Reações de Adição a Alcenos e Alcinos

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Reações de Adição a Alcenos e Alcinos

  1. 1. DQOI - UFC Prof. Nunes Prof. Nunes Reações de Adição a Alcenos e Alcinos Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Química Orgânica II Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. nunes.ufc@gmail.com 1 Assista a video aula https://www.youtube.com/watch?v=1Upow_Aoj1Y Atualizado em mar/2017
  2. 2. DQOI - UFC Prof. Nunes Prof. Nunes Reações Orgânicas Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Química Orgânica II Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. nunes.ufc@gmail.com 2
  3. 3. DQOI - UFC Prof. Nunes Prof. Nunes Taxol 3 anel A essencial pode ser esterificado ou removida sem perda de atividade OH em posição α ativo se removido, aminado ou epimerizado, mantém a atividade anel oxietano essencial grupo benzoíla essencial OH, CH3CO inativo grupo lipofílico essencial OH livre ou grupo hidrolisável é essencial
  4. 4. DQOI - UFC Prof. Nunes Prof. Nunes Reações de Adição a Alcenos e Alcinos Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Química Orgânica II Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. nunes.ufc@gmail.comAtualizado em ago/2016 4 Assista a video aula https://www.youtube.com/watch?v=1Upow_Aoj1Y
  5. 5. DQOI - UFC Prof. Nunes Prof. Nunes Reações de Adição a Alcenos Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Química Orgânica II Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. nunes.ufc@gmail.comAtualizado em ago/2016 5
  6. 6. DQOI - UFC Prof. Nunes Alcenos são hidrocarbonetos que contêm uma dupla ligação C=C. Esta ligação dupla confere aos alcenos uma estrutura planar com uma densidade rica de elétrons acima e abaixo do plano. Sendo assim, os alcenos são altamente reativos com espécies que têm deficiência de elétrons, os eletrófilos. Estrutura de AlcenosEstrutura de Alcenos 6
  7. 7. DQOI - UFC Prof. Nunes A reação característica de compostos com duplas ligações C=C é uma reação de adição eletrofílica, onde uma ligação π é quebrada com a formação de duas ligações sigma. Tratam-se, portanto, de reações exotérmicas (∆H<0) que favorecem a espontaneidade da reação. Reações de AdiçãoReações de Adição 7
  8. 8. DQOI - UFC Prof. Nunes Reações de AdiçãoReações de Adição Ligações quebradas Ligações formadas Ligações quebradas - Ligações formadas ∆H<0 exotérmica 8
  9. 9. DQOI - UFC Prof. Nunes Com relação à entropia da reação, temos que ∆S<O, uma vez que 2 moléculas formarão apenas uma, diminuindo a desordem do sistema. Reações de AdiçãoReações de Adição Ligações quebradas Ligações formadas (-)(-) (-) espontânea 9 +
  10. 10. DQOI - UFC Prof. Nunes Como veremos nesta unidade, diversos grupos podem ser adicionados à dupla ligação, levando à obtenção de muitos grupos funcionais. Este fato torna os alcenos importantes ferramentas sintéticas. Reações de AdiçãoReações de Adição 10
  11. 11. DQOI - UFC Prof. Nunes Em um grande número de reações de adição, o reagente que ataca o alceno é polar ou facilmente polarizável. Os haletos de alquila são polarizados e estão entre as substâncias mais simples que se adicionam aos alcenos. A adição ocorre rapidamente em uma variedade de solventes. Adição Eletrofílica de HX a AlcenosAdição Eletrofílica de HX a Alcenos alceno Haleto de hidrogênio Haleto de alquila 11
  12. 12. DQOI - UFC Prof. Nunes Neste exemplo, o alceno é simétrico. No entanto, nos casos em que o alceno é assimétrico, o posicionamento final de H e X deve ser considerado. No exemplo a seguir, há duas possíveis posições vinílicas, onde X pode ser colocado: Adição Eletrofílica de HX a AlcenosAdição Eletrofílica de HX a Alcenos posições vinílicas onde X vai? 12
  13. 13. DQOI - UFC Prof. Nunes Esta é uma questão de regioquímica que foi investigada há mais de um século atrás. Regiosseletividade x Reações de AdiçãoRegiosseletividade x Reações de Adição O hidrogênio pode se adicionar nos carbonos 1 ou 2. Todavia, na prática, apenas um produto é usualmente obtido – aquele formado a partir da adição do hidrogênio ao carbono menos substituído. nenhum grupo alquila 2 grupos alquila 13
  14. 14. DQOI - UFC Prof. Nunes A análise de muitos exemplos semelhantes ao anterior, levou o químico russo Vladimir Markovnikov, em 1870, a formular a “Regra de Markovnikov”. Regiosseletividade x Reações de AdiçãoRegiosseletividade x Reações de Adição menos substituído mais substituído Nas adições de HX a um alceno, H se ligará ao carbono da dupla menos substituído. X se ligará ao carbono da dupla mais substituído. 14
  15. 15. DQOI - UFC Prof. Nunes Regra de MarkovinikovRegra de Markovinikov Nas adições de HX a um alceno, H se ligará ao carbono da dupla menos substituído. X se ligará ao carbono da dupla mais substituído. 2-bromobutano 2-bromo-2-metilpropano 1-cloro-1-metilciclopentano15
