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ÁCIDOS CARBOXÍLICOS E DERIVADOS Farmácia – QMC 1104 1 • Ácidos carboxílicos são substâncias com um grupo carboxila (–COOH). Essas substâncias são abundantes na natureza, sendo responsáveis por vários odores conhecidos. • Os ácidos carboxílicos são também encontrados em uma ampla gama de produtos farmacêuticos que são usados para tratar inúmeros problemas. ÁCIDOS CARBOXÍLICOS 2 • A cada ano os Estados Unidos produzem mais de 2,5 milhões de toneladas de ácido acético a partir de metanol e monóxido de carbono. A principal utilização do ácido acético é na síntese do acetato de vinila, usado em tintas e adesivos. • O acetato de vinila é um derivado do ácido acético e, portanto, é considerado um derivado de ácido carboxílico. Como veremos, os ácidos carboxílicos e seus derivados ocupam um papel central na química orgânica. ÁCIDOS CARBOXÍLICOS 3 • Os ácidos carboxílicos não são apenas importantes por si só, mas o grupo carboxila é o grupo-base de uma grande família de compostos relacionados chamados de compostos de acila ou derivados de ácidos carboxílicos. DERIVADOS DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS 4 • O átomo de carbono de um grupo ácido carboxílico tem hibridização sp2 e, portanto, apresenta geometria plana triangular com ângulos de ligação de aproximadamente 120°. • Os ácidos carboxílicos podem interagir formando duas ligações de hidrogênio, permitindo que as moléculas se associem entre si em pares. Essas interações através de ligação de hidrogênio explicam os pontos de ebulição relativamente elevados dos ácidos carboxílicos. Estrutura dos Ácidos Carboxílicos 5 • Os nomes sistemáticos ou substitutivos dos ácidos carboxílicos são obtidos retirando-se a terminação -o do nome do alcano correspondente à cadeia mais longa no ácido e adicionando-se a terminação -oico precedido da palavra ácido. Ao átomo de carbono do grupo carboxila é atribuído o número 1. Nomenclatura de Ácidos Carboxílicos 6 • Muitos ácidos carboxílicos têm nomes vulgares, derivados de palavras latinas ou gregas, que indicam uma de suas fontes naturais. Muitos desses nomes vulgares vêm sendo utilizados há muito tempo e alguns provavelmente continuarão em uso, por isso é útil se familiarizar com eles. Nomenclatura de Ácidos Carboxílicos Nº de Carbonos Nome Comum Fórmula Molecular Origem 1 Ácido fórmico HCOOH Formica : Formiga 2 Ácido acético CH3COOH Acetum : Vinagre 4 Ácido butírico CH3(CH2)2COOH Butírum : Manteiga Rançosa 5 Ácido valérico CH3(CH2)3COOH Valerum : Cabras + Manteiga 6 Ácido capróico CH3(CH2)4COOH Caper : Cheiro de Cabra 7 • Derivados com anel Aromático: • Aminoácidos: Nomenclatura de Ácidos Carboxílicos 8 • Ácidos Derivados com Ciclo Saturado: Nomenclatura de Ácidos Carboxílicos 9 • Ácidos Dicarboxílicos: A maioria apresenta nomes comuns. Nomenclatura de Ácidos Carboxílicos 10 • Os ácidos carboxílicos são substâncias polares; • Suas moléculas podem formar ligações de hidrogênio fortes entre si e com a água; • Como resultado, os ácidos carboxílicos geralmente têm pontos de ebulição elevados; • Os ácidos de massa molecular baixa são apreciavelmente solúveis em água. • À medida que a cadeia carbônica aumenta, a solubilidade em água diminui. PROPRIEDADES FÍSICAS Nº de Carbonos Fórmula Molecular Ponto de Fusão (oC) Ponto de Ebulição (oC) 1 HCOOH 8,4 101,7 2 CH3COOH 16,6 117,9 3 CH3CH2COOH - 20,8 141,0 4 CH3(CH2)2COOH - 5,5 164,0 5 CH3(CH2)3COOH - 34,5 186,0 6 CH3(CH2)4COOH - 4,0 205,0 Ác. Benzóico Fenila-COOH 122,1 249,0 