tradução da 2a edição americana. 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Acesso em 01 de junho de 2020.49 4.2.5. Halogenação ............................................................................................................ 49 4.2.6. Oximercuriação ....................................................................................................... 50 4.2.7. Reações de oxidação .............................................................................................. 50 4.2.7.a. Produção de dicetonas em alquinos .................................................................. 50 4.2.7.b. Em alquinos terminais ......................................................................................... 51 4.2.7.c. Ozonólise .............................................................................................................. 52 5. Compostos aromáticos ........................................................................................................ 53 5.1. Substituição aromática eletrofílica ............................................................................... 53 5.1.1. Halogenação ............................................................................................................ 53 5.1.2. Nitração .................................................................................................................... 54 5.1.3. Sulfonação ............................................................................................................... 54 5.1.4. Alquilação de Friedel-Crafts ................................................................................... 56 5.1.5. Acilação de Friedel-Crafts ...................................................................................... 56 5.2. Ressonâncias do anel .................................................................................................... 58 5.2.1. Efeito dos substituintes .......................................................................................... 58 5.2.2. Substituição em sistema de anéis fundidos ........................................................ 62 5.2.3. Controle termodinâmico ......................................................................................... 63 5.2.4. Efeito dos substituintes em anéis fundidos ......................................................... 64 5.2.5. Substituição em sistema de anéis fundidos ........................................................ 65 5.3. Oxidação de aromáticos ................................................................................................ 68 5.4. Redução de aromáticos ................................................................................................. 69 6. Álcoois e fenóis ..................................................................................................................... 71 6.1. Preparação de álcoois ................................................................................................... 71 6.1.a. Por hidroboração .................................................................................................... 72 6.1.b. Por oximercuriação ................................................................................................. 72 6.1.c. Hidroxilação por osmato ........................................................................................ 73 6.1.d. Por epoxidação ....................................................................................................... 74 6.1.e. Por redução de carbonilados ................................................................................. 74 6.1.f. Álcoois produzidos por reagentes de Grignard ................................................... 77 6.2. Reações alcoólicas. ....................................................................................................... 78 6.2.1. Conversão de álcool a éster: esterificação de Fischer ....................................... 78 6.2.2. Desidratação de álcoois: formação de alquenos ................................................ 79 6.2.3. Oxidação de álcoois ................................................................................................ 80 6.2.3.a. Com permanganato de potássio (KmnO4) ......................................................... 81 6.2.3.b. Com trióxido de cromo (CrO3) ou ácido crômico (HCrO4) ............................... 81 6.2.4. Síntese de fenóis ..................................................................................................... 84 6.2.5. Formação de um substituinte éter ........................................................................ 86 6.2.6. Formação de um substituinte éster ...................................................................... 86 6.2.7. Substituição aromática eletrofílica de fenóis ....................................................... 86 7. Aldeídos e cetonas ................................................................................................................ 88 7.1. Síntese de aldeídos ........................................................................................................ 88 7.1.a. Por oxidação controlada de álcoois primários .................................................... 88 7.1.b. Por ozonólise ........................................................................................................... 88 7.1.c. Com clorocromato de piridínio (PCC) ................................................................... 89 7.1.d. Por redução de ácido carboxílico ou éster .......................................................... 89 7.1.f. Por hidratação de alquinos pela regra Markovnikov ........................................... 90 7.1.g. Por redução de cloretos de acila ........................................................................... 91 7.2. Reações de aldeídos. ..................................................................................................... 92 7.2.1. Reações de adição à carbonila .............................................................................. 92 7.2.2. Hidratação com adição de álcoois: formação de hemiacetais e acetais. ......... 92 7.2.3. Hidratação. ............................................................................................................... 94 7.2.4. Oxidação de aldeídos: formação de ácidos carboxílicos ................................... 94 7.2.4.a. Com permanganato de potássio (KMnO4) ......................................................... 95 7.2.4.b. Com ácido crômico (H2CrO4) .............................................................................. 