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CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 220088 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss NNoovvoo ompostos que contêm o grupo carboxila, -COOH, são chamados ácidos carboxílicos. Muitos produtos naturais e sintéticos possuem esse grupo funcional. Alimentos com gosto azedo devem esse gosto, normalmente, a um ou mais ácidos carboxílicos. Por exemplo, vinagre contém ácido acético, limão contém ácido cítrico e o gosto azedo de maçãs é causado pelo ácido málico. Entre os incontáveis ácidos carboxílicos sintéticos, podemos destacar o ácido acetilsalicílico, comercializado com o nome de Aspirina® e sintetizado em 1897 por Felix Hoffmann para a empresa Bayer. A aspirina é um dos medicamentos mais consumidos no mundo e é utilizada como antipirético, antiinflamatório e analgésico. CH3 C O OH COOH O COCH3 ácido acético ácido acetilsalicílico HOOC CH2 C CH2 COOH CO2H OH ácido cítrico HOOC CH2 C COOH CO2H OH ácido málico Assim como aldeídos e cetonas, ácidos carboxílicos e seus derivados contêm o grupo carbonila, C=O, mas, nos ácidos, esse grupo está sempre ligado a uma hidroxila e, por isso, ácidos carboxílicos têm a fórmula geral RCOOH. O grupo –COOH é chamado carboxila por ser uma combinação de carbonila com hidroxila. Da mesma forma que os grupos R-, derivados de alcanos R-H, são chamados alquila, os grupos derivados de ácidos carboxílicos são chamados grupos acila. R C OH O ácidos carboxílicos R C O grupo acila CC VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 220099 Outros grupos de compostos obtidos a partir dos ácidos carboxílicos, denominados genericamente de derivados de ácidos carboxílicos, são apresentados na tabela abaixo. Nome do derivado Fórmula geral R C O X Haleto de acila (X = F, Cl, Br) R C O R' O Éster R C O N R' R'' Amida R C O O C O R'Anidrido R C O OM Sal de ácido carboxílico (M = metal) R C NNitrila Vários derivados de ácidos carboxílicos são também encontrados na natureza. As plantas das famílias Compositae e Rutaceae produzem amidas, como a pellitorina e a affina, as quais apresentam atividade inseticida. O hormônio juvenil, substância associada ao desenvolvimento da pupa de insetos, é um exemplo de éster natural. pellitorina C O NH CH CH3 CH3C H C H CC H H CH3CH2CH2CH2CH2 affinaC O NH CH CH3 CH3CC H CH2CH2 H CC H CH3CH2CH2 H O CH3CH2 CH3 CH2CH2 C C CH3 H CH2CH2 C CH3 C H C O OCH3 hormônio juvenil CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 221100 11.. NNOOMMEENNCCLLAATTUURRAA 1.1. ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Na nomenclatura substitutiva, os nomes dos ácidos mono- e dicarboxílicos acíclicos simples (não substituídos) são obtidos trocando-se o final o do hidrocarboneto parental por óico ou dióico, acrescentando-se ainda a palavra ácido. O carbono da carboxila é sempre o número 1. CH3 C C CH CH2 COOH CH3 ácido 3-metilex-4-inóico CH3CH2CH2COOH ácido butanóico HOOC CH2CH2 COOH ácido butanodióico Se uma cadeia não-ramificada estiver ligada diretamente a mais do que dois grupos carboxila, estes grupos serão designados pela adição do sufixo “carboxílico” ao hidrocarboneto parental. O mesmo sufixo é usado para nomear os ácidos nos quais o grupo carboxila está ligado a um anel (aromático ou não). COOH ácido benzenocarboxílico (ácido benzóico) HOOC CH2CH2 CH CH2CH2 COOH COOH (e não ácido 4-carboxieptanodióico) ácido pentano-1,3,5-tricarboxílico carboxílico ácido cicloexano- COOH Quando considerado como substituinte, o grupo carboxílico é designado por carboxi. Isso ocorre quando estiver presente outro grupo com maior prioridade na citação como sufixo ou quando nem todos os grupos carboxila puderem ser descritos no sufixo. N CH3 COOH + Cl - cloreto de 3-carboxi-1-metilpiridínio HOOCCH2CH2CH2CHCH2COOH CH2COOH ácido 3-(carboximetil)eptanodióico 1.2. SAIS DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS São nomeados pela citação do ânion trocando-se óico ou ico por ato, seguido do nome do cátion. O grupo –COO- pode ser chamado de carboxilato. VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 221111 CH3COONa NaOOC CH2CH2 COOK acetato de sódio butanodioato de potássio e sódio CO2K cicoexanocarboxi- lato de potássio 1.3. ÉSTERES São nomeados como os sais, substituindo o nome do cátion pelo nome do grupo alquila ou arila. CH3COOCH3 acetato de metila CO2CH2CH3 cicloexanocarbo- xilato de etila CH3CH2 C O CH2CH3 O propanoato de etila 1.4. HALETOS DE ACILA Cita-se o nome do haleto e o nome do grupo acila. Para dar o nome do grupo acila (ácidos carboxílicos que