Substâncias carboniladas e derivados

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*Derivados carbonilados em Síntese Orgânica e Química 
 Bioorgânica
 
*Aldeídos, Cetonas, Iminas e Nitrilas. Reações de Adição 
 Nucleofílica
*Reações Envolvendo , Iminas, Enaminas, Enóis, Enolatos 
 e azaenolatos. Substituição do Haa
*Ácidos Carboxílicos e Derivados, Carbonatos, Carbamatos
 e Uréias. Reações de Substituição Nucleofílica e Substituição 
 do Haa
 *Derivados aa- e bb-Dicarbonilados
*Derivados Carbonilados aa,bb-Insaturados. Adição Nucleofílica
 1,2 x Adição Conjugada 1,4
 Paulo R. R. Costa
 Ronaldo A. Pilli
 Sergio Pinheiro
 Mario L. A. A. Vasconcellos
 
 Editora Bookman
 Publicação com a chancela da
 Sociedade Brasileira de Química (SBQ)
 DERIVADOS CARBONILADOS,
 IMINAS E NITRILAS
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A
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Editora 
Bookman Ltda 
 
Editores Científicos 
Prof. Paulo R. R. Costa 
Núcleo de Pesquisas de Produtos Naturais - UFRJ 
Prof. Ronaldo A. Pilli 
Instituto de Química - UNICAMP 
 
 
Autores deste volume 
Prof. Paulo R. R. Costa 
Núcleo de Pesquisas de Produtos Naturais - UFRJ 
Prof. Ronaldo A. Pilli 
Instituto de Química - UNICAMP 
Prof. Sergio Pinheiro 
Instituto de Química - UFF 
Prof. Mario L. A. A. Vasconcellos 
Núcleo de Pesquisas de Produtos Naturais – UFRJ 
 
Colaboradores 
 
Prof. Ayres G. Dias 
Instituto de Química - UERJ 
Exercícios Comentados 
 
Prof. Carlos M. R. Sant´anna 
Instituto de Química – UFRRJ 
 
Prof. Magaly G. Albuquerque 
Instituto de Química, UFRJ 
 
Prof. Carlos R. Rodrigues 
Faculdade de Farmácia - UFRJ, 
Material suplementar e CD-Rom em Cálculos teóricos 
 
Prof. Vitor F. Ferreira 
Instituto de Química - UFF 
Material suplementar em “Química de Monossacarídeos” 
 
Hugo Verli 
Mestre em Ciências pelo Instituto de Química - UFRJ 
Cálculos de Orbitais Moleculares e elaboração do CD-Rom 
 
René Nome 
Mestre em Ciências pelo Instituto de Química - UFSC 
Vinhetas sobre Químicos citados neste volume 
 
 
Prefácio 
 
 A edição da “Série de Textos em Química Orgânica Básica: 
Uma Abordagem Interdisciplinar” representa para a SBQ, a editora 
Bookman, os editores científicos e colaboradores um duplo desafio: o de 
publicar livros de Química Orgânica atualizados e escritos originalmente 
em português e, ao mesmo tempo, dar um tratamento original aos temas 
escolhidos, diferenciando-os dos livros tradicionalmente adotados nos 
cursos de graduação das nossas universidades. 
Novos paradígmas em ciência e tecnologia neste início de século 
envolvem desafios que precisam ser abordados de forma interdisciplinar. 
Cabe a Químicos e Farmacêuticos, entre outras potencialidades, 
conhecer em profundidade a Química Orgânica, dominar a arte de isolar, 
identificar e transformar a estrutura das substâncias orgânicas de forma 
previsível, gerando novas estruturas cujas propriedades físicas, químicas 
ou biológicas lhes agreguem valor. Neste contexto, um conhecimento 
mínimo de áreas correlatas como a Química de Produtos Naturais, a 
Química Medicinal, a Físico-Química Orgânica, a Bioquímica e a 
Química Bioorgânica se faz necessário. 
Por outro lado, para os Bioquímicos, Biofísicos, Microbiologistas, 
Biólogos, Nutricionistas e outros profissionais da área das Ciências 
Biomédicas, interessa mais o papel fisiológico e o metabolismo das 
substâncias orgânicas naturais, o que requer um bom conhecimento da 
estrutura e das interações intermoleculares, porém mais restrito e 
direcionado em termos de reatividade química, de modo a permitir uma 
racionalização dos eventos químicos que ocorrem nos organismos vivos. 
 Buscando atender a esta diversidade de demandas, a série prevê o 
lançamento inicial de cinco livros que, em sua totalidade, cobrem os 
principais temas discutidos nos diferentes cursos de Química Orgânica 
lecionados nas universidades brasileiras. 
 Um dos livros da serie, intitulado “Biomoléculas”, foi 
organizado visando condensar a formação necessária em Química 
Orgânica para estudantes da área das Ciências Biomédicas, concentrando 
o interesse nas propriedades físicas, funções biológicas e reatividade 
química básica das substâncias orgânicas presentes nos seres vivos, 
dispensando estes alunos do rigor dos cursos de Química Orgânica 
oferecidos para estudantes de Química e Farmácia. 
Este livro é também uma excelente leitura complementar para os 
cursos de Bioquímica e Biologia Molecular, pois apresenta uma visão 
química dos fenômenos discutidos, sendo muito útil para os estudantes de 
Química e Farmácia com maior inclinação para a interdisciplinaridade 
com as ciências biológicas. 
O outro livro da série, intitulado Introdução à Síntese Orgânica, 
é direcionado para estudantes em final de graduação e com inclinação 
para aprofundar os conhecimentos em Química Orgânica. 
O material de Química Orgânica tradicionalmente usado nos cursos 
de Química e Farmácia foi dividido em três livros, onde os diferentes 
grupos funcionais da Química Orgânica foram reunidos por semelhança 
de reatividade química. Nosso compromisso foi elaborar um material 
didático, com sólido conteúdo científico e forte carater interdisciplinar. 
A distribuição dos assuntos na “Série de Textos em Química 
Orgânica Básica: Uma Visão Interdisciplinar” é mostrada a seguir: 
 
LIVRO 1 : Teoria Estrutural, Estereoquímica, Ácidos e Bases e Reações de 
Substituição Nucleofílica em Substâncias Halogenadas, Álcoois e Derivados 
 
*As Principais Características das Ligações Químicas 
*Principais Grupos Funcionais da Química Orgânica; 
*Isomeria e Estereoquímica; 
*Introdução as Reações Químicas: Controle Cinético e Termodinâmico; 
*Ácidos Carboxílicos, Fenóis, Álcoois e Aminas: Reações Ácido-Base; 
*Derivados Halogenados e Álcoois: Reações de Substituição 
Nucleofílica e Eliminação. 
 
 
LIVRO 2 : Derivados Carbonilados, Iminas e Nitrilas. Adição 
Nucleofílica, Substituição Nucleofílica e Substituição no Carbono aa 
 
*Aldeídos, Cetonas, Iminas, Nitrilas: Reações de Adição Nucleofílica; 
*Ácidos Carboxílicos e Derivados, Carbonatos, Carbamatos e Uréias: 
Reações de Adição-Eliminação; 
 *Reações Envolvendo Iminas, Enaminas, Enóis, Enolatos e Azaenolatos 
 *Derivados a e b-Dicarbonilados; 
*Derivados Carbonilados a,b-Insaturados: Adição Nucleofílica 1,2 X 
 Adição Conjugada (1,4); 
*Introdução à Química dos Monossacarídeos 
 
 
 LIVRO 3 : Hidrocarbonetos Alifáticos, Aromáticos e 
Heteroaromáticos. Adições Eletrofílicas a Ligações Insaturadas, 
Substituição Eletrofílicas e Nucleofílicas em Anéis Aromáticos e 
Reações Pericíclicas 
 
*Alcanos e Reações Radicalares; 
*Olefinas e Acetilenos: Reações de Adição Eletrofílica e de Adição de 
Radicais Livres 
*Substâncias Aromáticas e Heteroaromáticas: Substituição 
 Eletrofílica , Nucleofílica e Reações de orto-Metalação, 
 *Reações de Diels-Alder, Adição 2+2, Adição 2+3 e Outras Reações 
 Pericíclicas 
 
 
 LIVRO 4 : Biomoléculas 
 
*Aminoácidos, Proteínas, Sacarídeos, Glícideos, Esteróides, 
 Terpenóides, Policetídeos e Derivados do Ácido Xiquímico: 
 Estrutura, Biossíntese e Papel Biológico; 
*Introdução à Biologia Celular 
*Introdução a Química Bioorgânica e a Química Supramolecular; 
*Biocatálise. 
 
. 
 LIVRO 5 : Síntese Orgânica 
 
*O método da desconexão; 
*Os principais métodos de formação de ligações carbono-carbono;*Regiosseletividade e Estereosseletividade; 
*Química em fase sólida e Química combinatorial; 
*Métodos em catálise e catálise assimétrica. 
 
O Livro 2, Derivados Carbonilados, Iminas e Nitrilas. 
AdiçãoNucleofílica, Substituição Nucleofílica e Substituição no 
Carbono aa , que estamos lançando, foi organizado de forma a permitir 
ao leitor um contacto com o material apresentado em diferentes níveis 
de complexidade. 
O nível básico é tratado no corpo do livro, onde foram incluídos 
uma série de destaques que colocam em evidência informações 
complementares ao assunto em discussão. 
Adotamos, ao longo do livro, uma abordagem comparativa da 
reatividade química, usando a Teoria da Ligação de Valência, adotada na 
maioria dos livros de graduação, e a Teoria dos Orbitais Moleculares. As 
reações estudadas são amplamente exemplificadas com casos reais e não 
genéricos, tendo sido selecionados da literatura visando mostrar ao leitor 
diversas condições experimentais nas quais uma dada reação química 
pode ser realizada e como a reatividade é afetada pela presença dos 
substituintes ligados ao grupo funcional. O material produzido tem um 
forte carater interdisciplinar mostrando, através de exemplos 
selecionados, como uma dada reação química envolvendo os grupos 
carbonila e imina se processa no laboratório ou na natureza, por catálise 
enzimática. 
O segundo nível é apresentado na seção “Material Suplementar”, 
ao final do livro. Nesta seção, os temas discutidos no corpo do livro são 
retomados em nível ligeiramente mais avançado, através de apêndices 
com conteúdos específicos. Tratamos nesta seção das diversas formas de 
representação de estruturas orgânicas com o uso de programa de 
modelagem molecular em computador e mostramos geometrias e orbitais 
moleculares de derivados carbonilados, iminas e cetonas selecionados 
obtidos por cálculos teóricos. Representações tridimensionais são 
também incluídas para ajudar na visualização de reações 
estereosseletivas. 
O terceiro nível, mais avançado, é dedicado aos estudantes que 
querem aprofundar os seus conhecimentos em Química Orgânica, 
representando um estágio intermediário entre o ensino de graduação e o 
de pós-graduação. Este material é disponível apenas em CD-Rom onde 
são encontradas animações de reações químicas, uma extensa lista de 
exercícios resolvidos, divididos em 3 diferentes níveis de dificuldade e 
tabelas com propriedades físicas de diversos derivados carboniladoas, 
iminas e nitrilas. Em especial, o tratamento orbitalar apresentado, onde se 
comparam dados obtidos por métodos semiempíricos e quânticos (ab 
initio) e o uso dos orbitais de fronteira para explicar reatividades 
químicas, merecem destaque. Exemplos de sínteses selecionadas na 
literatura onde as reações estudadas no livro são usadas estão também 
incluídas no CD-Rom. 
Com o material apresentado, o professor pode selecionar o nível de 
dificuldade do curso, em função do alunado e de seus objetivos 
específicos. 
Procuramos também fornecer ao leitor os aspectos básicos para a 
compreensão da reatividade em termos quantitativos. Neste sentido, 
alguns exemplos do uso das equações de Hammet, Taft são discutidos. 
Finalmente, como a química ocorre em três dimensões, os aspectos 
estereoquímicos ganham destaque especial ao longo do livro. São 
apresentados, de forma preliminar, métodos químicos usados para 
preparar substâncias enantiomericamente puras e o papel das enzimas 
neste processo, tanto in vivo quanto in vitro. 
Expressamos os nossos agradecimentos aos nossos co-autores 
neste volume, pela ativa participação na elaboração do material, aos 
professores colaboradores pelos materiais elaborados e pelas sugestões 
apresentadas. 
 
Atenciosamente, os editores 
 
 Prof. Paulo R. R. Costa 
Prof. Ronaldo A. Pilli 
 
Brasil, maio de 2002 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Introdução 
 
O fragmento estrutural onde os átomos de carbono e oxigênio 
encontram-se unidos por uma ligação dupla (C=O) é comumente 
denominado de grupo carbonila. Este fragmento está presente em 
diversas substâncias (Figura I.1), que em seu conjunto são 
denominadas de derivados carbonilados. 
Embora as iminas e nitrilas não possuam o grupo carbonila em 
suas estruturas, estas substâncias foram incluídas na Figura I.1, entre 
os derivados carbonilados, pois apresentam comportamento químico 
análogo. 
Por razões didáticas, que o leitor identificará ao longo do livro, 
os derivados carbonilados mostrados na Figura I.1 foram divididos 
em 4 grupos. O Grupo 1 reune aldeídos, cetonas, iminas e nitrilas, 
onde o átomo de carbono ligado ao oxigênio ou nitrogênio encontra-se 
adicionalmente ligado apenas a grupos alquilas ou átomos de 
hidrogênio. Nos Grupos 2 e 3 o carbono da carbonila está substituído 
por um ou dois heteroátomos, como nos ácidos carboxílicos e seus 
derivados, e nos carbonatos, carbamatos e uréias, respectivamente. 
O Grupo 4 reune uma variedade de substâncias onde os grupos 
carbonila, imina ou nitrila estão conjugados a um fragmento olefínico 
ou acetilênico (derivados carbonilados aa ,bb -insaturados). 
Os derivados carbonilados, iminas e nitrilas apresentam, per se, 
grande valor industrial, como será mostrado nas próximas seções deste 
capítulo. Devido as suas características polares, os grupos carbonila, 
imina e nitrila podem interagir com grupos polares ou doadores de 
ponte de hidrogênio presentes no sítio ativo das enzimas e dos 
receptores biológicos encontrados nas membranas celulares e fazem 
parte do farmacóforo (parte da estrutura essencial à ação) de diversos 
fármacos e substâncias bioativas. 
Estas substâncias apresentam uma reatividade muito variada, 
sendo comum a presença do grupo carbonila ou imina na estrutura de 
biomoléculas essenciais ao metabolismo primário dos seres vivos, 
assim como em biomoléculas que participam do metabolismo 
secundário de plantas, fungos, algas e animais marinhos. 
Esta versatilidade química também tem sido bem explorada em 
Síntese Orgânica, onde os derivados carbonilados ocupam posição de 
destaque como intermediários para a preparação de substâncias 
naturais de estrutura complexa, fármacos, defensivos agrícolas e novos 
materias, por exemplo. Estes aspectos serão enfatizados, de forma 
didática, ao longo do livro. 
Para que se possa racionalizar as propriedades físicas e químicas 
que fazem dos derivados carbonilados substâncias tão importantes para 
a Química Orgânica, é necessário que se conheça, em detalhes, as suas 
estruturas. Este tópico é abordado a seguir. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
R H
O
R R
O
R OH
O
R OR
O
R SR
O
R NR2
O
R Cl
O
R O
O
R
O
RO OR
O
RO NR2
O
aldeídos cetonas
ácidos
carboxíl icos
ésteres tioésteres
amidas
cloretos 
de ácido
R N
O
R
O
R
anidridos
carbonatos carbamatos
imidas
X
O
R1
R1
R1
X
O
R1
R2N NR2
O
uréias
X = OR, enoatos
X = NR2, enamidas
R
O
R1
R1
R1
R
O
R1
R = H, enais
R = alquil ou aril,
 enonas
R R
N
R1
R H
N
R1
aldiminas cetoiminas
GRUPO 1 - Aldeídos, Cetonas, Iminas e Nitrilas
GRUPO 2 - Derivados de Ácidos Carboxílicos
GRUPO 3 - Derivados do Ácido Carbônico
GRUPO 4 - Derivados Carbonilados, Iminas e Nitrilas aa,bb-insaturados
NR
X = OR, inoatos
X = NR2, inamidas
R = H, inais
R = alquil ou aril,
 inonas
R1
R1
R1 N
R1
R1
R1 N
R
R
nitrilas a,b-insaturadas iminas a,b-insaturadas
nitrilas
Figura I.1: Derivados Carbonilados, Iminas e Nitrilas. Destaque para 
 a Presença das Ligações C=O, C=N e em Diversos 
 Grupos Funcionais da Química Orgânica.
C NCapítulo 1 
 
Aldeídos, Cetonas, Iminas e Nitrilas: Estrutura, 
Propriedades Físicas e Exemplos Representativos 
 
O formaldeído é a substância mais simples que contem o grupo 
carbonila. A substituição de um desses átomos de hidrogênio por um 
grupo alquila ou arila, conduz aos demais aldeídos, enquanto que a 
substituição dos dois átomos de hidrogênio por grupos alquila e/ou 
arila resulta na formação de cetonas. A cadeia hidrocarbônica das 
cetonas pode ser cíclica e, neste caso, são denominadas cicloalcanonas. 
 
