tese_6839_Deborah Araujo dos Santos

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
Estudo sobre o uso do NbCl5 como ácido de Lewis em
reações de Diels-Alder no anel furano
Deborah Araujo dos Santos
Dissertação de Mestrado em Química
Vitória
2013
Deborah Araujo dos Santos
Estudo sobre o uso do NbCl5 como ácido de Lewis em reações
de Diels-Alder no anel furano
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Química do Centro de
Ciências Exatas da Universidade Federal
do Espírito Santo como requisito parcial
para obtenção do título de Mestre em
Química, na área de Química Orgânica.
Orientador: Prof. Dr. Valdemar Lacerda
Júnior.
VITÓRIA
2013
Estudo sobre o uso do NbCl5 como ácido de Lewis em reações
de Diels-Alder no anel furano
Deborah Araujo dos Santos
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Química da
Universidade Federal do Espírito Santo como requisito parcial para a obtenção
do grau de Mestre em Química.
Aprovado(a) em 30/08/2013 por:
__________________________________________
Prof. Dr. Valdemar Lacerda Júnior
Universidade Federal do Espírito Santo
Orientador
__________________________________________
Prof. Dr. Kleber Thiago de Oliveira
Universidade Federal de São Carlos
__________________________________________
Prof. Dr. Reginaldo Bezerra dos Santos
Universidade Federal do Espírito Santo
Universidade Federal do Espírito Santo
Vitória, agosto de 2013
Aos meus pais por terem me dado asas e me ensinado a voar.
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais e à toda a minha família pelo apoio, compreensão e carinho
sempre.
Aos amigos feitos durante o curso. Em especial ao Thieres por ser além de
namorado, um grande amigo.
A todos os colegas de laboratório com os quais eu tive a oportunidade de
conviver por todos esses anos. Principalmente à Ludmila por ter me acompanhado
desde o início neste projeto.
Ao Prof. Dr. Valdemar pela orientação e por todo o aprendizado proporcionado
ao longo de quatro anos.
À todos os professores do LPQO/LSO&M pela orientação direta e indireta. E
aos outros professores do DQUI por contribuir com a minha formação.
Ao Prof. Dr. Kleber e ao Prof. Dr. Reginaldo por aceitarem prontamente
participar da banca de avaliação.
À CBMM por fornecer parte do NbCl5 utilizado nas reações.
Ao LabPetro DQUI/UFES pelas análises de ressonância magnética nuclear e
infravermelho.
Ao PPGQUI e DQUI pelo espaço cedido e financiamento para a participação
em congressos.
À CAPES pela bolsa.
“A lei de ouro do comportamento é a tolerância mútua, já que nunca
pensaremos todos da mesma maneira, já que nunca veremos senão uma
parte da verdade e sob ângulos diversos.”
Mahatma Gandhi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Estrutura do NbCl5 no estado sólido. ......................................................... 22
Figura 2. Representação dos possíveis estados de transição da cicloadição de
Diels-Alder. ................................................................................................................ 28
Figura 3. Interação em fase dos orbitais de fronteira do par dieno-dienófilo. ........... 28
Figura 4. Diagrama representativo de energias dos pares dieno-dienófilo............... 29
Figura 5. Regiosseletividade da reação de Diels-Alder em termos da TOMF. .......... 30
Figura 6. Estereosseletividade da cicloadição [4+2] explicada pela TOMF. ............. 31
Figura 7. Influência do ácido de Lewis nos coefientes dos orbitais do dienófilo. ...... 32
Figura 8. Exemplos de dienos usados em síntese. .................................................. 33
Figura 9. Exemplos de dienófilos usados em síntese. .............................................. 35
Figura 10. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa. .............................................. 47
Figura 11. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ba da reação 19 (vide Tabela 5). 49
Figura 12.Espectro de RMN de H¹ predito para o produto de substituição eletrofílica
no 2-metil-furano (38b). ............................................................................................. 49
Figura 13. Espectro de RMN de ¹H do produto 72bb da reação 47 (vide Tabela 8). 53
Figura 14. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10).
.................................................................................................................................. 55
Figura 15. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 51 (vide Tabela 10).