perdem –OH), troca-se o sufixo óico ou oila. Por exemplo: CH3 C O CH3 CH2CH2 C O C O (CH2)3 C O etanoil(a) ou acetil(a) butanoil(a) pentanodioil(a) Alguns exemplos de nomes de haletos de acila são: brometo de acetila dibrometo de pentanodioíla CH3 C Br O CBr O (CH2)3 C O BrCH3CH2CH2 C O Cl cloreto de butanoíla 1.4. ANIDRIDOS DE ÁCIDO a) anidridos de ácidos monocarboxílicos iguais e não-substituídos: troca-se a palavra ácido por anidrido. CCH3 O O C O CH3 anidrido acético (ou etanóico) (CH3CH2CH2CH2CO)2O anidrido pentanóico CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 221122 b) anidridos de monoácidos substituídos simetricamente: são nomeados como anteriormente, porém com o uso do prefixo bis. CCH3CH2CHCH2 O O C O CH2CHCH2CH3 Br Br anidrido bis(3-bromopentanóico) CClCH2 O O C O CH2Cl anidrido bis(cloroacético) c) anidridos de ácidos monocarboxílicos diferentes (anidridos mistos): citam-se as partes dos ácidos em ordem alfabética após a palavra anidrido. CH3 C O C CH2CH2CH2CH3 O O anidrido acético pentanóico d) anidridos cíclicos de ácidos dicarboxílicos: recebem o nome do ácido original. O O O anidrido succínico, deriva- do do ácido succínico ácido succínico HOOC CH2CH2 COOH 1.5. AMIDAS Vamos tratar apenas dos derivados monoacilados da amônia: R-CO-NH2 e R-CO-NR’R”: As amidas não-substituídas são nomeadas a partir dos ácidos correspondentes com a troca de óico ou ico por amida, suprimindo-se a palavra ácido. CH3 C NH2 O H2NOC(CH2)3CONH2 pentanodiamida acetamida (etanamida) CH3CH2CH2CONH2 butanamida Amidas N-substituídas (RCONHR’ e RCONR’R”) são nomeadas citando-se os grupos substituintes como prefixos. VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 221133 CH3 C N O H CH3 N-metilacetamida CH3 C N O CH3 CH3 N,N-dimetilacetamida C6H5 C N O CH3 CH2CH3 N-etil-N-metilbenzamida 1.6. NITRILAS Pela nomenclatura substitutiva, os compostos R-CN recebem os sufixos nitrila ou dinitrila após o nome do hidrocarboneto parental. NC(CH2)3CN pentanonitrila pentanodinitrila CH3 (CH2)3 C N As nitrilas podem ser ainda nomeadas de duas formas: citando-se o nome do grupo -R, seguido de carbonitrila; e pela nomenclatura radicofuncional, em que a nitrila recebe o prefixo cianeto seguido do nome do grupo –R. CH3(CH2)3CN butanocarbonitrila ou cianeto de butila CN cicloexanocarbonitrila ou cianeto de cicloexila Nota: o termo “nitrila” indica a ligação tríplice do nitrogênio (N) e não o carbono. Já “carbonitrila” designa o grupo CN. 22.. PPRROOPPRRIIEEDDAADDEESS FFÍÍSSIICCAASS As substâncias carboniladas apresentam os seguintes pontos de ebulição relativos: amida > ácido carboxílico > nitrila >> éster ~ cloreto de acila ~ aldeído ~ cetona Os pontos de ebulição de ésteres, cloretos de acila, aldeídos e cetonas são menores que os de álcoois de massas molares equivalentes porque são incapazes de formar ligações de hidrogênio entre si. Em relação aos éteres, substâncias carboniladas têm maiores pontos de ebulição devido à maior polaridade da carbonila em relação à ligação éter. CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 221144 Os derivados de ácidos carboxílicos são solúveis em solventes orgânicos como éteres, alcanos clorados e aromáticos. Da mesma forma que álcoois e éteres, as substâncias carboniladas com menos de quatro carbonos são solúveis em água. Ésteres, nitrilas e amidas N,N-dissubstituídas são bastante usados como solventes, pois são polares e não apresentam grupos hidroxila ou amino reativos. Por exemplo, a dimetilformamida (DMF) é um solvente polar aprótico muito comum. 2.1. ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Quando comparados aos álcoois de cerca de mesma massa molar, os ácidos carboxílicos têm os maiores pontos de ebulição. HCOOH MM = 46 g mol-1 p.e. = 101°C CH3CH2-OH MM = 46 g mol -1 p.e. = 78°C Isto se deve ao fato de que os ácidos carboxílicos fazem ligações de hidrogênio entre si, gerando dímeros. R C O O H RC O OH Ácidos carboxílicos são substâncias polares e fazem ligações de hidrogênio com a água. Como resultado, os ácidos de até quatro carbonos são miscíveis em água em todas as proporções; com o aumento da cadeia, a solubilidade diminui. Ácidos carboxílicos ionizam-se parcialmente em solução aquosa, sendo, portanto, ácidos fracos. A maioria dos ácidos carboxílicos tem Ka de 10-4 a 10-5, sendo mais fortes que álcoois e fenóis (quanto maior o Ka, e menor o pKa, mais forte será o ácido). Por isso, os ácidos reagem rapidamente com soluções aquosas de NaOH e NaHCO3, formando sais de ácidos carboxílicos. CH3COOH NaOH aq. CH3COONa H2O ++ NaHCO3 aq. CO2 H2O+ ++ COOH COONa VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 221155 Um ácido será mais forte quanto mais estável for a base conjugada (carboxilato). A estabilidade é aumentada pela presença de grupos retiradores de elétrons (Cl, Br, NO2 etc.) adjacentes à carbonila. CH3COOH ClCH2COOH Cl3CCOOH Ka = 1,8 x 10 -5 Ka = 1,4 x 10 -3 Ka = 2,2 x 10 -1 pKa = 4,74 pKa = 2,85 pKa = 0,66 2.2. AMIDAS Têm os maiores pontos de ebulição porque apresentam fortes interações dipolo-dipolo uma vez que a estrutura de ressonância com cargas separadas contribui de maneira significativa para a estrutura total da substância. Além disso, amidas com um ou nenhum substituinte no nitrogênio formam ligações H, apresentando, então, altos pontos de ebulição e de fusão. CH3CH2CONH2 CH3CH2CO2H p.e. = 231°C p.e. = 141°C CN R O- R' "R + C N R O- R' R" + C N R -O H R" + C N R O- R' R" + interações dipolo-dipolo ligação de hidogênio intermolecular As amidas N,N-dissubstituídas não podem formar ligações H e, portanto, seus pontos de ebulição e de fusão são menores que as anteriores. CH3 C NH2 O CH3 C N O CH2CH3 H CH3 C N CH3 CH3 O p.f. 82°C; p.e. 221°C p.e. 205°C p.f. -20°C; p.e. 166°C 2.3 NITRILAS Pontos de ebulição de nitrilas são semelhantes aos de álcoois porque apresentam fortes interações dipolo-dipolo. CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 221166 CH3CH2CH2-OH CH3CH2-CN. p.e. = 97,4°C p.e. = 97°C interações dipolo-dipolo C NR CN R 2.4 ÉSTERES Esses compostos são polares, mas não podem formar ligações H entre si, por isso têm menores pontos de ebulição que álcoois e ácidos carboxílicos de massa molar semelhante. Substância Função M M / g mol -1 p.e. / °C CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2-OH CH3-COOH HCOOCH3 Hidrocarboneto Álcool Ácido carboxílico Éster 58 60 60 60 0 97 118 32 Pela sua polaridade, os pontos e ebulição dos ésteres são ligeiramente inferiores aos de aldeídos e cetonas correspondentes. Substância Função M M / g mol -1 p.e. / °C HCOOCH3 CH3CH2CHO CH3COCH3 Éster Aldeído Cetona 60 58 58 32 49 56 Em termos de solubilidade, ésteres podem fazer ligações de hidrogênio com a água e, por isso, apresentam solubilidade semelhante à de ácidos carboxílicos de massa molar correspondente. Muitos ésteres simples são líquidos de cheiro agradável, responsáveis pelos odores de frutas e flores. O butanoato de metila, por exemplo, ocorre no óleo de abacaxi e o acetato de isopentila no óleo de banana. VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 221177 CH3CH2CH2COCH3 O butanoato de metila (abacaxi) CH3COCH2CH2CHCH3 O CH3 acetato de isopentila (banana) 2.5 ANIDRIDOS E CLORETOS DE ACILA Estes compostos não realizam ligações H, mas são polares e, por isso, possuem pontos de ebulição na mesma faixa dos ésteres de massa molar correspondente. 33.. SSÍÍNNTTEESSEESS EE RREEAAÇÇÕÕEESS São quatro as reações do grupo carbonila: 1 2 3 4 C C O H H O B Z B 1- remoção do próton ácido por bases (reações ácido-base); 2- grupo carboxila (ou íon carboxilato) reagindo como nucleófilo; 3- ataque nucleofílico ao carbono acílico (carbonila) – reações do tipo “adição-eliminação nucleofílica”; 4- ataque de base ao hidrogênio . Reações Adição-Eliminação Nucleofílica no Carbono Acílico Essas reações são típicas de ácidos carboxílicos e seus derivados e ocorrem também nos organismos vivos, sendo denominadas reações de transferência acílica. É uma reação que tem etapa inicial semelhante à adição nucleofílica em aldeídos e cetonas. Os compostos acílicos (derivados de ácidos carboxílicos) reagem dessa forma porque possuem bons grupos abandonadores (bases fracas). Mecanismo da reação de adição-eliminação. CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 221188 C O R L C O - R L Nu H C O Nu R HL+ +C O - Nu R L H + Nu H + eliminaçãoadição nucleofílica Sendo: L = grupo abandonador; R = alquil, aril ou hidrogênio. Como padrão, um derivado de ácido mais reativo é convertido em um menos reativo e temos a seguinte ordem de reatividade: R C Cl O R C O C R' O O R C O R' O R C NH2 O > > > Essa ordem é explicada por três fatores: 1- Basicidade de grupos abandonadores: quanto menos básico o grupo abandonador, mais reativo é o composto; 2- Efeitos de ressonância: R C L + O - (I) (II) R C L O Quanto maior a contribuiçãode (II), mais forte será a ligação C-L e, por conseqüência, menos reativo é o composto; 3- Efeito indutivo retirador de elétrons: quanto maior esse efeito, menor é a contribuição da estrutura (II) – esse efeito explica a maior reatividade dos ésteres em relação às amidas. Como exemplo específico temos a reação de um cloreto de acila com água: VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 221199 R C Cl O O H H R C O + H O - Cl H Cl - + +R C O O H H + R C O + H H O H2O R C OH O H3O + + + Em geral, os compostos acílicos menos reativos podem ser sintetizados a partir dos mais reativos, mas o inverso é normalmente difícil e, quando possível, necessita de reagentes especiais. Assim, a melhor rota sintética para um anidrido, éster ou amida envolve a síntese inicial de um cloreto de acila. 