H
O
H
formaldeído
H
O
R
Os aldeídos: Um hidrogênio e um grupo alquila ligados 
 à carbonila
ou RCHO ou
R1
O
R ou RCOR
1 ou
O
(CH 2)n
cicloalcanonas
fórmula geral
(estrutura de Kekulé)
R C H
O
estrutura de 
Lewis
R1
As cetonas: Dois grupos alquilas ligados à carbonila
fórmula geral
(estrutura de Kekulé)
fórmula estrutura de Lewis
: :
::
: :
R C
O
: :
::
: :
condensada
fórmula
condensada
 
 
As iminas são classificadas em aldiminas ou cetiminas e são 
consideradas como análogos nitrogenados dos aldeídos e cetonas, 
respectivamente. As nitrilas, por outro lado, são geralmente 
classificadas como derivados de ácidos carboxílicos, pois geram estes 
produtos por hidrólise ácida ou básica. Entretanto, devido a 
similaridade de comportamento químico com os aldeídos, cetonas e 
iminas, as nitrilas são discutidos neste livro em conjunto com estas 
funções. 
 
H
N
H
imina do
formaldeído
com a amônia
As Iminas: Um hidrogênio e um grupo alquila ligados 
 à carbonila
 RCRNR ou
CR ou RCN ou
fórmula geral
(estruturas de Kekulé)
R C R1
N
estrutura de 
Lewis
As Nitrilas: Um grupo alquil ligado ao grupo ciano
fórmula geral
(estrutura de Kekulé)
fórmula estrutura de Lewis
: :
::
:
R C N ::
:
::
condensada
fórmula
condensada
:
H
R1
N
R
R
:R
H
N
R
R
aldimina cetoimina
N:
 
 
 
 Nos aldeídos e cetonas o carbono da carbonila tem número de 
oxidação +2, visto que está ligado duas vezes ao átomo de oxigênio, 
que é mais eletronegativo. Como o nitrogênio também é mais 
eletronegativo que o carbono, número de oxidação para o carbono nas 
iminas é +2 e nas nitrilas +3. 
O
C
R R
C
H
H
H
H
C
OH
H
H
H
C
Cl
H
H
H
N
C
R R
R
R = C ou H
R-C N
O
C
R OH O C O
Número de Oxidação do Carbono em Algumas Funções
0 +1 +2 +3 +4
 
 
 
1.1 Estrutura do Grupo Carbonila 
 
 No grupo carbonila, os átomos de carbono e oxigênio 
encontram-se com hibridização sp2, formando moléculas trigonais 
planas. Desta forma, nos aldeídos e cetonas os ângulos R-C-O e R-C-
H são aproximadamente 120o. 
 
C O
R
R1
~120o
~120o
~120o
aldeídos: R1 = H
cetonas: R1 = alquil ou aril 
 
A seguir são mostrados os valores experimentais dos ângulos 
de ligação (a) e os comprimentos de ligação (A) para a molécula do 
formaldeído. Estes valores são próximos aos observados para os 
demais compostos carbonilados. Note que o ângulo entre os átomos de 
hidrogênio é um pouco menor do que o ângulo entre o hidrogênio e o 
oxigênio. Quando grupos mais volumosos encontram-se ligados a 
carbonila, deformações do ângulo ideal de 1200 também são 
observadas. O leitor encontra no Apêndice 1 representações de 
diversas substâncias carboniladas, iminas e nitrilas que tiveram as suas 
estruturas otimizadas por cálculos teóricos. Neste material pode-se 
observar uma série de propriedades estruturais destes grupos, como 
comprimento de ligação, força de ligação, momento dipolo da ligação 
e da molécula, que podem ser obtidas por estes cálculos e comparadas 
com valores obtidos experimentalmente. 
 
 
C O
H
H
Ângulos de ligação
(graus)
Comprimentos de ligação
(A, Angstrom)
H-C-O 121,8
H-C-H 116,5
C=O 1,203
C-H 1,101
a l
formaldeído
 
 
 Na Figura 1.1a apresentamos a distribuição eletrônica do 
carbono no estado fundamental, como calculada pela Equação de 
Schrödinger. Segundo esta distribuição eletrônica, o carbono poderia 
estabelecer duas ligações covalentes envolvendo os orbitais atômicos 
semicompletos 2px e 2py e não quatro ligações covalentes como se 
encontra usualmente nos compostos orgânicos. 
A solução para esta questão deve-se principalmente a Linus 
Pauling e baseia-se no conceito de hibridização dos orbitais atômicos 
antes do estabelecimento das ligações covalentes. Quando um dos 
elétrons do orbital 2s é promovido para o orbital p vazio, esta nova 
configuração eletrônica explica a tetravalência do carbono. A energia 
gasta na promoção eletrônica é recuperada pela formação de duas 
ligações covalentes adicionais. Entretanto, este arranjo não consegue 
explicar a ligação dupla nem a planaridade do grupo carbonila. Para 
explicar a estrutura do grupo carbonila, tanto o carbono quanto o 
oxigênio devem apresentar hibridização sp2 (Figura 1.1a) 
Os orbitais híbridos, representados em preto ocupam o mesmo 
plano (na representação mostrada o plano perpendicular ao papel) 
enquanto o orbital p, não hibridizado, ocupa uma posição ortogonal a 
estes orbitais (no plano do papel). No carbono todos os orbitais possuem 
1 elétron e são de natureza ligante (no grupo carbonila o carbono forma 4 
ligações). No oxigênio não há necessidade de promoção eletrônica (o 
estado fundamental já é divalente) e a hibridização sp2 gera dois dos 
orbitais híbridos sp2 completos e um orbital sp2 e um orbital p não 
hibridizados com um elétron cada (o oxigênio forma duas ligações no 
grupo carbonila e possui dois pares de elétrons não compartilhados). 
 
 
C (estado excitado) 1s 2s 2px 2py 2pz
Figura 1.1 Distribuição Eletrônica para Carbono e Oxigênio 
e Formação da Estrutura da Carbonila
C (estado fundamental) 1s 2s 2px 2py 2pz
promoção eletrônica
C (estado hibridizado) 1s sp2 sp2 sp2 2pz
hibridização sp2
O (estado fundamental) 1s 2s 2px 2py 2pz
O
O (estado hibridizado) 1s sp2 sp2 sp2 2pz
hibridização sp2
a
b
C
 
Assim, como pode ser deduzido a partir das distribuições 
eletrônicas do carbono e do oxigênio mostradas na Figura 1.1, a 
ligação s carbono-oxigênio é formada pelo entrosamento linear dos 
orbitais atômicos híbridos do tipo sp2 do carbono e do oxigênio (em 
cinza), cada um destes orbitais atômicos contribuindo com um elétron 
para a formação da ligação s (que é mais propriamente denominada 
orbital molecular s)�, originando a estrutura ss da carbonila. Neste 
orbital molecular, os elétrons situam-se entre os núcleos e a densidade 
eletrônica é maior perto do átomo de oxigênio, devido a sua maior 
eletronegatividade. O entrosamento lateral de um orbital p do carbono 
e outro do oxigênio (em azul) é responsável pela formação da ligação 
pC-O que caracteriza o grupo carbonílico (Figura 1.1b) 
 
Início de Destaque 
 
O Método da CLOA e os Orbitais Moleculares no Hidrogênio 
 
Ha Hb
HbHa
Ha Hb
+
átomos de hidrogênio,
destaque para os orbitais 
atômicos s
molécula de hidrogênio,
destaque para os orbitais
moleculares s e s*
Einteração fora
de fase
interação em fase
ss
ss*
s = orbital ligante
s* = orbital antil igante
f Ha - f Hb
f Ha + f Hb
f Ha = função de onda para o
 elétron no orbital s do
 átomo Ha
f Hb = função de onda para o
 elétron no orbital s do
 átomo Hb
f Ha - f Ha = orbital molecular antiligante (s*)
f Ha + f Ha = orbital molecular ligante(s)
combinação l inear
dos orbitais atômicos
 
 
Fim de Destaque 
 
Na Figura 1.2 estão representados os orbitais moleculares 
ligante (s) e antiligante (s*) do grupo carbonila, de acordo com o 
método da combinação linear de orbitais atômicos (CLOA). 
 
 
Figura 1.2 Orbitais Moleculares Ligantes e não-Ligantes 
ss e ss* em Aldeídos e Cetonas
C
R
R
O
R
R
C
R
R
O
C
R
R
O
E
N
E
R
G
IA ss*C-O
ssC-O
Y
Y
C
R
R
O=
Orbital molecular ss
Orbital molecular ss**
 
 
O entrosamento linear de um orbital 2p do carbono e outro 2p 
do oxigênio dá origem a dois orbitais moleculares s, um de natureza 
ligante e preenchido no estado fundamental e outro de natureza anti-
ligante (s*), vazio no estado fundamental (Figura 1.2). A interação em 
fase (construtiva) entre dois orbitais 2p, cada um deles contribuindo 
com um eletron para a ligação química, aumenta a densidade 
eletrônica na região entre os núcleos de carbono e oxigênio. Devido a 
maior eletronegatividade do oxigênio, no orbital s de natureza ligante 
a densidade eletrônica é maior nas vizinhanças do átomo de oxigênio. 
Em contrapartida, no orbital s*, ocorre uma distribuição contrária e, 
quando populado, a probabilidade é de haver uma maior densidade 
eletrônica ao redor do átomo de carbono. 
C
R
R
O
z
y
z
x
ligação p ou
orbital p
R
R
O ou
R
R
Od+ d+
C
R
R
O
C
R
R
O
E
N
E
R
G
IA
 p*C=O
Figura 1.3 A Teoria do CLOA e a Construção do Orbitais 
Moleculares Ligante (pp) e Antiligante (pp*) da Ligação pp 
da Carbonila. A interação dos orbitais pz do carbono e do 
oxigênio forma dois orbitais moleculares, p e p*. O orbital
 ligante p contém o par de elétrons da ligação p C=O no estado
fundamental.
pC=O
z
C
R
R
O
z
ligação p*ou
orbital p*
=
 
 
 
 
 
 Entretanto, a Figura 1.2 não representa o quadro completo dos 
orbitais moleculares do grupo carbonila. Segundo o método da 
Conservação Linear de Orbitais Atômicos (Teoria do CLOA, em 
inglês: “linear combination of atomic orbitals”, LCAO), o número de 
EXERCÍCIO 11 Desenhe as estruturas s e p para a molécula do H2C=O.
orbitais moleculares formados é igual ao número de orbitais atômicos 
combinados. 
 A Figura 1.3 mostra a formação dos dois orbitais moleculares da 
ligação pC=O a partir dos orbitais atômicos 2pz do carbono e do oxigênio. 
A construção do sistema p da C=O é semelhante a do eteno, exceto que 
os dois orbitais atômicos 2pz não têm a mesma energia. A interação 
destes dois orbitais atômicos forma dois orbitais moleculares; um deles 
(p) é denominado orbital ligante (ou orbital de ligação) e o outro (p*) é 
chamado orbital antiligante. O leitor deve notar que no orbital ligante p 
há uma interação construtiva (interação em fase) dos orbitais atômicos 
dos átomos de carbono e de oxigênio, que é representada por lobos de 
mesma cor em cada face da ligação. No orbital p* a interação é destrutiva 
e os lobos são de cores opostas e um tanto quanto distorcidos. 
 O orbital molecular ligante p tem menor energia e contem o 
par de elétrons da ligação pC=O no estado fundamental, ao passo que o 
orbital molecular antiligante p* (mais energético) encontra-se vazio. O 
orbital ligante p é mais desenvolvido sobre o oxigênio (maior 
coeficiente para este átomo), enquanto que no antiligante p* o 
coeficiente é maior sobre o carbono, daí os lobos nos orbitais p e p* 
apresentarem tamanhos diferentes. 
Além destes quatro orbitais, a carbonila tem mais dois pares de 
elétrons não compartilhados (elétrons livres ou elétrons n) que estão 
situados em orbitais não-ligantes do tipo sp2 no átomo de oxigênio. 
 Na Figura 1.4 são mostrados todos os orbitais ligantes, anti-
ligantes e não ligantes do grupo carbonila relevantes para o 
entendimento da sua reatividade química. O orbital não-ligante, onde 
situa-se o par de elétrons não compartilhado, é o orbital molecular 
ocupado de energia mais alta (orbital HOMO, do inglês, “highest 
occupied molecular orbital”) da ligação C=O, enquanto o orbital p* é o 
orbital molecular desocupado de energia mais baixa (orbital 
LUMO, do inglês, “lowest unoccupied molecular orbital”). Os orbitais 
HOMO e LUMO são denominados orbitais de fronteira e estão 
envolvidos nos processos de absorção de energia e são de grande 
importância para o entendimento da reatividade química do grupo 
carbonila, conforme veremos no Capítulo 2. No Apêndice 2, 
localizado na seção de Material Suplementar, no fim do livro, a 
questão dos orbitais moleculares presentes nos grupos carbonila, imina 
e nitrila é discutida a partir de cálculos usando métodos semiempíricos. 
A interface gráfica nestes programas permite que se visualize a forma 
do orbital molecular, seu coeficiente em cada átomo envolvido na 
ligação e sua energia. No material discutido no CD-Rom (“Saiba mais 
sobre orbitais moleculares em aldeídos, cetonas, iminas e nitrilas”) 
a questão dos orbitais moleculares é rediscutida, de forma quantitativa, 
usando dados comparativos obtidos por mecânica quântica (ab initio) e 
métodos semiempíricos. 
 