.................................................................................................................................. 56
Figura 16. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 53 (vide Tabela 10).
.................................................................................................................................. 56
Figura 17. Espectro de RMN obtido para o produto da reação entre 38a e 71e. ..... 58
Figura 18. Espectro de RMN de ¹H predito para o aduto 72ae................................. 58
Figura 19. Acetaldeído complexado com um ácido de Lewis numa relação anti com
o grupo alquil. ............................................................................................................ 59
Figura 20. Espectro de IV do produto 72aa da reação 5 (vide Tabela 3). ................. 62
Figura 21. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 5 (vide Tabela 3) ... 63
Figura 22. Espectro de RMN de ¹³C do produto 72aa da reação 5 (vide Tabela 3) .. 64
Figura 23. Espectro de COSY do produto 72aa da reação 5 (vide Tabela 3) ........... 65
Figura 24. Espectro de HSQC do produto 72aa da reação 5 (vide Tabela 3) ........... 65
Figura 25. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 1 (vide Tabela 3). .. 66
Figura 26. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 2 (vide Tabela 3). .. 67
Figura 27. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 3 (vide Tabela 3). .. 67
Figura 28. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 4 (vide Tabela 3). .. 68
Figura 29. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 6 (vide Tabela 3). .. 68
Figura 30. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 7 (vide Tabela 3). .. 69
Figura 31. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 8 (vide Tabela 3). .. 69
Figura 32. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 9 (vide Tabela 3). .. 70
Figura 33. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 10 (vide Tabela 3). 70
Figura 34. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 11 (vide Tabela 3). 71
Figura 35. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 12 (vide Tabela 3). 71
Figura 36. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 13 (vide Tabela 3). 72
Figura 37. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 14 (vide Tabela 3). 72
Figura 38. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 15 (vide Tabela 3). 73
Figura 39. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 16 (vide Tabela 3). 73
Figura 40. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 17 (vide Tabela 3). 74
Figura 41. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 18 (vide Tabela 3). 74
Figura 42. Espectro de IV do produto 72ab da reação 42 (vide Tabela 6)................ 75
Figura 43. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 42 (vide Tabela 6). 76
Figura 44. Espectro de RMN de ¹³C do produto 72ab da reação 42 (vide Tabela 6).
.................................................................................................................................. 77
Figura 45. Espectro de COSY do produto 72ab da reação 42 (vide Tabela 6). ........ 78
Figura 46. Espectro de HSQC do produto 72ab da reação 42 (vide Tabela 6)......... 78
Figura 47. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 27 (vide Tabela 6). 79
Figura 48. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 28 (vide Tabela 6). 80
Figura 49. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 30 (vide Tabela 6). 80
Figura 50. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 31 (vide Tabela 6). 81
Figura 51. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 33 (vide Tabela 6). 81
Figura 52. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 34 (vide Tabela 6). 82
Figura 53. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 36 (vide Tabela 6). 82
Figura 54. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 37 (vide Tabela 6). 83
Figura 55. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 38 (vide Tabela 6). 83
Figura 56. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 39 (vide Tabela 6). 84
Figura 57. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 40 (vide Tabela 6). 84
Figura 58. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 41 (vide Tabela 6). 85
Figura 59. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 43 (vide Tabela 6). 85
Figura 60. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 44 (vide Tabela 6). 86
Figura 61. Espectro de IV do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10).............. 87
Figura 62. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10).
.................................................................................................................................. 88
Figura 63. Espectro de RMN de ¹³C do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10).
.................................................................................................................................. 89
Figura 64. Espectro de COSY do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10). ...... 90
Figura 65. Espectro de HSQC do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10)....... 90
Figura 66. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 50 (vide Tabela 10).
.................................................................................................................................. 91
Figura 67. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 51 (vide Tabela 10).
.................................................................................................................................. 92
Figura 68. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 52 (vide Tabela 10).
.................................................................................................................................. 92
Figura 69. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 53 (vide Tabela 10).
.................................................................................................................................. 93
Figura 70. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 54 (vide Tabela 10).