3.1. SÍNTESE E REAÇÕES DE CLORETOS DE ACILA 3.1.1. Síntese: já que os cloretos de acila são os mais reativos dos derivados de ácidos, devemos usar reagentes especiais para prepará-los como SOCl2, PCl3 e PCl5. tricloreto de fósforo 3 R C OH O PCl3 3 R C Cl O H3PO3+ + cloreto de tionila R C OH O SOCl2 R C Cl O SO2 HCl+ + + pentacloreto de fósforo R C OH O PCl5 R C Cl O POCl3 HCl+ + + Todas essas reações envolvem adição-eliminação nucleofílica. Vamos examinar o mecanismo da reação com cloreto de tionila. CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 222200 S O Cl Cl + R C O H S Cl O - Cl + R C OH O R C Cl O H O S Cl O SO2 HCl+ + Cl - R C O O S Cl O H + R C O S Cl O - Cl H O + 3.1.2. Reações de cloretos de acila 3.1.2.1. Hidrólise: todos os derivados de ácidos carboxílicos sofrem hidrólise, em meio ácido ou básico, regenerando o ácido. Os cloretos de acila sofrem hidrólise mais rapidamente em meio básico. R C Cl O H2O H2O / OH - R C OH O HCl+ R C O - O Cl - + 3.1.2.2. Conversão em derivados de ácido: derivados de ácido podem ser obtidos a partir de cloretos de acila segundo as reações a seguir. R' C O - Na + O (- NaCl) R C O C R' O O anidrido R' OH, base (- HCl) R C OR' O éster NH3 (- NH4Cl) R C NH2 O amida R'NH2 (- R'NH3Cl) R C NHR' O amida N-substituída R'R''NH (- R'R''NH2Cl) R C NR'R'' O amida N,N-dissubstituída R C OH O R C Cl O Y Clx Y Clx = SOCl2 ou PCl3 ou PCl5 VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 222211 3.1.2.3. Redução por LiAlH4 - conversão de cloretos de acila em álcoois primários: essa reação não é muito útil, pois os ácidos carboxílicos, precursores dos cloretos de acila, são mais fáceis de obter e também podem ser reduzidos por LiAlH4 a álcoois. C O Cl CH2OH 1. LiAlH4, éter 2. H3O + 3.1.2.4. Reação com reagentes de Grignard – obtenção de álcoois terciários: dois moles do reagente de Grignard reagem com um mol do cloreto de ácido, dando um álcool terciário com dois substituintes iguais. C O Cl CH3MgBr éter 1. CH3MgBr / éter 2. H3O + C O CH3 C OH CH3 CH3 cloreto de benzoíla acetofenona (não isolada) 2-fenilpropan-2-ol (92%) O mecanismo dessa reação é semelhante à redução com LiAlH4. A cetona intermediária não pode, normalmente, ser isolada porque a adição do segundo mol do reagente de Grignard ocorre muito rapidamente. 3.2. SÍNTESE E REAÇÕES DE ANIDRIDOS CARBOXÍLICOS 3.2.1. Síntese: cloretos de acila reagem com ácidos carboxílicos (na presença de piridina) ou com seus sais de sódio para preparar anidridos. R C OH O R' C Cl O R C O C R' O O R C O - Na + O R' C O Cl R C O C R' O O NaCl + + + + N N H Cl -+ É possível preparar anidrido cíclico pelo aquecimento de ácido dicarboxílico quando se forma anel de cinco ou seis membros. CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 222222 ácido succínico anidrido succínico HO C CH2CH2 C OH O O H2O+ 300°C O OO 3.2.2. Reações de anidridos: a química dos anidridos é semelhante à dos cloretos de ácido. Embora os anidridos reajam mais lentamente, as reações dos dois grupos são as mesmas. Assim, os anidridos reagem com água para dar ácidos, com álcoois para formar ésteres, com aminas para gerar amidas e com LiAlH4 para dar álcoois primários. 3.2.2.1. Síntese de derivados de ácidos: anidridos são menos reativos que cloretos de acila, mas são úteis na síntese de ésteres e amidas, como mostra o esquema a seguir. R C O C R O O R' OH NH3 R' NH2 R'R''NH R C O R' O R C OH O R C NH2 O R C O - NH4 + O R C NHR' O R C O - NH3 + R' O R C R'R'' O R C O - NH2 + R'R'' O + + + + éster amida amida N-substituída amida N,N-dissubstituída Mecanismo da conversão de anidrido acético em éster: CH3 C O O C O CH3 CH3OH CH3 C O -O OCH3 C CH3 O - H+ CH3 C O -O OCH3 C CH3 O H + CH3 C O OCH3 -O C O CH3+ VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 222233 3.2.2.2. Hidrólise: anidridos sofrem hidrólise recuperando os ácidos a partir dos quais foram formados. Esta reação é mais lenta que a hidrólise dos cloretos de acila. R C O C R' O O H2O R C OH O R' C OH O + R C O - O R' C O - O + H2O / - OH 3.3. SÍNTESE E REAÇÕES DE ÉSTERES 3.3.1. Síntese 