8 CH3(CH2)7COOH 16,3 239,0 11 • Pontes de Hidrogênio • Solubilidade em água PROPRIEDADES FÍSICAS APOLAR COM ÁGUA POLAR “Maior a parte apolar, menor a solubilidade vice-versa” 12 • São os sais derivados dos ácidos carboxílicos; • Nomenclatura: Os nomes dos sais de ácidos carboxílicos recebem a terminação -ato em substituição à terminação -oico, tanto nos nomes vulgares quanto nos sistemáticos. A palavra ácido é retirada. • O nome do ânion carboxilato precede o do cátion. Assim, CH3CO2Na é o acetato de sódio ou etanoato de sódio. Sais Carboxilatos 13 • Propriedades Físicas: • Altíssimos pontos de fusão com decomposição; • Elevada solubilidade em água em comparação ao ácido de origem; • Vantagens: • Devido a alta solubilidade em água são utilizados como medicamentos; • Os mais solúveis são os sais de sódio e potássio; • São inodoros; • Obtenção: Sais Carboxilatos insolúvel solúvel 14 • Os ácidos graxos são ácidos carboxílicos ramificados de comprimento longo, normalmente contendo entre 12 e 20 átomos de carbono. • Eles contêm em geral um número par de átomos de carbono (12, 14, 16, 18 ou 20), porque os ácidos graxos são biossintetizados a partir de “blocos de construção” contendo dois átomos de carbono. • Alguns ácidos graxos são saturados (não contêm ligações π carbono- carbono), enquanto outros são insaturados (contêm ligações π carbono- carbono) Ácidos Graxos 15 16 • São ésteres de massa molecular elevada, que são construídos a partir de ácidos carboxílicos e álcoois. Os triglicerídeos são triésteres formados a partir de glicerol e três ácidos carboxílicos de cadeia longa ou ácidos graxos. • Os triglicerídeos são utilizados pelos mamíferos e plantas para armazenamento de energia de longo prazo. Os triglicerídeos armazenam aproximadamente 9 kcal/g, o que significa que eles são mais de duas vezes eficientes para o armazenamento de energia do que os carboidratos e proteínas, que só podem armazenar aproximadamente 4 kcal/g. Óleos e Gorduras 17 • Quando tratados com base aquosa, os triglicerídeos sofrem hidrólise, produzindo glicerol e três íons carboxilato (sabão). Óleos e Gorduras 18 • As ceras são ésteres de massa molecular elevada, que são construídos a partir de ácidos carboxílicos e álcoois. Onde o gligerol é substituído por um álcool de cadeia maior. • Por exemplo, o hexadecanoato de triacontilo, um importante componente da cera de abelhas, é construído a partir de um ácido carboxílico com 16 átomos de carbono e de um álcool com 30 átomos de carbono. • Outras ceras são semelhantes em estrutura, diferindo apenas no número de átomos de carbono em ambos os lados do grupo éster. Essas longas cadeias hidrocarbônicas fazem com que essas substâncias tenham alto ponto de fusão como resultado das forças de dispersão de London intermoleculares entre as cadeias hidrocarbônicas. Ceras 19 COMPARAÇÃO ENTRE ÁCIDOS INORGÂNICOS E ORGÂNICOS • Quanto maior o Ka, maior a acidez • Quanto menor o pKa, maior a acidez • Valores de Ka de 10 -5 ou menores correspondem a ácidos fracos. Acidez dos Ácidos Carboxílicos 20 • Como seu nome sugere, ácidos carboxílicos apresentam prótons levemente ácidos. A maioria dos ácidos carboxílicos não substituídos tem valores de Ka na faixa de 10−4 a 10−5 (pKa = 4 a 5). • A acidez dos ácidos carboxílicos é principalmente decorrente da estabilidade da base conjugada, que é estabilizadapor ressonância. • Os ácidos carboxílicos que têm grupos retiradores de elétrons são mais fortes do que os ácidos não substituídos. Acidez dos Ácidos Carboxílicos ACIDEZ 