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Química Orgânica II - Professora Bluma – Resumo P1 Alcanos • Baixa reatividade, do ponto de vista sintético não são viáveis. • Mais suscetíveis à reagir via radical livre A halogenação de um alcano se dá por substituição de um átomo de hidrogênio por um halogênio, resultando em um haleto de alquila ( isso pode ocorrer em um ou mais átomos de hidrogênio ). Por exemplo, na cloração do metano e do etano os produtos são, respectivamente, cloro metano e cloro etano. Para alcanos com mais de dois carbonos existe mais de uma possibilidade para o halogênio se posicionar. Deste modo o produto da reação será uma mistura de isômeros de posição. Entretanto, as quantidades dos isômeros formados diferem-se na mistura. O halogênio se ligará preferencialmente no carbono menos hidrogenado. A Regra de Markovnikov funciona de forma semelhante. Alcenos • O par de elétrons gera nuvem eletrônica • Mais suscetíveis à reações de adição • Possuem regiões ricas em elétrons Regra de Markovnikov Numa reação de adição do tipo alceno ou Alcino + HX (sendo X um halogênio), o hidrogênio liga-se ao carbono mais hidrogenado da insaturação, enquanto que o halogênio liga-se ao carbono menos hidrogenado. Podendo ainda, ser estendida para: numa reação de substituição, o halogênio liga-se ao carbono com maior número de ligações saturadas. Em reações de adição, principalmente de ácidos como HCl, carbocátions são formados. Haverá portanto mistura de produtos. O preferencial será aquele formado a partir do carbocátion mais estável. Veja alguns exemplos: CH3 C + CH3 CH3 CH3 C + CH3 CH3 H CH3 C + CH3 H H Ordem de estabilidade: Terciário > Secundário > Primário Essa ordem é a expressão da regra de Markovnikov e vale pra qualquer ataque nucleofílico (negativo ataca positivo). Veja: Alcadieno • Elétrons podem ser facilmente deslocalizados. Veja abaixo a adição 1,2 e a formação do produto preferencial CH2 CH2 CH + CH2 CH3 CH2 CH2 + Cl CH2 CH3 HCl Agora a adição 1,4 CH2 CH2 CH + CH2 CH3 HCl CH2 + CH3 CH3 Cl A energia de ativação necessária para produzir o produto 1,2 é mais baixa então ele é o preferencial. No entanto o produto 1,4 é mais termodinamicamente estável, portanto em temperaturas altas, a energia de ativação para sua síntese é mais facilmente alcançada e ele passa a ser o preferencial. Veja que no caso da adição 1,2 , o carbocation que reage preferencialmente é o de cima (vendo de cima pra baixo). Isso ocorre porque sua carga positiva está próxima da dupla ligação, tornando a deslocalização de cargas uma possibilidade. Na química orgânica, a deslocalização de cargas é sinônimo de estabilidade. Estando adjacente à dupla, existirão duas estruturas de ressonância . Se não estivesse, não haveria ressonância e portanto 0 estruturas. Podemos afirmar então que quanto mais estruturas de ressonância, mais estável. Álcoois Podemos sintetizar álcool a partir de alcenos, em uma catálise ácida. Trata-se de uma reação de adição onde o alceno transformado em carbocátion recebe ataque da água, que age como nucleófilo. Ataque do tipo SN1, haverá rearranjo e formação do álcool mais estável. Portanto a regra de Markovnikov se aplica aqui. Somente álcoois secundários ou terciários (dependendo do alceno de origem) se formarão em grande quantidade. Para fazer álcool primário, precisaremos estabelecer condições para que haja reação anti-markovnikov. Reação anti-markovnikov Reação do tipo SN2, logo não há formação de carbocátion. Um mecanismo complexo que por fins de curiosidade ,está sendo representado aqui. O efeito Peróxido muda a regioseletividade tornando o produto secundário o primário. Em álcools, é comum usar borano (BH3) em meio básico com peróxido. No caso, o ataque