3.3.1.1. Esterificação de Fischer: é o método mais comum para a obtenção de ésteres. No entanto, devido à necessidade de se usar excesso do álcool como solvente, esse método é limitado às sínteses de ésteres de metila, etila, propila e butila. Esta reação não é adequada aos álcoois terciários, os quais sofrem desidratação e outras reações sob as condições ácidas reacionais. CH3 C OH O C2H5OH CH3 C O O C2H5 H2O+ + H + Essa reação é catalisada por HCl ou H2SO4; para melhorar o rendimento, como temos equilíbrio, pode-se usar excesso de ácido ou álcool (dependerá do preço); o aumento do rendimento também é possível pela remoção de água. Mecanismo: H + +CH3 C O OH CH3 C OH O H+ CH3 C OH O OH H C2H5 + C2H5 OH + H2O+CH3 C OH O H O H C2H5 CH3 C OH O C2H5 + CH3 C OH OH2 O C2H5 + CH3 C O C2H5 O H3O + + +CH3 C O C2H5 O H+ H2O CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 222244 Nota: o mecanismo anterior é confirmado pelo uso de álcool marcado com 18O. 3.3.1.2 Esterificação por alquilação: esta é uma reação SN2 de ânion carboxilato com haleto de alquila primário. O ânion carboxilato é menos básico e menos nucleofílico que íons alcóxidos e fenóxidos, mas eles reagem com agentes alquilantes que são especialmente reativos em reações SN2 como o iodeto de metila e haletos alílicos ou benzílicos. Normalmente, essa esterificação é realizada em solventes polares apróticos, como acetona, que aceleram as reações SN2. CH3CH2CH2 C O O- Na+ CH3 I SN2 + CH3CH2CH2 C O OCH3 + NaI 3.3.1.3. Outros métodos de síntese: ésteres também podem ser preparados a partir deoutros ésteres (transesterificação), de cloretos de acila, de anidridos e de diazo-metano. a) Transesterificação: CH3 C O C2H5 O CH3OH CH3 C OCH3 O C2H5OH+ + ácido ou base b) A partir de cloretos de acila: essa reação dá melhores rendimentos, pois não há equilíbrio. R C Cl O R' OH R C O R' O HCl base + + Essa reação é feita normalmente em piridina (base) que neutraliza o HCl formado. HCl+N N H Cl -+ c) A partir de anidridos: assim como no caso das reações entre cloretos de acila e álcool não é necessário ácido como catalisador. R C O C R O O R' OH R C O R' O R COOH+ + d) A partir de diazo-metano: é um ótimo método para preparação de ésteres metílicos. VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 222255 R C O CH3 O +CH2N2R C OH O + N2 3.3.1.4 Obtenção de lactonas (ésteres cíclicos): ácidos carboxílicos contendo hidroxila em carbono ou sofrem esterificação intramolecular para dar ou -lactonas. A reação é catalisada por ácido. H + +R CH CH2 CH2 CH2 C OH O O H ácido -hidroxilado O H O H O H R + O O R H3O + +O O H O H R H+ +O O H R + H2O -lactona 3.3.2. Reações de ésteres: ésteres têm o mesmo comportamento químico dos outros derivados de ácido carboxílico, mas a sua reatividade com nucleófilos é menor que a dos cloretos de acila e dos anidridos. 3.3.2.1. Hidrólise: reação de ésteres com água regenera o ácido e o álcool, podendo se dar por catálise ácida ou básica (neste caso temos a saponificação). a) Hidrólise ácida: H2O CH3 C OH O + +CH3 C O C2H5 O 18 C2H5 OH 18H + b) Hidrólise básica: conhecida por saponificação (do latim, sapo = sabão). NaOH CH3CH2 C O O - Na + + + H2O CH3CH2 C O CH2CH3 O 18 H O CH2CH3 18 CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 222266 Na hidrólise básica não há equilíbrio e a reação é chamada saponificação porque, quando é realizada com ésteres de cadeia longa (ésteres de ácido graxo), leva à formação de sabão (sais de ácido graxo). Os sabões são obtidos, normalmente a partir de gordura animal (sebo) ou óleo de coco, os quais são triacilglicerídeos (ésteres de ácido graxo com glicerol). triestearina (gordura animal) glicerol sabão (estearato de sódio) CH2 O CO (CH2)16 CH3 CH O CO (CH2)16 CH3 CH2 O CO (CH2)16 CH3 3 CH3 (CH2)16 C ONa O + CH CH2OHHOCH2 OH NaOH, H2O 3.3.2.2 Conversão em amidas: ésteres são convertidos em amidas quando tratados com amônia ou aminas. CH3 C O CH3 O NH3 CH3 C NH2 O HO CH3+ + Essa reação é lenta e de rendimento inferior àquela usando haletos de acila, por isso é de pouca utilidade sintética. 3.3.2.3. Redução por LiAlH4: os ésteres (cíclicos e acíclicos) são facilmente reduzidos a álcoois primários em mecanismo semelhante ao dos cloretos de acila (ver item 3.1.2.3 acima). 1. LiAlH4, éter 2. H3O + CH3CH2CH CHCOCH2CH3 O CH3CH2CH CHCH2OH + CH3CH2OH 3.3.2.4. Reação com reagentes de Grignard – obtenção de álcoois terciários: ésteres e lactonas reagem com dois moles do reagente de Grignard para formar álcool terciário no qual dois substituintes são idênticos e provenientes do Grignard (ver item 3.1.2.4 acima). A reação se passa por mecanismo de substituição nucleofílica, gerando uma cetona intermediária, a qual reage imediatamente com o segundo mol do reagente de Grignard para render um álcool terciário. VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 222277 1. 