21 • Observe que o pKa diminui com cada substituinte cloro adicional. Esta tendência é explicada em termos dos efeitos indutivos dos átomos de cloro, que podem estabilizar a base conjugada. • Uma vez que os efeitos indutivos não são transmitidos muito eficientemente através das ligações covalentes, o efeito de aumento da força do ácido diminui à medida que a distância entre o grupo retirador de elétrons e o grupo carboxila aumenta. • Os efeitos dos substituintes retiradores de elétrons são também observados em ácidos benzoicos substituídos. Acidez dos Ácidos Carboxílicos RETIRADOR DOADOR 22 • Industrial • Ácido Acético • Ácido Benzóico Obtenção de Ácidos Carboxílicos 23 • Laboratorial A maioria dos métodos para a preparação de ácidos carboxílicos foi apresentada anteriormente: 1) Oxidac ̧ão de alquenos. Os alquenos podem ser oxidados a ácidos carboxílicos com solução alcalina de KMnO4 a quente: Alternativamente, os ozonetos podem ser submetidos a condições oxidativas, com produção de ácidos carboxílicos: Obtenção de Ácidos Carboxílicos 24 2) Oxidac ̧ão de aldeídos e álcoois primários. Os aldeídos podem ser oxidados a ácidos carboxílicos com agentes oxidantes moderados tais como Ag(NH3) 2+OH–. Os álcoois primários podem ser oxidados com KMnO4. Os aldeídos e álcoois primários são oxidados a ácidos carboxílicos com ácido crômico (H2CrO4) em solução aquosa de acetona (a oxidação de Jones). Obtenção de Ácidos Carboxílicos 25 3) Oxidação de alquilbenzenos. Os grupos alquila primários e secundários (mas não os grupos terciários) diretamente ligados a um anel benzênico são oxidados pelo KMnO4. 4) Oxidação de metilcetonas. Metilcetonas podem ser oxidadas a ácidos carboxílicos através da Reação Halofórmica. Obtenção de Ácidos Carboxílicos 26 5) Hidrólise de cianoidrinas e outras nitrilas. Vimos que aldeídos e cetonas podem ser convertidos em cianoidrinas, e que essas podem ser hidrolisadas a α-hidroxiácidos. Na hidrólise do grupo —CN, ele é convertido a —CO2H. As nitrilas também podem ser preparadas através de reações de substituição nucleofílica de haletos de alquila com cianeto de sódio. A hidrólise da nitrila produz um ácido carboxílico com uma cadeia contendo um átomo de carbono a mais do que o haleto de alquila original: Obtenção de Ácidos Carboxílicos 27 • Este método sintético geralmente é limitado ao emprego de haletos de alquila primários. O íon cianeto é uma base relativamente forte, e a utilização de haletos de alquila secundários ou terciários leva basicamente a um alqueno (através de uma eliminação E2) em vez de uma nitrila (por meio de uma substituição SN2). Os haletos de arila (exceto aqueles com grupos nitro em posição orto e para) não reagem com cianeto de sódio. Obtenção de Ácidos Carboxílicos 28 6) Carbonatação de reagentes de Grignard. Os reagentes de Grignard reagem com dióxido de carbono para produzir carboxilatos de magnésio. A acidificação produz ácidos carboxílicos: Obtenção de Ácidos Carboxílicos 29 Esta síntese de ácidos carboxílicos é aplicável a haletos primários, secundários, terciários, de alila, de benzila e de arila, desde que eles não tenham grupos incompatíveis com uma reação de Grignard. Obtenção de Ácidos Carboxílicos 30 7) A partir de anilinas Obtenção de Ácidos Carboxílicos 31 32 1) Formação de Sais (Carboxilatos) 2) Redução (Síntese de Álcoois) Reações de Ácidos Carboxílicos 33 34 35 3) Síntese de Cloretos Ácidos Reações de Ácidos Carboxílicos 36 37 4) Síntese de Anidridos de Ácidos • Simétricos: • Não Simétricos: • Cíclicos: Reações