C
R
R
O
C
R
R
O
C
R
R
O
C
R
R
O
E
N
E
R
G
IA
s
 n (HOMO)
 p* (LUMO)
s*
Figura 1.4 Os Orbitais Moleculares Ligantes ( ss e pp), 
Não-Ligantes (n) e Antilligantes (ss* e pp*) do Grupo Carbonila. 
A ligação C=O tem dois pares de elétrons nos orbitais ligantes 
(s e p) e dois pares de elétrons livres nos orbitais não-ligantes 
sp2 (orbital n) do oxigênio.
C
R
R
O
p
 
 
Orbitais de Fronteira e a Absorção de Energia 
 
 A absorção de energia por uma molécula nas regiões do ultravioleta 
(UV) e do visível do espectro eletromagnético é dependente da 
estrutura eletrônica da molécula. A absorção de energia é quantizada, 
resultando na excitação de um elétron presente em um orbital no estado 
fundamental (um orbital ligante ou não-ligante) para um orbital 
excitado de maior energia (orbital antiligante). Na região do UV a 
função carbonila absorve em um comprimento de onda (l) de 
aproximadamente 280 nm. Esta absorção é devida a excitação de um 
elétron do orbital HOMO (n) ao orbital LUMO (p*) e esta transição é 
chamada n®p*. 
 
C=O no estado fundamental
n
 p*
C=O no estado excitado
n p*
C
R
R
O
 p* (LUMO)
C
R
R
O
 Os Orbitais de Fronteira da C=O e a Absorção de Energia 
na Região do Ultravioleta. Na transição n p* um elétron do 
HOMO é excitado ao LUMO via absorção quantizada de energia.
C
R
R
O
n (HOMO)
C
R
R
O
 
 
FIM DO DESTAQUE 
 
 Como antecipamos na Figura 1.3, a segunda diferença é a 
polaridade da ligação C=O. Como o átomo de oxigênio é mais 
eletronegativo que o carbono, os elétrons p da ligação C=O são 
atraídos mais fortemente pelo átomo de oxigênio. Assim, a densidade 
eletrônica da ligação C=O está mais concentrada sobre o átomo de 
oxigênio. Isto gera um momento de dipolo (m) no grupo carbonila, 
que é representado a seguir pela seta direcionada para o oxigênio. Uma 
outra forma de representar as diferenças de eletronegatividades 
consiste no emprego das cargas parciais d+ no carbono e d- no 
oxigênio; o carbono encontra-se parcialmente deficiente de elétrons e o 
oxigênio contém a densidade de elétrons da ligação C=O. Desta forma, 
a ligação carbono-oxigênio é polarizada na direção C+-O- e este efeito 
é mais pronunciado nos elétrons p (a ligação p é mais fraca). 
 
d -R
R
O
R
R
O
vetor momento de
m
O grupo C=O é polar:
m = 2,2-3,0 D
de dipolo m da C=O
cargas parciais
na carbonila
d +
 
 
 
CAPÍTULO 2 
 
Aldeídos, Cetonas, Iminas e Derivados, e Nitrilas:Reações Químicas 
 
 
 
Aldeídos, cetonas, iminas e derivados e nitrilas apresentam um 
comportamento químico semelhante, que resulta de características estruturais 
comuns presentes nestes diferentes grupos funcionais. 
Como vimos no Capítulo 1, a maior eletronegatividade do oxigênio e do 
nitrogênio em relação ao carbono confere às ligações C=O, C=N e C�N um caráter 
polar, onde o átomo de carbono encontra-se parcialmente deficiente em elétrons 
e os heteroátomos com carga parcial negativa. Devido a presença deste dipolo, 
estas substâncias comportam-se como eletrófilos (Figura 2.1) e reagem com 
espécies ricas em elétrons (nucleófilos) através de ataque nucleofílico ao 
átomo de carbono ligado ao heteroátomo (sítio eletrofílico). 
Por outro lado, tanto aldeídos e cetonas quanto iminas e nitrilas 
apresentam pares de elétrons não compartilhados no heteroátomo (sítio básico), 
o que lhes confere carater de base de Lewis e afinidade por ácidos próticos ou 
ácidos de Lewis. 
Finalmente, a presença de pelo menos um átomo de hidrogênio em 
posição a (Ha, sítio ácido) assegura aos aldeídos, cetonas, iminas e nitrilas 
propriedades ácidas. 
A Figura 2.1 resume, de forma clara, estas características químicas 
comuns aos três grupos funcionais (carbonila, imina e nitrila), justificando a 
abordagem adotada neste livro, onde estas substâncias são estudadas em 
conjunto. Cada uma destas propriedades será discutida a seguir, buscando 
preparar o leitor para o estudo sistemático e comparativo da reatividade 
química destas substâncias frente a diferentes nucleófilos, ácidos e bases, que 
será realizado ao longo do capítulo. 
Como todo nucleófilo é uma base e vice-versa, é importante neste ponto 
que o leitor reveja as definições de basicidade e nucleofilicidade, póis a 
regiosseletividade da reação de aldeídos, cetonas, iminas e nitrilas com 
espécies que contêm pares de elétrons não compartilhados (adição nucleofílica 
x dissociação do Ha) depende destas características no reagente. Esta 
ambigüidade na reatividade destes grupos funcionais será discutida em 
detalhes, ao longo da Seção 3 deste capítulo, quando as reações destas 
substâncias frente a diversos tipos de nucleófilos é discutida. 
. 
C O
R
Nu:
d+ d-
Ha
B:
C N
R
Nu:
d+ d-
R
Ha
B:
C N
Nu:
d+ d-
Ha
B:
Nu = nucleófilo, A = H+ ou ácidos de Lewis, B = base
Figura 2.1 Aldeídos, Cetonas, Iminas e Derivados 
e Nitrilas: Características Químicas Comuns
RRR
carbono = sítio eletrófílico
oxigênio e nitrogênio = sítios básicos
Ha = sítio ácido
aldeídos 
e cetonas
iminas nitrilas
 philos, em Grego = afinidade
nucleófilos, espécies com afinidade por núcleos, 
ácidos, espécies com afinidade por elétrons
A
A A
 
 
2.1 O Carater Eletrofílico do Carbono em Aldeídos, Cetonas, 
Iminas e Derivados, e Nitrilas 
 
O carater deficiente em elétrons do carbono nos grupos carbonila, imina 
e nitrila foi discutido, de forma preliminar, no Capítulo 1. Duas abordagens 
podem ser usadas para avaliar a sua eletrofilicidade nestes grupos funcionais, o 
método da teoria da ligação de valência e o método dos orbitais de fronteira. 
O leitor encontrará no Apêndice 3, na seção de Material Suplementar, mais 
material sobre a eletrofilicidade do carbono nestas funções. No CD-Rom um 
tratamento quantitativo mais avançado para a questão, baseado nas energias dos 
orbitais HOMO (nucleófilo) e LUMO (eletrófilo) é apresentado. 
Consideremos inicialmente a ligação covalente s C-C (Figura 2.2). 
Segundo a teoria da ligação de valência, a função de onda que descreve o 
orbital molecular s formado (Y) pode ser representada pela soma das funções 
de onda obtidas para cada estrutura canônica isoladamente (YA , YB e YC), 
multiplicada por um fator de contribuição (c). No caso da ligação covalente s 
C-C, como os átomos são iguais (mesma eletronegatividade) a contribuição das 
formas canônicas dipolares (representadas pela funções de onda YB e YC) é 
desprezível e o orbital Y depende de YA, quase que exclusivamente. A ligação 
C-C descrita por esta abordagem é uma ligação apolar, onde o par de elétrons 
encontra-se igualmente distribuído entre os átomos de carbono. 
Consideremos agora a ligação covalente s C-O. Segundo a teoria da 
ligação de valência, devido a maior eletronegatividade do oxigênio em relação 
ao carbono, a estrutura canônica onde o oxigênio está negativo e o carbono 
positivo (YB) tem uma contribuição considerável para a ligação, pois o 
oxigênio é mais eletronegativo do que o carbono e estabiliza esta forma dipolar. 
A ligação C-O descrita por esta abordagem é uma ligação polar, onde o par de 
elétrons encontra-se mais próximo do átomo de oxigênio do que do átomo de 
carbono. Cabe enfatizar ao leitor que os átomos de C, e de C e O continuam 
ligados nas formas canônicas dipolares (a distância média entre os núcleos é 
mantida), diferindo da forma canônica apolar essencialmente pela distribuição 
dos elétrons 
 
C C
R
R
R
R
R
R
C C
R
R
R
R
R
R
C C
R
R
R
R
R
R
YAYB YC
C OR
R
R
R
C OR
R
R
R
C OR
R
R
R
YAYB
C OR
R
R
R
Y == função de onda que descreve o orbital molecular
 Figura 2.2 A Ligações C-C e C-O Segundo o Método 
 da Teoria da Ligação de Valência 
C-C, ligação apolar, contribuição de YB e YC para Y é 
muito pequena
 YA,YB e YC, funções de onda que descrevem o orbital
molecular de cada forma canônica
C-O, ligação polar, contribuição de YB para Y é mais 
importante
. .
. . . .
Y C
ligação apolar
ligação polar
C C
R
R
R
R
R
R
. .. .
. .
Y = cAYA + cBYB + cCYC
 
 
Os elétrons p, que se distribuem acima e abaixo do plano da ligação C=O, 
são menos fortemente atraídos por estes núcleos do que os elétrons s, que 
situam-se entre os núcleos (a ligação p é mais fraca do que a s) e por isto os 
elétrons p apresentam uma maior mobilidade. Estes elétrons participam, de 
forma mais efetiva, de estruturas canônicas e isto explica a maior eletrofilicidade 
do carbono da carbonila quando comparado com o carbono ligado ao oxigênio de 
um álcool ou éter, por exemplo. 
Segundo a teoria da ligação de valência, podemos escrever três formas 
canônicas para o grupo carbonila, que resultam das diferentes possibilidades de 
localização dos elétrons pp ao redor dos átomos de carbono e oxigênio. A forma 
canônica neutra, onde tanto o átomo de carbono quanto o átomo de oxigênio 
apresentam um elétron, é a que mais contribui para a estrutura, pois o carbono e o 
oxigênio estão com o octeto completo. Uma segunda forma canônica, de 
contribuição intermediária, apresenta o átomo de carbono positivo e o átomo de 
oxigênio negativo. A terceira forma canônica, de contribuição muito pequena, 
resulta de um fluxo inverso de elétrons onde o átomo de oxigênio, mais 
eletronegativo que o átomo de carbono, apresenta carga positiva. Estas formas 
canônicas são apresentadas na Figura 2.3. Embora o grupo carbonila em sua 
distribuição eletrônica seja resultado das diferentes contribuições ponderadas das 
três formas canônicas, aquela onde o carbono apresenta carga positiva é 
freqüentemente usada para explicar a sua eletrofilicidade, ou seja, a sua 
afinidade por nucleófilos. 
Desta forma, a teoria da ligação de valência explica a afinidade química do 
átomo de carbono em aldeídos e cetonas e o uso de estruturas canônicas é de 
grande utilidade para o químico orgânico no entendimento e na previsão da 
reatividade química destas substâncias. 
 
R R
O::
R R
O ::
..
R
R
Figura 2.3 A Ligação ppC=O Segundoo Método da Teoria 
de Valência. Para maior clareza, os pares de eletrons não 
compartilhados foram omitidos nas representações com orbitais
R
O
R
O ::
..
C O
R R
O ::
R
O ::
..
contribuição muito
pequena
contribuição
intermediária
R
R
C O
R
R
C O
maior
contribuição 
 
 
De forma semelhante, a teoria da ligação de valência pode ser usada para 
explicar a eletrofilicidade dos átomos de carbono nas iminas e derivados, e 
nitrilas (Figura 2.4). As formas canônicas neutras são as que mais contribuem 
para a estrutura eletrônica destes grupos funcionais pois tanto o carbono quanto o 
oxigênio apresentam octeto completo. As formas canônicas onde os átomos de 
carbono apresentam carga positiva e os átomos de nitrogênio cargas negativas 
são de contribuição intermediária e explicam a afinidade do carbono nas iminas e 
nas nitrilas por nucleófilos. Tal qual para aldeídos e cetonas, em iminas e nitrilas 
as formas canônicas resultantes de um fluxo inverso de elétrons, onde os átomos 
de nitrogênio (mais eletronegativos do que o carbono) apresentam carga positiva, 
contribuem muito pouco. 
 
Figura 2.4 A s Ligações ppC=N e ppC=N Segundo o Método da 
Teoria de Valência. Para maior clareza, os pares de eletrons 
não c ompartilhados foram omitidos nas representações com
 orbitais
R R R R
:..
R
N:
R
N
..
R
C N:R
C NR
C N:R
..
R R
:..N
..
R
R
R
C N
maior contribuição contribuição
muito pequena
R
C N:R
..
maior contribuição
contribuição
intermediária
contribuição
intermediária
R
R
R
C N
R
R
R
C N
R
C NR
contribuição
muito pequena
C NR
 
 
 
 
 
 
Início de Destaque 
 
Comprimento de ligação em aldeídos, Cetonas, Iminas e Nitrilas 
 
Comprimentos de ligação podem ser determinados por difração de raios X 
ou podem ser estimados através da análise do espectro de absorção na região do 
infravermelho. Neste método espectroscópico, a absorção de energia devido ao 
estiramento de ligações químicas depende da força destas ligações e, desta forma, 
ligações simples, duplas e triplas absorvem em regiões distintas do infra-
vermelho. Por exemplo, as ligações C-O, C-C e C-N absorvem energia entre 
700-1260 cm-1. Por outro lado, as ligações duplas (p) C=C, C=O e C=N 
absorvem energia entre 1620-1740 cm-1, a ligação tripla C�N absorve energia 
entre 2150-2250 cm-1, na mesma região que ligações C�C. A comparação destes 
valores sugere que a principal forma canônica dos aldeídos, cetonas, iminas e 
nitrilas é a forma neutra, onde o caráter de ligação dupla C=O ou C=N prevalece 
em aldeídos, cetonas e iminas e o carater de ligação tripla prevalece nas nitrilas. 
A média de comprimentos de ligação (em Angstroms, A) medidos por difração 
de raios X para estas ligações encontram-se indicados na tabela abaixo e também 
são compatíveis com a maior contribuição da forma canônica neutra. 
 