  16. 16. DQOI - UFC Prof. Nunes O mecanismo da reação apresenta duas etapas. 1) transferência do próton para o alceno, formando um carbocátion intermediário. 2) Ataque nucleofílico sobre carbocátion intermediário para a formação do haleto de alquila. Reações de Adição – MecanismoReações de Adição – Mecanismo transferência do próton ataque nucleofílico 16
  17. 17. DQOI - UFC Prof. Nunes Reações de Adição – MecanismoReações de Adição – Mecanismo ataque nucleofílico transferência do próton Ataque nucleofílico Coordenada da reação Energia livre 17
  18. 18. DQOI - UFC Prof. Nunes Em teoria, pode ocorrer a protonação com qualquer uma das duas possibilidades regioquímicas: Ela pode ocorrer para formar o carbocátion secundário menos substituído, ou pode ocorrer para formar o carbocátion terciário mais substituído. Regra de Markovinikov x MecanismoRegra de Markovinikov x Mecanismo 18
  19. 19. DQOI - UFC Prof. Nunes Regra de Markovinikov x MecanismoRegra de Markovinikov x Mecanismo Energia livre carbocátion 3o Quanto menor a barreira de energia para a formação do carbocátion, mais rápida será sua formação e, consequentemente, maior quantidade de produto oriundo deste carbocátion será observada na reação. carbocátion 2o 19
  20. 20. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Adição - EstereoquímicaReação de Adição - Estereoquímica Em muitos casos, a hidroalogenação envolve a formação de um centro de quiralidade; por exemplo: Nesta reação, um novo centro de quiralidade é formado. Portanto, dois possíveis produtos (R e S) são esperados, representando um par de enantiômeros. centro de quiralidade 20
  21. 21. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Adição - EstereoquímicaReação de Adição - Estereoquímica Os dois enantiômeros são produzidos em quantidades iguais (uma mistura racêmica). Este resultado estereoquímico pode ser entendido pelo mecanismo proposto, o qual tem como intermediário um carbocátion, o qual está sujeito ao ataque por um nucleófilo de ambos os lados. 21
  22. 22. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Adição - MecanismoReação de Adição - Mecanismo 22
  23. 23. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Adição - Rearranjo de CarbocátionsReação de Adição - Rearranjo de Carbocátions Na reação do 3-metil-1-buteno com HCl, segundo a Regra de Markovinikov, deveríamos esperar a formação do 2-cloro-3-metilbutano como o produto principal. No entanto, o inesperado 2-cloro-2-metilbutano é formado majoriatariamente. Podemos entender este resultado através de um mecanismo que chamamos de Rearranjo do Carbórcation. 23
  24. 24. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Adição - Rearranjo de CarbocátionsReação de Adição - Rearranjo de Carbocátions Adição do próton Rearranjo do carbocátion Adição nucleofílica migração do íon metila (H3C- ) gera um carbocátion mais estável. 24 carbocátion mais estável
  25. 25. DQOI - UFC Prof. Nunes Rearranjos de CarbocátionsRearranjos de Carbocátions 25
  26. 26. DQOI - UFC Prof. Nunes Por um longo tempo, as reações de HBr com alcenos eram imprevisíveis. Algumas vezes ocorriam segundo a regra de Markovnikov, mas em outras vezes, levava ao produto da adição anti-Markovnikov. Adição de HBr (via radicalar) a AlcenosAdição de HBr (via radicalar) a Alcenos 26 Adição Markovnikov Adição anti-Markovnikov
  27. 27. DQOI - UFC Prof. Nunes m 1929, Morris S. Kharasch (Univ. de Chicago) realizou uma investigação sistemática. Ele descobriu que a adição anti-Markovnikov era promovida quando peróxidos (ROOR) estavam presentes na mistura da reação. Purificando o 1-buteno, sempre o produto era formado de acordo com a regra de Markovnikov. Adição de HBr (via radicalar) a AlcenosAdição de HBr (via radicalar) a Alcenos 27
  28. 28. DQOI - UFC Prof. Nunes Adição de HBr (via radicalar) a AlcenosAdição de HBr (via radicalar) a Alcenos Adição Markovnikov Adição anti-Markovnikov A regioquímica da reação pode ser controlada simplesmente pela presença ou não de peróxidos no meio reacional 28
  29. 29. DQOI - UFC Prof. Nunes Adição Anti-Markovnikov - MecanismoAdição Anti-Markovnikov - Mecanismo 29 a) Iniciação Etapa 1: Dissociação de um peróxido em dois radicais alcoxi: Peróxido Dois radicais alcoxi Etapa 2: Abstração do átomo de hidrogênio do HBr por um radical alcoxi: Radical Álcool Átomo de Bromo alcoxi
  30. 30. DQOI - UFC Prof. Nunes Adição Anti-Markovnikov - MecanismoAdição Anti-Markovnikov - Mecanismo 30 b) Propagação em cadeia Etapa 3: Adição de um bromo ao alceno 1-buteno átomo de bromo radical (1-bromometil)propila Etapa 4: Abstração de um átomo de hidrogênio do HBr por um radical alcoxi formado na etapa 3: radical (1-bromometil)propila 1-bromobutano átomo de bromo
  31. 31. DQOI - UFC Prof. Nunes Adição Anti-Markovnikov - MecanismoAdição Anti-Markovnikov - Mecanismo 31