.................................................................................................................................. 93
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Principais minerais de nióbio com suas respectivas composições e teores
de Nb2O5. .................................................................................................................. 19
Tabela 2. Registros de publicação nos últimos 10 anos sobre a reação de DielsAlder na Web of Science®. ....................................................................................... 27
Tabela 3. Rendimentos e proporções endo:exo de 72aa. ......................................... 46
Tabela 4. Comparação do melhor resultado de 72aa com diferentes metodologias
descritas na literatura. ............................................................................................... 47
Tabela 5. Porcentagem de massa recuperada das reações entre 38b e 71a. .......... 48
Tabela 6. Rendimentos e proporções endo:exo de 72ab.......................................... 50
Tabela 7. Comparação do melhor resultado de 72ab com diferentes metodologias
descritas na literatura. ............................................................................................... 51
Tabela 8. Rendimentos das reações entre 38b e 71b. ............................................. 52
Tabela 9. Comparação de diferentes condições reacionais para a obtenção de 72ac.
.................................................................................................................................. 54
Tabela 10. Rendimentos e proporções endo:exo de 72ad........................................ 54
Tabela 11. Comparação do melhor resultado de 72ad com diferentes metodologias
descritas na literatura. ............................................................................................... 57
Tabela 12. Principais bandas de IV do aduto 72aa. .................................................. 62
Tabela 13. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72aa endo. .. 63
Tabela 14. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72aa exo. .... 63
Tabela 15. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72aa endo.. 64
Tabela 16. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72aa exo. ... 64
Tabela 17. Principais bandas de IV do aduto 72ab................................................... 75
Tabela 18. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72ab endo... 76
Tabela 19. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72ab exo ..... 76
Tabela 20. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72ab endo . 77
Tabela 21. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72ab exo .... 77
Tabela 22. Principais bandas de IV do aduto 72ad................................................... 87
Tabela 23. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72ad endo... 88
Tabela 24. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72ad exo ..... 88
Tabela 25. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72ad endo . 89
Tabela 26. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72ad exo .... 89
LISTA DE ESQUEMAS
Esquema 1. Reação de condensação catalisada pelo pentóxido de nióbio hidratado.
.................................................................................................................................. 21
Esquema 2. Reação de homologação de β-ceto ésteres. ........................................ 22
Esquema 3. Reação de Diels-Alder catalisada pelo pentacloreto de nióbio. ............ 23
Esquema 4. Ciclização do (R)-citronelal na presença de NbCl5. .............................. 23
Esquema 5. Reação de Diels-Alder catalisada pelo NbCl5 fornecendo um
intermediário na síntese da Bakkenolida A. .............................................................. 24
Esquema 6. Reação de Mannich catalisada pelo NbCl5........................................... 24
Esquema 7. Cianosililação de aldeídos e cetonas com o NbCl5. ............................. 24
Esquema 8. Substituição nucleofílica de álcoois benzílicos catalisadas pelo NbCl5.25
Esquema 9. Síntese de α-aminonitrilas catalisadas pelo NbCl5. .............................. 25
Esquema 10. Síntese de derivados de piranoquinolinas. ......................................... 25
Esquema 11. Acetilação de álcoois catalisada pelo pentacloreto de nióbio. ............ 26
Esquema 12. Reação de Diels-Alder clássica. ......................................................... 26
Esquema 13. Tipos de espécies que participam da reação de Diels-Alder. ............. 34
Esquema 14. Reação de cicloadição [4+2] com o furano......................................... 35
Esquema 15. Síntese do primeiro oxabiciclo via reação de cicloadição. .................. 36
Esquema 16. Síntese do anel cicloexadienol (43). ................................................... 37
Esquema 17. Reação de Diels-Alder utilizando um aleno como dienófilo. ............... 37
Esquema 18. Reação entre o furano e um éter alenil. ............................................. 38
Esquema 19. Síntese do ácido ftálico 4,5-cis-diidrodiol. .......................................... 38
Esquema 20. Sintese do cicloexeno-1,6-dicarbaldeído (55). ................................... 38
Esquema 21. Reação de Diels-Alder intramolecular catalisada pela β-ciclodextrina.