 C-O 1020-1200 1,43
 C-C 700-1260 1,54
 C-N 1020-1342 1,47
cm-1
 C=O 1720-1740 1,22
 C=C 1620-1680 1,35
 C=N 1640-1690 1,30
cm-1
comprimento
de ligação (A)
cm -1 = inverso do comprimento de onda da radiação
 usada na medida
 C C C N 2000-2200 ~1,19
cm-1
A A
A
 
 
Final de destaque 
 
Exercício 2.X: Por quê as ligações C-O são mais curtas que as ligações C-N, 
que por sua vez são mais curtas que as ligações C-C ? (use os dados de 
comprimentos de ligação mostrados no destaque anterior como referência). 
 
A outra abordagem para a questão envolve o método do orbital 
molecular. Como vimos no Capítulo 1, cálculos de orbitais moleculares podem 
ser realizados pelo método da combinação linear de orbitais atômicos (CLOA). 
Segundo esta abordagem (reveja Figura 1.3 e destaque sobre formação da 
molécula do hidrogênio, Capítulo 1), quatro orbitais moleculares compõem a 
estrutura da ligação C=O, dois do tipo s, resultado do entrosamento dos orbitais 
sp2 dos átomos de C e O (s e s*), e dois do tipo p, resultado do entrosamento em 
paralelo dos orbitais p dos átomos de C e O (p e p*). 
Interessa-nos recolocar em evidência a ligação p e, em especial, o 
orbital p* onde o nucleófilo começa a interação com o grupo carbonila para 
formar a nova ligação C-Nu. Este orbital, oriundo da interação fora de fase entre 
YA e YB (no método CLOA, estas funções de onda descrevem os orbitais 
atômicos p do carbono e do oxigênio) encontra-se vazio no estado fundamental 
(orbital antiligante, LUMO), pois o par de elétrons da ligação química ocupa o 
orbital de mais baixa energia (p), que origina-se da interação em fase entre YA e 
YB (Figura 2.5). 
Os cálculos teóricos mostram que a probabilidade de encontrar o par de 
elétrons no orbital p da ligação C=O é maior próximo ao átomo de oxigênio, 
devido a sua maior eletronegatividade em relação ao carbono. 
Entretanto, como já mencionamos, é o orbital p* (LUMO), vazio no estado 
fundamental, o responsável pelo carater eletrofílico da carbonila, e neste orbital o 
coeficiente é maior no átomo de carbono, o sítio eletrofílico. Assim, durante a 
aproximação de Nu, os seus elétrons têm maior probabilidade de serem alocados 
nas proximidades do átomo de carbono e com esta trajetória o nucleófilo (rico em 
elétrons) evita a repulsão eletrônica desestabilizadora com a região rica em 
elétrons, no orbital p ao redor do átomo de oxigênio. 
O ângulo de ataque de nucleófilos ao carbono da carbonila foi determinado 
por Bürgi e Dunitz, ao longo de trabalhos cristalográficos. Este ângulo é de 
aproximadamente 1070 e não de 900 como até então se assumia, o que aumenta a 
distância entre o nucleófilo e o átomo de oxigênio no estado de transição. Desta 
forma, este ângulo de ataque pode ser interpretado como resultado de um 
compromisso entre a máxima superposição do HOMO de Nu com LUMO da 
ligação C=O (orbital p*) e a mínima repulsão com a densidade eletrônica 
localizada no oxigênio, no orbital p �de natureza ligante. 
 
 
orbital molecular pp
orbital molecular pp **
 (HOMO)
ligante, cheio no estado
fundamental, 2 elétrons
 (LUMO)
antil igante, vazio no
estado fundamental
R
C
R
O
C O
R
R
energia
pp*C=O
1070 ângulo de 
Bürgi-Dunitz
-a trajetória de 1070 
aproxima, no estado 
de transição, o nucleófi lo 
dos substituintes R
Figura 2.5 Grupo Carbonila com Destaque para os Orbitais 
Moleculares pp (ligante) e pp* (antiligante, LUMO) e Ângulo 
de Aproximação do Nucleófilo. Pares de elétrons do oxigênio 
omitidos para maior clareza
p
p*
C O
R
R
Nu HOMO
LUMO
C O
R
R
Nu
d-
d-
-Nu faz um ângulo de
aproximadamente 900
com os dois substituintes 
R (apenas um ângulo é 
mostrado na figura) e 
com a carbonila.
Trajetória clássica para
o ataque nucleofílico
Trajetória Burgi-Dunitz 
para o ataque nucleofílico
O
Nu
R
R
900
900 107
0
-Nu faz um ângulo de
aproximadamente 1070
com a carbonila
a
b
 
 
As iminas apresentam orbitais p e p* semelhantes aos descritos para 
aldeídos e cetonas (Figura 2.6). No orbital p, ocupado no estado fundamental, a 
maior probabilidade de encontrar o par de elétrons é próxima ao átomo de 
nitrogênio, devido a sua maior eletronegatividade em relação ao carbono. 
Entretanto, no orbital p* (LUMO), vazio no estado fundamental, o coeficiente é 
maior no carbono, indicando que é este o centro eletrofílico na ligação C=N. 
Desta forma, nas adições nucleofílicas o par de elétrons localizado no LUMO do 
nucleófilo ataca o átomo de carbono e com esta trajetória o nucleófilo evita a 
repulsão eletrônica com a região rica em elétrons, ao redordo átomo de 
nitrogênio (ver Apêndice 2 e Cd-Rom para material suplementar). 
O ângulo de ataque da espécie nucleofílica ao carbono da imina deve ser 
maior que 900, de forma a permitir uma máxima superposição com orbital p* e 
mínima repulsão eletrônica com o orbital p de natureza ligante, que apresenta 
alta densidade eletrônica no átomo de nitrogênio. 
 
orbital molecular pp
orbital molecular pp **
 (LUMO)
anti ligante, vazio no
estado fundamental
R
C
R
N
C N
R
R
energia
p*C=N
Figura 2.6 Grupo Imina com Destaque para os Orbitais 
Moleculares pp (ligante) e pp* (antiligante, LUMO). Pares 
de elétrons do oxigênio omitidos para maior clareza
pp
pp **
C N
R
R
Nu HOMO
R
R
R
 (HOMO) 
l igante, cheio no estado
fundamental, 2 elétrons
LUMO
 
 
 
Na Figura 2.7 estão representados os orbitais moleculares p e p* para as 
nitrilas. Nos orbitais p ligantes, o par de elétrons estão localizados mais próximos 
do átomo de nitrogênio. Tal qual aldeídos, cetonas, iminas e nitrilas, no orbital 
p* o coeficiente é maior no átomo de carbono, o centro eletrofílico. O leitor 
também encontrará, para este caso, dados suplementares no Apêndice 2 e no 
CD-Rom. 
 
 
-orbitais moleculares pp
ligantes, cheios no estado
fundamental, 2 eletrons
-orbital molecular pp **
-antiligante, vazio no
estado fundamental
C NR
-interação 
em fase
energia
Figura 2.7 Grupo Nitrila com Destaque para os Orbitais 
Moleculares pp (Ligante) e pp ** (Antiligante). No LUMO, 
para Maior Clareza os Orbitais s e p Foram Representados 
por uma Linha
R C N
pp
pp **
R C N C N:R
LUMO
-interação fora
de fase
-interação 
em fase
-interação 
em fase
C NR
Nu HOMO
-no orbital p*, o maior coeficiente 
sobre o átomo de carbono identifica
este átomo como centro eletrofílico
do grupo nitrila
LUMO
-ligação p omitida
para maior clareza
-ligação p omitida
para maior clareza
 
 
Exercício 2.X: Compare o material mostrado no Apêndice 2, represente os 
orbitais moleculares p e p* no eteno e no etino e compare com a carbonila, a 
imina e a nitrila. 
 
 
 
 
 
 
Início de Destaque 
 
Orbitais Moleculares e Reatividade Química 
 
 Enquanto que a estabilidade termodinâmica de espécies químicas está 
associada com a energia de todos os seus orbitais moleculares preenchidos, a 
reatividade química depende, em grande extensão, mas não exclusivamente, da 
energia de seus orbitais de fronteira. 
Por exemplo, a medida que nucleófilos aproximam-se e colidem com o 
grupo carbonila em aldeídos e cetonas, três tipos principais de interações 
ocorrem: 
1- os orbitais ocupados de uma espécie repelem os orbitais ocupados da outra e a 
energia envolvida nesta interação de natureza anti-ligante contribui em grande 
parte para a energia de ativação da adição nucleofílica, 
2- espécies iônicas ou com cargas parcias opostas sofrem atração eletrostática 
enquanto que as espécies iônicas ou com cargas parciais idênticas sofrem 
repulsão eletrostática e estes efeitos devem ser consideradas quando a reação 
envolve ions ou moléculas polares, 
3- o HOMO da espécie nucleofílica interage com o LUMO da espécie 
eletrofílica, em uma interação de natureza ligante que é responsável 
pela formação da ligação C-Nu. 
 
Fim de Destaque 
 
Cabe destacar que embora aldeídos, cetonas, iminas e nitrilas possuam o 
átomo de carbono ligado ao heteroátomo com características eletrofílicas e, 
conseqüentemente, tenham afinidade por nucleófilos, esta afinidade é 
diferenciada. Em geral, aldeídos e cetonas reagem com nucleófilos mais 
rapidamente do que as iminas, que por sua vez são mais reativas do que as 
nitrilas. 
 
R R
O
R R
N
R
C NR>>
Reatividade Fente a Nucleófilos
 
 
Como vimos anteriormente, de acordo com a teoria da ligação de 
valência a reatividade destas substâncias está associada a contribuição das 
formas canônicas onde o carbono encontra-se positivo e o heteroátomo negativo. 
Estas formas canônicas são estabilizadas com o aumento da eletronegatividade 
do heteroátomo, sendo assim sua contribuição maior em aldeídos e cetonas do 
que em iminas e nitrilas, devido a maior eletronegatividade do oxigênio em 
relação ao nitrogênio. 
Esta análise explica a maior reatividade dos aldeídos e cetonas porém não 
diferencia a reatividade entre iminas e nitrilas. Note, entretanto, que no grupo 
imina (e também no grupo carbonila) o carbono encontra-se hibridizado sp2 
enquanto que nas nitrilas a sua hibridização é sp. Como os orbitais sp são mais 
próximos do núcleo do átomo de carbono que os orbitais sp2, as formas 
canônicas onde o carbono apresenta carga positiva são menos contribuintes nas 
nitrilas devido a maior repulsão entre a carga e o núcleo do átomo de carbono, 
explicando a sua menor reatividade frente a nucleófilos. 
 
Exercício 2.X: Em RMN 13C, o deslocamento químico (posição da 
absorção) é maior quanto menor a densidade eletrônica sobre o átomo de carbono 
considerado. Explique os deslocamentos químicos para os átomos de carbono 
assinalados abaixo. 
 
c
O
c
N
HO
Nc
 dd 206,7 dd159,2 dd 120,8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Início de Destaque 
 O leitor deve lembrar da reatividade de olefinas e acetilenos 
 frente a água em condições de catálise ácida. Enquanto que as 
olefinas geram, na etapa de protonação, um carbocation onde a 
carga positiva está localizada em um orbital p, nos acetilenos um 
cátion vinílico é formado. 
 No cátion vinílico a carga positiva fica localizada em carbono 
hibridizado sp2, mais próxima do núcleo do carbono e este arranjo 
eletrônico é menos estável. Em conseqüência, os acetilenos fornecem 
produtos de adição de água mais lentamente do que as olefinas.
R
R
R
R
H3O
+
R
R
R
R
H
+ H2O
- H+
R
R
R
R
H OH
R R
H3O
+ + H2O
- H+
R
H
R R
H
R
OH
álcool
enol
Comparação da Reatividade de Olefinas e Acetilenos 
 Frente a Hidratação em Meio Ácido
 
 
Fim de Destaque 
 
 
 
2.2 A Basicidade em Aldeídos, Cetonas, Iminas e Nitrilas: O Caráter 
Eletrofílico dos Átomos de Carbono Pode Ser Amplificado Em Meio 
Ácido 
 
Aldeídos, cetonas, iminas e nitrilas possuem pares de elétrons não 
compartilhados, que lhes conferem características de base de Lewis. 
Considerando que o oxigênio e o nitrogênio possuem volumes semelhantes 
(estão o mesmo período da Tabela Periódica), a eletronegatividade prevalece como 
fator predominante que modula a basicidade. Por exemplo, amônia e aminas são 
mais básicas que a água, álcoois e éteres, pois átomos mais eletronegativos 
compartilham pares de elétrons com os ácidos com mais dificuldade (Esquema 
2.1). 
Por outro lado, quanto mais próximos do núcleo mais fortemente atraídos 
estão os elétrons, tornando-se menos disponíveis para interagir com os ácidos. Os 
orbitais sp2 estão concentrados mais próximos do núcleo do que os orbitais sp3 
(maior contribuição do orbital s para o orbital híbrido) e, conseqüentemente, os 
aldeídos e cetonas são bases bem mais fracas que a água, os álcoois e os éteres, 
como mostram os valores de pKa dos respectivos ácidos conjugados (Esquema 
2.1). Em razão disso, é necessário o uso de ácidos fortes para protonar os 
derivados carbonilados em quantidades apreciáveis. Ácidos de Lewis também se 
coordenam com o grupo carbonila, com afinidades que dependem principalmente 
da natureza do metal. 
Devido a menor eletronegatividade do nitrogênio em relação ao oxigênio, as 
iminas são mais básicas do que os aldeídos e cetonas. Compare o valor de pKa do 
ácido conjugado da piridina,usado como uma aproximação para a basicidade das 
iminas, com o valor médio de pKa dos ácidos conjugados de aldeídos e cetonas. 
O efeito da hibridização nas nitrilas, onde o par de elétrons não 
compartilhado ocupa um orbital sp, diminui a basicidade em relação às iminas 
(basicidade de iminas > nitrilas > aldeídos e cetonas). 
Cabe enfatizar que estes efeitos são muito expressivos, uma vez que a escala 
de pKa é logarítimica. 
Note que o efeito da hibridização tem conseqüências diferentes, se 
consideramos a estabilidade de carbocations ou a basicidade de pares de elétrons 
(comparar os dados mostrados no destaque após a Figura 2.11 e no Esquema 2.1). 
 
 
HA +
O
R R1
O
R R1
pKa ~ -8 a -4
+ A
Esquema 2.1 Basicidade de Aldeidos, Cetonas, 
Aminas e Nitrilas Expressa Pela Medida do pKa 
do Ácido Conjugado
H: :
Et3N: Et3N:H+ HA
pKa = 11
N
+ HA
N:
H
A
pKa = 5,5
+ HA + A
pKa = -1,1
:
C N :R C N :HR
+
+ A
 
 
Início de destaque 
 
O valor de pKa e a medida da acidez 
 
O termo pKa corresponde ao inverso do logaritmo decimal (-log) da 
constante de acidez (Ka) para um ácido determinado. Note que, por ser expresso 
em escala logarítmica, uma variação de uma unidade de pKa corresponde a uma 
diferença de 10 vezes na acidez enquanto uma variação de 2 unidades de pKa 
reflete uma diferença de 100 vezes na acidez. Segundo a equação descrita a 
seguir, o valor do pKa corresponde ao valor do pH onde a ácido está metade 
ionizado. Estes valores são facilmente obtidos quando se pode medir 
espectroscopicamente a concentração de [HA] ou [A-] em meio aquoso, em 
função do pH. 
 
pKa (H2O) = pH + quando [HA] = [A-], pKa = pH
 
log[HA]/[A-] 
 
Esta equação também permite prever a extensão da ionização quando se 
conhece o valor do pKa. Em valores de pH duas unidades superiores ao valor de 
pKa o ácido está praticamente todo dissociado, enquanto que em valores de pH 
duas unidades inferiores ao valor de pKa a dissociação é muito pequena. 
 