  32. 32. DQOI - UFC Prof. Nunes Outro método pelo qual alcenos podem ser convertidos em álcoois é através da adição de água (hidratação) à dupla ligação, sob condições de catálise ácida. As reações de hidratação seguem a Regra de Markovnikov e, portanto, favorecem a formação de álcoois 2os e 3os, os quais envolvem carbocátions mais estáveis. Reações de Adição de H2O - HidrataçãoReações de Adição de H2O - Hidratação Vel. relativas 32
  33. 33. DQOI - UFC Prof. Nunes As reações de hidratação seguem a Regra de Markovnikov e, portanto, não possibilitam a formação de álcoois primários. Hidratação – Mecanismo e RegiosseletividadeHidratação – Mecanismo e Regiosseletividade H2O atuando como uma base Protonação do alceno Ataque nucleofílico da H2O íon oxôniocarbocátion 33 íon oxônio
  34. 34. DQOI - UFC Prof. Nunes Na reação de hidratação catalisada por ácido, o intermediário carbocátion pode ser atacado por ambos os lados com igual probabilidade. Portanto, quando um novo centro de quiralidade é gerado, e uma mistura racêmica de enantiômeros é esperada. Hidratação – EstereoquímicaHidratação – Estereoquímica 34
  35. 35. DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo da HidrataçãoMecanismo da Hidratação 35
  36. 36. DQOI - UFC Prof. Nunes Vimos que a hidratação de alcenos, catalisada por ácidos, adiciona os elementos da H2O aos alcenos com regiosseletividade segundo a Regra de Markovnikov. Todavia, às vezes, necessitamos de um álcool tendo a estrutura que corresponde à hidratação de um alceno com regiosseletividade oposta àquela determinada pela Regra de Markovnikov, como o exemplo abaixo. Como proceder para obter álcoois menos substituídos que desobedeceriam a Regra de Markovinikov? Hidroboração-Oxidação de AlcenosHidroboração-Oxidação de Alcenos 36
  37. 37. DQOI - UFC Prof. Nunes Através de uma reação denominada hidroboração- oxidação é possível obter álcoois com regioquímica oposta daquela obtida a partir da hidratação de alcenos (Regra de Markovnikov). Tal procedimento foi descoberto pelo Prof. Herbert C. Brown, Perdue University, lhe garantindo o prêmio Nobel em 1979. (1912-2004) Hidroboração-Oxidação de AlcenosHidroboração-Oxidação de Alcenos utilização de boranos 37
  38. 38. DQOI - UFC Prof. Nunes A estrutura do borano (BH3) é semelhante a de um carbocátion, porém sem a carga: O átomo de boro necessita de um par de elétron para completar o octeto e, portanto, é muito reativo. Reagentes para a Hidroboração-OxidaçãoReagentes para a Hidroboração-Oxidação borano (BH3)carbocátion orbital p vazio 38
  39. 39. DQOI - UFC Prof. Nunes Hidroboração: O átomo de boro liga ao carbono menos substituído definindo a regioquímica da reação. Isto se dá por 2 razões: 1. Considerações eletrônicas: No primeiro passo do mecanismo proposto, o ataque da ligação π desencadeia uma mudança simultânea de hidreto. No entanto, este processo não tem de ser perfeitamente simultânea. Este desenvolvimento da carga parcial δ+ é favorecida em carbonos mais substituídos – pseudocarbocátions mais estáveis. Mecanismo da Hidroboração-OxidaçãoMecanismo da Hidroboração-Oxidação 1a etapa é repetida para cada ligação B-H trialquilborano 39
  40. 40. DQOI - UFC Prof. Nunes Hidroboração: 2. Considerações estéricas: No primeiro passo do mecanismo proposto, ambos H e BH2 se adicionam através à ligação dupla simultaneamente. Uma vez que o BH2 é maior do que H, o estado de transição será menos energético se o grupo BH2 estiver posicionado no carbono menos substituído. Mecanismo da Hidroboração-OxidaçãoMecanismo da Hidroboração-Oxidação estado de transição de menor energia estado de transição de maior energia estado de transição de menor energia estado de transição de maior energia 40
  41. 41. DQOI - UFC Prof. Nunes Oxidação: MecanismoOxidação: Mecanismo 41 Etapa 1: Peróxido de hidrogênio é convertido ao seu ânio em solução básica. Etapa 2: O Ânion do peróxido de hidrogênio atua como um nucleófilo, atacando o boro e formando uma ligação oxigênio-boro. Intermediário Organoborano peróxido de hidrogênio íon hidróxido íon peróxido água
  42. 42. DQOI - UFC Prof. Nunes Oxidação: MecanismoOxidação: Mecanismo 42 Etapa 3: Carbono migra do boro para o oxigênio, deslocando o íon hidróxido. O Carbono migra com o par de elétrons da ligação carbono-boro; estes tornam-se os elétrons da ligação carbono-oxigênio. Estado de transição Alcoxiborano
  43. 43. DQOI - UFC Prof. Nunes Oxidação: MecanismoOxidação: Mecanismo 43 Etapa 4: Hidrólise cliva a ligação boro-oxigênio, gerando o álcool. Alcoxiborano trans-2-metilciclopentanol
  44. 44. DQOI - UFC Prof. Nunes Quando a reação leva à formação de centro de quiralidade, ambos os enantiômeros são formados em decorrência da adição sin a uma face do alceno. Hidroboração-Oxidação: EstereoespecificidadeHidroboração-Oxidação: Estereoespecificidade 44