ocorrerá no carbono menos substituído por uma esquestão espacial. Estando ele menos substituído, tem mais chances de receber o ataque de radicais formados pelo efeito peróxido. Na presença de um ácido, pode sofrer eliminação de água ou desidratação e retornar à alceno. A regra de Zaitsev estabelece que o alceno formado em maior quantidade é aquele formado a partir da remoção do hidrogênio do carbono com menos hidrogênio. Em outras palavras: O alceno majoritario será o mais substituido. No exemplo acima, o produto principal é o 2-metil but-2-eno e não o 2-metil but- 1-eno. Existe portanto a eliminação de Hofmann, que nos dá o produto anti-Zaitsev. Halogeneto de Alquila Normalmente, quando se tenta fazer halogeneto a partir de álcool, ocorre rearranjo e o produto de markovnikov é formado. No entanto, se utilizarmos compostos como SOCl2 e PBr2, que estimulam reações do tipo SN2, cancelamos o rearranjo e o produto formado é o de substituição direta do OH pelo halogênio. O SN2 não ocorre quando á impedimento esterico. Ataques nucleofílicos à halogenetos de alquila podem ocorrer, mas não se forem terciários. Aldeídos Aldeídos e cetonas costumam ser mais reativos que halogenetos de alquila uma vez que para substituições ocorrerem nos halogenetos uma organização espacial tetraédrica deve ser desfeita, para depois virar planar e voltar a ser tetraédrica. Isso requer energia. Partindo de uma molécula inicialmente planar, caso dos aldeídos, a energia requerida para a reação ocorrer é menor. Veja: Aldeídos são ainda mais reativos que cetonas pois cetonas tem impedimento estérico maior. Mecanismo geral de ataques nucleofílicos: R 1 O R 2 Se aldeído R1 ou R2 são H Z - R 1 R 2 Z O - OH2 R 1 R 2 Z OH R 1 O R 2 H + [R1 O + R 2 H R 1 C + R 2 OH Z - ] R1 R 2 Z OH A primeira reação ocorre somente com a presença do nucleófilo e a segunda em presença de catálise ácida. Podem ser sintetizados pela oxidação de álcoois primários (contanto que o aldeído formado seja impossibilitado de se oxidar, se não formará ácido carboxílico). Meio aquoso estimula oxidação à ácido carboxílico. Para sua formação, é recomendável que se use em piridina CuO2 ou CrO3 Se substituídos, as substituições nucleofílicas dos halogênios serão preferenciais e o mecanismo não será como o genérico apresentado acima. O único nucleófilo que foge essa à regra é o NaCN sempre ataca o carbono da acila. Somente se precedido de NaHCO3 que esse efeito se inverte. Veja: Uma outra tática é usar reações de proteção. Elas “escondem” a acila , deixando o cloro livre para reagir com o NaCN, dispensando o uso de NaHCO3. A carbonila reverte seu estado em meio de H3O+, veja: Cetonas Menos reativo que aldeídos, no entanto mais reativo que halogenetos de alquila. Mecanismo genérico de ataque nucleofílico igual ao dos aldeídos. Podem ser formados pela oxidação de álcoois secundários: Por acilação de Filde-Crafts: Se substituídos por um halogênio, as reações de substituição nucleofílica seguem a mesma regra para os aldeídos. Cloreto de Ácido ou Halogeneto de Acila São compostos parecidos com ácidos, trocando a hidroxila por um halogeneto que, em geral, é o cloro. Em reação com ácidos onde a hidroxila é retirada, é preferível transformar o ácido primeiro em cloreto de acila uma vez que o cloro é um melhor grupo de saída. Como melhor grupo de saída, a reação torna-se facilitada, ainda mais se se tratar de uma esterificação com álcoois mais complicados. A redução de cloretos de ácido funciona da mesma forma que a redução com ácidos, tendo os mesmos produtos pra reagentes diferentes.Partindo de um cloreto de ácido e tendo os redutores abaixo, seus produtos serão: • LiAlH4 Álcool Primário • LiAlH(otbu)3 Aldeído Hemiacetal e Acetal Compostos formados pela