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298 17 Reações de álcool, éteres e epóxidos 17.1 Reatividade do álcool A reatividade do álcool é baixa e esta presente nas ligações sigmas formadoras das moléculas simples. Cisão heterolítica da ligação - O - HC OR H H H Cisão heterolítica da ligação - C - O - C OR H H H 17. 2 Formação de alcóxidos O álcool é um ácido fraco ( pKa = 15,5 a 19 ) capaz de desenvolver reação com metais ativos para formar alcóxidos. C O H H H H 2 + 2 Na C O Na H H H 2 + H2 Metanol Metóxido de sódio C O H H H CH3 2 + 2 Na C O Na H H 2 + H2 CH3Etanol Etóxido de sódio As bases fortes como hidreto e amideto transformam o álcool em alcóxido através de uma reação ácido-base. 299 C O H H H CH3 + Na H C O Na H H + H2 CH3 Etanol - ácido de Lewis Etóxido de sódioHidreto de sódiobase de Lewis C O H CH3 + Na NH2 C O Na + NH3 CH3 Ácido de Lewis base de Lewis CH3 CH3 CH3 CH3 Álcool t-butilico Amideto de sódio t-butóxido de sódio A solvatação é um parâmetro importante na determinação da acidez dos álcoois. Alcóxidos volumosos dificultam a solvatação, desta forma, se torna mais fácil à conexão de um próton oriundo de uma espécie acida. Sendo assim, o t-butóxido é uma base mais forte que o metóxido. A ordem de basicidade pode assim ser escrita: alcóxido terciário > alcóxido secundário > alcóxido primário > metóxido. C O H CH3 CH3 CH3 Álcool t-butilico C OCH3 CH3 CH3 t-butóxido C O H CH3 CH3 Álcool isopropílico H C O H CH3 Álcool etílico H H C O H Álcool metílico H H H Álcool terciário Álcool secundário Álcool primário C OCH3 CH3 isopropóxido H C OCH3 H H etóxido C O H H metóxido H Acidez crescente Basicidade crescente 17.3 Álcool gerando haloalcano primário Os álcoois e éteres possuem baixa reatividade quando submetidos a reações de substituição e eliminação. Isto acontece pelo fato das estruturas do álcool e do éter possuírem grupo de saída como – -OH e –RO- que são bases fortes e, portanto péssimos grupos de saída em uma reação de substituição. Desta forma para que uma reação de substituição ocorra no álcool e no éter é preciso melhorar o grupo de saída transformando-o em uma base fraca e para que isto seja possível a reação tem que ocorrer em meio ácido. A 300 presença do ácido promove a protonação do álcool e do éter deixando o grupo de saída na forma de água e de álcool. Primeira etapa: preparação do grupo de saída OH H H H H- Br H H H OH2 + Br- Álcool Álcool protonado Ácido Base fraca Como o nucleófilo é uma base fraca, ânion brometo, a reação é lenta e precisa de aquecimento. Segunda etapa: ataque do nucleófilo pela retaguarda do substrato. H H H OH2Br- ∆ Br H H H + H2O Nucleófilo atacando o substrato e liberando como grupo retirante a água que é uma base fraca. Quando o ácido clorídrico é utilizado, o processo se torna mais lento pelo fato do ácido clorídrico ser o mais fraco da série de halohidrácidos, isto se deve ao efeito da força da ligação entre o hidrogênio e o halogênio, (HI > HBr > HCl ). Para melhorar a velocidade da reação utiliza-se junto com o HCl o catalisador cloreto de zinco, ZnCl2, que por ser um ácido de Lewis recebe o par de elétrons do oxigênio. CH3CH2OH + HCl ZnCl2 CH3CH2Cl + H2O Na primeira etapa do mecanismo, o cloreto de zinco prepara o grupo de saída. ZnCl2 CH3 H H OH H H CH3 O H Zn Cl Cl O H ZnCl + Cl- Par de elétrons do oxigênio é deslocado para o orbital vazio do zinco. Substrato com um bom grupo de saída CH3 H H Segunda etapa: ataque do nucleófilo pela retaguarda do substrato. O H ZnCl Substrato com um bom grupo de saída CH3 H H Cl Cl CH3 H H + HO ZnCl Produto Terceira etapa: recuperação do catalisador. 