  45. 45. DQOI - UFC Prof. Nunes Agora considere o caso onde ocorre a formação de 2 centros de quiralidade: Em tal caso, a ocorrência da adição sin a uma face do alceno determina o par de enantiômeros que será formado. Os dois outros estereoisômeros não são formados. Hidroboração-Oxidação: EstereoespecificidadeHidroboração-Oxidação: Estereoespecificidade 45
  46. 46. DQOI - UFC Prof. Nunes Enquanto os alcanos são inertes frente ao bromo, os alcenos reagem prontamente. O bromo (colorido) adiciona-se rapidamente às duplas ligações, “descolorindo-se”. Tal comportamento faz com esta reação seja utilizada como teste servindo de caracterização de duplas ligações em compostos orgânicos. Br Br+ no escuro, CCl4 t.a. Br Br Reações de Adição de X2 - HalogenaçãoReações de Adição de X2 - Halogenação hexano hexeno coloração permanece descolore 46
  47. 47. DQOI - UFC Prof. Nunes Teste de Insaturações com Br2Teste de Insaturações com Br2 47
  48. 48. DQOI - UFC Prof. Nunes A halogenação envolve a adição de X2 (Br2 ou Cl2) a um alceno. A reação com flúor é muito violenta, e a reação com iodo produz frequentemente rendimentos muito baixos. Reações de Adição de X2 - HalogenaçãoReações de Adição de X2 - Halogenação 48
  49. 49. DQOI - UFC Prof. Nunes A estereoespecificidade das reações de halogenação pode ser explorada nos casos onde 2 novos centros de quiralidade são formados. Por exemplo, considere os produtos que se formam quando ciclopenteno é tratado com bromo molecular (Br2): Observe que a adição ocorre de um modo que coloca os dois átomos de halogênio em lados opostos da ligação π. Este modo de adição é chamado de adição anti. Estereoespecificidade da HalogenaçãoEstereoespecificidade da Halogenação 49
  50. 50. DQOI - UFC Prof. Nunes O bromo molecular (Br2) é um composto apolar porque a ligação Br-Br é covalente. Todavia, a molécula pode ser polarizada temporariamente com a aproximação de um nucleófilo, induzindo um momento de dipolo. Este efeito coloca uma carga positiva parcial em um dos átomos de bromo, tornando a molécula eletrofílica, susceptível ao ataque de um nucleófilo. Mecanismo da HalogenaçãoMecanismo da Halogenação 50
  51. 51. DQOI - UFC Prof. Nunes É razoável esperar que um alceno possa atacar o bromo polarizado. Todavia, embora seja plausível, há uma falha fatal na presente proposta. Especificamente, a produção de um carbocátion livre é inconsistente com estereoespecificidade anti da halogenação que é observada. Mecanismo da HalogenaçãoMecanismo da Halogenação 51
  52. 52. DQOI - UFC Prof. Nunes Se um carbocátion livre fosse produzido no processo, então, ambas as adições (sin e anti) seriam esperadas porque o carbocátion poderia ser atacado por ambos os lados. Mecanismo da HalogenaçãoMecanismo da Halogenação 52
  53. 53. DQOI - UFC Prof. Nunes O mecanismo abaixo é consistente com a adição anti. Neste mecanismo, ocorre a formação de um intermediário em ponte, em vez de um carbocátion livre. Este intermediário em ponte, chamado um íon bromônio. Mecanismo da HalogenaçãoMecanismo da Halogenação íon bromônio 53
  54. 54. DQOI - UFC Prof. Nunes Adição de X2 - MecanismoAdição de X2 - Mecanismo 54
  55. 55. DQOI - UFC Prof. Nunes O resultado estereoquímico para reações de halogenação é dependente da configuração do alceno de partida. Por exemplo, cis-2-buteno irá produzir diferentes produtos daqueles produzidos a partir do trans-2-buteno: Adição de X2 - EstereoespecificidadeAdição de X2 - Estereoespecificidade cis-2-buteno trans-2-buteno 55
  56. 56. DQOI - UFC Prof. Nunes Quando a bromação ocorre num solvente não-nucleofílico, tal como CHCI3, o resultado é a adição de Br2 da ligação π. No entanto, quando a reação é realizada na presença de água, o íon bromônio, que é inicialmente formado, pode ser capturado por uma molécula de água, em vez de brometo: O íon oxônio é, então, desprotonado para gerar a haloidrina, neste exemplo, uma bromoidrina. Formação de HaloidrinasFormação de Haloidrinas 56
  57. 57. DQOI - UFC Prof. Nunes Na maioria dos casos, a formação de haloidrina é observada como sendo um processo regiosseletiva. Especificamente, a hidroxila (-OH) é geralmente posicionada na posição mais substituída: Regioquímica da Formação de HaloidrinasRegioquímica da Formação de Haloidrinas íon bromônio O estado de transição para esta etapa irá suportar o caráter carbocátion parcial. Isto explica porque a molécula de água é observada para atacar o carbono mais substituído. 57
  58. 58. DQOI - UFC Prof. Nunes Formação de HaloidrinasFormação de Haloidrinas 58