95 7.2.4.c. Oxidação de Tollens com óxido de prata (Ag2O) .............................................. 96 7.2.5. Adição de aminas primárias e secundárias. ........................................................ 97 7.2.5.a. Formação de iminas ............................................................................................. 97 7.2.5.b. Formação de enaminas ....................................................................................... 97 7.2.6. Adição de cianetos .................................................................................................. 98 7.2.7. Halogenação de aldeídos. ...................................................................................... 99 7.2.8. Condensação de aldol ............................................................................................ 99 7.3. Síntese de cetonas ....................................................................................................... 101 7.3.a. Por ozonólise de alquenos ................................................................................... 101 7.3.b. Por hidratação de alquinos. ................................................................................. 101 7.3.b. I. Hidroboração ...................................................................................................... 101 7.3.b. II. Tratamento commeio ácido ............................................................................ 102 7.3.b. III. Com sulfato de mercúrio (II) ........................................................................... 102 7.3.c. A partir de álcoois utilizando clorocromato de piridínio (PCC) ....................... 103 7.3.d. Por oxidação de álcoois secundários ................................................................. 103 7.3.e. Acilação de Friedel-Crafts para aromáticos ....................................................... 103 7.4. Reação de cetonas. ...................................................................................................... 104 7.4.1. Reações de adição à carbonila. ........................................................................... 104 7.4.2. Hidratação com adição de álcoois: formação de hemicetais e cetais. ........... 104 7.4.3. Hidratação de cetonas .......................................................................................... 105 7.4.4. Adição de ilídeos. .................................................................................................. 106 7.4.5. Adição de aminas primárias e secundárias. ...................................................... 106 7.4.5.a. Formação de iminas ........................................................................................... 106 7.4.5.b. Formação de enaminas ..................................................................................... 107 7.4.6. Adição de hidroxilamina ....................................................................................... 107 7.4.7. Adição de cianeto .................................................................................................. 107 7.4.8. Oxidação de cetonas. ........................................................................................... 108 7.4.8. I. Oxidação de cadeias cíclicas ............................................................................ 109 7.4.8. II. Baeyer-Villinger ................................................................................................. 110 7.4.9. Halogenação de cetonas ...................................................................................... 111 7.4.10. Produção de halofórmio. .................................................................................... 112 7.5. Redução a álcool. ......................................................................................................... 113 7.5.1. Por compostos organometálicos. ....................................................................... 113 7.5.2. Por hidretos metálicos (LiAlH4 ou NaBH4) .......................................................... 113 7.5.3. Por hidroboração .................................................................................................. 114 7.5.4. Por redução catalítica ........................................................................................... 114 7.5.5. Por redução radicalar ........................................................................................... 114 7.6. Redução à hidrocarbonetos. ....................................................................................... 114 7.6.1. Catalítica de Clemmensen .................................................................................... 114 7.6.2. Reação de Wolf-Kishner ....................................................................................... 115 8. Ácidos carboxílicos e derivados ....................................................................................... 116 8.1. Síntese de ácidos carboxílicos ................................................................................... 116 8.1.a. A partir de alcanos (hidroperoxidação) .............................................................. 116 8.1.b. Por epoxidação de alcenos .................................................................................. 116 8.1.c. Por oxidação de alcenos ...................................................................................... 116 8.1.d. Por oxidação de aromáticos ................................................................................ 117 8.1.e. Por oxidação de álcoois ....................................................................................... 118 8.1.f. Por oxidação de aldeídos. ..................................................................................... 118 8.1.g. Por oxidação de cetonas ...................................................................................... 119 8.1.h. Com produção de halofórmio .............................................................................. 119 8.1.i. Por reagente de Grignard ...................................................................................... 119 8.1.j. Por hidrólise utilizando ésteres. ........................................................................... 120 8.1.k. Por hidrólise utilizando haleto de acila ............................................................... 120 8.1.l. Por haletos de alquila e nitrilas ............................................................................ 