301 Cl - Zn - OH + H - Cl Cl - Zn - OH H Cl ZnCl2 + H2O Este reagente HCl / ZnCl2 é conhecido com o nome de reagente de Lucas e serve para diferenciar a posição da hidroxila na cadeia carbônica através do turvamento da solução do produto formado e pelo tempo de reação. Álcool terciário, mecanismo SN1, a solução torna-se turva imediatamente. Álcool secundário, mecanismo SN1, a solução torna- se turva depois de alguns minutos. Álcool primário, mecanismo SN2, a solução não fica turva. O tipo de reação de substituição depende do álcool. Álcool primário reage com HI,HBr e HCl através de mecanismo SN2. Álcool secundário e terciário fornecem reação SN1. Na reação SN1 forma-se o carbocátion que pode levar a produto de substituição e eliminação. Sendo que neste caso o produto de eliminação (olefina) reage com o hidrácido presente no meio reacional e forma haloalcano. 17.4 Álcool gerando haloalcano secundário e terciário Este mecanismo acontece preferencialmente em álcoois secundários e terciários. O mecanismo a seguir mostra a transformação do ciclopentanol em bromociclopentano. OH + H - Br Br + H2O Ciclopentanol Álcool secundário Bromociclopentano ∆ Primeira etapa: preparação do grupo de saída. OH + H - Br OH2 + Br- Segunda etapa: formação do carbocátion. OH2 El + + H2O Terceira etapa: conexão do nucleófilo no carbocátion. 302 + + Br- Br ER Produto de eliminação. B-r + H + H - Br Br O produto de eliminação ao se formar reage com o ácido bromídrico levando a formação do bromociclopropano. O álcool terciário reage com o ácido bromídrico de forma mais rápida que o álcool secundário, isto acontece pelo fato do carbocátion terciário se formar com mais facilidade que o secundário. O mecanismo a seguir será desenvolvido para a reação do álcool terciário 1-hidróxi- 1-metilcicloexano com o ácido iodídrico. É uma reação rápida por se tratar de um álcool terciário. CH3 OH H I CH3 OH2 Álcool terciário protonado + I- Próxima etapa, é a determinante da velocidade da reação, sendo portanto, denominada de etapa lenta. Aqui ocorre a formação do carbocátion terciário, intermediário da reação. CH3 Carbocátion terciário CH3 OH2 Álcool terciário protonado E L Na última etapa, o nucleófilo faz a conexão no carbocátion gerando um haloalcano terciário cíclico. CH3CH3 I- I E R Vamos agora colocar o produto formado na conformação cadeira, e em seguida, avaliar qual a conformação mais estável. A estrutura I é a mais estável pelo fato da interação 1,3-diaxial entre o iodo e os hidrogênios três e cinco ter menor valor energético. 303 I CH3CH3 IH H H H I I I 17.4.1 Rearranjo molecular Quando o carbono conectado a hidroxila, for vicinal a um carbono terciário ou quaternário ocorrerá rearranjo molecular. CH3 OH Este carbono é terciário, entã ocorrerá rearranjo. OH CH3 H Br CH3 Br CH3 Br 2 2 2 H2O+ Esta reação leva a formação de dois produtos diferentes, ocasionados pela formação do carbocátion que passou pelo processo de rearranjo. Acompanhe o desenvolvimento do mecanismo. OH CH3 H Br H3C OH2 Primeira etapa, protonação do álcool + Br A protonação do álcool ocorre através de uma reação ácido-base.O par de elétrons livre do oxigênio captura o hidrogênio ionizável do ácido bromídrico. Em seguida é liberada para o meio reacional a base conjugada ânion brometo. OH2 CH3 H3C Segunda etapa, formação do carbocátion. Etapa lenta H2O + E L Observe que o carbocátion formado é secundário e se encontra vizinho a um carbono terciário, quando isto acontece ocorre o processo de rearranjo com migração de hidreto, e assim, o carbocátion secundário dá origem a um terciário. 