  59. 59. DQOI - UFC Prof. Nunes A diidroxilação anti de alcenos é um método para a obtenção de dióis vicinais, os quais podem apresentar configurações relativas cis ou trans, dependendo dos reagentes escolhidos. A epoxidação seguida de hidrólise leva à obtenção do diol trans. A primeira etapa do processo envolve a conversão do alceno em um epóxido por um perácido (RCO3H). Diidroxilação Anti de AlcenosDiidroxilação Anti de Alcenos epóxido diol trans epóxido 59
  60. 60. DQOI - UFC Prof. Nunes Na primeira parte do processo, um perácido (RCO3H) reage com o alceno para formar um epóxido. Perácidos assemelham-se estruturalmente aos ácidos carboxílicos, possuindo apenas um átomo de oxigénio adicional. Diidroxilação Anti de AlcenosDiidroxilação Anti de Alcenos ácido peroxiacético ácido meta-cloro- perbenzóico (AMCPB) 60
  61. 61. DQOI - UFC Prof. Nunes Epoxidação de Alcenos – MecanismoEpoxidação de Alcenos – Mecanismo 61
  62. 62. DQOI - UFC Prof. Nunes A formação do diol trans é obtida a partir da protonação do epóxido, seguida da abertura do epóxido através do ataque nucleofílico de uma molécula de água. Diidroxilação Anti de AlcenosDiidroxilação Anti de Alcenos epóxido protonado diol trans 62
  63. 63. DQOI - UFC Prof. Nunes Dióis cis podem ser obtidos a partir de alcenos. Por exemplo, quando um alceno é tratado com tetróxido de ósmio (OsO4), um éster de osmato cíclico é produzido: O tetróxido de ósmio adiciona-se ao alceno em um processo concertado. Em outras palavras, ambos os átomos de oxigênio se ligam ao alceno simultaneamente. Desta forma, ocorre a adição sin. O éster de osmato cíclico pode ser isolado e, em seguida, tratado com sulfito de sódio aquoso (Na2SO3) ou bissulfito de sódio (NaHSO3) para produzir um diol cis. Diidroxilação Sin de AlcenosDiidroxilação Sin de Alcenos Éster de osmato cíclico 63
  64. 64. DQOI - UFC Prof. Nunes Um método diferente, embora mecanicamente semelhante, para alcançar diidroxilação sin envolve o tratamento de alcenos com permanganato de potássio frio sob condições básicas: Embora o permanganato de potássio seja barato e menos tóxico que o OsO4, ele é pouco utilizado por ser um reagente oxidante muito forte, podendo levar à oxidação do diol produzido. Diidroxilação Sin de AlcenosDiidroxilação Sin de Alcenos não isolado 64
  65. 65. DQOI - UFC Prof. Nunes Diidroxilação Sin de AlcenosDiidroxilação Sin de Alcenos MnO4 - frio O Mn O HO OH - H2O OH- HO OH cis-1,2-ciclopentadiol (meso) 65
  66. 66. DQOI - UFC Prof. Nunes Há muitos reagentes capazes de se adicionar a um alceno e clivar completamente a ligação C=C. Nesta seção, vamos explorar um tal reação, chamada ozonólise. Considere o seguinte exemplo: Observe que a ligação dupla é clivada no meio, gerando duas carbonilas (C=O). Oxidação de Alcenos – OzonóliseOxidação de Alcenos – Ozonólise 66
  67. 67. DQOI - UFC Prof. Nunes O ozônio (O3) é composto com as seguintes estruturas de ressonância: O ozônio (O3) reagirá com o alceno para produzir, um ozonídeo primário inicial (ou molozonídeo), que sofre rearranjo para produzir um ozonídeo mais estável: Oxidação de Alcenos – OzonóliseOxidação de Alcenos – Ozonólise ozonídeoozonídeo inicial 67
  68. 68. DQOI - UFC Prof. Nunes Quando tratado com um agente redutor suave, o ozonídeo é convertido em produtos pela ação de reagentes redutores moderados, tais como o dimetil sulfeto, bissulfito de sódio ou Zn/H2O. Oxidação de Alcenos – OzonóliseOxidação de Alcenos – Ozonólise ozonídeo agente redutor moderado 68
  69. 69. DQOI - UFC Prof. Nunes Soluções quentes de KMnO4 levam à clivagem de alcenos e à obtenção de ácidos carboxílicos. Outro exemplo: Oxidação de Alcenos – Clivagem OxidativaOxidação de Alcenos – Clivagem Oxidativa KMnO4 quente OH- O -O O -O O HO O HO H+ KMnO4 quente OH- O O -O O O HOH+ 69
  70. 70. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Diels-AlderReação de Diels-Alder A cicloadição Diels-Alder é um exemplo de uma classe chamada reações pericíclicas. Uma reação pericíclica é uma reação de uma etapa que procede através de um estado de transição cíclico. A formação da ligação ocorre em ambas as extremidades do sistema de dieno, e o estado de transição envolve um arranjo cíclico de seis carbonos e seis elétrons π. 1,3-butadieno dienófilo Aduto Diels-Alder Estado de transição para a cicloadição de Diels- Alder 70
  71. 71. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Diels-AlderReação de Diels-Alder A mais simples de todas as reações de Diels-Alder, cicloadição do eteno como o 1,3-butadieno, não procede prontamente. Ela tem uma alta energia de ativação e, portanto, ocorre a uma baixa velocidade. Entretanto, substituintes, tais como C=O ou C≡N, quando diretamente ligados à dupla ligação do dienófilo, aumentam sua reatividade, e compostos deste tipo dão adutos de Diels-Alder em altos rendimentos, a temperaturas moderadas. 1,3-butadieno acroleina Cicloexeno-4-carboxaldeído (100%) 71