120 8.2. Substituição nucleofílica de ácidos carboxílicos e derivados ................................ 121 8.3. Reações de ácidos carboxílicos. ................................................................................ 122 8.3.1. Reações ácido-base .............................................................................................. 122 8.3.2. Formação de ésteres ............................................................................................ 122 8.3.2.a. Por esterificação de Fischer ............................................................................. 122 8.3.2.b. Utilizando cloreto de tionila .............................................................................. 123 8.3.2.c. Por hidroacetilação ............................................................................................ 124 8.3.2.d. Por abertura de epóxidos .................................................................................. 124 8.3.3. Formação de aldeídos .......................................................................................... 124 8.3.4. Redução de ácidos carboxílicos à álcoois ......................................................... 125 8.3.4.a. Redução por hidreto metálico........................................................................... 125 8.3.4.b. Por reagente de Grignard .................................................................................. 126 8.3.4.c. Por hidroboração ............................................................................................... 126 8.3.5. Formação de amidas ............................................................................................. 126 8.3.6. α-halogenação de ácidos carboxílicos ............................................................... 127 8.4. Síntese de haletos de acila.......................................................................................... 128 8.5. Redução de haletos a cetonas por organocuprados ............................................... 128 8.6. Acilação de Friedel-Crafts ........................................................................................... 128 8.7. Redução de haletos de acila à álcoois ....................................................................... 129 8.7.a. Por reagente de Grignard ..................................................................................... 129 8.7.b. Por hidretos metálicos ......................................................................................... 129 8.7.c. Por redução catalítica ........................................................................................... 130 8.9. Esterificação de haletos de acila ................................................................................130 8.10. Síntese de anidridos. ................................................................................................. 131 8.11. Formação de ésteres e ácidos carboxílicos por alocoólise com anidridos ........ 132 8.12. Formação de ácidos carboxílicos por hidrólise...................................................... 132 8.13. Redução de anidridos à álcool por hidretos metálicos ......................................... 133 8.14. Formação de ésteres, por alcoólise, a partir de anidridos .................................... 133 8.15. Síntese de amidas ...................................................................................................... 134 8.16. Redução de amidas por hidretos metálicos ............................................................ 134 8.17. Formação de ácidos carboxílicos por hidrólise...................................................... 135 9. Ésteres .................................................................................................................................. 136 9.1. Síntese de ésteres. ....................................................................................................... 136 9.1.a. Utilizando haloalcanos ......................................................................................... 136 9.1.b. Por processo de esterificação de Fisher ............................................................ 136 9.1.c. Por hidroacetilação ............................................................................................... 137 9.1.d. Por abertura de epóxidos ..................................................................................... 137 9.1.e. Por metilação utilizando diazometano ................................................................ 137 9.1.f. Por hidrocarboxilação ........................................................................................... 138 9.1.g. Por reação de Baeyer-Villinger ............................................................................ 139 9.1.h. Síntese de ésteres cíclicos .................................................................................. 139 9.2. Reações de ésteres. ..................................................................................................... 140 9.2.1. Transesterificação ................................................................................................. 140 9.2.2. Formação de ácidos carboxílicos e/ou íon carboxilato .................................... 140 9.2.2.a. Por hidrólise ....................................................................................................... 140 9.2.2.b. Por saponificação .............................................................................................. 141 9.2.2.c. Por pirólise .......................................................................................................... 141 9.2.3. Formação de aldeídos por redução utilizando hidreto metálico ...................... 141 9.2.4. Redução a álcoois. ................................................................................................ 141 9.2.4.a. Por hidrogenação catalítica .............................................................................. 141 9.2.4.b. Por hidretos metálicos ...................................................................................... 142 9.2.4.c. Por redução de Bouvelaut-Blanc ...................................................................... 142 9.2.5. Formação de amida por aminólise ...................................................................... 143 10. Éteres e epóxidos .............................................................................................................. 144 10.1. Síntese de éteres ........................................................................................................ 