de Ácidos Carboxílicos 38 5) Síntese de Ésteres • Os ácidos carboxílicos reagem com álcoois para formar ésteres através de uma reação de condensação conhecida como esterificação: Reações de Ácidos Carboxílicos 39 5) Síntese de Ésteres • Os ácidos carboxílicos cujas moléculas têm um grupo hidroxila em um carbono γ ou δ sofrem uma esterificação intramolecular produzindo ésteres cíclicos conhecidos como γ- ou δ-lactonas. Reações de Ácidos Carboxílicos 40 5) Síntese de Ésteres • Muitas lactonas são encontradas na natureza. Por exemplo, a vitamina C é uma γ-lactona. Alguns antibióticos tais como a eritromicina são lactonas com anéis muito grandes (chamadas de lactonas macrocíclicas), mas a maioria das lactonas naturais é γ- ou δ- lactonas; ou seja, elas contêm anéis de cinco ou seis membros. Reações de Ácidos Carboxílicos 41 6) Síntese de Amidas • Intramolecular • Intermolecular: Reações de Ácidos Carboxílicos 42 7) Síntese de Lactamas • As amidas cíclicas são chamadas de lactamas. O tamanho do anel da lactama é designado pelas letras gregas de forma análoga à nomenclatura das lactonas. • As γ-lactamas e as δ-lactamas normalmente se formam espontaneamente a partir de γ- e δ-aminoácidos. Entretanto, as β- lactamas são altamente reativas; seus anéis tensionados de quatro membros abrem-se facilmente na presença de reagentes nucleofílicos. Reações de Ácidos Carboxílicos 43 7) Síntese de Lactamas • Os antibióticos do grupo penicilina contêm um anel β-lactama: Reações de Ácidos Carboxílicos 44 8) Halogenação do Carbono-α 9) Descarboxilação • A reação na qual um ácido carboxílico perde CO2 é chamada de descarboxilação. Reações de Ácidos Carboxílicos Obs: Grupos (-R,-I) em α-COOH, facilitam a descarboxilação (X2, NO2, CN, COOH). 45 • Os Anidridos de Ácidos Carboxílicos A maioria dos anidridos recebe seus nomes substituindo-se a palavra ácido do nome do ácido carboxílico pela palavra anidrido: Derivados de Ácidos Carboxílicos NOMENCLATURA E PROPRIEDADES 46 • Os Cloretos de Acila Os cloretos de acila são também chamados de cloretos de ácido. Eles são denominados trocando-se a palavra ácido e a terminação -oico do nome do ácido pela palavra cloreto seguida da preposição de e pela terminação oíla, respectivamente. • Os cloretos de acila e os anidridos de ácidos carboxílicos têm pontos de ebulição na mesma faixa dos ésteres de massas moleculares semelhantes. Derivados de Ácidos Carboxílicos NOMENCLATURA E PROPRIEDADES 47 • Os Ésteres Os nomes dos ésteres são derivados dos nomes dos ácidos (com a terminação - ato ou -oato) e dos álcoois (com a terminação -ila). A parte do nome derivado do ácido vem primeiro, seguida da preposição “de”: • Os ésteres são compostos polares, mas devido à ausência de um hidrogênio ligado ao oxigênio, suas moléculas não podem formar ligações de hidrogênio fortes entre si. Por isso, os ésteres têm pontos de ebulição menores do que os ácidos e alcoóis com massas moleculares comparáveis.Os pontos de ebulição dos ésteres são aproximadamente os mesmos dos aldeídos e cetonas correspondentes. Derivados de Ácidos Carboxílicos NOMENCLATURA E PROPRIEDADES 48 • Os Ésteres Ao contrário dos ácidos de massa molecular baixa, os ésteres normalmente têm aromas agradáveis, alguns lembrando cheiro de frutas, e esses são utilizados na fabricação de flavorizantes (aromas) artificiais: Derivados de Ácidos Carboxílicos NOMENCLATURA E PROPRIEDADES 49 • As Amidas As amidas que não têm substituintes no nitrogênio são denominadas retirando-se a palavra ácido e trocando-se a