.................................................................................................................................. 39
Esquema 22. Síntese do alcalóide da classe das pirrolofenantridinas (59). ............. 39
Esquema 23. Síntese do núcleo isoindol[1,2-a]isoquinolina (62). ............................ 40
Esquema 24. Síntese do metil 1-metil-3-oxo-7-oxabiciclo[2.2.1]hept-5-en-2carboxilato (67).......................................................................................................... 40
Esquema 25. Síntese através de uma metodologia one-pot de 3-hidroxiftalatos (70).
.................................................................................................................................. 40
Esquema 26. Componentes usados nas reações de Diels-Alder catalisada pelo
NbCl5. ........................................................................................................................ 44
Esquema 27. Proposta de mecanismo representada para a reação de Diels-Alder
entre o furano (38a) e o acrilato de metila (71a). ...................................................... 45
Esquema 28. Reação de Diels-Alder entre o 38a e 71c........................................... 53
Esquema 29. Possíveis reações entre 38a e 71e. ................................................... 57
Esquema 30. Mecanismo proposto para a substituição eletrofílica no furano
catalisada pelo NbCl5. ............................................................................................... 59
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
β-CD – β-ciclodextrina
BHT – di-terc-butil metil fenol
CBMM – Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração
CCD – Cromatografia em camada delgada
CNTP – Condições normais de temperatura e pressão
GDE – Grupo doador de élétrons
GRE – Grupo retirador de elétrons
HOMO – Orbital molecular ocupado de maior energia
IV - Infravermelho
LHC – Grande colisor de Hádrons (Large Hadron colider)
LUMO – Orbital molecular desocupado de menor energia
TOMF – Teoria dos orbitais moleculares de fronteira
RMN de ¹H – Ressonância magnética nuclear de ¹H
RMN de ¹³C - Ressonância magnética nuclear de ¹³C
LISTA DE SÍMBOLOS
δ – Deslocamento químico
Δ - aquecimento
d – dubleto
dd – duplo dubleto
ddd – duplo duplo dubleto
dt – duplo tripleto
Hz – Hertz
J – constante de acoplamento
m - multipleto
ppm – Parte por milhão
s – singleto
RESUMO
O presente estudo tem como objetivo avaliar o uso do pentacloreto de nióbio
(NbCl5) como catalisador em reações de Diels-Alder entre o anel furano e alguns
dienófilos reativos. Alguns parâmetros como, temperatura, tempo reacional e
proporção de catalisador foram variados a fim de se encontrar as melhores condições
reacionais para cada par dieno/dienófilo.
Os compostos de nióbio apresentam acidez de Lewis comprovada por vários
estudos. Em especial, o NbCl5 demonstrou boa atividade como catalisador em
diversas reações orgânicas. Desde a sua descoberta em 1928, a cicloadição [4+2],
ou reação de Diels-Alder é amplamente estudada e utilizada na construção de anéis
de seis membros. O notável interesse nessas reações se dá devido à possibilidade
de se obter moléculas com elevada complexidade estrutural em apenas uma etapa
reacional. A reação de Diels-Alder empregando o anel furano como dieno fornece o
7-oxabiciclo[2.2.1]hept-5-eno, um intermediário na síntese de diversos produtos
naturais como derivados do ácido chiquímico, terpenos, prostaglandinas, entre outros.
Um problema associado a essas reações é a baixa reatividade do furano como dieno,
com isso diversos estudos vem propondo o uso de catalisadores ácidos de Lewis e
pressões elevadas com o intuito de melhorar os rendimentos reacionais e a
seletividade.
O
+
E
O
NbCl5
E
H
7-oxabiciclo[2.2.1]hepteno
Nas reações em que o furano foi o dieno e o acrilato de metila o dienófilo,
rendimentos maiores que os descrito na literatura foram obtidos especialmente a
baixas temperaturas; o NbCl5 não foi ativo em nenhuma das condições reacionais
testadas com o maleato de dimetila; nas reações em que a acrilonitrila participou como
dienófilo os rendimentos foram baixos e observou-se a formação de subprodutos,
possivelmente resultado de polimerização; as reações com a 2-cloro-acrilonitrila
também apresentaram rendimentos baixos, mas com inversão da seletividade em
relação ao observado para os outros adutos; e com base em um estudo teórico
reportado na literatura, realizou-se uma tentativa de efetuar uma hetero Diels-Alder
com o acetaldeído como heterodienófilo, entretanto há evidências da formação do
produto de substituição no anel. Quando o 2-metil-furano foi o dieno as reações
apresentaram subprodutos, não havendo formação do cicloaduto.