adição de álcools à aldeídos. Formam-se segundo o mecanismo abaixo: Ácido Carboxílico Nucleófilos conseguem atacar o carbono da carboxila. O mecanismo é semelhante à de substituição nucleofílica de aldeídos e cetonas. Se, no entanto, o ácido contiver um halogênio, a substituição dele será preferencial. O único que foge a essa regra é o NaCN que sempre atacará a carbonila. Acontece exatamente a mesma coisa caso seja um aldeído, reveja anteriormente a reação. A adição de água à um cloreto de ácido faz um ácido carboxílico. Reagentes de Grignard ou Organo Magnesianos São extremamente reativos uma vez que produzem carbânions. Carbânions são reativos pois o carbono é um elemento que não acomoda muito bem cargas negativas. Ótimos reagentes para se aumentar número de carbonos de uma cadeia. Sua reatividade é tamanha que o carbânion consegue deslocar o hidrogênio da água! Formam sempre álcools, variando de primário à terciário. Com ésters Álcool Terciário (dois ataques) Com aldeídos Álcool secundário Com aldeído fórmico álcool primário Com cloreto de ácido álcool terciário (dois ataques) Cetona Álcool Terciário Com halogenetos de alquila Alcano Com anidrido Álcool terciário A formação de organo magnesiano é uma reação extremamente simples. A partir de um halogeneto de alquila, reagindo ele com Mg e éter, formamos o organo magnesiano, conforme reação abaixo: Com ácidos carboxílicos, hidreto de halogênio e água, a reação funciona como uma reação de ácido base, uma vez que os organo magnesianos são extremamente básicos. As reações serão: Podemos ainda transformar organo magnesianos em ácidos carboxílicos tratando com CO2 e H3O+ em uma reação de carbonatação. O mecanismo: Óxido de Etileno ou epoxietano Reage com organo magnesiano , sendo uma boa forma de se sintetizar qualquer álcool primário. A partir dele e de uma oxidação energética, conseguimos também fazer o ácido oxálico ou etanodióico Ciclos e Polímeros Algumas vezes veremos moléculas que possuem uma carbonila, um sítio propício para ataques nucleofílicos, e um grupamento que pode agir como um nucleófilo. Nesse caso, existem duas possibilidades: 1) Esse grupamento atacará a mesma cadeia formando ciclos. Essa reação é favorável quando a cadeia carbônica tem 5 ou 6 carbonos uma vez que ciclos menores, uma questão de tensão contorcional, são instáveis. Para cadeias com mais de 6 carbonos, poderá haver uma mistura de produtos entre polímeros e ciclos. 2) Esse grupamento realizar ataques intermoleculares, formando cadeias que chamamos de polímeros. Os polímeros são favoráveis para cadeias de 1 a 4 carbonos. Para cadeias com mais de 6 carbonos, poderá haver uma mistura de produtos entre polímeros e ciclos. Compostos Nitrogenados Cianetos Provenientes do cianeto de sódio (NaCN). Extremamente uteis para inserir aminas em cadeias alifáticas ou se aumentar o número de carbonos da mesma. Funcionam como qualquer nucleófilo, com a particularidade de terem preferência pela reação com uma carbonila em casos onde ela e um halogênio exista. Caso não exista, substituirá halogênios ligados à cadeia carbônica. Nos dois casos há ganho de um carbono já cadeia (apesar de n ter sido representado na redução! A imagem está errada cuidado!) Aminas Aminas poder ser mono, di ou trisubstituídas, ou primárias, secundárias e terciárias respectivamente. A adição de aminas à compostos orgânicos funcionará como um ataque nucleofílico devido ao par de elétrons do nitrogênio. Aminas terciárias não reagirão Acima, um mecanismo de reação genérico para aminas secundárias com aldeídos e cetonas. O produto será uma enamina. No caso de cetonas, o radical que conterá a dupla ligação será aquele ditado pela regra de eliminação de Zaitsev. No caso de aldeídos, um dos radicais