terminação -ico do nome vulgar (ou –oico do nome sistemático) pela terminação -amida. Os grupos alquila ligados ao átomo de nitrogênio das amidas são denominados substituintes, e o nome do substituinte é precedido por N- ou N,N-. Derivados de Ácidos Carboxílicos NOMENCLATURA E PROPRIEDADES 50 • As Amidas • As amidas com átomos de nitrogênio ligados a um ou dois átomos de hidrogênio são capazes de formar ligações de hidrogênio fortes entre si. Tais amidas têm pontos de fusão e de ebulição elevados. • Por outro lado, moléculas de amidas N,N-dissubstituídas não podem formar ligações de hidrogênio fortes entre si, e elas têm pontos de fusão e de ebulição mais baixos. Derivados de Ácidos Carboxílicos NOMENCLATURA E PROPRIEDADES Amida Peso P.e. (oC) P.f. (oC) CH3-CO-NH2 59 81 222 CH3-CO-NH(CH3) 73 28 206 CH3-CO-N(CH3)2 87 6 166 51 • As Amidas A ligação de hidrogênio entre os grupos amida tem papel primordial na maneira pela qual as proteínas e os peptídeos se curvam para atingir sua forma espacial As proteínas e os peptídeos (proteínas curtas) são polímeros de aminoácidos unidos através de grupos amida. Uma característica comum à estrutura de muitas proteínas é a folha β. Derivados de Ácidos Carboxílicos NOMENCLATURA E PROPRIEDADES 52 53 54 55 56 57 58 59 60 • As reações de ácidos carboxílicos e seus derivados são caracterizadas por uma adição nucleofílica–eliminação em seus átomos de carbono acílico (carbonílico). • O resultado é uma substituição nucleofílica no carbono acílico. A chave para esse mecanismo é a formação de um intermediário tetraédrico que retorna a um grupo carbonila após a eliminação de um grupo de saída. A Substituição Nucleofílica Acílica 61 • A etapa inicial em uma reação de substituição de acila é a adição nucleofílica no átomo de carbono da carbonila. Essa etapa é facilitada pela abertura estérica relativa do átomo de carbono da carbonila e pela capacidade do átomo de oxigênio da carbonila de acomodar um par de elétrons da ligação dupla carbono–oxigênio. • Na segunda etapa, o intermediário tetraédrico elimina um grupo de saída L. Essa eliminação leva à regeneração da ligação dupla carbono- oxigênio e a um produto de substituição. A Substituição Nucleofílica Acílica 62 • O processo global, portanto, é uma substituição de acila através de um mecanismo de adição nucleofílica–eliminação. Os compostos de acila reagem dessa forma porque todos eles têm bons grupos de saída, ou razoavelmente bons (ou eles podem ser protonados para formar bons grupos de saída) ligados ao átomo de carbono da carbonila. • Por exemplo, um cloreto de acila geralmente reage através da perda de um íon cloreto— uma base muito fraca e, por isso, um bom grupo de saída. A reação de um cloreto de acila com a água é um exemplo. A Substituição Nucleofílica Acílica 63 64 • Um anidrido de ácido geralmente reage através da perda de um ânion carboxilato ou uma molécula de um ácido carboxílico—ambos são bases fracas e bons grupos de saída; • Os ésteres geralmente sofrem adição nucleofílica–eliminação através da perda de uma molécula de um álcool; • Os ácidos reagem através da perda de uma molécula de água; • E as amidas reagem através da perda de uma molécula de amônia ou de uma amina; • Todas as moléculas perdidas nessas reações são bases fracas e são grupos de saída razoavelmente bons. A Substituição Nucleofílica Acílica 65 • Para que um aldeído ou cetona reagisse através de uma adição nucleofílica–eliminação, o intermediário tetraédrico precisaria eliminar um íon hidreto ou um íon