144 10.1.a. Por alcoximercuriação-desmercuriação ........................................................... 144 10.1.b. Por síntese de Williamson .................................................................................. 144 10.1.c. Por desidratação de álcoois primários, secundários ou terciários ............... 145 10.2. Síntese de epóxido ..................................................................................................... 145 10.3. Reações de éteres e epóxido .................................................................................... 146 10.3.1. Formação de peróxidos ...................................................................................... 146 10.3.2. Formação de alquenos por desidratação de éteres terciários ....................... 147 10.3.3. Formação de álcoois ........................................................................................... 147 10.3.3. I. Por rearranjo de Claissen ................................................................................ 147 10.3.3. II. Por abertura de epóxidos ............................................................................... 148 10.3.4. Produção de haloálcoois .................................................................................... 148 11. Tióis e sulfetos .................................................................................................................. 149 11.1. Síntese de tióis ........................................................................................................... 149 11.1.a. A partir de haloalcanos ....................................................................................... 149 11.1.b. Por reação com tiouréia ..................................................................................... 149 11.2. Reações de tióis ......................................................................................................... 150 11.2.1. Formação de tioéter ............................................................................................ 150 11.2.2. Formação de dissulfetos por oxidações .......................................................... 150 11.2.3. Reações de troca de cadeia de dissulfetos ...................................................... 150 11.2.4. Oxidação de tióis ................................................................................................. 151 11.2.5. Formação de sulfonamidas ................................................................................ 151 11.2.6. Síntese de tióis a partir de ciclo-octa-enxofre ................................................. 151 12. Aminas e nitrilas ................................................................................................................ 152 12.1. Síntese de aminas ...................................................................................................... 152 12.1.a. Por redução aminativa de aldeídos e cetonas ................................................. 152 12.1.b. Redução de amidas por hidretos metálicos ..................................................... 153 12.1.c. Por haletos de alquila ......................................................................................... 153 12.1.d. Por redução de oximas ....................................................................................... 154 12.1.e. Por alquilação de amônias ................................................................................. 154 12.1.f. Por redução de aquilazida derivada de haloalcano ......................................... 154 12.1.g. Por redução de acilazida derivada de haleto de acila ..................................... 155 12.1.h. Rearranjo de Hofmann ........................................................................................ 156 12.1.i. Pela síntese de Gabriel ........................................................................................ 157 12.1.j. Por redução de nitrobenzeno para preparação de arilaminas ........................ 158 12.1.k.Pela reação de Schmidt ...................................................................................... 158 12.2. Reações de aminas. ................................................................................................... 159 12.2.1. Reações de ácido-base ....................................................................................... 159 12.2.2. Alquilação ............................................................................................................ 159 12.2.3. Acilação ................................................................................................................ 159 12.2.4. Nitrosação ............................................................................................................ 159 12.2.5. Reação de Mannich ............................................................................................. 160 12.2.6. Reação de Eschweiler-Clarke ............................................................................ 161 12.2.7. Eliminação de Cope ............................................................................................ 161 12.2.8. Rearranjo de Beckmann ..................................................................................... 161 12.2.9. Eliminação de Hofmann ...................................................................................... 162 12.2.10. Reações de Schmidt ......................................................................................... 163 12.2.11.a. Para produção de aminas ............................................................................. 163 12.2.11.b. Para produção de nitrilas e amidas ............................................................. 164 12.2.11.c. Para produção de iminas............................................................................... 165 12.2.12. Produção de oximas ......................................................................................... 165 12.3. Diazotação................................................................................................................... 166 12.4. Reações de acoplamento dos sais de diazônio ...................................................... 166 12.5. Reações de Sandmeyer: substituições do grupo diazônio ................................... 167 12.6. Síntese de amidinas. .................................................................................................. 167 12.7. Arilação de amidinas ................................................................................................. 