Se o pKa de HA é igual a 5, a extensão da ionização em tampão de pH = 7 é:
 5 = 7 + log [HA]/[A-] 
 -2 = log [HA]/[A-] 
 2 = log [A-]/[HA] 
 [A-]/[HA] = 100 
 
Se o pKa de HA é igual a 5, a extensão da ionização em tampão de pH = 3 é:
 5 = 3 + log [HA]/[A-]
 2 = log [HA/[A-]
 [HA]/[A-] = 100 
 
Final de destaque 
 
Exercício 2.X: Calcule a diferença de basicidade entre uma imina, uma 
nitrila e um aldeído ou cetona, usando os valores de pKa mostrados no esquema 
2.1. Use a equação mostrada no destaque anterior. 
 
As formas canônicas para aldeídos/cetonas, iminas e nitrilas protonados 
são mostradas na Figura 2.9 e comparadas com as formas canônicas para estes 
grupos em suas formas não protonadas. Enquanto que em aldeídos e cetonas a 
participação das formas canônicas onde o átomo de carbono está positivo 
(responsável pela eletrofilicidade) requer separação de cargas, nos aldeídos e 
cetonas protonados isto não é necessário e, em adição, a carga positiva muda do 
átomo de oxigênio e se localiza no átomo de carbono, menos eletronegativo. 
Estes dois fatores contribuem para que a forma canônica com o C+ tenha 
contribuição mais importante em meio ácido do que em meio neutro, 
amplificando o carater eletrofílico do carbono da carbonila. Entretanto, a forma 
com carga positiva no átomo de oxigênio tem contribuição importante pois todos 
os átomos apresentam octeto completo. A ativação da carbonila também pode ser 
promovida pelo uso de ácidos de Lewis. 
 Formas canônicas semelhantes também podem ser escritas para iminas e 
nitrilas protonadas (Figura 2.13), amplificando o carater eletrofílico destes 
grupos funcionais pelo aumento da contribuição da forma canônica onde o 
carbono encontra-se positivo. Assim como para aldeídos e cetonas, a ativação 
nestes casos também pode ser feita com o uso de ácidos de Lewis. De fato, como 
o leitor verá ao longo do Capítulo 2, várias reações de adição nucleofílica a 
aldeídos/cetonas, iminas e nitrilas são aceleradas em meio ácido. 
 
 
R R
O
R R
O
R R
N
R
R N R N
Figura 2.9 Contribuição de Formas Canônicas
com Átomo de carbono positivo em Aldeídos, 
Cetonas, Iminas e Nitrilas e suas Formas Protonadas
R R
O
H
R R
O
H
R R
N
R
R R
N
R HH
R N R NH H
R R
N
R
carbonila neutra
imina neutra
carbonila protonada
nitrila neutra
imina protonada
nitrila protonada
 
 
 
Início de destaque 
 
Considerando os comprimentos de ligação mostrados abaixo, podemos 
observar que as forma protonada do formaldeído tem um comprimento de ligação 
C-O mais próximo do formaldeído (ligação dupla) do que do metanol, mostrando 
que a maior contribuição para a estrutura deve-se a forma com carga positiva no 
oxigênio, em razão dos octetos de elétrons estarem completos nos dois átomos. 
 
H
O
H
H
O
H
H
H
H
N
H
H
H
H
N
H
H3C - OH
formaldeido
1,20 A
+
formaldeido
protonado
 1,27 A
+H3C - NH2
metilamina
 1,47 A
imina protonada
1,27 A
Comprimento de ligações carbono-oxigênio
metanol
1,43 A
Comprimento de ligações carbono-nitrrogênio
imina
1,29 A 
 
Fim de destaque 
 
Para compreendermos esta ativação do ponto de vista dos orbitais de 
fronteira, consideremos os dados mostrados na Figura 2.10, sobre a adição de 
nucleófilos neutros, como os álcoois e as aminas, ao grupo carbonila. A adição 
nucleofílica depende, entre outros fatores, da diferença de energia entre o HOMO 
do nucleófilo e o LUMO do eletrófilo. A protonação diminui a energia do 
LUMO (e também do HOMO), com aumento do coeficiente deste orbital sobre o 
átomo de carbono. Como o HOMO do nucleófilo não é afetado (esta espécie não 
está protonada) a energia entre o HOMO do nucleófilo e o LUMO do eletrófilo 
diminui em meio ácido, facilitando a adição nucleofílica. O leitor verá, na 
próxima seção deste capítulo, que a reação entre derivados carbonilados e álcoois 
e aminas é normalmente muito lenta em meio neutro e requer normalmente 
ativação pela adição de ácido ao meio reacional. O leitor encontra material 
suplementar sobre o assunto no Apêndice 2, na seção de Material Suplementar, 
e no CD-Rom, com cálculos de HOMO e LUMO para aldeídos, cetonas, iminas 
e nitrilas protonadas e correlações de suas reatividades frente a nucleófilos 
selecionados. 
 
2.1C A Acidez do Haa em Aldeídos, Cetonas, Iminas e Nitrilas: 
Adição Nucleofílica x Dissociação 
 
As ligações C-H em hidrocarbonetos saturados não apresentam, em geral, 
propriedades ácidas (pKa>40) e não podem ser desprotonadas em condições 
usuais. Porém, este tipo de carbânion (espécie organometálica) pode ser 
preparado in situ pelo tratamento dos correspondentes derivados halogenados 
com metais (Esquema 2.2). 
Entretanto, a presença dos grupos carbonila, imina ou nitrila na estrutura 
torna o Ha relativamente ácido (pKa 20-22) e estas substâncias reagem com 
bases, transformando-se nos correspondentes ánions. Tal qual fizemos para a 
discussão da eletrofilicidade do carbono, a acidez da ligação C-Ha nestas 
funções será mostrada a seguir, segundo a teoria da ligação de valência e o 
método do orbital molecular. 
 Segundo a teoria da ligação de valência, duas formas canônicas podem 
ser representadas para os enolatos gerados pela dissociação da ligação C-Ha em 
aldeídos e cetonas (Esquema 2.2). De forma semelhante, o tratamento de iminas 
e nitrilas com bases gera anions denominadas de azaenolatos e ânions de 
nitrila, respectivamente, onde a estrutura pode ser representada por duas 
estruturas canônicas.As mais contribuintes possuem a carga negativa localizada 
no átomo de nitrogênio, mais eletronegativo que o carbono. Estes ânions são 
denominados de carbânions estabilizados e diferem dos carbânions não 
estabilizados onde a carga negativa está localizada no átomo de carbono. 
Cabe destacar que azaenolatos e ânions de nitrila são estabilizados por 
formas canônicas onde o nitrogênio assume a carga negativa e estes ánions são 
menos estáveis do que as formas canônicas nos enolatos, onde a carga negativa é 
estabilizada pelo oxigênio, mais eletronegativo. Em conseqüência, as ligações C-
Ha em iminas e nitrilas são menos ácidas do que as ligações C-Ha em aldeídos e 
cetonas, como indicam os valores de pKa mostrados no Esquema 2.2. 
 
R
O
R
: :
..
R
O
R
: :
-formas canônicas 
em enolatos
R
O
R
: :
..
Ha
+ B: + BH
R
N
R
:
..
R
N
R
:
-formas canônicas 
em azaenolatos
R R
R
N
R
:
R
+ B:
+ BH
Ha
..
C N: C N:
..
R R
C N:
Ha
R
+ B:
..
+ BH
formas canônicas 
em ánions de nitrila
Esquema 2.2 Formação de Reagentes de Grignard, 
Enolatos, Azaenolatos e Anions de Nitrila. Estabilização 
dos Ânions Segundo a Teoria da Ligação de Valência
+
+
+
R-Br + Mg0 R-MgBr
reagente de Grignard, um organometálico 
(carbânion não estabilizado)
-carga negativa localizada 
no C
pKa R-H > 40
pKa 19-20
pKa 25
Enolatos
Azaenolatos
Ánions de Nitrila
R-H + B:M R-M + B:HX
-carga negativa localizada 
no O
-carga negativa localizada 
no N
-carga negativa localizada 
no N 
 
Do ponto de vista do método do orbital molecular (Esquema 2.3), devemos 
considerar que o orbital s da ligação C-Ha precisa estar coplanar com o orbital p 
da ligação C=O para reagir com a base. Se este arranjo conformacional é 
assegurado, novos orbitais moleculares são formados no enolato, como resultado 
da conjugação do orbital s negativo, gerado pela abstração do Ha com o orbital p 
C =O. A estabilização do enolato deve-se ao orbital p1 onde o par de elétrons é 
deslocalizado pelos três átomos (interação em fase entre os orbitais do sistema p e 
do orbital s). O segundo par de elétrons localiza-se no orbital p2 , de energia mais 
alta, e estes elétrons deslocalizam-se sobre os átomos de carbono (interação em 
fase entre os os orbitais dos átomos de carbono). O terceiro orbital (p3) é o de 
maior energia (interação fora de fase entre os três átomos) e encontra-se vazio no 
estado fundamental. Naturalmente, a conjugação começa a ocorrer no estado de 
transição, diminuindo a energia de ativação da dissociação. Esta distribuição 
eletrônica é semelhante àquela observada para o ânion alila. 
 
 
C O
C
R
H
R
R
C O
C
R
R
R
B:
+ BH
Esquema 2.3 Requisitos Estereoeletrônicos para a Reação de 
Desprotonação de Haa a Grupos Carbonila. Coplanaridade entre 
o Orbital pp e o Orbital ssC-H.
p
C
R1
O
C
R
R
C
R1
O
C
R
R
p1
2e
p3
0e
p2
2e
Energia
C O
C
R
R
R
 
 
Exercício 2.X: Desenhe uma imina e uma nitrila que possuam em suas 
estruturas um átomo de Ha e represente a reação de desprotonação, tal qual foi 
apresentada no Esquema 2.3. 
 
A posição do equilíbrio nesta reação depende da força da base e está 
deslocado na direção de formação do enolato quando o ácido conjugado da base 
é um ácido mais fraco do que o derivado carbonilado (Esquema 2.4). 
 
R
O
R
Ha
+ B:M
R
R
O
+ B:H
: :
: :
..
R
N
R
Ha
+ B:M
R
R
N
+ B:H
:
:
..R R
C R
Ha
:N
+ B:M C R
:N
..
+ B:H
pKa = 20-22
pKa = 22-25
M
M
M
-BM = NaOH, ácido conjugado da base (H2O), pKa 16
reação deslocada na direção do produto carbonilado,
 imina ou nitri la não ionizado.
-BM = R2NM, ácido conjugado da base (R2NH), pKa 37
reação deslocada na direção da dissociação do produto
carbonilado, imina ou nitrila
Esquema 2.4 Desprotonação de Aldeídos, Cetonas, Iminas 
e Nitrilas: A Posição do Equilíbrio e a Força da Base
 
 
 Início de destaque 
 
Em princípio, todo nucleófilo é uma base e vice-versa. Desta forma, como 
o grupo carbonila possui dois sítios eletrofílicos, o carbono da carbonila e o Ha, 
as reações de adição nucleofílica e de dissociação podem ser competitivas. 
Em espécies altamente polarizáveis (com cargas negativas em átomos 
pouco eletronegativos, como o carbono, por exemplo) a nucleofilicidade costuma 
predominar sobre a basicidade. Por outro lado, em espécies muito eletronegativas 
a basicidade pode predominar. O impedimento estérico ao redor do átomo 
negativo inibe a nucleofilicidade enquanto que a basicidade é pouco afetada (há 
um maior impedimento estérico para acesso ao carbono em comparação ao 
hidrogênio, reveja o primeiro destaque deste capítulo). 
Este aspecto será colocado em evidência, ao longo do livro, sempre que 
pertinente. 
 
C O
R
Nu:
d+ d-
Ha
B:
C N
R
Nu:
d+ d-
R
Ha
B:
C N
Nu:
d+ d-
Ha
B:
RRR
aldeídos 
e cetonas
iminas nitrilas
Espécies mais polarizáveis, maior afinidade pelo carbono.
Espécies mais eletronegativas e mais volumosas, maior
afinidade pelo hidrogênio. 
 
Fim de destaque 
 
 
3.3B Adição de Água 
 
Aldeídos, cetonas, iminas, enaminas e nitrilas reagem com a água em 
condições de catálise ácida ou básica. 
Acabamos de discutir, na seção passada, a formação de iminas e 
enaminas e vimos que a reação de hidrólise destas substâncias, regenerarando 
o substrato carbonilado e a amina, ocorre por mecanismo idêntico a sua 
formação (princípio da reversibilidade microscópica). 
Por outro lado, a adição de água a aldeídos e cetonas conduz a formação 
de hidratos (dióis geminais). Esta reação é reversível e o mecanismo é 
mostrado no Esquema 2.14. A atração eletrostática entre o carbono 
carbonílico deficiente de elétrons e os pares de elétrons não compartilhados da 
molécula de água promove a formação do intermediário tetraédrico (ataque 
nucleofílico). Este intermediário está em equilíbrio com os produtos de partida 
e esta reação inversa ocorre com eliminação de água (moléculas neutras 
funcionam como ótimos grupos abandonadores). O equilíbrio entre o 
intermediário e o hidrato envolve uma migração de proton (prototropismo) 
que elimina a instabilidade associada à separação de cargas opostas nos dois 
átomos de oxigênio. 
 