  72. 72. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Diels-AlderReação de Diels-Alder O produto de uma cicloadição de Diels-Alder sempre contém um anel a mais que estava presente nos reagentes. O dienófilo anidrido maleico contém um anel, assim o produto da sua adição a um dieno contém dois. 2-metil-1,3-butadieno anidrido maleico Ácido 1-metilcicloexeno-4,5- dicarboxilico (100%) 72
  73. 73. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Diels-AlderReação de Diels-Alder A reação de Diels-Alder é estereoespecífica. Substituintes que são cis no dienófilo permanecem cis no produto. Substituintes que são trans no dienófilo permanecem trans no produto. 1,3-butadieno cis-ácido cinâmico único produto 1,3-butadieno trans-ácido cinâmico único produto 73
  74. 74. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Diels-AlderReação de Diels-Alder Dienos cíclicos levam à formação de adutos bicíclicos de Diels-Alder com cabeça de ponte. 1,3-ciclopentadieno Fumarato de dimetila trans-dimetilbiciclo[2.2.1]ept-2-eno- 5,6-dicarboxilato 74
  75. 75. DQOI - UFC Prof. Nunes Reação de Diels-AlderReação de Diels-Alder 75
  76. 76. DQOI - UFC Prof. Nunes A hidrogenação catalítica envolve a adição de hidrogênio molecular (H2) a uma dupla ligação na presença de um catalisador metálico finamente dividido (Ni, Pd, Pt), por exemplo: Neste processo, alcenos são reduzidos a alcanos. Hidrogenação Catalítica de AlcenosHidrogenação Catalítica de Alcenos 76
  77. 77. DQOI - UFC Prof. Nunes A respeito das hidrogenações, sabe-se que: Altos rendimentos são normalmente obtidos. Solventes são normalmente escolhidos com base em suas capacidades de dissolver o alceno, tipicamente são: etanol, hexano e ácido acético. Hidrogenação Catalítica de AlcenosHidrogenação Catalítica de Alcenos 77
  78. 78. DQOI - UFC Prof. Nunes O papel do catalisador A hidrogenação catalítica é realizada por tratamento de um alceno com gás H2 e um catalisador metálico finamente dividido (Pd, Pt, Ni), muitas vezes sob condições de alta pressão. Hidrogenação Catalítica de AlcenosHidrogenação Catalítica de Alcenos O caminho sem o catalisador de metal (azul) tem uma grande energia de ativação (Ea), tornando a reação muito lento para ser de uso prático. A presença de um catalisador fornece uma caminho (vermelho) com uma menor energia de ativação, permitindo assim que a reação ocorra mais rapidamente. sem catalisador com catalisador coordenada da reação Energia livre 78
  79. 79. DQOI - UFC Prof. Nunes No exemplo abaixo, dois novos centros de quiralidade são formados: Com dois centros de quiralidade, existem quatro possíveis produtos estereoisoméricos (dois pares de enantiômeros). Todavia, somente aqueles oriundos de uma adição sin são observados. Hidrogenação Catalítica de AlcenosHidrogenação Catalítica de Alcenos par observado par não observado 79
  80. 80. DQOI - UFC Prof. Nunes Uma descrição mecanística que mostra o papel do catalisador metálico é visto no esquema abaixo. Superfície do catalisador liberação do alcano Regeneração do catalisador transf. do segundo H Adição do H2 ao metal transf. do primeiro H Hidrogenação Catalítica - MecanismoHidrogenação Catalítica - Mecanismo 80
  81. 81. DQOI - UFC Prof. Nunes Liberação do alcano Regeneração do catalisador Adição do H2 ao metal Transferência do primeiro H Alceno reage com o metal Transferência do segundo H Hidrogenação Catalítica - MecanismoHidrogenação Catalítica - Mecanismo 81
  82. 82. DQOI - UFC Prof. Nunes Um segundo aspecto estereoquímico da hidrogenação de alcenos diz respeito à sua estereosseletividade. A reação que parte de um substrato que pode originar dois ou mais produtos estereoisoméricos, mas um deles é obtido exclusivamente ou em maior quantidade, é dita estereosseletiva. Hidrogenação Catalítica - EstereosseletividadeHidrogenação Catalítica - Estereosseletividade cis-pineno (único produto) trans-pineno (não formado) α-pineno 82
  83. 83. DQOI - UFC Prof. Nunes A estereoquímica desta reação é governada pela maneira com que o alceno se aproxima da superfície do catalisador. As duas metilas na cabeça de ponte impedem que a face superior do alceno se aproxime do metal, impedindo a formação do último composto. Hidrogenação Catalítica - EstereosseletividadeHidrogenação Catalítica - Estereosseletividade cis-pineno (único produto) trans-pineno (não formado) α-pineno 83
  84. 84. DQOI - UFC Prof. Nunes Hidrogenação Catalítica - MecanismoHidrogenação Catalítica - Mecanismo 84
  85. 85. DQOI - UFC Prof. Nunes Prof. Nunes Reações de Adição a Alcinos Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Química Orgânica II Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. nunes.ufc@gmail.com 85
  86. 86. DQOI - UFC Prof. Nunes Alcinos são hidrocarbonetos caracterizados pela presença de uma ligação tripla entre dois carbonos, ligações estas formadas pelos compartilhamento de 6 pares de elétrons entre dois carbonos com hibridação sp, garantindo à molécula uma estrutura linear. Estrutura de AlcinosEstrutura de Alcinos 86