168 REFERÊNCIAS ......................................................................................................................... 169 Esquema de reações 16 ISBN 978-65-88024-03-4 1. Esquema de reações Aqui abordamos brevemente os principais tipos de reações, mas ao longo do guia prático serão abordados outros mais específicos. Para cada tipo de cadeia e grupo funcional há predominância de determinadas reações. 1.1. Reações de substituição ✓ Mecanismo SN1 (organizado em 2 etapas): C X R 1 R 2 R C R 1 R 2 R + X 1 2 _ Nu C CH3 CH3 CH3 Nu+ + Carbocátion intermediário + _ Lento C R 1 R 2 R + Rápido Nucleófilo Grupo abandonador A saída de um grupo abandonador resulta na formação de um carbocátion estável. R = geralmente representa uma cadeia carbônica Ocorre um ataque de um nucleófilo (com excesso de elétrons) no carbocátion. Esse mecanismo ocorre em carbonos secundários e terciários com um ligante abandonador. Também esse pode ser encontrado nas reações de aromáticos. É chamado de substituição eletrofílica. O símbolo “δ” presente no início das reações indica que há uma parcialidade de cargas, ou seja, um prévio deslocamento influenciado pela eletronegatividade entre os ligantes. Perceba que no primeiro exemplo o carbono se encontra “parcialmente positivo” e o grupo abandonador “parcialmente negativo”, provocando deslocamento dos elétrons de ligação entre eles para o último grupo (X), resultando em um carbocátion e um grupo de saída carregado negativamente. ✓ Mecanismo SN2. Perceba que não há formação de um carbocátion estável. O ataque lento do nucleófilo realiza a saída rápida do grupo abandonador, no qual podemos considerar uma etapa sincronizada. Esse modelo é também chamado de substituição nucleofílica. Esquema de reações 17 ISBN 978-65-88024-03-4 C X R 1 R 2 R + _ Nu _ + C X Nu R R 2 R 1 RápidoLento C R 2 Nu R R 1 + X _ É possível que haja uma inversão na configuração. Em termos mais simples, veja que as posições dos grupamentos se alteram ao final da reação. Mantivemos a maioria das reações em projeção de Fischer para facilitar seu entendimento. 1.2. Reações de adição. Esse tipo de mecanismo é muito comum em funções contendo ligações insaturadas. A característica principal da reação é na transformação dos reagentes insaturados (com duplas ou triplas ligações) em produtos saturados: Na adição eletrofílica existe a formação de um carbocátion intermediário: C C R R R R H X+ C C + H R R R R X C C H R X R R R _ Carbocátion intermediário Enquanto na adição nucleofílica ocorrem reações simultâneas, não ocorrendo formação de carbocátion. Um bom exemplo são as substâncias carboniladas: C O R H C O – R Nu H Nu + E + cátion C O R Nu H E Consideremos que “E+” seja um próton H+, formando no final um grupamento alcoólico. Assim, podemos observar que o composto principal incorpora o outro reagente para formação de um só produto a partir do ataque do nucleófilo, diferente da substituição que ainda permanece com um produto principal e um subproduto (grupo abandonador). Ao longo do guia esses dois modelos serão mais bem esclarecidos. Esquema de reações 18 ISBN 978-65-88024-03-4 1.3. Reações de eliminação. Reações dessa natureza são comuns quando o reagente é submetido a uma condição do meio (por exemplo: uma base inicial que retira uma parte da molécula), calor, luz, entre outros. A saída de grupamentos da molécula principal geralmente resulta em formação de uma dupla ou tripla ligação, podendo ocorrer com diferentes mecanismos. ✓ Mecanismo E1, com formação de um carbocátion: C C H H H R X H Lento + _ C + C H R HH H X _ + B C C H H H R + HB X+ _ Carbocátion intermediário Rápido ✓ Mecanismo E2, com etapa simultânea sem formação de carbocátion intermediário: C C H H H R X H B 2 1 3 Base Siga a ordem numérica das setas para melhor compreensão das etapas C C H H H R + HB X+ _ É importante o leitor considerar que existe muita literatura sobre conformação, estrutura e regiosseletividade das moléculas, que são fundamentais para melhor compreensão dos mecanismos de reações químicas. Pode haver dificuldades para a escolha de literatura ideal para estudo, como pouca afinidade como a linguagem ou mesmo a complexidade da obra. Como aluno de química orgânica, recomendo os livros abaixo. Outras obras importantes são listas nas referências deste GUIA: -BARBOSA, Luiz. C. A. Introdução à Química Orgânica; -BRUICE, Paula Yurkanis. Organic Chemistry; -CAREY, Francis A. Química Orgânica; -ISENMANN, A. F. Princípios da Síntese Orgânica; -MCMURRY, John. Química Orgânica; -SILVEIRA, Ana Julia de Aquino et al. Química Orgânica Teórica; -SOLOMONS, T. W. Graham; FRYHLE, Craig B. Química Orgânica. Alcanos 19 ISBN 978-65-88024-03-4 2. Alcanos 2.1. Síntese de alcanos. 2.1.a. Por hidrogenação (redução catalítica) de alcenos, alcinos, haletos, cicloalcanos, dienos e aromáticos: C C R 3 R 2 R 1 R C C R 3 R H R 2 H R 1 H 2 Pd/C ou Pt ou Ni C CH H C C HH H H H H H 2 Pd/C ou Pt ou Ni Ni, Δ, P 3H2 H 2 Ni, Δ, P 2H2 Ni, Δ, P R X H 2 Pd/C ou Pt ou Ni R H + HX 2.1.b.A partir de outras reações com haloalcanos: 2.1.b. I. Reação de Grignard: R X R H + Mg(OH) 2+ MgX2 1º Mg ou Li 2º 2H2O 2 2 Reação Geral R 1 Br 2 Li Et2O ou THF anidro Mg Et2O ou THF anidro R 1 Br Li + _ R 1 Li +_ + Br – Li + reagente de Grignard R 1 Br Mg + _ R 1 Mg + _ R 1 Mg Br +_ Br – reagente de Grignard Mas, primeiro iremos preparar o reagente de Grignard: Mecanismo R 1 Mg Br _ + H OH R H + Mg(OH) 2+ MgX2 2 2 2 Alcanos 20 ISBN 978-65-88024-03-4 2.1.b. II. Redução por hidretos metálicos ou redução por zinco: R X R H + HXR X Al – H H H H Li + LiAlH4 LiAlH4 - 2LiAlH 3 ou pode ser feito de outra forma utilizando outros reagentes: R X R H Zn AcOH 2.1.c. Redução catalítica de Clemmensen: CR R 1 O ZnHg HCl concentrado R CH2 R 1 2.1.d. Reação de Wolf-Kishner: CR 1 R O H 2 NNH 2 KOH / Δ (Aprox. 200ºC) R 1 CH2 R + N2 + KOH Reação Geral Mecanismo CR 1 R O NH2 NH2 C NR 1 R O – NH2 H H + C NR 1 R OH H NH2 C N + R 1 R NH2 H OH – C N R 1 R N H H OH _ OH – K + 1 2 3 C N R 1 R NH _ O H H OH – C N R 1 R N H H OH _1 2 3 C – R 1 R H O H H R 1 CH2 R + N2 + KOH K + K + K + KOH Δ Δ Δ ΔΔ/Δ Δ /Δ Alcanos 21 ISBN 978-65-88024-03-4 2.1.e. Reação de Wurtz: R X R R2 2 Na + 2 NaX CH3 CH2 Cl Na CH3 CH2 Na CH3 CH2 – H2CCH3 Cl Na + CH3 CH2 CH2 CH3 -NaCl-NaCl 2.1.f. A partir de ácidos carboxílicos por descarboxilação: C OH O R Δ R H + CO2 2.2. Reação de Alcanos. 