R R
O
+ O
H
H R
O O
H
H
R
ataque nucleofílico
R
HO OH
R
prototropismo
intermediário
tetraédrico
produto 
de adição
Esquema 2.14 Reação de Aldeidos e Cetonas com Água em 
Meio Neutro. Mecanismo da Formação de Hidratos em Meio Neutro
..
..
;
..
.. ..
..
..
..
..
;;
 
 
A posição do equilíbrio depende da natureza dos substituintes ligados ao 
carbono carbonílico, como mostrado nos exemplos selecionados a seguir. Este 
equilíbrio depende de fatores entrópicos e entálpicos. A variação de entropia 
livre (DS0) é negativa pois duas moléculas são transformadas em um único 
produto, desfavorecendo a formação do hidrato em todos os casos. Entretanto, a 
contribuição do termo entálpico (DH0) para a variação de energia livre (DG0) 
depende da estrutura do substrato. 
Consideremos alguns resultados experimentais para depois disto voltar a 
esta questão. Na reação da água com o formaldeido, a formação do hidrato é 
favorecida no equilíbrio. Uma solução com 40% de formaldeido em água, 
denominada de formol, é usada na conservação de espécimes biológicas e peças 
de estudo em laboratórios de Anatomia. Nesta solução, a contribuição do 
hidrato no equilíbrio é maior que 99,9% porém este produto é instávele a 
evaporação da água regenera completamente o formaldeido. 
Por outro lado, numa solução do acetaldeido em água o hidrato contribui 
com apenas 58% para o equilíbrio enquanto que numa solução de acetona em 
água, a quantidade de hidrato no equilíbrio é muito pequena. Em ambos os 
casos, a evaporação de água leva a regeneração completa do derivado 
carbonilado. 
Em contraste, no tricloroacetaldeido e no tricetoindano, os 
correspondentes hidratos são completamente favorecidos no equilíbrio. O 
hidrato do tricloroacetaldeido é estável e pode ser isolado como um sólido 
cristalino. 
Como a reação com água é termodinamicamente controlada, devemos 
analisar o efeito dos substituintes na estabilidade do derivado carbonilado e do 
hidrato formado. Este efeito eletrônico se manifesta mais intensamente nos 
derivados carbonilados, estabilizando-os ou desestabilizando-os, e é 
responsável pelas mudanças observadas na constante de equilíbrio. 
A presença de grupos R1 e R2 doadores de elétrons por efeito indutivo, 
como os grupos metila no acetaldeido e na acetona, atenuam o carater 
deficiente em elétrons do carbono da carbonila, tornando-o menos eletrofílico e, 
portanto, com menor afinidade pela água. Esta menor afinidade se reflete numa 
ligação mais fraca entre o carbono e o oxigênio, tornando o equilíbrio 
entalpicamente desfavorecido. A menor força de ligação C-Nu também se deve 
ao congestionamento estérico ao redor do produto, onde os ângulos são de 
~1090, que aumenta com o volume dos substituintes Por outro lado, a presença 
de grupos retiradores de eletrons por efeito indutivo, como no 
tricloroacetaldeido e no tricetoindano, amplificam o caráter deficiente em 
elétrons do carbono da carbonila, tornando-o mais eletrofílico. Neste caso, a 
maior afinidade pela água se reflete numa ligação mais forte entre o carbono e o 
oxigênio, tornando o equilíbrio entalpicamente favorecido. 
 
R1 R2
O:
+ O
H
H R1 R2
HO OHK1
K-1
R1 R2 Keq
Cl3C H >10
4
 H H >103
 CH3 H ~1
 CH3 CH3
<10-2
H3C CH3
O
d+
d-
 Acetona
efeito doador de elétrons
estabilização da forma 
carboníl ica
Cl3C H
O
d+
d-
 Tricloroacetaldeído
efeito retirador de elétrons
desestabil ização da forma 
carbonílica
O
O
O
+ O
H
H
K1
K-1
O
O
OH
OH
Keq >>1
Tricetoindano
..
:
..
:
..
 
 
 
 O mecanismo da adição de água catalisada por ácido é mostrado no 
Esquema 2.15. A primeira etapa é uma reação ácido-base com a protonação do 
oxigênio do grupo carbonila (formação do oxônio), aumentando o caráter 
eletrofílico do carbono. Em consequência, o ataque nucleofílico pela molécula de 
água (considerada a etapa lenta do mecanismo) é acelerado, aumentando a 
velocidade de formação do ácido conjugado do hidrato. A última etapa do 
mecanismo envolve a dissociação deste cátion ao correspondente hidrato do 
aldeído RCHO (diol geminal). Cabe enfatizar, entretanto, que a posição do 
equilíbrio é afetada somente pela natureza do derivado carbonilado, visto que os 
catalisadores interferem somente nas velocidades das reações (não alteram a 
posição do equilíbrio). 
 
H3C CH3
O
 H
H3C CH3
OH
 H2O
H3C CH3
HO OH2
ion oxônio
 diol geminal 
 protonado
acetona
Esquema 2.15 Reação da Acetona com H2O em 
Meio Ácido: Mecanismo de Formação de Diois 
Geminais
protonação
adição
nucleofílica
 H
H3C CH3
HO OH
 diol geminal
dissociação
 
 
 
 
Um dos experimentos que permitiu evidenciar o aumento da velocidade da 
formação de hidratos em meio ácido envolveu o estudo da reação entre a acetona 
e H2
18O (Esquema 2.16). Embora a constante de equilíbrio seja deslocada no 
sentido dos produtos, a velocidade de aparecimento de 18O na acetona foi 
medida, sendo mais rápida em meio ácido do que em meio neutro. A marcação 
isotópica encontrada na acetona evidencia a etapa de prototropismo, no diol 
geminal protonado, o que possibilita a fragmentação das ligações C-16O e C-18O 
com igual probabilidade. 
 
 
 
H3C CH3
O
H3C CH3
O
+ H
H3C CH3
OH
+ H2O- H2O
H3C CH3
HO OH2
H3C CH3
H2O OH
- H2O
- H
+H2O
H3C CH3
O
+ H2O H3C CH 3
O
+ H2O
H
Etapa de 
Prototropismo
ion oxônio
 diol geminal 
 protonado
H3C CH3
OH
ion oxônio
marcado
+ H
- H
acetona
acetona
marcada
H2O = H2
18O
Esquema 2.16 Reação da Acetona com H2
18O em Meio Ácido
 
 
 
A catálise básica também acelera a velocidade de formação de dióis 
geminais (hidratos) na medida que envolve HO- como espécie nucleofílica 
(melhor nucleófilo que H2O). O mecanismo na presença de catálise básica é 
mostrada no Esquema 2.17. 
 
Esquema 2.17 Mecanismo da Formação de Hidratos 
 Promovida por Catálise Básica
R1 R2
O O OH
R2
..
.. HO
O OH
R2
+
R1
R1
HO OH
R2R1
+ HO:
..
..
R1 R2
O
+ H2O
HO OH
R2R1
HO
: : ::
.. ..
..
..
..
..
..
..
..:
..
..
..
....
..
..
..
:
:
H2O
..
..
+
ataque
nucleofílico
protonação
 
 
Início de destaque 
 
Enolização x Adição Nucleofílica na Reação de Aldeídos e Cetonas 
com o Ion Hidróxido 
 
Para aldeídos e cetonas que possuam pelo menos um átomo de hidrogênio 
no Ca, o hidróxido também atua como base, levando à formação do 
correspondente enolato. Enquanto que a formação do hidrato é uma reação 
“invisível” , pois ocorre a sua decomposição total durante o isolamento da 
reação, a formação de enolatos e subseqüente reação destas espécies com 
eletrófilos (E+) é uma estratégia freqüentemente usada para funcionalizar a 
posição a de aldeídos e cetonas. Este aspecto será discutido em detalhes na 
Seção 2.5. 
R1
O
O OH
R1
HO OH
R1
R
H
R
H
R
R
R
H
R
R2
R
R
O
Enolato
 HO+ Hidrato
E+
R2
O
R
RE
+ H2O
 H2O HO
ataque nucleofíl ico
 
 
Final de destaque 
 
O mecanismo para a adição de água a nitrilas (hidrólise) em meio ácido é 
mostrado no Esquema 2.18 e envolve, na primeira etapa, a protonação do 
nitrogênio com formação de um ion nitrílio. Apesar de sua menor basicidade, 
em meio ácido as nitrilas encontram-se parcialmente protonadas, o que 
aumenta o caráter eletrofílico do carbono sp. Após a adição nucleofílica de 
água ao ion nitrílio, segue-se uma etapa de prototropismo que leva à forma 
protonada de uma amida primária. Dependendo das condições experimentais 
empregadas (natureza e concentração do ácido, temperatura, tempo de reação, 
etc...), pode ocorrer a hidrólise parcial da nitrila à amida primária 
correspondente (mostrada no Esquema 2.17) ou a hidrólise total com formação 
do ácido carboxílico correspondente. Esta última reação não é mostrada no 
esquema e será discutida somente no Capítulo 3. 
 
R-C N + H R-C NH
NHC
R
O
H
H
adição 
nucleofíl ica
NH2C
R
OH prototropismo
C
R
HO
formas 
canônicas
NH2 C
R
O
NH2 + H
dissociação
R-C N + H2O C
R
O
NH2
Esquema 2.18 Mecanismo de hidrólise parcial 
de nitrilas em meio ácido
-H2O +H2O
:
ion nitrílioprotonação
H
 
 
 
Nitrilas também podem sofrer hidrólise em meio básico, através do 
mecanismo mostrado no Esquema 2.19. A primeira etapa envolve o ataque 
nucleofílico do ion hidróxido ao carbono eletrofílico da nitrila, levando a 
formação do ânion imidato correspondente, o qual sofre protonaçao, seguida de 
tautomerização, para formar a amida primária correspondente. Como a reação 
de hidrólise é discutida em detalhes no Capítulo 3, o leitor encontrará neste 
capítulo diversos exemplos de hidrólise de nitrilas. 
 
R-C N + HO - N:C
ROH
adição nucleofílica
R-C N C
R
O
NH 2
Esquema 2.19 Mecanismo de Hidrólise Parcial de 
 Nitrilas em Meio Básico
..
..
:
+ H2O
NHC
R
OH
tautomerismo
HO
..
..
..
..
:
..
:
..
..
+ H2O
..
..
..
: :
C
R
O
NH2
..
: :
..
..
HO
..
..+
ataque
nucleofílico
 
 
 
 
2.3C Adição de Álcoois 
 
A reação de aldeídos e cetonas com álcoois produz um hemiacetal (do 
prefixo Grego hemi, que significa "metade"). Em um hemiacetal um carbono 
encontra-se ligado simultaneamente a uma função hidroxila e a um grupo 
alcoxi. 
 
R R
O
+
R
HO OR
R
aldeídos 
e cetonas hemiacetais
R-OH
 
 
Esta reação ocorre segundo o mecanismo mostrado no Esquema 2.20. O 
ataque nucleofílico de uma molécula de álcool ao carbono da carbonila gera um 
intermediário tetraédrico que sofre uma transferência rápida de próton 
(prototropismo) levando a estrutura do hemiacetal. 
Nestas reações a posição do equilíbrio é fortemente dependente da 
entropia e da entalpia. Para as reações intermoleculares (reações entre uma 
molécula de cetona e uma de álcool, como a mostrada no Esquema 2.20), a 
variação de entropia livre (DS0) é negativa, pois duas moléculas são 
transformadas em um único produto, o que desfavorece a formação do 
hemiacetal. Do ponto de vista entálpico, o DH0 é positivo e também 
desfavorece o hemiacetal. O conjunto dos fatores entálpicos e entrópicos torna 
o DG0 positivo e o equilíbrio é, em geral, deslocado no sentido dos reagentes. 
Assim, nas reações intermoleculares os hemiacetais são termodinamicamente 
favorecidos, porém o derivado carbonilado é totalmente recuperado quando o 
excesso de álcool é removido. 
 
Esquema 2.20 Mecanismo de Adição Nucleofílica 
 à Carbonila a Reação de Aldeídos e Cetonas com
 Álcoois. Formaçãode Hemiacetais em Meio Neutro.
R1 R2
O
+ O
H
R R
1
O O
H
R
R2
ataque 
nucleofílico
HO OR
R2
prototropismo
intermediário
 tetraédrico hemiacetal
R1
d+
d-
R1 R2
O
+ R1
HO OR
R2R-OH
Normalmente um hemiacetal é muito instável 
para ser isolado.
..
: : ..
..
..
:
..
..
..
::
..
....
..
..
..
..
....
 
 
Entretanto, a formação de hemiacetais cíclicos é favorecida nas reações 
intramoleculares (aquelas em que as funções carbonila e álcool estão presentes 
na mesma molécula). Em g-hidroxi e d-hidroxi aldeídos e cetonas o equilíbrio 
está deslocado para os produtos, com formação dos hemiacetais cíclicos de 5 e 
6 membros, respectivamente. Nestes casos, o termo DS0 é menos desfavorável 
que na reação intermolecular pois uma molécula de reagente é transformada em 
uma molécula de produto (embora haja uma perda de liberdade rotacional 
quando um produto cíclico se forma). 
 Nos exemplos a seguir, os g- e d-hidroxi aldeídos gerados pela clivagem 
oxidativa da ligação dupla carbono-carbono (nestes exemplos, a reação de 
ozonólise foi empregada) forneceram espontaneamente os correspondentes 
hemiacetais cíclicos. No primeiro exemplo, o hemiacetal é formado como uma 
mistura racêmica pois o ataque às faces enantiotópicas do aldeído formado é 
igualmente favorecido. No segundo exemplo, a presença de um centro 
estereogênico na molécula faz com que as faces da carbonila sejam 
diastereotópicas e, neste caso, os dois epímeros são formados em quantidades 
diferentes. 
O
O OH
O
O
O
OH
O
O O
OH
1- O3, CH2Cl2
2- Me2S
espontâneo
75%
+ HCOH
carbonila com
faces enantiotópicas
mistura racêmica 
 
 
 
O
O
OH O
O
O
OH
O
O
O
OH
mistura de epímeros no 
carbono anomérico
1- O3, CH2Cl2
2- Me2S
expontâneo
67%
+ HCOH
carbonila com
faces diastereotópicascentro
estereogênico
 
 
 
Início de destaque 
 
Proquiralidade e a formação de hemiacetais Cíclicos de Seis 
Membros 
 
O esquema mostra o ataque intramolecular a cada uma das faces de uma 
carbonila pro-quiral, para a formação de um hemicetal cíclico de 6 membros. O 
ataque pela face Si da conformação C1 e o ataque pela face Re da conformação 
C2 levam a produtos que são enantiômeros entre si. Como esta reação é 
termodinamicamente controlada e enantiômeros possuem a mesma energia em 
meio aquiral, uma mistura racêmica (quntidades iguais dos enantiômeros) é 
formada. Note que as faces Si da conformação C1 e a face Re da conformação C2 
são as faces de trás do plano do papel. Para tornar a explicação mais didática a 
hidroxicetona foi desenhada em dois arranjos conformacionais (C1 e C2) que se 
assemelham aos correspondentes produtos de ciclização. 
 
O
Me
OH
O
OH
Me
O:
O
Me
O: O
Me
H
H O
O
OH
Me
Me
OH
conformação c1
conformação c2
enantiômeros
Face Si
Face Re
 
 
 Final de destaque 
 
A D-glicose (Esquema 2.21) existe em duas formas cíclicas que diferem 
apenas na configuração do carbono anomérico (C-1), sendo denominadas de a-
D-glicose ([a]D = +18,7) e b-D-glicose ([a]D = +112). Estas substâncias são 
diastereoisômeros ou epímeros no carbono anomérico (veja apêndice “Introdução 
a Química dos Monossacarídeos”, no CD-Rom). Quando um desses isômeros é 
dissolvido em água, a rotação óptica da solução varia gradualmente até atingir o 
valor de [a]D = +52,7. Esse fenômeno é conhecido como mutarrotação e reflete 
a interconversão das formas cíclicas da glicose via forma acíclica. As 
concentrações destas formas cíclicas no equilíbrio contêm aproximadamente 
64% do anômero bb e 36% do anômero aa . Estas proporções diferentes são 
devidas ao fato de que os anômeros a e b são diastereoisômeros e, portanto, 
apresentam energias diferentes mesmo em meio aquiral. Estes anômeros são 
produzidos por ataque da hidroxila sobre as faces diastereotópicas da carbonila 
aldeídica. A interconversão das duas formas anoméricas da glicose ocorre através 
do mecanismo de formação de hemiacetais, já discutido anteriormente, e está 
sujeita à catálise ácida ou básica. Entretanto, este equilíbrio se estabelece, 
embora mais lentamente, em meio neutro. 
 