R-H é substituído por um simples H e portanto a instauração ocorrerá entre carbono da carbonila e carbono do único radical. Perceba que aldeído fórmico não reagirá. No entanto, reagir aminas primárias com aldeídos e cetonas nos dá como produto iminas. Ocorrerá também desidratação mas como o nitrogênio tem um hidrogênio sobrando, a eliminação será deste e não de um hidrogênio da cadeia do radical. Aqui, aldeído fórmico pode reagir e o mecanismo é o mesmo independente se R1 e R2 são ambos hidrogênios, ambos carbonos, ou um carbono e o outro hidrogênio. Se ao invés de usar aminas primárias usarmos amônia, o composto formado torna-se instável (R3=H). Em meio redutor (H2/Ni), amônia com cetona não formará imina ou enamina e sim amina secundária. Veja: Ainda falando de reduções, podemos sintetizar uma amina secundária a partir de uma redução da imina. De forma análoga, a redução da enamina resulta em uma amina terciária. Veja um exemplo: Já a reação de aminas primárias ou secundárias com ácidos carboxílicos ou cloretos de ácidos nos fornece amidas. A reação possui o mesmo mecanismo mudando o fato de que o cloro é melhor grupo de saída que a hidroxila, tornando a reação mais fácil O mesmo acontece se reagirmos com ésteres ou anidridos: Podemos formar amidas monosubstituídas ou disubstituídas com estas reações. Novamente, aminas terciárias não reagem. Com halogenetos de alquila, teremos uma reação complicada. Veja: Com excesso de amônio ou de aminas substituídas, a reação tende para a formação do (NR4+X-). É uma reação fácil de se fazer em laboratório mas que precisa de atenção para que a reação pare aonde desejamos. A partir da formação da amina secundária, a reação acima fica complicada. De forma geral, amônia/amina + halogeneto amina (um grau acima) + ácido. Perceba que como se trata de uma reação ácido (HX) e base (R1R2R3R4N), teremos no final sempre um sal. Na primeira reação, o sal formado será NH3R(+)X(-).Na segunda reação, o sal formado será NH2R2(+)X(-).Na terceira reação, o sal formado será NHR3(+)X(-). Na quarta, como mostra a própria imagem, NR4(+)X(-). A posição do halogênio na cadeia carbônica R no entanto define o produto: Com halogenetos de alquila primários, o produto é sempre de substituição nucleofílica. A reação é SN2 e não ocorre rearranjo. O nitrogênio entra na mesma posição do cloro Com halogenetos de alquila secundários, o produto é uma mistura de produto de substituição nucleofílica e produto de eliminação (nesse caso, vale a regra de Zaitsev) Com halogenetos de alquila terciários, o produto é uma sempre um produto de eliminação (nesse caso, vale a regra de Zaitsev). A reação com álcool não ocorre porque álcool é um péssimo grupo de saída. Se o objetivo é fazer uma substituição nucleofílica, deve-se reagir primeiro com SOCl2 ou HCl/ZnCl2. Como veremos logo em seguir, a adição de aminas primárias ou amônia à anidridos cíclicos forma imidas Anidrido Não daremos muita importância para anidridos na primeira parte da matéria. O mais importante mesmo serão os cíclicos como o ftálico e, obtido a partir da desidratação do ácido ftálico. Veja sua síntese: Existe mais de um tipo de ácido ftálico. O ácido ftálico normal produz o anidrido ftálico. A adição de aminas primárias ou amônia formam imidas (o mecanismo é o mesmo de uma síntese de uma amida, com um posterior ataque do nitrogênio à segunda carboxila). Como visto anteriormente, reações de fidel crafts podem ocorrer com anidridos também. Adicionarum nucleófilo como o benzeno em meio de AlCl3 nos dará uma benzofenona. Esta no caso é específica por ter uma das carboxilas penduradas. Seu nome será ácido o- benzoilbenzóico. A adição de álcool substitui o OH de uma das carboxilas por OR. Funciona como uma reação