2.2.1. Desidrogenação (adições conjugadas): CH CH2CH2 CHCH2 CH3CH3 CH2 + H2 C C R 3 R 2 R 1 R C C R 3 R H R 2 H R 1 Δ (>700°C) + H2 Δ Cr 2 O 3 ou Al 2 O 3 (600ºC) 2.2.2. Halogenação por adições radicalares: Para formar radicais é necessário submeter os reagentes a uma energia, geralmente, na forma de calor ou luz (hᴠ). A ideia central é de o reagente “remover” um hidrogênio da molécula principal (R), ocorrendo a formação do radical: 1 Início da reação: um reagente ou catalisador da reação se torna radicalar por absorção de energia (calor + luz), pois possui maior tendência para esse estado que as outras substâncias da reação. A A Δ hV A2ou A2 Alcanos 22 ISBN 978-65-88024-03-4 2 Propagação de uma cadeia: quando aquele reagente ou catalisador (em forma de radical) interage com o composto alvo, na qual precisa exclusivamente de hidrogênio, que irá se tornar o componente reativo da reação. A + H R Δ A H R+ O componente reativo interage com o reagente estável e, com isso ocasiona inúmeras reações em cadeia dessa mesma forma. R + A A Δ R A A+ Ocorrerá repetidamente diversas vezes hV hV R H R X + HX+ X2 hV ou Δ 3 Terminação da cadeia: quando dois radicais se encontram possuem a energia suficiente e a capacidade de formar uma ligação entre eles, finalizando seu processo reativo, formando um composto estável. R A+ R A R R R R+ A A A A ou A2 Δ hV Δ hV Δ hV 2.2.3. Oxidação com produção de álcoois e cetonas: C H R R 2 R 1 KMnO 4 Δ C OH R R 2 R 1 C OH R H R1 [ O ] Controlada C R R1 O [ H ] O mecanismo é demonstrado na parte de oxidação de álcoois Carbonos terminais (CH3) podem ser facilmente oxidados, para formarem ácido carboxílico na extremidade da cadeia, pelo processo de hidroperoxidação, reagindo com O2 atm ou por agente oxidante: R CH3 + O2 Atm R COOH [ O ] contr. Δ Alcanos 23 ISBN 978-65-88024-03-4 2.2.4. Aromatização. Nesse processo ocorre insaturação da cadeia cíclica de cicloalcanos, cicloalcenos e cicloalcadienos. Um exemplo abaixo utilizando cicloalcanos, onde destacamos a presença de hidrogênios para melhor compreensão: H H H H H H H H H H H H H H H H H H Δ, P + 3H 2 2.2.5. Nitração e sulfonação por processo radicalar: OH H R Δ ROH2 N O O O H + _ Δ OHNO2 R NO2 R NO2 OH H R Δ ROH2 S O HOH O O Δ OHSO3H R R SO3HSO3H ΔΔ HR HNO3 Δ (400-450°C) NO2R + + + OH2 HR SO3HR OH2 H 2 SO 4 Δ (400-450°C) + + + + + + + Reação Geral Mecanismo Reação Geral Mecanismo Alquenos (alcenos) e dienos 24 ISBN 978-65-88024-03-4 3. Alquenos (alcenos) e dienos 3.1. Adição a alquenos: Pode ser representado esquematicamente em: 3.1.1. Conformação CIS. Pode-se aplicar ao método de adição eletrofílica para a adição de ácidos: C C H H H H H Br+ C C + H H H H H Br – Carbocátion intermediário C C H H H H H Br CIS Por uma técnica mais simples e eficaz de compreender os sistemas de adição preparamos uma técnica para o entendimento da conformação CIS e TRANS C C H H H H + A Q C CH H Q A H H C C H H H H A Q _ + + _ 3.1.2. Conformação TRANS, que podemos utilizar em adição de halogênios: C C H H H H Br Br+ C C H Br + H H H Br – Carbocátion intermediário C C H Br H Br H H Parte inferior protegida do ataque Trans + _ CH 2 Cl 2 Existe uma demonstração não convencional, mais simples: Trans C C H H H H + A Q C H H A C H H Q + C H H A CH H Q C C H H H H A Q _+ + _ _ + Um carbono simétrico utiliza-se, principalmente o método acima. Porém, podemos realizar um trabalho mais detalhado quanto sua reação eletrofílica. CIS Alquenos (alcenos) e dienos 25 ISBN 978-65-88024-03-4 3.2. Adições com ácidos. As reações encontradas nas literaturas são geralmente as seguintes: 3.2.1. Haloácidos: C C H H H H H Br+ C C + H H H H H Br – Carbocátion intermediário C C H H H H H Br 3.2.2. Ácido sulfúrico (H2SO4): C C H H H H + C C H H H H H S OHO O O H+ OSO 3 H C C H H H H HH3OSO Carbocátion intermediário Obs: O Hidrogênio não protege parte inferior do ataque (conformação CIS) _ + _ 3.2.3. Ácido trifluoroacético (ou trifluoretano; CF3COOH): C C H H H H C C F F FO O H + C C H H H H H F F FO O Carbocátion intermediário _ + C C H H H H H O 3.2.4. Ácido etanóico (ou acético; CH3COOH): C C H H H H + C CH3 O O H C C H H H H H Carbocátion intermediário C CH3 O O C C H H H H H OOCCH 3 _ + Alquenos (alcenos) e dienos 26 ISBN 978-65-88024-03-4 3.3. Formação de haloidrina. Haloidrinas são compostos formados a partir de solução aquosa (diferente da halogenação que ocorre na presença de CCl4). É importante lembrar que a solução pode interferir na formação de produtos em algumas reações. Cl2 Solução aquosa C C H Cl OH H H H + C C H Cl Cl H H H + HClC C H H H H Principal formado Menos formado Reação Geral Segue o Mecanismo: C C H H H H Cl Cl C C H Cl + H H H C C H Cl H O + H H H H O H H O H H Como o solvente é a água ao invés de CCl 4 não ocorre proteção do carbono formando composto CIS! - Cl Mecanismo Trans C C H Cl H OH H H + O + H H H Duas moléculas de água atuam na reação sendo que: 1. A primeira molécula atua como nucleófilo 2. A segunda forma um íon hidrônio 3.4. Adição de carbenos: formação ou aumento de um composto cíclico. Carbenos são moléculas divalentes de carbono que possuem, como principal característica, elétrons livres desemparelhados. Isso mesmo! Podemos formá-los e fazer com que reajam com um alqueno para podermos formar ou aumentar uma cadeia cíclica, lembrando que sempre temos que pensar na estabilidade da reação. Então segue o esquema: C C H HH H + CHCl 3 C C H HH H C Cl Cl KOH + KCl + OH2 Reação Geral Alquenos (alcenos) e dienos 27 ISBN 978-65-88024-03-4 C HCl Cl Cl + K + OH _ C – Cl Cl Cl OH2 C Cl Cl + Cl – 1 Formação do carbeno K + _ Mecanismo C C H HH H 2 Reação do carbeno com o composto principal C Cl Cl C C H HH H C Cl Cl As setas são simultâneas nessa reação 3.5. Síntese de Simmons-Smith.Uma reação desenvolvida por esses cientistas demonstra que é possível desenvolver um carbeno para a formação de ciclopropanos através de uma reação entre o diiodometano e zinco-cobre: 3.6. Reações de hidratação: produção de álcoois. 