HO
O
H
H
HO
H
H
OHH
OH
OH
H
CHO
OH
HHO
OHH
OHH
CH 2OH
HO
O
H
HO
H
OH
H
H
H
OH
OH
HO
OH
H
H
HO
H
H
OHH
O
OH
b-D-glicose
D-glicose
a-D-glicose
1
1
1
[a]D = +18,7
HO
OH
H
H
HO
H
O
OHH
OH
H
 [a]D = +112
 -representação de Fisher
 -presença de centros quirais 
 nos carbonos 2, 3, 4 e 5
-grupo carbonila com faces
 diastereotópicas
 - o equlíbrio é deslocado 
no sentido das formas cíclicas
e estabelece-se mesmo na 
ausência de catál ise
Esquema 2.21 A Glicose e o Fenômeno da Mutarotação
 
 
Como vimos anteriormente, a reação de aldeídos e cetonas com álcoois em 
meio neutro conduz a um equilíbrio onde predominam os compostos 
carbonilados, mesmo quando álcoois são usados em excesso. 
Entretanto, na presença de quantidades catalíticas de ácidos os aldeídos e 
cetonas reagem com dois equivalentes de álcoois, formando acetais e um 
equivalente de água. Os acetais são estáveis em meio neutro e básico e são 
freqüentemente usados para mascarar o grupo carbonila (grupos de proteção) em 
trabalhos de Síntese Orgânica. 
 
+ R-OHR1 R2
O HO OR
R2R1
um hemiacetal
+ 2 R-OHR1 R2
O RO OR
R2R1
um acetal (IUPAC)
H+
+ H2O
cetal (nome comum) 
 
 Em meio ácido, os hemiacetais inicialmente formados sofrem reação 
promovida por catálise ácida com um segundo equivalente de álcool, para 
formar acetais e água. 
 
H+
+ R-OH
R1 R2
O HO OR
R2R1
hemiacetal
ion oxônio
+ H+
R1 R2
OR
+
- H2O
+ ROH RO OR
R2R1
H
+
- H+ RO OR
R2R1acetal 
 
A formação de acetais tem uma entalpia livre de formação ligeiramente 
positiva, sendo portanto desfavorável neste aspecto. Do ponto de vista da 
entropia, a reação também é desfavorável pois três moléculas são reunidas para 
formar o acetal mais uma molécula de água, restringindo o grau de liberdade nos 
produtos. Entretanto, o uso de excesso de álcool ou remoção de água do meio 
reacional permite deslocar o equilíbrio para a formação dos acetais, enquanto que 
a adição de água ao meio reacional promove a reação inversa. 
Para aldeídos de baixo peso molecular a formação do acetal 
correspondente é alcançada mediante tratamento com dois equivalentes de álcool 
e catálise ácida. Para aldeídos maiores, a constante de equilíbrio é, em geral, 
desfavorável à formação do acetal, sendo necessária catálise ácida e a utilização 
de um grande excesso do álcool (que é usado como solvente) para deslocar o 
equilíbrio. A formação de acetais a partir de cetonas e álcoois simples, como o 
etanol, a remoção contínua da água formada no processo é essencial. Isto é 
conseguido pela destilação azeotrópica com tolueno ou benzeno. Quando o 
álcool utilizado é o etanol, o azeótropo apresenta p.e. 64,6 oC contendo 7% de 
água, 74% de benzeno e 19% de etanol. 
Os exemplos a seguir mostram a formação de acetais a partir de aldeídos 
e cetonas. O ácido p-toluenosulfônico (p-TsOH) é o catalisador ácido mais 
comumente usado para esta transformação. 
 
O 2 CH3OH
H3CO OCH 3TsOH cat.
tolueno, refluxo
 (Dean-Stark)
SO3H
TsOH =
ácido p-toluenossulfônico
H
O
NO2
2 CH 3OH
HCl cat.
temperatura
ambiente
OCH 3
NO2
O CH3
(76-85%)
 
 
 
 
O mecanismo de adição nucleofílica de álcoois à carbonila catalisada por 
ácidos é mostrado no Esquema 2.22. A primeira etapa consiste da protonação 
rápida do oxigênio da C=O formando o íon oxônio 1, que é estabilizado por 
ressonância. Note que a forma de ressonância onde o átomo de oxigênio é 
positivo é contribui significativamente, apesar deste átomo ser eletronegativo, 
pois tanto o carbono quanto o oxigênio apresentam octeto completo de eletrons. 
A próxima etapa é o ataque nucleofílico do álcool ao oxônio 1, levando à 
formação de um intermediário tetraédrico contendo carga positiva, enquanto que 
a reação inversa requer a eliminação de álcool. Uma etapa de prototropismo 
transfere a carga positiva para o oxigênio do grupo hidroxila, formando o 
hemiacetal protonado. O próximo passo é a eliminação de água que ocoorre com 
a assistência do par de elétrons não compartilhados no grupo alcóxi, conduzindo 
ao íon oxônio 2. Cabe destacar que a velocidade desta transformação depende da 
concentração de ácido pois a protonação do grupo hidroxila enfraquece a ligação 
C-O. 
Como a reação é conduzida na presença de excesso de álcool, o ion 
oxônio 2 sofre adição nucleofílica do álcool, com formação do ácido 
conjugado do acetal que, após dissociação, fornece o acetal. 
Vale a pena ressaltar, mais uma vez, que todas as etapas do mecanismo são 
reversíveis e que o tratamento de um acetal com água na presença de catalisador 
ácido fornece o composto carbonílico de partida mediante inversão de todas as 
etapas descritas acima (hidrólise). O ÑH desta reação depende da espécie 
carbonilada, porém em geral é desfavorável (~+4 Kcal/mol). 
Na natureza encontramos exemplos muito importantes de formação de 
acetais, como na biossíntese de polissacarídeos a partir de monossacarídeos e a 
na glicosidação de produtos do metabolismo secundário. Azaacetais também são 
extremamente importantes, pois este fragmento está presente na estrutura de 
nucleosídeos e nucleotídeos, por exemplo. O leitor encontra no apêndice 
“Introdução á Química dos Monossacarídeos” abrangente material ilustrativo 
sobre o assunto. 
 
 
Esquema 2.22 O Mecanismo de Adição Nucleofílica à Carbonila 
Catalisada por Ácidos.Formação de Acetais.
R1 R2
O
+
O
H
R
R1
O O
H
R
R2
ataque 
 nucleofílico
intermediários
 tetraédricos
R1 R2
O
+
R1
RO OR
R2
R-OH
H R1 R2
O H
R1 R2
O H
íon oxônio 1protonação
H
 hemiacetal
protonado
R1 R2
O R
R1 R2
O R
íon oxônio 2
O
H
R
R1
O O
H
R
R2
acetal protonado
R
ataque 
nucleofílico
acetal
dissociação
+ H+
2
H+
..
..
:
..
: : : :
..
..
..
.. ;
..
.. ..
..
..
..
..
R1
RO OR
R2
..
..
..
..
: :
..
..
R1
O O
R
R2
H ....
H
..
prototropismo
desidratação
H2O :..
+ H2O
:
:
 
 
Aldeídos podem ser transformados em isopropiliedeno acetais em 
condições brandas (uso de temperatura ambiente, t.a.) empregando-se catálise 
ácida (p-TsOH ou HBr) na presença de 2,2-dimetoxipropano (DMP) em MeOH, 
como é mostrado no exemplo a seguir. 
 
O
O O
O
O Br
OMe
OMe
MeO OMe
HBr anidro, MeOHBr
t.a.
(DMP)
 
 
 
 Os acetais também são freqüentemente produzidos pela reação de troca 
com ortoésteres. Observe que nestas reações também há a captura da água pelo 
ortoéster, que se hidrolisa ao formiato de etila mais etanol, que é usado na reação 
de acetalização. Neste caso, uma resina ácida trocadora de íons (Amberlyst-15) 
foi empregada em lugar de ácidos próticos. A vantagem do uso de resinas está na 
facilidade de isolamento do produto. Como as resinas são materiais poliméricos 
insolúveis, são facilmente eliminadas ao final da reação por simples filtração. 
 
O
EtO OEt
HC(OEt) 3
ortoformato
de etila
Amberlyst-15
0-5oC
100%
+ +
H OEt
O
 
 
 Exercício 2.X: Tente propor um mecanismo que explique a reação 
anterior. Qual é a fonte inicial de álcool? 
 
Embora a posição de equilíbrio não dependa da velocidade da reação, as 
condições para se chegar ao equilíbrio deverão ser mais enérgicas à medida que a 
reatividade do aldeído ou cetona diminui. Isso ocorre com aldeídos aromáticos 
(principalmente aqueles em que o anel aromático contém grupos doadores de 
elétrons nas posições orto ou para), como no exemplo a seguir onde o piperonal 
é transformado no correspondente dimetilcetal. Estes aldeídos são menos reativos 
do que os aldeídos alifáticos e nestes casos as condições reacionais são mais 
drásticas (refluxo por várias horas). O mesmo perfil de reatividade é também 
observado para as cetonas conjugadas, também chamadas genericamente de 
benzofenonas. 
O
O
O
HC(OMe) 3
NO3NH 4
refluxo
O
O
OMe
OMe
O
O
O
..
O
O
O
+
-
-Estruturas de ressonância envolvendo o grupo metilenodioxi, 
o anel aromático e a carbonila. O carater deficiente em elétrons 
do carbono da carbonila é atenuado.
78%
..
::
:
::
+ HCO2Me
:
piperonal
 
 
 Exercíco 2.X: No espectro de RMN 13C do benzaldeído, o grupo C=O 
absorve a xxd, enquanto que no piperonal a absorção deste grupo ocorre em xxd. 
Por outro lado, o grupo C=O absorve a xx cm-1 no espectro de infravermelho, 
enquanto que a absorção deste grupo no piperonal ocorre em xx cm-1. Como 
estes dados podem ser explicados à luz das formas canônicas que podem ser 
escritas para estes dois aldeídos? Qual o mais reativo frente a nucleófilos? 
 
A reação de aldeídos e cetonas com 1,2-dióis e 1,3-dióis fornece acetais 
cíclicos, como é mostrado nos exemplos a seguir. Estes diois são empregados 
como espécies nucleofílicas nos casos em que a formação de acetais é pouco 
favorável termodinamicamente. Embora a entalpia livre da reação não se altere 
significativamente com o uso destes diois, estas reações são mais favorecidas 
entropicamente em relação às reações envolvendo álcoois, pois a formação da 
segunda ligação C-O é uma reação intramolecular que resulta na formação de 
anéis de 5 ou de 6 membros.R1 R2
O
+
R1
HO O
H+
H+,
R1 R2
etapa favorecida 
 entropicamente
acetal
cíclico
HO OH( )n
OH
R2
( )
n
 H2O
n=0 1,2-etanodiol ou
 etilenoglicol
n=1 1,3-propanodiol ou
 propilenoglicol
OO
( )
n
 
 
Início de destaque 
 
1,1-Etilenodioxicicloexano. 
 
+ OHHO
O
TsOH cat.
benzeno
refluxo
+ H2O
OO
(75-85%) 
 
Em um balão adicionou-se 118 g (1,20 mol) de cicloexanona, 82,0g (1,32 
mols) de etilenoglicol, 250 mL de benzeno e 0,05 g de ácido p-toluenosulfônico 
monoidratado. O balão foi conectado a uma aparelhagem Dean-Stark e a mistura 
reacional foi aquecida (cerca de 6 horas) até que a quantidade teórica de água 
(216 mL) fosse coletada no armazenador da aparelhagem Dean-Stark. A mistura 
foi resfriada a temperatura ambiente e lavada sucessivamente com uma solução 
aquosa a 10 % de NaOH e com porções de água. A fase orgânica foi tratada com 
K2CO3 anidro e filtrada. Destilação fracionada (em coluna Vigreux) forneceu um 
líquido incolor (128-145 g; 75-85 % de rendimento; p.e. 65-67oC a 13 mmHg). 
 
Fim de destaque 
 
 A reatividade da carbonila é muito dependente do ambiente onde este 
grupo está inserido. Em substâncias contendo mais de um grupo carbonila na 
estrutura, a acetalização pode ser realizada de forma quimiosseletiva. 
A maior reatividade de aldeídos em relação a cetonas pode ser observada 
nos exemplos mostrados a seguir. 
 
Quimiosseletividade refere-se à diferenciação 
entre grupos funcionais semelhantes presentes 
na mesma molécula
OEt
O
H O
HC(OCH 3)3
TsOH cat.
CH3OH anidro
refluxo
OEt
O
H3CO OCH3
 
 
AcO
CHO
O
HCl anidro
CH3OH
refluxo
AcO
O
OCH3
OCH3
 
 
Como antecipamos na discussão do mecanismo (Esquema 2.22), a 
reação de acetalização é reversível e a posição do equilíbrio depende da 
remoção ou adição de água ao meio reacional. Os diversos tipos de acetais são 
facilmente hidrolisados na presença de ácido aquoso, regenerando a substância 
carbonilada e o álcool. 
 
O
H3CO OCH3
HCl + 2 CH 3OH
O
O OH
HCl
H2O
OH
O
+ H2O
+
HO
OH+ 
 
Tanto as reações de acetalização como as reações de hidrólise de acetais 
ocorrem, em geral, em bons rendimentos. Por este motivo, os acetais são usados 
em síntese orgânica como grupos de proteção para aldeídos e cetonas, 
mascarando temporariamente estas funções e permitindo que transformações 
químicas envolvendo reagentes básicos ou nucleofílicos sejam efetuadas em 
outras partes da molécula. Finalmente, a carbonila pode ser regenerada mediante 
hidrólise ácida da função acetal. Cabe enfatizar que uma série de álcoois e diois 
são disponíveis industrialmente a preços reduzidos, compatibilizando esta 
estratégia com aplicações industrias visando a síntese de substâncias de alto valor 
agregado. 
As reações de acetalização seletivas mostradas anteriormente, onde um 
aldeído foi protegido na presença de uma cetona, são muito úteis em Síntese 
Orgânica. Em geral nucleófilos adicionam-se mais rápido a aldeídos do que a 
cetonas e, se necessitarmos fazer uma adição nucleofílica à cetona, é necessário, 
em geral, primeiro proteger o grupo aldeído na forma de um acetal que não reage 
com nucleófilos. O acetal pode ser facilmente hidrolizado ao aldeído, após adição 
do nucleofílica à cetona, e o resultado das duas transformações é a adição 
seletiva do nucleófilo à cetonas na presença do aldeído . 
 