304 CH3 H3C H Carbocátion secundário Carbocátion terciário Rearranjo do carbocátion Conexão dos carbocátions no nucleófilo ânion brometo. H3C Carbocátion secundário Br- H3C Br E R 1- bromo -2- metilcicloexano H3C Carbocátion terciário Br- H3C Br E R 1- bromo -1- metilcicloexano Conexão do nucleófilo no carbocátion. 17.5 Reação com o cloreto de tionila. O cloreto de tionila, SOCl2, também tem a finalidade de transformar o grupo hidroxila do álcool em um grupo de saída que possa ser rapidamente deslocado pelo íon haleto. Utiliza-se no meio reacional piridina como solvente para evitar a liberação de ácido clorídrico. CH3H H OH S O ClCl CH3 H H O H S O ClCl CH3H H O H S O Cl + Cl- O par de elétrons do oxigênio faz a conexão no centro eletrofílico do enxofre no momento em que os elétrons pi se deslocam para o oxigênio. No momento seguinte os elétrons pi retornam do oxigênio para formar novamente a ligação pi com o enxofre expulsando o cloro da estrutura na forma de ânion cloreto. 305 CH3H H O H S O Cl CH3H H O S O Cl Grupo clorosulfito, bom grupo de saída Base piridina H N + Piridina protonada Nesta próxima etapa o nucleófilo ânion cloreto ataca pela retaguarda liberando o grupo de saída clorosulfito. CH3H H O S O Cl Grupo clorosulfito, bom grupo de saída Cl- CH3 H H Cl + SO2 + Cl- 17.6 Reação com o trialeto de fósforo. O trialeto de fósforo favorece um melhor rendimento e ao interagir com a hidroxila do álcool forma o grupo de saída halofosfito. A piridina é utilizada como solvente. CH2OH P Br Br Br CH2O H PBr2 Tribrometo de fósforo N CH2O PBr2 + H N H Piridina Na próxima etapa do mecanismo, o nucleófilo brometo faz o ataque pela retaguarda em um processo SN2. PBr2 H H O Br - Grupo de saída bromofosfito H H Br + -OPBr2 O ataque do nucleófilo brometo promove o deslocamento do grupo de saída bromofosfito, levando a formação do haleto de alquila. 306 17.7 Reação de haloidrina com ácido bromídrico O álcool halogenado, com halogênio e hidroxila em posição vicinal, reagem com o acido bromídrico formando dialetos vicinal. Esta reação acontece com retenção de configuração. Br OHH CH3 H CH3 Br CH3H H CH3 torção OH2 3 em C-2 torção em C-3 Br CH3 H OH H CH3 CH3 CH3 HO H H Br Substrato (2R,3R)- 3 -bromo-2-butanol R R Desenvolvimento do mecanismo. Br OHH CH3 H CH32 3 H - Br Br OH2H CH3 H CH32 3 + Br Primeira etapa: o ácido protona o álcool. Br OH2H CH3 H CH3 Participação do bromo no processo de retirada da água da estrutura. Br H CH3 H CH3 + H2O O nucleófilo ânion brometo promove a abertura do anel de três membros. Br Br H CH3 H CH3 Br Br H CH3 H CH3 Dialeto vicinal 2,3-dibromobutano a a Produto obtido pelo caminho a A abertura do anel de três membros pode ser efetuada pelo caminho (a) e pelo caminho (b), desta forma ocorrerá a formação de dois produtos que devem apresentar a configuração do centro quiral diferente. O produto obtido pelo caminho (a) apresenta configuração 2R, 3R , enquanto que, o obtido pelo caminho (b) apresenta configuração 2S,3S. Os dois produtos formam um par de enanciômeros ou par d,l. 307 Br Br H CH3 H CH3 Br H CH3 H CH3 Dialeto vicinal 2,3-dibromobutano Br b b Produto obtido pelo caminho b O produto 2,3 dibromobutano obtido pelo caminho (a), será colocado em projeção de Fischer. Br H CH3 H CH3 Br CH3H H CH3 torção 2 3 em C-2 torção em C-3 Br CH3 H H CH3 CH3 CH3 H H Br R R Br Br Br Br O produto 2,3 dibromobutano obtido pelo caminho (b), será colocado em projeção de Fischer. Br Br H CH3 H CH3 Produto obtido pelo caminho b 2 3 torção no C-2 CH3 H Br H CH3 Br torção no C-3 CH3 H Br H CH3 Br CH3 CH3 H Br Br H S S O desenvolvimento do mecanismo a seguir será realizado com o substrato (2R,3S)-3- bromo-2-butanol, o resultado esperado será (2R, 3S)-2,3-dibromo butano, que é um meso- dibrometo. OH Br CH3H CH3 H H - Br OH2 Br CH3H CH3 H + Br Primeira etapa: protonação do álcool. Segunda etapa: formação do anel de três membros. 