2 CH3MgBr 2. H3O + C OCH2CH3 O CH3CH2OH+CH3(CH2)3 C CH3 OH CH3(CH2)3 CH3 3.4. SÍNTESE E REAÇÕES DE AMIDAS 3.4.1. Síntese: amidas podem ser preparadas de várias maneiras a partir de cloretos de acila, anidridos de ácido, ésteres, ácidos carboxílicos e sais de ácidos carboxílicos. A reação, adição-eliminação nucleofílica, se dá com amônia, amina primária ou amina secundária. Os cloretos de ácido são os mais reativos e os ânions carboxilatos são os menos reativos. +R C Cl O NH3 + Cl -C R N H O H H+ R C NH2 O NH4 + Cl - + R C NH3 O - Cl NH3 O excesso de amônia (ou amina primária ou secundária) é usado para neutralizar o HCl que seria formado. O mecanismo é semelhante para as sínteses a partir de anidridos e ésteres. É possível obter amidas diretamente de ácidos carboxílicos com a geração de um sal de amônio que, sob aquecimento, leva à formação da amida. R C OH O R'R''NH R C O N R' R" H2O++ R C O - O sal de amônio + NH2R'R'' 3.4.2. Reações de amidas 3.4.2.1. Hidrólise: amidas são hidrolisadas quando aquecidas na presença de ácido ou base aquosos. A hidrólise se dá com todas as amidas, substituídas ou não. a) Hidrólise ácida: R C NH2 O H3O + R C OH O + + + NH4 H2O Mecanismo: CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 222288 CCH3 O NH2 + H+ CCH3 +OH NH2 H2O C OH CH3 NH2 +OH2 intermediário tetraédrico I C OH CH3 NH2 +OH2 - H+ C OH CH3 NH2 OH + H+ C OH CH3 NH3 OH + intermediário tetraédrico II C OH CH3 NH3 OH + CCH3 +OH OH + NH3 - H+ CCH3 O OH H+ NH4 + b) Hidrólise básica: R C NH2 O Na + OH - R C ONa O NH3+ + H2O Mecanismo: o íon hidróxido age como nucleófilo e como base. R C O NR'2 - OH+ R C O H O - NR'2 - OH R C O - O - NR'2 H2O+ R C O - O NHR'2 - OH+ +R C O - O - NR'2 H OH+ 3.4.2.2. Redução a aminas com LiAlH4: amidas, como os demais derivados de ácidos carboxílicos, são reduzidas por LiAlH4, no entanto, o produto é uma amina e não um álcool. VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 222299 CH3 C O N CH3 H N CH3 H CH3CH2 1. LiAlH4, éter 2. H2O 3.4.2.3. Redução a aminas pela degradação de Hofmann: apenas para amidas primárias; ocorre entre amidas e hipo-halogenetos gerados in situ a partir de halogênio e base. CH3CH2 C O NH2 CH3CH2 NH2 2 NaBr NaHCO3 H2O+ + + H2O Br2 3 NaOH+ + Nota: a amina formada tem um carbono a menos que a amida, por isso a reação é uma degradação. 3.4.2.4. Conversão de amidas a nitrilas: reação se dá com SOCl2, P2O5 ou POCl3: CH3CH2CH2 C O NH2 CH3CH2CH2 C N SO2 2 HCl+ + SOCl2 benzeno, 80°C 3.5. SÍNTESE E REAÇÕES DE NITRILAS 3.5.1. Síntese: nitrilas são obtidas, normalmente, a partir de amidas em reações com SOCl2, P2O5 ou POCl3. R C NH2 O R C N H3PO4 P2O5 + O método mais simples de preparação de nitrilas é a reação SN2 do íon cianeto com halogenetos de alquila primários. Devido às limitações espaciais das reações SN2, esse método é efetivo apenas na síntese de nitrilas não-substituídas na posição α, ou seja, R-CH2-CN. R CH2 Br Na + CN - R CH2 CN NaBr+ + SN2 3.5.2. Reações: o comportamento químico das nitrilas é semelhante ao dos compostos carbonilados. Assim como a carbonila, o grupo nitrila é fortemente polarizado, o que torna o átomo de carbono eletrofílico. Dessa forma, nitrilas reagem com nucleófilos para dar íons imina, com hibridação sp2, uma reação análoga àformação do íon alcóxido na adição à carbonila. CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 223300 composto carbonilado C O RR C O - Nu R R produtos Nu - R C N Nu - nitrila C N - NuR produtos 3.5.2.1. Hidrólise: seja ácida ou básica, a hidrólise se passa sempre pela formação inicial de amida. a) Hidrólise ácida: RCOOHR C N 2 H2O NH3+ + H + Mecanismo: R C N R C NH + H2O R C NH +OH2 H OH2 + + R C OHH + H2O R C NH OH NH H OH2 + + + R C NH2 OH + R C NH2 OH (várias etapas semelhantes à hidrólise de amidas) H2O R C O OH NH4+ + b) Hidrólise básica: H2O NH3++R C N 2 H2O+ NaOH RCOO - Na + 3.5.2.2. Redução a aminas: essa reação pode ser feita catalítica ou quimicamente. VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 223311 a) Redução catalítica com níquel de Raney e amônia: CH3CH2 C N 2 H2 CH3CH2CH2 NH2+ EtOH, NH3 Ni b) Redução química com LiAlH4 ou sódio-metálico e álcool: C6H5 CH2 CN C6H5 CH2CH2 NH2 H2OLiAlH4 Et2O 3.5.2.3. Conversão a cetonas: nitrilas reagem com reagentes de Grignard, formando o