de esterificação normal. Em meio aquoso, a reação inicial é revertida e o anidrido ftálico se transforma em ácido ftálico. Éster Podemos formar ésteres reagindo tanto ácidos carboxílicos quanto cloretos de ácidos com álcoois, sendo o segundo uma reação facilitada, uma vez que Cl é um bom grupo de saída. Para esterificações é interessante atentar a ordem de reatividade dos álcoois em esterificação direta: • CH3OH > 1º > 2º > 3º Ácido Ftálico Ácido IsoFtálico Ácido TereFtálico Anidrido Ftálico Álcoois terciários em meio de H+ podem dar produto de eliminação. Portanto é ainda mais recomentado que se converta ácidos carboxílicos à cloreto de ácido quando o álcool a ser reagido é um terciário. Veja abaixo o mecanismo da esterificação direta: Existe ainda a transesterificação, que nada mais é uma reação que transforma um éster em outro, trocando a natureza de R ligado a O, pela adição de um álcool diferente do usado para sintetizar o primeiro éster: Perceba que o mecanismo acima não usa catalisadores (H+). Podemos hidrolisar o éster e obter o ácido novamente. No caso da hidrólise ácida, um H+ será nosso catalisador. O mecanismo será exatamente idêntico À de uma esterificação direta, contado de trás pra frente. No caso de uma esterificação básica, o OH(-) de uma base funcionará como um nucleófilo e haverá uma reação de substituição nucleofílica. Teremos como produtos finais nesse caso: Aromáticos Suscetíveis à reações de substituição eletrofílica (Uma reação de substituição eletrofílica é aquela na qual um eletrófilo, partícula dotada de carga elétrica positiva, portanto ávida por elétrons, substitui outro grupo de mesma característica). Compostos aromáticos não sofrem adição e a sua halogenação requer um ácido de Lewis como catalisador, é o caso do AlFe3 e do FeBr3. CH3 Cl Cl Cl CH3 calor ou luz Como vemos acima, não sofrem halogenação via radicais livres. O Cloro atacará o grupo acoplado ao benzeno se este tiver um que possa reagir. No caso, um grupo etil ligado a um benzeno reagirá. Isso nos mostra como a condição da reação define o ataque. Veja abaixo: CH3 Cl Cl CH3 Cl FeCl3 A luz gera uma cisão homolítica no Cl2, que vira radical, capaz de atacar a parcela alcano da molécula. Uma reação não radicalar faz o cloro procurar por regiões com deslocalização de elétrons, favorecendo o ataque no anel. A entrada do Cloro no anel depende do tipo de grupamento: Orto-Para-Dirigente Natureza de G Radicais saturados Exemplos de grupamentos amina, hidroxila, metila, etila, cloreto, metóxi Meta-Dirigente Natureza de G Apresentam ligações dupla, tripla ou então ligações dativa Exemplos de grupamentos nitro, sulfo, carbonilas e cianeto • Chamamos grupos orto-para dirigentes também de eletro-doadores. Eles ativam o anel • Chamamos grupo meta dirigentes também de eletro-receptores. Eles desativam o anel Veja ao lado um exemplo de como o meio reacional muda o produto. Cloramos em etapas diferentes e obtivemos produtos diferentes. As duas rotas foram feitas no intuito de obter como produto final o produto final da segunda mas veja que a presença do grupo vinil fez com que o cloro o atacasse ao invés de atacar o anel na posição para. Logo, precisamos clorar o anel primeiro antes de gerar a dupla ligação. Via radicais livres também n seria possível, na primeira rota, fazer o cloro atacar o anel. Um outro exemplo é o composto (1). Para sintetizar esse composto, devemos nitrar (2). Porque? Bem , veja(3). O primeiro grupamento é meta-dirigente e o outro é orto-para. Se nitrarmos o tolueno, e só depois prosseguir com as reações até chegar em (4), o grupo nitro entraria na posição para. Para o 3- nitrobenzenofenona ser feito, oxidou-se o toluento, trocou o OH pelo grupo Cl, melhor grupo de saída, e