3.6.1. Catalisação por um ácido (H3PO4): C C H H H H H PO3H2 C C H H H H H Carbocátion intermediário PO3H2 OH2 + C C H H H H H O H H C C H H H H OHH H3PO4 250°COH2 + _ + + CH2I2 + Zn(Cu) ICH2ZnI O carbenóide é formado e provoca reação direta de forma estereoespecífica no alceno (de acordo com a reação vista anteriormente). Alquenos (alcenos) e dienos 28 ISBN 978-65-88024-03-4 3.6.2. Por oximercuriação: reação catalisada pelo Hg(O2CCH3)2 (acetato de mercúrio II) podendo ser abreviado em Hg(OAc)2 tratado com NaBH4, em tetrahidrofurano (THF). CH3 Hg OAc OAc, H 2 O/THF NaBH 4 CH3 Hg OAc + OAcOH2 CH3OH H HgOAc CH3OH HgOAc HOAc + _ + _ Seguido da ação do NaBH4 CH3OH HgOAc NaBH 4 + Na + B H H H H CH3OH HgOAc CH3OH HgOAc _ _ 3.6.3. Hidroboração: ocorre adição de H2O no alqueno da reação, utilizando 1 monômero de BH3 para cada 3 cadeias de alquenos. Reação geral utilizando cadeias maiores de reativos (BH6 – dímero) C C H H H H C C H H H H H OH + B2(OH) 66 6 1ª B 2 H 6 , THF 2ª [ H 2 O 2 ] , NaOH ou H 2 O Contudo, a forma de monômero desse composto (BH3) pode ser utilizada na reação para simplificar para o leitor. C C H H H H C C H H H H H OH + B(OH) 33 3 1ª BH 3 , THF 2ª [ H 2 O 2 ] , NaOH ou H 2 O Alquenos (alcenos) e dienos 29 ISBN 978-65-88024-03-4 A reatividade do boro pode ser representada pelo esquema abaixo: (THF) B HH H OB H H H + _ O 1ª Parte) Formação do trialquilboro: C B H HC H H H H H Deslocamento Simultâneo, com o reagente agindo como pseudocarbocátions mais estáveis no deslocamento. OB H H H C C H H H H +_ Deslocamento da ligação para o Oxigênio por preferência do Boro por um ataque eletrofílico de um composto mais estável e menos eletronegativo (Carbono). THF Desassociação com BH3 Porém, pode-se representar somente como forma livre, como na maioria das literaturas. B H H H _ A partir do exposto, já se pode compreender a simultaneidade da troca nessa etapa e esquematizar as próximas, agora simplificada: THF C C H H H H +C B C H H H H H H H C B C C C H H H H H H H H H H H 1º Mol de Alqueno 2º Mol de Alqueno Boro é uma molécula altamente reativa, a sua ligação com o tetrahidrofurano (THF) forma um composto mais “estável”. Alquenos (alcenos) e dienos 30 ISBN 978-65-88024-03-4 THF C C H H H H + Trialquilboro C B C C C C C H H H H H H HH H H H H H H H C B C C C H H H H H H H H H H H 2ª Parte) Produção do álcool a partir do trialquilboro, reação com o peróxido de hidrogênio. Observe o rearranjo da molécula quando o boro se encontra com excesso de ligações e, para isso, a cadeia carbônica migra para o oxigênio ligante, expulsando uma hidroxila da molécula: (solução aquosa ou base)OH – OH2 + H2O2 HOO _ B – C O O H C C C C C H H H H H H H H H H H H H H H C B C C C C C H H H H H H HH H H H H H H H Ocorre reação com o -OOH, rompendo ligações entre os oxigênios e estabilizando a ligação com o Boro e restauração do meio utilizado (preferencialmente básico). OH – OH – - C B C C C H H H H H H HH H H O C C H H H H H _ 2 H 2 O 2 , HO - 2H 2 O Repete-se mais duas vezes a mesma etapa 3º Mol de Alqueno Alquenos (alcenos) e dienos 31 ISBN 978-65-88024-03-4 Para o 2º e 3º Mol de Peróxido: OH – OH – - C B C C C H H H H H H HH H H O C C H H H H H _ 2 H 2 O 2 , HO - 2H 2 O Repete-se mais duas vezes a mesma etapa B O C C H H H H H O CC H H H H H O C C H H H H H OH _ O H H B O C C H H H H H O CC H H H H H OH OH – O H H C C OHH H H H H B OH O CC H H H H H OH O H H OH _ 3 + B(OH) 3 + OH – ➢ Para cadeia assimétrica: O boro liga-se ao Carbono menos substituído que possui carga parcial negativa, sendo que o hidrogênio se liga ao carbono mais substituído (que possui uma carga parcial positiva). Somente nessa regra a reação torna-se mais estável CH3 CH3 H H + B H H H THF CH3 H BH2 H CH3 H Um breve esquema dessa reação Então, após esse processo, continua como no esquema anterior, conforme as regras da cadeia assimétrica. São removidas todas as cadeias de carbônicas (formadas a partir dos alquenos) do Boro, substituindo-os pelo OH; as cadeias carbônicas são transformadas em álcoois utilizando, desde o começo dessa reação, o conceito da regra Anti-Markovnikov para as adições nucleofílicas. Alquenos (alcenos) e dienos 32 ISBN 978-65-88024-03-4 3.7. Hidrogenação de alcenos e dienos: C C R 3 R 2 R 1 R C C R 3 R H R 2 H R 1 H 2 Pd/C ou Pt ou Ni H 2 Ni, Δ, P 2H 2 Ni, Δ, P 3.8. Adições conjugadas. Quando um composto possui duas duplas ligações (dienos) as reações podem ser diferentes dos alcenos com somente uma dupla, pois pode ocorrer ressonância quanto à posição da dupla se caso houver reação de adição ocorrendo só com uma das duplas. Contudo, em todo caso, devem-se considerar cada caso específico. De modo geral, apresentaremos as mais comuns: 3.8.1. Produção de um dieno: CH CH2CH2 CHCH2 CH3CH3 CH2 + H2 Δ Cr 2 O 3 ou Al 2 O 3 (600ºC) 3.8.2. Reação de adição de ácidos ao dieno. C CH2CH2 C RR HBr 25°C C CH2CH2 C H Br R R C CH2CH2 C BrH R R + (65%) (35%) Esquema Geral C H C H 2 C H 2 C H H Br C H C H 2 C H 2 C H + H C H C H 2 + C H 2 C H H Br – Br – C H C H 2 C H 2 C H H Br C H C H 2 C H 2 C H Br H Ideia simples: A cadeia poderá sofrer ressonância (B) ou esta sofrer a reação (A), sendo o último mais provável por conta do carbono deficiente ser mais substituído, portanto, mais estável. Mecanismo + A B Alquenos (alcenos) e dienos 33 ISBN 978-65-88024-03-4 3.8.3. Halogenação de dienos. CH CHCH3 CH CH CH3 CH CHCH3 CH CH CH3 Br Br CH CHCH3 CH CH CH3 Br Br Br 2 25°C + Reação Geral + Br Br Mecanismo CH CHCH3 CH CH CH3 CH CHCH3 CH CH CH3 Br + Br – CH + CHCH3 CH CH CH3 Br Br –Como no exemplo acima, poderá ocorrer ressonância da dupla e formar mais de um produto CH CHCH3 CH CH CH3 Br Br CH CHCH3 CH CH CH3 Br Br CH CH2CH2 CH H Br CH CH2CH2 CH + H CH CH2 + CH2 CH HBr – Br – CH CH2CH2 CH H Br CH CH2CH2 CH BrH Ideia simples: A cadeia poderá sofrer ressonância (B) ou esta sofrer a reação (A), sendo o útlimo mais provável por conta do carbono deficiente ser mais substituído, portanto, mais estável. Mecanismo + A B Alquenos (alcenos) e dienos 34 ISBN 978-65-88024-03-4 3.8.4. Reação de Diels-Alder. Nessa reação, a tendência é produzir um composto cíclico a partir de um dieno e dienófilo. Para melhor representação, adotamos a seguinte notação para as estruturas principais para a reação, pois acreditamos que facilita com que o leitor comece a esquematizar o “encaixe” dos carbonos para a formação de um composto cíclico (imagem abaixo): + DienófiloDieno Cicloalqueno Δ + 1 2 3 Δ Δ Agora que fizemos um exemplo simples, faremos uma demonstração de como poderá ocorrer em formas mais complexas: + O O O O O O CH2 CH2 CH CH = E... CH2 CH2 = Reação Geral Reação Geral Mecanismo da Reação Note! Há um aparecimento de duas ligações simples, isso é a característica do carbocátion intermediário desse processo.Alquenos (alcenos) e dienos 35 ISBN 978-65-88024-03-4 + O O O 1 2 3 O O O O O O ✓ Note que no final é muito provável que haja uma dupla localizada na cadeia que representava o dieno. Essa é uma importante característica para orientar seu mecanismo até o produto final. 