alcaneto. Ambos são bases muito fortes e, consequentemente, são grupos de saída muito ruins. A Substituição Nucleofílica Acílica 66 • Dos derivados de ácido que estudamos, os cloretos de acila são os mais reativos frente à adição nucleofílica–eliminação, e as amidas são as menos reativas. Em geral, a ordem global de reatividade é: Reatividade Relativa de Compostos de Acila 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 • A ordem geral de reatividade dos derivados de ácidos também pode ser explicada levando-se em conta a basicidade dos grupos de saída. • Os íons cloreto são as bases mais fracas e os cloretos de acila são os compostos de acila mais reativos. As aminas (ou a amônia) são as bases mais fortes e assim as amidas são os compostos de acila menos reativos. • A ordem de reatividades que apresentamos nos fornece um indício de quais sínteses são factíveis e quais não são. Em geral, os compostos de acila menos reativos podem ser sintetizados a partir dos mais reativos, mas o inverso é geralmente difícil e, quando é possível, requer reagentes especiais. Reatividade Relativa de Compostos de Acila 77 • Reações de Cloretos de Acila 1) Conversão (hidrólise) a Ácidos: 2) Conversão a Anidridos de Ácidos: 3) Conversão a Ésteres: Reações de Derivados de Ácidos Carboxílicos 78 • Reações de Cloretos de Acila 4) Conversão à Amidas: 5) Conversão à Cetonas (acilação de Friedel–Crafts): 6) Conversão a aldeídos: Reações de Derivados de Ácidos Carboxílicos 79 • Reac ̧ões de Anidridos de Ácidos 1) Conversão a ácidos: 2) Conversão a ésteres: 3) Conversão a amidas: Reações de Derivados de Ácidos Carboxílicos 80 • Reac ̧ões de Anidridos de Ácidos 4) Conversão a aril cetonas (acilação de Friedel–Crafts): • Reac ̧ões de Ésteres 1) Hidrólise: Reações de Derivados de Ácidos Carboxílicos 81 • Reac ̧ões de Ésteres 2) Conversão a outros ésteres (transesterificação): Álcool + pesado desloca o + leve! 3) Conversão a amidas: 4) Reac ̧ão com reagentes de Grignard: Reações de Derivados de Ácidos Carboxílicos 82 • Reac ̧ões de Ésteres 5) Reduc ̧ão : • Reações de Amidas 1) Hidrólise: Reações de Derivados de Ácidos Carboxílicos 83 • Reac ̧ões de Amidas 2) Conversão a nitrilas: desidratação: Reações de Derivados de Ácidos Carboxílicos 84 • A Reação de Hell–Volhard–Zelinski • Os ácidos carboxílicos que contêm átomos de hidrogênio α reagem com bromo ou cloro na presença de fósforo (ou de um haleto de fósforo) para dar ácidos α-halocarboxílicos através de uma reação conhecida como a reação de Hell–Volhard–Zelinski (ou HVZ). Ácidos alfa-Halocarboxílicos85 • A Reação de Hell–Volhard–Zelinski • Se mais de um equivalente molar de bromo ou cloro é usado na reação, os produtos obtidos são α,α-dialoácidos ou α,α,α-trialoácidos. • Etapas importantes na reação são a formação de um haleto de acila e de um enol derivado do haleto de acila. O haleto de acila é crucial, porque os ácidos carboxílicos não formam enóis prontamente, já que o próton do ácido carboxílico é removido antes do hidrogênio-α. Os haletos de acila não possuem o hidrogênio do ácido carboxílico. Ácidos α-Halocarboxílicos 86 • A Reação de Hell–Volhard–Zelinski • Os α-haloa ́cidos são importantes intermediários sintéticos porque eles são capazes de reagir com diversos nucleófilos: Ácidos a-Halocarboxílicos 87 • A Reação de Hell–Volhard–Zelinski • Os α-haloa ́cidos são importantes intermediários sintéticos porque eles são capazes de reagir com diversos nucleófilos: Ácidos α-Halocarboxílicos 88
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