reagiu-se com benzeno, para só depois nitrar. Também não poderíamos reagir (4) com um benzeno já nitrado pois o grupo nitro é desativante. Sendo desativante, não haverá força o suficiente para o ataque ocorrer. Um bom jeito de se inserir em um benzeno uma cadeia alifática é realizando uma acilação ou uma alquilação de fidel-crafts: Reagindo com um halogeneto de alquila ou um halogeneto de acila em meio de AlCl3, criamos um carbocátion que ataca ANÉIS ATIVADOS. Na parte de cetonas tem um mecanismo geral. A acilação pode ocorrer também com anidrido acético ou benzeno, que age como nucleófilo (seu caráter nucleófilo é tão maior quanto mais ativado estiver o anel). Na reação com anidrido ftálico, por exemplo, teremos: No caso da acilação, reagir com Zn(Hg) e HCl retiraria a dupla O da cetona formada. A oxidação de cadeias aromáticas ativadas destrói o anel! (1) (2) (3) O C + CH3 (4) O Cl CH3 Cl CH2 Cl Cl CH3 Cl CH3 Cl CH2 ClCl2 / UV Cl2 / FeCl3KOH/ROH KOH/ROH Síntese da Anilina A anilina ou amino benzeno é o precursor das reações de sais de diazônio, que veremos mais adiante. Existem duas formas de sintetiza-la: Dessa forma, usamos HNO2/H2SO4 para nitrar e reduzimos com Sn/HCl A outra forma é um processo industrial nada trivial de se fazer. Se usar isso na prova, terá que especificar as condições. Reações no anel Essa parte é importante porque devemos nos atentar Às características eletrodoadoras ou eletroretiradoras dos compostos pra poder saber o que fazer em cada caso. Para essa parte em específico, peço que preste mais atenção e que tenha em mãos o resumo por reações também pois algumas coisas só tem nele. Inicialmente, vamos ver as características dos grupos que podem entrar nos aromáticos: Eletroretiradores (Meta- Dirigentes/Desativantes) Eletrodoadores (Orto-Para- Dirigentes/Ativantes) Atenção! O grupamento da acetanilida é também eletrodoador, mas menos reativa que o amino da anilina uma vez que o par de elétrons livre do nitrogênio passa tanto pelo benzeno quanto pelo carbono e o oxigênio. É recomendável converter anilina à acetanilida tratando com anidrido acético para se diminuir a reatividade do anel (ele se mantem um anel ativado, mas não tão ativado quanto antes) e evitar, por exemplo, poli halogenações. Podemos dizer que transformar a anilina em acetanilida é uma reação de proteção do grupamento amino. Reverter o amino protegido à amino é fácil se tratarmos com H3O+. Duas das reações mais importantes já vimos: A Nitração do benzeno , feita com H2SO4/HNO2 e a redução à anilina , feita com Sn/HCl Uma outra reação importante é a sulfonação: Nessa reação não há muito mistério. A coisa fica complicada quando o benzeno fica polisubstituído. Veja: CH3 NH2 O composto ao lado possui dois grupamentos orto-para indutores. Então teoricamente todos os carbonos não substituídos estão sendo induzidos. No entanto, o efeito eletrodoador do grupamento amino é mais forte que do grupo metila (até mesmo o grupamento − 𝐻𝑁𝐶𝑂𝐶𝐻3 da acetanilida é mais forte que a metila). O amino ativa fortemente o anel, fazendo com que, por exemplo, uma bromação ocorra duas vezes, entrando um em cada carbono VIZINHO À ANILINA, visto que quem “manda” na orientação é ela. CH3 N + O - O Nesse caso, o grupamento nitrodesativa o anel e os carbonos vizinhos a ele não estão sendo induzidos, logo nenhuma próxima substituição será orientada nos carbonos vizinhos ao nitro e sim nos vizinhos à metila. Sendo o NO2 um grupo que desativa o anel, uma bromação não causaria polihalogenação, entrando somente um dos bromos. Devemos ter cuidado com esses aspectos para não sintetizar o produto errado na nossa rota sintética, ou então planejá-la erradamente. Sais de Diazônio
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