  87. 87. DQOI - UFC Prof. Nunes As ligações C-H em alcanos e alcenos apresentam uma tendência muito pequena de se ionizarem. Todavia, os alcinos são um pouco mais ácidos, devido a maior eletronegatividade dos carbonos sp que estabilizam melhor a base conjugada formada. Reatividade de AlcinosReatividade de Alcinos etano eteno etino 87
  88. 88. DQOI - UFC Prof. Nunes Diante de uma base muito forte, como NH2 - ou RO-, alcinos são desprotonados, levando à formação de ânions. Estes carbânions são bons nucleófilos e podem atuar em reações de substituição nucleofílica em carbonos sp3. Reatividade de AlcinosReatividade de Alcinos 88
  89. 89. DQOI - UFC Prof. Nunes Os carbânions também são bases fortes e podem promover reações de eliminação diante de haletos de alquila. Reatividade de AlcinosReatividade de Alcinos C CH H CH2 C CH3 CH3 Br C C HH + H2C C CH3 CH3 Br - + 89
  90. 90. DQOI - UFC Prof. Nunes Os alcinos sofrem muitas das reações de adição que sofrem os alcenos. Por exemplo, alcinos sofrem hidrogenação catalítica, assim como alcenos o fazem: No processo, o alcino consome dois equivalentes de hidrogênio molecular: Redução de Alcinos – Hidrogenação CatalíticaRedução de Alcinos – Hidrogenação Catalítica 90
  91. 91. DQOI - UFC Prof. Nunes Redução de Alcinos – Hidrogenação CatalíticaRedução de Alcinos – Hidrogenação Catalítica Sob estas condições, o alceno cis é difícil de ser isolado porque ele sofre reação subsequente de hidrogenação no meio, levando à obtenção do alcano. não isolado 91
  92. 92. DQOI - UFC Prof. Nunes Redução de Alcinos – Hidrogenação CatalíticaRedução de Alcinos – Hidrogenação Catalítica No entanto, quando um catalisador parcialmente desativado, chamado um catalisador envenenado, é possível converter um alcino num alceno cis (sem redução adicional): Há vários catalisadores envenenados disponíveis para tal reação. O mais utilizado, no entanto, é o catalisador de Lindlar. catalisador envenenado catalisador de Lindlar = quinolina 92
  93. 93. DQOI - UFC Prof. Nunes Redução de Alcinos – Hidrogenação CatalíticaRedução de Alcinos – Hidrogenação Catalítica Catalisador de Lindlar sem catalisador com catalisador coordenada da reação Energia livre esta etapa é catalisada esta etapa NÃO é catalisada 93
  94. 94. DQOI - UFC Prof. Nunes Os alcinos também podem ser reduzidos a alcenos trans por meio de uma reação inteiramente diferente, a qual utiliza metal do grupo 1A em amônia liquida. Sob as condições racionais, a redução se dá pelo seguinte mecanismo: Hidrogenação de Alcinos - EstereoseletividadeHidrogenação de Alcinos - Estereoseletividade 94
  95. 95. DQOI - UFC Prof. Nunes Na primeira etapa do mecanismo, um único elétron é transferido para o alcino, gerando um intermediário que é chamado um ânion radicalar. O intermediário mais estável (E), no qual os grupos R e R’ estão trans um em relação ao outro, é formado mais rapidamente que o seu estereoisômero (Z), e leva à formação preferencial do alceno (E). Hidrogenação de Alcinos - EstereoseletividadeHidrogenação de Alcinos - Estereoseletividade ânion radicalar menor energia maior energia respulsão 95
  96. 96. DQOI - UFC Prof. Nunes Anteriormente, vimos que alcenos reagem com HX via uma adição de Markovnikov, adicionando um halogênio na posição mais substituída: Uma adição Markovnikov similar é observada quando alcinos são tratados com HX: Quando o alcino de partida é tratada com excesso de HX, duas reações sucessivas de adição ocorrerão, produzindo um dialogeneto geminal: Adição de HX a AlcinosAdição de HX a Alcinos excesso 96
  97. 97. DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo O mecanismo inicialmente proposto sugeria a formação de um carbocátion vinílico, o qual nos ajudaria a entender a regiosseletividade observada. Especificamente, a reação ocorre através do carbocátion vinílico mais estável (secundário) em vez do carbocátion primário menos estável. Adição de HX a AlcinosAdição de HX a Alcinos cátion vinílico mais estável que carbocátion vinílico mais estável carbocátion vinílico menos estável 97
  98. 98. DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo Infelizmente este mecanismo não é consistente com todas as observações experimentais, tais como: carbocátion vinílicos não são particularmente estáveis; carbocátion vinílicos 2ºs são similares em energia aos 1os; Adição de HX a AlcinosAdição de HX a Alcinos cátion vinílico 98
  99. 99. DQOI - UFC Prof. Nunes Outro Mecanismo Adição de HX a AlcinosAdição de HX a Alcinos Velocidade = K [alcino] [HX]2 Estado de Transição 99