íon imina, o qual, por hidrólise, gera cetonas em altos rendimentos. propiofenona (89% - rendimento)ânion imina + C N - MgBr CH2CH3 H3O +C N NH3+ C O CH2CH3 CH3CH2MgBr éter 3.6. SÍNTESE E REAÇÕES DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS 3.6.1. Síntese: uma maneira comum de preparação de ácidos carboxílicos é a hidrólise de seus derivados, mas esse não é um método prático, já que os derivados é que são obtidos a partir dos ácidos. A forma mais prática de obter ácidos é por meio de reações de oxidação de álcoois e aldeídos. R CH2 OH R C H O R C OH O KMnO4 ou H2Cr2O7 Aromáticos alquilados podem ser oxidados por KMnO4. CH3 COOH KMnO4 CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 223322 3.6.2. Reações: entre as principais reações de ácidos carboxílicos estão a preparação de haletos de acila e de ésteres, a redução a álcoois primários, reações ácido-base e substituição no carbono . 3.6.2.1. Conversão em haletos de acila: ácidos carboxílicos são convertidos em haletos de acila pela reação com SOCl2, PCl3 ou PCl5. R C OH O SOCl2+ R C Cl O SO2 HCl+ + 3.6.2.2. Conversão em ésteres: talvez a reação mais útil dos ácidos carboxílicos seja a sua conversão em ésteres. Existem muitos métodos para se realizar essa transformação, incluindo a esterificação de Fischer e a reação SN2 do ânion carboxilato com haleto de alquila primário (esterificação por alquilação). Esterificação de Fischer: foi discutido no item 3.3.1.1 (Síntese de ésteres) que este é o método mais comum para a obtenção de ésteres, sendo uma reação de substituição nucleofílica de acila de um ácido carboxílico com um álcool. Devido à necessidade de se usar excesso do álcool como solvente, esse método é limitado às sínteses de ésteres de metila, etila, propila e butila. Esta reação não é adequada aos álcoois terciários, os quais sofrem desidratação e outras reações sob as condições ácidas reacionais. CH3 C OH O C2H5OH CH3 C O O C2H5 H2O+ + H + Esterificação por alquilação: como já foi discutido no item 3.3.1.2 (Síntese de éster), esta é uma reação SN2 de ânion carboxilato com haleto de alquila primário. O ânion carboxilato é menos básico e menos nucleofílico que íons alcóxidos e fenóxidos, mas eles reagem com agentes alquilantes que são especialmente reativos em reações SN2 como o iodeto de metila e haletos alílicos ou benzílicos. Normalmente, essa esterificação é realizada em solventes polares apróticos, como acetona, que aceleram as reações SN2. CH3CH2CH2 C O O- Na+ CH3 I SN2 + CH3CH2CH2 C O OCH3 + NaI VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 223333 3.6.2.3. Conversão em amidas: é possível transformar ácidos carboxílicos em amidas pela reação com amônia e amina primária e secundária. Esta é uma reação ácido-base que gera um sal de amônio, o qual, sob aquecimento, leva à formação da amida. R C OH O R'R''NH R C O N R' R" H2O++ R C O - O sal de amônio + NH2R'R'' 3.6.2.4. Redução: ácidos carboxílicos são reduzidos por LiAlH4, mas não por NaBH4, para dar álcoois primários. Essa reação é difícil e requer aquecimento em THF. Uma alternativa preferida é a reação com BH3 (borano) em THF, a qual é rápida à temperatura ambiente, segura e específica. O2N CH2COOH O2N CH2CH2OH 1. BH3, THF 2. H3O + Nota: se a reação anterior fosse feita com LiAlH4, além da carbonila seria também reduzido o grupo nitro. 44.. EEXXEERRCCÍÍCCIIOOSS 1- Dê os nomes segundo a IUPAC para os seguintes compostos (BETTELHEIM & MARCH, cap. 14, pg. 438): a) CH3CH2CH2CH2 COOH b) CH3 CH CH3 CH CH2 CH3 CH Br COOH d) Br CH2 CH Cl CH CH Br Cl CH COOH CH3 c) CH3 CH CH COOH 2- Desenhe fórmulas estruturais para os compostos a seguir (BETTELHEIM & MARCH, cap. 14, pg. 438): CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 223344 a) ácido 2-hidroxipentanóico c) ácido 5-cicloexilexanóico b) ácido 3-bromo-2-metilbutanóico d) ácido 3-metilepti-3-enóico 3- O ácido propanóico tem ponto de ebulição de 141°C, consideravelmente mais alto do que o do butan-1-ol (117°C), no entanto ambos possuem a mesma massa molar. Explique (BETTELHEIM & MARCH, cap. 14, pg. 438). 4- Ordene os seguintes compostos em ordem decrescente de solubilidade em água (BETTELHEIM & MARCH, cap. 14, pg. 438): c) CH3COOHb) CH3CH2Bra) CH3CH2CH2CH2CH2CH2COOH 5- Desenhe fórmulas estruturais para (BETTELHEIM & MARCH, cap. 14, pg. 440): a) formiato de metila d) succinato de dietila b) butanoato de etila e) acetato de benzila c) propanoato de propila f) 2-metileptanoato de fenila 6- Você poderia predizer se o CH3CH2CH2COOH é mais solúvel em água que o CH3CH2COOCH3, se é menos solúvel, ou se eles têm aproximadamente a mesma solubilidade? Explique (BETTELHEIM & MARCH, cap. 14, pg. 440). 