3.9. Hidroxilação. Utilizada para formar dióis, apresenta a seguinte reação geral: C C R 1 R R 2 R 3 OHOH C C R 1 R R 3 R 2 1. OsO 4 2. NaHSO 3 Mecanismo Ocorre a reação da retirada do complexo de osmato cíclico Primeira ação do tetróxido de ósmio (OsO4) ou MnO4, em seguida, ação do bissulfito de sódio (NaHSO3) + água Alquenos (alcenos) e dienos 36 ISBN 978-65-88024-03-4 Para essa hipótese de mecanismos que foi desenvolvida neste guia tem como foco principal retirar o complexo de osmato do composto principal de reação (cadeia carbônica), utilizando NaSO3H e água, que possuem por via se associarem ao osmato e depois formar as hidroxilas no (ciclo)alcano formado, respectivamente. A eliminação do composto osmato ainda é incerta, mas para formular hipóteses esse método pode ser “considerável”. No final, o osmato pode aparecer de uma forma OsO2, pois durante o processo pode ocorrer transição de ligação do osmato. 3.10. Clivagem oxidativa de alcenos. Ocorre produção de 2 moles de Ácido Acético por cadeia de alqueno reagida com permanganato de potássio em meio aquoso básico e depois a solução recebe um equilibrado meio ácido para término da reação. Mn O O O O – K + A reação do permanganato promove conformação CIS Mecanismo C C R H R2 R1 1 2 Δ C C R H R2 R1 O O Mn OO Pela temperatura e conformação adotada na interação dos reagentes, os oxigênios, neste caso, atraem elétrons derivados da ligação com o manganês, forçando o metal a obter ionização +2 e se estabilizar com dois oxigênios. Δ C O – C R2 O – R H R1 OH3 + 2 H 3 O+ Δ C OH R H C OH R2 R1 Glicol instável C OH + R H + Um diol instável é formado. Essa instabilidade ocorre por conta de uma submissão de calor, na qual poderia ocorrer saída de água na molécula (por outro processo - 2), ou ocorre rompimento da ligação C-C (1), que este último caso receberá mais atenção por formar o composto de interesse. Δ C R2 R1 OH + 2 H 2 O Δ C R2 R1 O Cetona + C O R H Aldeído A cetona formada já não pode ser mais oxidada (explicação vista em "oxidação de alcoóis"). O aldeído é diretamente oxidado (por esgotamento) com mais um mol de KMnO 4 : _ C OH R C R2 R1 (1) (2) C C R H R2 R1 _ C OH O R R, R1 e R2 = C ou H [ O ] Controlada Reação Geral KMnO 4 1. Meio Aq. , Δ 2. H 3 O+ C O R1 R2 + Ácido Carboxílico Cetona Alquenos (alcenos) e dienos 37 ISBN 978-65-88024-03-4 CR H O Mn O – O O O K + Δ / CR H O Mn O O O O – _ K + OH – Δ O Mn O O O O – CR HOH _ K + 1 2 3 Δ CR O O H OH _ Meio Básico inicial CR O – O O + H H H CR OH O Meio Ácido submetido Aldeído Meio Básico Ácido Carboxílico É importante lembrar que, por ser uma reação complexa e seu mecanismo não ser encontrado na maioria das literaturas consultadas, o mecanismo apresentado é uma proposta do autor deste Guia. 3.11. Ozonólise. Considerada um processo de oxidação de alcenos, utilizando Ozônio (O3) com a intenção de formar produtos cetônicos (quando o composto possui quatro carbonos – tetrasubstituídos) ou aldeídicos (para cadeia formada por dois carbonos ou quando o número é ímpar). C C CH3 H H H O 3 Zn, H 2 O C O HCH3 C O HH + C C CH3 H H H O O O _ C C CH3 H H H O O O1 2 + Mecanismo + C CH3 H O + O – C H H O1 1 2 OO C O C H H H CH3 1 2 3 H 2 O Reação Geral Alquenos (alcenos) e dienos 38 ISBN 978-65-88024-03-4 C O HCH3 C O + HH O _ + H OH Zn C O HCH3 C O HH + H2O2 _+ 3.12. Epoxidação. Epóxidos são muito importantes como intermediários em outros tipos de reação: R R2 O R3R1 C C R R1 R3 R2 COOH O R4 R4 C OH O + Reação Geral R = C ou H Epóxido Ácido Carboxílico C C R3 R2 RR1 O O C H R4 O C C R3 R2 RR1 O H C R4 O O R R2 O R3 R1 + OH C R4 O 1 2 3 4 5 Mecanismo Observe os saltos dos elétrons, Ocorre por conta da eletronegatividade. Este fenômeno direciona o curso da reação onde os oxigênios buscam formar uma estabilidade em um arranjo mais estável, até resultar nos produtos finais de interesse 3.13. Adição radicalar em alquenos. Nessa adição, entramos com a compreensão da regra de adição de Kharasch (ou Anti-Markovnikov), sendo o fator principal da reação o catalisador Peróxido, hidrogenado (hidroperóxido) ou orgânico (R). A adição do Brometo de Hidrogênio no alceno dependerá, portanto, do catalisador da reação, o peróxido, o qual define o tipo de reação e o tipo de regra que essa reação seguirá conforme o esquema: O resultado da reação promove aldeídos (para este caso), mas para um composto mais complexo, dependendo do caso, podem se formar cetonas. Há uma probabilidade de formar um subproduto (não tão relevante) de peróxido, por conta da substituição ocorrida em um dos esquemas pressupostos de ozonólise. Alquenos (alcenos) e dienos 39 ISBN 978-65-88024-03-4 CH3 CH CH2 + BrH CH3 CH CH3 Br 2 - Bromopropano Seria somente uma adição de ácido (estudada anteriormente) Adição de Markovnikov: Será uma reação não radicalar por não utilizar o catalisador, seguindo a regra de o halogenado interagir com o Carbono mais substituído enquanto o Hidrogênio no menos substituído. Entretanto, a regra de Kharasch que segue o princípio Anti-Markovnikov, utiliza o peróxido que influencia de maneira inversa o resultado da reação, sendo agora uma reação radicalar proporcionada por este catalisador: CH3 CH CH2 + BrH O OR R CH3 CH2 CH2Br Bromopropano Demonstraremos por etapas simplificadas: 1 O OR R Δ OR2 2 3 4 OR + H Br OHR + Br Br + CH3CHCH2 CH3CHCH2Br Radical secundário mais estável para essa reação CH3CHCH2Br + H Br CH3CH2CH2Br + Br Provocará reação em cadeia 3.14. Polimerização. Polímero é um segmento de monômeros que realizam reações em cadeia para formar o composto desejado. É formado em três etapas: • Início: Inicia-se a reação a partir do catalisador que pode ser representado como BzO: Alquenos (alcenos) e dienos 40 ISBN 978-65-88024-03-4 O O O O Δ O O Peróxido de Benzoíla Radical peróxido de benzoíla 2 = BzO • Propagação: Quando os monômeros se tornam radicais e interagem com monômeros estáveis ocasionando reações em cadeia: BzO CH2 CH CH3 Δ O ataque do radical força o rompimento da dupla CH2 CH CH3 BzO + Propileno CH2 CH CH3 CH2 CH CH3 BzO A formação de um radical ocorre no carbono mais substituído CH2 CH CH3 • Término: Quando dois radicais (monômeros ou cadeia) reagem entre si e encerram suas reatividades e, consequentemente, diminui a quantidade de reações em cadeia. CH2 CH CH3 R + CH CH2 CH3 R Criação de uma ligação simples Δ CH2 CH CH3 R HC CH2 CH3 R Várias Unidades Polímero final formado E agora que foram compreendidas reações de como transformar um alqueno em um determinado produto, podemos agora entender como produzir tal composto. Alquenos (alcenos) e dienos 41 ISBN 978-65-88024-03-4 3.15. Síntese de alcenos e dienos. 3.15.a. Por desidrogenação de alcanos: CH CH2CH2 CHCH2 CH3CH3 CH2 + H2 Δ Cr 2 O 3 ou Al 2 O 3 C C R 3 R 2 R 1 R C C R 3 R H R 2 H R 1 Δ (>700°C) + H2 (600ºC) 3.15.b. Por desidratação: C C CH3 H OH H 2 SO 4 , H 2 O THF, 50°C C C CH3 + OH2 Reação Geral Segue o Mecanismo: C C CH3 H OH H HSO4 + _ H OH 1 3 THF, 50°C C C CH3 H OH2 + OH – 1 2 3 C C CH3 OH2 + _ 3.15.c. Por desidro-halogenação (regra de Saytzev): C