O O
R
Nu-
O
RNu
HO HH+
HO OH
H+
O
R
O
O
Nu-
H3O
+ O
R
NuHO
-adição nucleofílica
-hidrólise do grupo acetal
carbonila mais reativa
Grupo de proteção
 
 
 
Enquanto que a diferença de reatividade entre aldeídos e cetonas é de 
natureza estérica e eletrônica, entre duas carbonilas de cetonas esta diferença é de 
natureza predominantemente estérica. No exemplo a seguir a carbonila cetônica 
no anel B é neopentílica (apresenta carbono quaternário na posição a) e 
estericamente bastante impedida. Consequentemente, a carbonila cetônica no 
anel A, menos impedida e portanto mais reativa, pode ser acetalizada de forma 
quimiosseletiva. 
 
O
O
A B
O
A BO
O
, TsOH cat.
tolueno,refluxo
(Dean-Stark)
HO OH
 
 
 
 Por outro lado, a diferença de reatividade entre duas carbonilas presentes 
na mesma molécula pode ser predominantemente de natureza eletrônica. No 
exemplo seguinte, a carbonila benzílica está desativada pela ressonância com o 
anel aromático e, desta forma, a metilcetona pode ser quimiosseletivamente 
acetalizada. Esta reação foi usada por G. Stork e cols durante a síntese do lupeol, 
um terpeno isolado de plantas. 
 
, TsOH cat.
tolueno,refluxo
(Dean-Stark)
HO OH
OO
MeO
O
MeO
OO
O
MeO MeO
O
estruturas de ressonância envolvendo grupo metoxi,
 anel aromático e carbonila
..
..
: : ::
..
..
cetona
benzílica
metil
cetona
 
 
Aldeído e cetonas também podem ser cetalizados seletivamente na 
presença de outras funções, o que torna esta reação especialmente interessante 
como grupo de proteção. Alguns exemplos de cetalização quimiosseletiva são 
mostrados a seguir. 
No primeiro caso temos a cetalização de uma cetona neopentílica, que 
apresenta um forte impedimento estérico para reações de adição nucleofílica. A 
reação requer refluxo sob alta temperatura (tolueno, pe 1100), remoção contínua 
de água e excesso de etilenoglicol, e apesar disto ocorre de forma seletiva. 
 
O
TsOH cat.
tolueno
refluxo, 86%
HO
OH
CO2CH3
SO2Ph
CO2CH3
SO2Ph
OO
 
 
Nos exemplos seguintes, a cetona é cetalizada de forma quimiosseletiva na 
presença de uma amida, de um cloro e de uma olefina, mostrando ao leitor que 
estas funções são inertes nas condições reacionais empregadas. 
 
 
O
OH OH O
O
Cl
O
OMe
OMe
Cl
MeOH,
H+
N
O
O
H
Et
TsOH, PhH,
HOCH2CH2OH
 85%
N
O
H
EtO
O
HH
 
 
Reações quimiosseletivas, como as que acabamos de ver, são sempre muito 
úteis em Síntese Orgânica pois mascaram os grupos aldeído e cetona carbonila 
mais reativos, na forma de um acetais, permitindo que se realize reações de 
adição nucleofílica no derivado carbonilado menos reativo (éster, amida). Após a 
hidrólise do acetal, o resultado global é a adição seltiva do nucleófilo a estas 
funções menos reativas. Estes procedimento é idêntico ao mostrado 
anteriormente, para diferenciar entre aldeídos e cetonas. 
 
 
O O
X 1-Nu-
O
XNu
HO H2-H+
HO OH
H+
O
R
O
O
Nu-
H3O
+ O
O
Nu
-substituição nucleofílica (capítulo 3)
-hidról ise do grupo acetal
R
X=OR ou NR2
R R
Processo direto, adição ao grupo carbonila mais reativo
Uso do grupo de proteção, 
adição ao grupo carbonila 
menos reativo
 
 
 Ao longo do livro, a medida que formos estudando as reações dos 
derivados carbonilados, exemplos selecionados de reações em sistemas 
polifuncionais serão discutidos. O uso dos cetais como grupo de proteção em 
diversas reações será colocado em evidência. 
 Muitas vezes a substância de valor agregado que se deseja manipular é 
um diol e não um derivado carbonilado. Nestes casos a proteção da função diol 
(usualmente 1,2 e 1,3-dióis) pode ser feita através de uma reação de 
acetalização, usando agora aldeídos ou cetonas disponíveis comercialmente a 
baixo custo, tais como a acetona, a cicloexanona e o benzaldeído. Nestes casos, 
a formação de um produto cíclico favorece a reação do ponto de vista 
entrópico, o que permite, em geral, o uso de condições reacionais brandas. 
No exemplo a seguir, descrito por D. Evans, o grupo 1,3-diol é protegido 
na forma do correspondente acetal da acetona por reação com o 2,2-
dimetoxipropanoem meio ácido, à temperatura ambiente. Note que as 
condições são compatíveis com a presença na molécula de um álcool primário 
protegido na forma de seu éter de silício. 
 
 
O
MeMe
OH OH
MeO OMe
TsOH cat., t.a.
O
MeMe
TIPS O O
+ 2 MeOH
Si
TIPS = tri isopropilsili l 
 
Os derivados do ácido tartárico são muito empregados como 
coadjuvantes quirais em síntese assimétrica. A transformação do tartarato de etila 
nestes derivados requer freqüentemente a proteção das hidroxilas alcoólicas. Isto 
pode ser feito, por exemplo, pela reação com o benzaldeído. 
 
OHHO
EtO2C CO 2Et
O
+
EtO2C CO2Et
OO
Ph
pTsOH, Bz
 
 
 
 Exercício 2.X: No produto da reação do benzaldeído com o tartarato de 
etila, mostrado anteriormente, o carbono acetálico não é um centro estereogênico. 
Por quê? 
 
Um outro exemplo interessante é a proteção seletiva de dióis vicinais no 
D-manitol, um derivado da glicose muito usado como matéria prima em Síntese 
Orgânica. O tratamento deste poliol com 2,2-dimetoxipropano em meio ácido 
conduz ao correspondente dimetilacetal de forma seletiva. Na verdade, outros 
produtos se formam, em quantidades pequenas e o produto principal, no 
rendimento mostrado, pode ser obtido em forma pura por cristalização. 
 
OH
OHOH
OH
OH
HO
O
OOH
OH
O
O
MeO OMe
TsOH cat., t.a.
+ 2 MeOH68% 
 
 Início de destaque 
 
Acetais também podem ser usados para proteger álcoois. Um dos acetais 
mais populares é o tetraidropirano (THP). Este acetal é preparado pelo 
tratamento dos álcoois ou fenóis com di-hidropirano (DHP) em meio ácido. A 
protonação do DHP gera um oxônio semelhante ao formado na reação de 
acetalização, o qual atacado peloálcool ou fenol, leva ao acetal. Este grupo pode 
ser removido em condições bastante brandas. 
 
MeO OH
O
MeO O O
DHP
THPHOCCO 2H
H2O
TsOH
O
H+
O
H
..
..
O
H
..
 
 
Fim de destaque 
 
Exercício 2.X: A proteção de alcoois e fenóis com THP gera no acetal um 
centro estereogênico e uma mistura racêmica é obtida a partir de alcoois e fenóis 
aquirais. Explique este fato através do mecanismo da reação. O que acontece se o 
álcool já tem um centro estereogênico na molécula?. Isto acarreta algum 
problema? 
 
Exercício 2.X: O grupo de proteção MOM para álcoois é um acetal. Como se 
passa a hidrólise deste grupo em meio ácido. Proponha o mecanismo. Atenção, o 
ClMOM é altamente cancerígeno e deve ser manipulados com luvas e em capela. 
 
MeO OH
Cl O
cloreto de MOM
MeO O O
HCl, H2O
 
 
 Exercício 2.X: Descreva o produto da reação abaixo. Por que somente o 
isômero Z reage? 
OHHO
OMeMeO
TsOH
?
OH
HO
OMeMeO
TsOH
não
reage
 
 
 
Para uma amostra a seção de Material Suplementar ver as páginas a 
seguir: 
 
Formaldeído 
 
 Eteno 
 
 
 
 
 
1a 1b 2a 
2b 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A figura acima mostra os orbitais moleculares e as características eletrônicas 
da ligação dupla no formaldeído (série a) e no eteno (série b). Estas 
representações foram elaboradas a partir do cálculo ab initio. 
Em 1a e 1b, temos as representações dos orbitais atômicos p cuja interação, 
fora de fase, origina os orbitais moleculares antiligantes pp* (LUMO) 
correspondentes, mostrados na representações 2a e 2b. 
Em 3a e 3b são representados os mesmos orbitais atômicos p, cuja interação, 
agora em fase, dá origem aos correspondentes orbitais ligantes pp , mostrados na 
representações 4a e 4b. 
O par de elétrons da ligação dupla localiza-se, no estado fundamental, no 
orbital p (4a e 4b) onde a região de maior probabilidade de encontrar os elétrons 
situa-se acima e abaixo do plano que contem os átomos do grupo carbonila 
(região em azul e vermelho). O orbital p* fica vazio no estado fundamental e é 
com este orbital, cuja forma mostrada em azul, que o par de elétrons do nucleófilo 
vai interagir. 
 Podemos notar que em 2a (orbital p* do formaldeído) a região de maior 
probabilidade para receber o par de elétrons do nucleófilo está localizada no 
átomo de carbono, resultando das características deste orbital uma alta 
eletrofilicidade para o carbono. 
Por outro lado, em 2b (orbital p* do eteno) a região de maior probabilidade 
para receber o par de elétrons do nucleófilo é igualmente distribuiída pelos dois 
átomos de carbono, resultando das características deste orbital uma baixa 
eletrofilicidade para estes carbonos. 
 A figura acima mostra as superfícies de potencial eletrostático para o 
formaldeído e o eteno, representados perpendiculares ao plano do papel e no 
3a 3b 
4a 4b 
5a 
5b 
plano papel, respectivamente. Quanto mais vermelha mais rica em elétrons é a 
região da molécula, enquanto que a ênfase na cor azul corresponde a regiões 
pobres em elétrons. 
Note que para o formaldeído (5a) o oxigênio é rico em elétrons enquanto que 
o carbono é deficiente em elétrons. Por outro lado, no caso do eteno o centro da 
ligação é rico em elétrons e os hidrogênios fracamente deficientes em elétrons. 
A comparação destes dados mostra coerência com os resultados 
experimentais. Assim, enquanto que o formaldeído reage com nucleófilos por 
ataque no átomo de carbono, as olefinas reagem com eletrófilos. 
 
 Todos os cálculos foram realizados no programa Spartan Pro 1.0.5 utilizando cálculos Hartree 
Fock 6-311+G**, sendo a superfície de potencial eletrostático abrangendo escala de -25,00 a 25,00 e as 
superfícies orbitalares utilizando um isoValue=0,032. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Formaldeído 
 
Acetaldeído 
 
Acetona 
 
LUMO 
 
HOMO 
 
A BC
 
 
 
Na figura acima estão mostrados os orbitais p* (LUMO) e as superfícies 
de potencial eletrostático para o formaldeído, o acetaldeído e a acetona. 
As representações A, B e C correspondem aos orbitais LUMO 
destes três compostos, respectivamente. Observe como este orbital é mais 
concentrado no átomo de carbono do formaldeído, estando 
progressivamente mais disperso no acetaldeído e na acetona, onde os 
átomos de hidrogênio também apresentam uma certa deficência em 
elétrons. Esta representação é coerente com o efeito doador de elétrons 
dos grupos metila ligados a carbonila, onde a proposta de 
hiperconjugação possibilita a proposição de uma série de estruturas 
canônicas onde os átomos de hidrogênio apresentam carga positiva. 
As representações D, E e F. mostram que em todos os casos a região 
ao redor do átomo de oxigênio é rica em elétrons. Enquanto que no 
formaldeído o átomo de carbono apresenta forte deficiência em elétrons 
(D), no acetaldeído e na acetona esta deficiência eletrônica é 
compartilhada com os outros átomos do sistema. Estes dados, em 
conjunto, explicam a maior reatividade do formaldeído sobre o 
acetaldeído e a acetona. 
Deve-se considerar, ainda, que o impedimento estérico gerado pelos 
grupos metila também reduz a reatividade do acetaldeído e, mais ainda, 
da acetona. 
 
Todos os cálculos foram realizados no programa Spartan Pro 1.0.5 
utilizando cálculos Hartree Fock 6-311+G**. 
 
 Imina do 
Formaldeído 
 
Imina do 
Acetaldeído 
 
Imina da 
Acetona 
 
D
E
F
LUMO 
 
 
HOMO 
 
 
 
 
Na figura acima estão mostrados os orbitais p* (LUMO)e as 
superfícies de potencial eletrostático para o as iminas derivadas do 
formaldeído, acetaldeído e acetona com a amônia. 
As representações A, B e C correspondem aos orbitais LUMO 
destes três compostos, respectivamente. Observe como no na imina do 
formaldeído este orbital é mais concentrado no átomo de carbono, porém 
também envolve o átomo de hidrogênio ligado ao nitrogênio, e o átomo 
de hidrogênio ligado ao carbono, queestá em posição cis em relação a 
este hidrogênio. Este orbital está menos concentrado no carbono nas 
iminas do acetaldeído e da acetona. 
As representações D, E e F. mostram que em todos os casos a região 
ao redor do átomo de oxigênio é rica em elétrons. Enquanto que no 
formaldeído o átomo de carbono apresenta forte deficiência em elétrons 
(D), no acetaldeído e na acetona esta deficiência eletrônica é 
compartilhada com os outros átomos do sistema. Estes dados, em 
conjunto, explicam a maior reatividade do formaldeído sobre o 
acetaldeído e a acetona. 
Da mesma forma que para os aldeídos e cetonas, deve-se considerar 
que o impedimento estérico gerado pelos grupos metila também contribui 
para reduzir a reatividade da imina do acetaldeído e, mais ainda, da imina 
da acetona. 
 
 
B
C
D
E
F
 Formaldeído 
 
Acetaldeído 
 
Acetona 
 
LUMO 
 
HOMO 
 
 
 
 
 
Na figura acima estão mostrados os orbitais p* (LUMO) e as 
superfícies de potencial eletrostático para as formas protonadas (íons 
oxônio) derivadas do formaldeído, acetaldeído e acetona com a amônia. 
As representações A, B e C correspondem aos orbitais LUMO 
destes três compostos, respectivamente. Note como o coeficiente para o 
átomo de carbono, representado em azul, é grande em todos os casos. 
As representações D, E e F mostram que em todos os casos a região 
ao redor do átomo de oxigênio é rica em elétrons e, independente da 
estrutura, o átomo de carbono apresenta forte deficiência em elétrons. 
Estes dados, em conjunto, explicam o aumento da eletrofilicidade destas 
substâncias em suas formas protonadas.. 
 
 Imina do 
Formaldeído 
 
Imina do 
Acetaldeído 
 
Imina da 
Acetona 
 
LUMO 
 
HOMO 
 
 
 
 
 
 
 A mesma tendência é observada nas iminas protonadas (íons imínio), 
como mostra a figura acima. A concentração do LUMO (coeficiente do 
LUMO) no átomo de carbono é grande em todos os casos, assim como o 
carater deficiente em elétrons do grupo carbonila, dados estes que 
também são compatíveis com o aumento da eletrofilicidade das iminas 
em suas formas protonadas.