308 OH2 Br CH3H CH3 H Br CH3H CH3 H + H2O Terceira etapa: abertura do anel pelo ataque do nucleófilo. Br CH3H CH3 H Br Br a b a Br CH3 HBr H CH3 CH3 H Br CH3 H Br torção em C-2 e em C-3 CH3 CH3 H Br BrH Substância meso Br CH3H CH3 H Br b CH3 HBr CH3 HBr torção em C-2 e em C-3 CH3 CH3 HBr Br H Substância meso S R b Br Br CH3 H H CH3 17.8 Reatividade dos éteres Os éteres tanto quanto os álcoois apresentam baixa reatividade diante da substituição nucleofílica, por esta razão são utilizados como solventes nas reações orgânicas.São mais facilmente atacados por ácidos e resistentes ao ataque de base. O cloreto de tionila e o trialeto de fósforo não servem como ativadores para éter. CH3 CH2 O CH3CH3 OH / H2O Não ocorre reação OCH3 / CH3OH Não ocorre reação NH2 / NH3liq Não ocorre reação ROR1 17.9 Éter gerando haloalcano A reação de substituição ocorre em presença de hidrácido, que protona o éter promovendo a ativação necessária para a reação ocorrer. 309 R2OH SN1 ROH + R Carbocátion secundário ou terciário H O R R1Nu SN2 Nu - R + R1OH A reação do éter metílico em presença ácido iodídrico segue um mecanismo de substituição nucleofílica bimolecular. CH3 H H OCH3 + H - I CH3 H H OCH3H + I Primeira etapa : protonação do éter. Ataque do nucleófilo pela retaguarda. Reação SN2. CH3 H H OCH3H I H H CH3 + CH3OH I No momento em que o grupo de saída abandonar a estrutura é importante verificar o tipo de carbocátion que pode ser formado. Se formar carbocátion secundário ou terciário o mecanismo após a protonação será SN1. CH3 OCH3 + H - I CH3 OCH3H + I Protonação do éter. CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 OCH3H + CH3OH CH3 CH3 CH3 CH3CH3 Formação de carbocátion terciário. Mecanismo SN1. Conexão do nucleófilo no carbocátion CH3 CH3CH3 + I CH3 CH3 CH3 I 310 17.10 Preparação de éter A reação de preparação de um éter é conhecida com o nome de síntese de willimson e consiste na reação entre um alcóxido ou um fenóxido com um halogeneto de alquila. R O M + R1 X R- O - R1 + M X C Cl C OCH3 H H C O NaCH3 H H H H H + C H H H + Na ClEtóxido de sódio Cloreto de metila Etil-metil-éter C Cl CH3 H H CH3 Cloreto de etila O K Fenóxido de potássio O C H H Etil-fenil-éter + KCl O éter pode ser formado através da reação com ácido sulfúrico em temperatura de 140oC. Nesta temperatura ocorre a desidratação intermolecular. 2 CH3CH2OH H2SO4 140oC CH3CH2OCH2CH3 + H2O 2 CH3CH2OH H2SO4 180oC 2 CH2 = CH2 + 2 H2O 17.11 Nomenclatura de epóxidos O nome usual de um epóxido se faz através do nome usual do alceno precedido da palavra óxido. O H2C CH2 Óxido de etileno O H2C CHCH3 Óxido de propileno O Óxido de ciclopenteno A nomenclatura sistemática do epóxido é realizada de duas formas. A primeira nomenclatura chama o anel de três membros de oxirano e considera a posição do oxigênio como sendo a 01 do anel. 311 2,3- dietiloxirano O 2-metil-3-propiloxirano O A segunda nomenclatura utiliza o prefixo epóxi para indicar os carbonos aos quais o oxigênio esta ligado e a cadeia carbônica recebe o nome do alcano correspondente. OO 1 23 4 5 3,4-epóxi-2-metilexano 6 1 2 3 4 5 2,3-epóxipentano Os epóxidos são reativos devido à tensão angular existente no anel de três membros. 