7- Coloque em ordem decrescente de pontos de ebulição (BETTELHEIM & MARCH, cap. 14, pg. 440): a) CH3CH2COOH b) CH3CH2CH2CH2CH3 c) CH3CH2COO - Na + d) CH3CH2COOCH3 e) CH3CH2CH2CH2OH 8- Para cada reação, dê a fórmula estrutural do éster obtido (BETTELHEIM & MARCH, cap. 14, pg. 440): VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 223355 b) + CH3OH d) + COOH COOH CH3 CH2OH c) HOCH2CH2CH3 + CH3 CH CH2COOH CH3 HOOC(CH2)3COOH + CH3CH2OH (exc.)e) f) Br CH2CH2COOH + OH a) CH3COOH + CH3CH2OH 9- Escreva a fórmula estrutural do produto principal (BETTELHEIM & MARCH, cap. 14, pg. 470): b) + CH3NH2C Cl O c) CH3 C O O C CH3 + CH3CH2 O NH CH2CH3 a) CH3CH2 C OH + NH3 O 10- Complete as seguintes equações (BETTELHEIM & MARCH, cap. 14, pg. 441): CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 223366 a) + CH3CH2OH b) CH3(CH2)6 C Cl + CH3OH O COOH H + c) CH3 C O O C CH3 + CH3 O CH CH3OH e) CH3COOH + CH3CH2OH não catalítica d) Br OH C Cl O + f) 2 CH3 C O O C O CH3 CH2CH2CH2 OHHO+ 11- Escreva os reagentes e as equações para converter o ácido benzóico a (ALLINGER, cap 19, pg. 499): a) cloreto de acila d) éster metílico b) anidrido benzóico e) nitrila c) amida 12- Como você faria as seguintes transformações (ALLINGER, cap. 19, pg. 500)? R COOH R COCl R CON(CH3)2 R C N R COCl R COOCH3 R CONH2 R CONH2 a) b) c) d) 13- Um líquido ácido reage com cloreto de tionila para formar um novo líquido que contém cloro e tem odor penetrante. Quando o novo líquido é aquecido com o sal seco da substância original, obtém-se um terceiro líquido, livre de cloro. Este reage com etanol para formar um quarto líquido de cheiro adocicado. O tratamento desta última substância com VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 223377 hidreto de alumínio e lítio produz apenas etanol. Escreva estruturas apropriadas para cada uma das substâncias acima (ALLINGER, cap. 19, pg. 502). 14- Indique os produtos e apresente um mecanismo razoável para cada reação (ALLINGER, cap. 19, pg. 499). a) CH3 C OCH3 O + CH3CH2OH H + b) CH3CH C CH3 O Cl + CH3CH2OH c) + CH2N2COOH d) CH3 C CH3 CH3 COOH 1. NH3 2. calor 15- Esquematize a síntese da seguinte cetona, partindo de benzeno ou tolueno e quaisquer outros compostos que tenham quatro carbonos ou menos (ALLINGER, cap. 19, pg. 502). C O CH2CH2CH3 16- Forneça equações para mostrar como o ácido propanóico pode ser convertido em cada um dos seguintes compostos (BARBOSA, cap. 13, pg. 306): a) propanoato de metila c) anidrido propanóico b) propanamida d) N-metilpropanamida 17- Represente as equações das reações químicas envolvidas no preparo do butanoato de butila a partir do butanol (BARBOSA, cap. 13, pg. 307). 18- Partindo de um ácido carboxílico, e passando por um cloreto de acila, mostre as etapas necessárias para a síntese do etanoato de isopropila (Provas Valdir Mano). CCaappííttuulloo 99 ÁÁcciiddooss ccaarrbbooxxíílliiccooss ee ddeerriivvaaddooss 223388 19- Para a reação abaixo, dê os produtos e proponha um mecanismo plausível (Provas Valdir Mano). CH3 C O OCH3 CH3CH2OH H + + A + B 20- Complete as etapas da síntese abaixo (Provas Valdir Mano). A + SOCl2 B + SO2 + HCl B + NH3 C + HCl C + SOCl2 D + SO2 + HCl KMnO4 CH3CH2CH2OH A D + H2O E + NH3 H + LISTA DE EXERCÍCIOS COMPLEMENTAR BRUICE, vol. 2, cap. 17 21 = 14, pg. 100 22 = 21, pg. 107 23 = 27, pg. 113 24 = 34, pg. 120 25 = 40, pg. 134 21- Proponha um mecanismo para a reação do anidrido acético com água. Em que esse mecanismo difere daquele para a reação do anidrido acético com etanol? 22- Escreva o mecanismo para a reação de transesterificação do acetato de metila com etanol em reação catalisada por ácido. 23- Mostre dois caminhos para a preparação de cada éster apresentado a seguir, usando álcool no primeiro método e haleto de alquila no segundo: a) butirato de metila (odor de maçã) b) acetato de propila (odor de pêra) c) butirato de etila (odor de abacaxi) 24- Quais haletos de alquila formam os seguintes ácidos carboxílicos em reação com VVaallddiirr MMaannoo NNoottaass eemm QQuuíímmiiccaa OOrrggâânniiccaa 223399 cianeto de sódio seguida de hidrólise à quente em solução aquosa ácida? a) ácido butanóico b) ácido 3-metilbutanóico c) ácido cicloexanocarboxílico 25- Quais produtos são formados da reação entre cloreto de benzoíla e os seguintes reagentes? a) acetato de sódio f) cicloexanol b) água g) benzilamina c) dimetilamina h) 4-clorofenol d) HCl aquoso i) isopropanol e) NaOH aquoso j) anilina
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