  100. 100. DQOI - UFC Prof. Nunes Anteriormente, vimos que alcenos reagem com HX na presença de peróxidos adição de anti-Markovnikov, adicionando um halogênio na posição menos substituída: Uma reação similar é observada para alcinos. Quando um alcino terminal é tratado com HBr (não com HCl ou HF) na presença de peróxidos, uma adição anti-Markovnikov é observada. O Br é adicionado na posição terminal, produzindo uma mistura de isômeros E e Z: Adição Radicalar de HXAdição Radicalar de HX E Z 100
  101. 101. DQOI - UFC Prof. Nunes Anteriormente, vimos que alcenos sofrem reação de hidratação através de reação com H3O+. A reação processa-se através de uma adição de Markovnikov, onde a hidroxila é adicionada na posição mais substituída: Os alcinos também sofrem hidratação catalisada por ácido, mas a reação é mais lenta do que a correspondente reação com alcenos. Todavia, a velocidade de hidratação dos alcinos é marcadamente aumentada na presença de sulfato mercúrico (HgSO4), que catalisa a reação: Adição de H2O – HidrataçãoAdição de H2O – Hidratação 101 enol cetona
  102. 102. DQOI - UFC Prof. Nunes A hidratação do alcino produz um enol. Uma importante propriedade dos enóis é que eles são convertidos a aldeídos e cetonas sob as condições de sua formação. O processo pelo qual enóis são convertidos a aldeídos ou cetonas é chamado isomerismo ceto-enólico (ou tautomerismo ceto-enólico) Adição de H2O – HidrataçãoAdição de H2O – Hidratação enol cetona 102
  103. 103. DQOI - UFC Prof. Nunes Alcinos também sofrem reações de hidroboração. Novamente, o enol não pode ser isolado, e é rapidamente convertido em um aldeído através de tautomerização. Hidroboração de AlcinosHidroboração de Alcinos enol aldeído 103
  104. 104. DQOI - UFC Prof. Nunes A hidroboração-oxidação de alcinos procede através de um mecanismo semelhante ao mecanismo de hidroboração-oxidação de alcenos. Especificamente, o borano adiciona-se ao alcino num processo concertado que resulta em uma adição de anti-Markovnikov. Hidroboração de AlcinosHidroboração de Alcinos estado de transição de menor energia estado de transição de maior energia estado de transição de menor energia estado de transição de maior energia 104
  105. 105. DQOI - UFC Prof. Nunes Há, no entanto, uma diferença fundamental. Ao contrário de um alceno, que só possui uma ligação π, um alcino possui duas ligações π. Como resultado, duas moléculas de BH3 podem se adicionar ao alcino. Para evitar que a segunda adição, um borano de dialquila (R2BH) é utilizado em vez de BH3. Os dois grupos alquilas proporcionam impedimento estérico que evita a segunda adição. Os dois boranos de dialquila mais utilizados são o disiamilborano e o 9-BBN: Hidroboração de AlcinosHidroboração de Alcinos disiamilborano 9-BBN105
  106. 106. DQOI - UFC Prof. Nunes Com estes boranos, a hidroboração-oxidação de alcinos é um eficiente método para converter um alcino terminal em um aldeído. Hidroboração de AlcinosHidroboração de Alcinos disiamilborano 9-BBN 106
  107. 107. DQOI - UFC Prof. Nunes A hidratação catalisada por ácido de um alcino terminal produz uma metilcetona, enquanto a hidroboração-oxidação produz um aldeído. Em outras palavras, o resultado regioquímico de hidratação do alcino pode ser controlado pela escolha de reagentes. Regioquímica da HidrataçãoRegioquímica da Hidratação metilcetona aldeído 107
  108. 108. DQOI - UFC Prof. Nunes Anteriormente, vimos que alcenos regem com Br2 ou Cl2 para produzir um dialogeneto. De modo análgo, alcinos também sofrem halogenação. Todavia, pelo fato de possuírem duas ligações π ao invés de uma, pode, sequencialmente, adicionar dois equivalentes do halogênio para formar um tetra-halogeneto: Adição de X2 a AlcinosAdição de X2 a Alcinos 108
  109. 109. DQOI - UFC Prof. Nunes Em alguns casos, é possível adicionar apenas um equivalente de halogênio para produzir um di-halogeneto. Tal reação ocorre geralmente através de uma adição anti (assim como vimos com alcenos), produzindo o isômero E como produto principal: O mecanismo da halogenação de alcinos não é inteiramente entendido. Adição de X2 a AlcinosAdição de X2 a Alcinos 109
  110. 110. DQOI - UFC Prof. Nunes Quando tratado com ozônio (O3), seguido por água, alcinos sofrem clivagem oxidativa para produzir ácidos carboxílicos: Quando um alcino terminal sofre uma clivagem oxidativa, o lado terminal é convertido em dióxido de carbono: Ozonólise de AlcinosOzonólise de Alcinos 110
  111. 111. DQOI - UFC Prof. Nunes Décadas atrás, os químicos usavam a clivagem oxidativa para ajudá-los em determinações estruturais. Um alcino desconhecido poderia ser tratada com ozônio, seguido por água, e os ácidos carboxílicos resultantes seriam identificados. Esta técnica permitiu que os químicos identificassem a localização de uma ligação tripla em um alcino desconhecido. Ozonólise de AlcinosOzonólise de Alcinos CH3(CH2)4C≡CCH2CH2C≡C(CH2)4CH3 CH3(CH2)4COOH HOOCCH2CH2COOH 111

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