17.12 Reação de epóxidos com haletos de hidrogênio A reação inicia com a protonação do epóxido. O par de elétrons do oxigênio captura o hidrogênio do ácido através de um processo ácido base. O ânion brometo base conjugada do acido bromídrico faz a abertura do anel protonado. O produto formado mostra hidroxila e bromo em lados diferentes na molécula. Se o produto for colocado em projeção em cela, a hidroxila e o bromo estarão em posição antiperiplanar. O CH3 CH3 CH3 H3C H - Br O CH3 CH3 CH3 H3C H Br CH3 CH3 Br OH CH3CH3 Protonação do epóxido Abertura do anel Haloidrina. Bromo e hidroxila em posição antiperiplanar 17.13 Reação de epóxido catalisada por ácido A reação em meio ácido promove a protonação do epóxido que pode ter o anel de três membros aberto por qualquer nucleófilo fraco tal como álcool e água. O H - OH2 OHH OH2 OH O H H + + + Epóxido protonado Abertura do anel Álcool protonado 312 OH O H H OH2 OH OH + H3O + + Produto trans diaxial trans-1,2-cicloexanodiol Desprotonação Quando o anel do epóxido contiver substituintes diferentes nas posições dois e três a reação levará a dois produtos diferentes. O H2C CHCH2CH3 CH3OH H O H2C CHCH2CH3 H + CH3OH Protonação do epóxido O produto principal acontece com a abertura do anel pelo carbono menos hidrogenado. O nucleófilo ataca no carbono que contiver carga parcial positiva mais estável e neste caso será o que contiver mais ligantes alquilas. O H2C CHCH2CH3 H CH3OH CH3OH ab ab H2C CHCH2CH3 a b H2C CHCH2CH3 CH3O - H OH OH CH3O - H CH3OH CH3OH H2C CHCH2CH3 OH CH3O + CH3OH2 H2C CHCH2CH3 CH3O OH + CH3OH2 Produto principal 17.14 Reação de epóxido catalisada por base O mecanismo começa com a base, geralmente um alcoolato, atacando o epóxido e provocando a abertura do anel de três membros. Depois da abertura do anel, o oxigênio fica com carga negativa e recebe um próton do metanol através de um processo ácido-base. A base ataca o anel no carbono com menor bloqueio que será o carbono mais hidrogenado. 313 O H2C C(CH3)2 CH3O Ataque da base no carbono menos impedido levando a abertura do anel. H2C C(CH3)2 CH3O O CH3 - O - H CH3OH H2C C(CH3)2 CH3O O O composto formado captura um próton do metanol. H2C C(CH3)2 CH3O OH 1-metóxi-2-metil-2-propanol 17.15 Preparação do epóxido A formação do epóxido pode ocorrer quando o halogeneto caracterizado como grupo de saída, e o alcóxido se encontram na mesma molécula. Esta situação promove uma reação de substituição nucleofilica intramolecular, por ataque dos elétrons situados no oxigênio ao carbono conectado ao halogênio. O substrato em projeção cela estrelada foi colocado em projeção de Fischer. Como o -Br e o –ONa estão voltados para o mesmo lado na projeção de Fischer, são denominados de estereoisômero eritro. CH3 CH3H H Br ONa Estereoisômero (2S, 3R) torção em C-2 e C-3 CH3 Br H ONa CH3 H CH3 CH3 Br H NaO H R S Projeção de Fischer Cela estrelada Cela eclipsada Estereoisômero eritro Desenvolvimento do mecanismo SN2 intramolecular. CH3 CH3H H Br ONa Estereoisômero (2S, 3R) CH3 CH3H H O trans-2,3-dimetil-oxirano O estereoisômero ( 2R,3R) leva a formação do cis-2,3-dimetil-oxirano. O -Br e o – ONa estão voltados para lados diferentes da molécula em projeção de Fischer, são denominados de estereoisômero treo. 314 CH3 CH3H H Br ONa Estereoisômero (2R, 3R) torção em C-2 e C-3 CH3 Br H ONa CH3 H CH3 CH3 Br H H R Projeção de Fischer Cela estrelada Cela eclipsada ONaR Estereoisômero treo CH3 CH3H H Br ONa Estereoisômero (2S, 3R) CH3 CH3H H O cis-2,3-dimetil-oxirano O epóxido pode também ser obtido através da reação entre um perácido orgânico e um alceno. Os perácidos orgânicos são espécies eletrofilicas e reagem com maior velocidade com alcenos que trazem na estrutura quatro substituintes alquila. R R1 R1R O O C R2 H O R R1 R1R O O C R2 HO + Alceno com quatro substituintes alquila Epóxido Ácido carboxílico
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