Palavras-chave: pentacloreto de nióbio, reação de Diels-Alder, furano.
ABSTRACT
The present study aims at evaluating the use of niobium pentachloride (NbCl 5)
as catalyst in the Diels-Alder reactions between furan ring and some reactive
dienophiles. The influence of reaction parameters such as temperature, time and ratio
of catalyst were varied in order to find the best reaction conditions for each
diene/dienophile pair.
Niobium compounds present Lewis acidity and it was verified by several studies.
In particular, NbCl5 has shown good activity as catalyst in many organic reactions.
Since its discovery in 1928, the [4+2] cycloaddition, or the Diels-Alder reaction is widely
studied and used to construct six-membered rings. The great interest in these
reactions is due to the possibility of obtaining molecules with high structural complexity
in only one reaction step. The Diels-Alder reaction of furan ring as diene provides the
7-oxabicyclo[2.2.1]hept-5-ene with an intermediate for the synthesis of various natural
products, such as derivate of shikimic acid, terpenes and prostaglandins. An issue
associated with these reactions is the low reactivity of furan, thereby a variety of
studies have proposed the use of Lewis acids catalyst or high pressures in order to
increase reaction yield and selectivity.
O
+
E
O
NbCl5
E
H
7-oxabicyclo[2.2.1]hept-5-ene
In reactions in which furan was used as diene and the methyl acrylate was the
dienophile, the yields were better than those described in the literature, especially
when low temperatures were studied. The NbCl5 was not active in any reactional
conditions using dimethyl maleate. In the reactions in which acrylonitrile participated
as dienophile, yields were low and the formation of byproducts was observed, due to
polymerization. The reaction with 2-chloro-acrylonitrile also showed low yields but with
inversion of selectivity compared to that observed in the other adducts. Based on
theoretical studies reported in the literature, there was an attempt to perform a hetero
Diels-Alder reaction with acetaldehyde as heterodienophile. However, there was
evidences of a product resulted from an aromatic substitution. When the 2-methylfuran was used as diene, reactions showed only by-products, with no adduct formation.
Keyword: niobium penthacloride, Diels-Alder reaction, furan.
SUMÁRIO
1.
INTRODUÇÃO ................................................................................................... 18
1.1
Nióbio ........................................................................................................... 18
1.1.1
Propriedades e Ocorrência .................................................................... 18
1.1.2
Reservas e Produção ............................................................................ 20
1.1.3
Aplicações ............................................................................................. 21
1.1.4. NbCl5: Propriedades e Aplicações na Química Orgânica Sintética ........ 22
1.2
Reação de Diels-Alder ................................................................................. 26
1.2.1
Dienos e dienófilos ................................................................................ 32
1.2.2
Reações de Diels-Alder com o anel furano ........................................... 35
2.
OBJETIVOS ....................................................................................................... 42
3.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .................................................................. 43
4.
RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................... 45
5.
CONCLUSÃO .................................................................................................... 60
6.
PERSPECTIVA DE TRABALHOS FUTUROS .................................................... 61
7.
SEÇÃO DE ESPECTROS.................................................................................. 62
8.
7.1.
Metil 7-oxabiciclo[2.2.1]hept-5-eno-2-carboxilato (72aa).............................. 62
7.2.
7-oxa-biciclo[2.2.1]hept-5-eno-2-carbonitrila (72ab) ..................................... 75
7.3.
2-cloro-7-oxa-biciclo[2.2.1]hept-5-eno-2-carbonitrila (72ad)......................... 87
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 94
18
1.
1.1
INTRODUÇÃO
Nióbio
1.1.1 Propriedades e Ocorrência
O nióbio foi descoberto em 1801 pelo britânico Charles Hatchett em um minério
encontrado em Massachusets (EUA). Até meados do século XX o nióbio também era
conhecido como colúmbio (Cb). A partir de 1950 o nome nióbio foi oficialmente
adotado pela IUPAC.1,2
O nióbio (Nb) é classificado como um metal de transição de número atômico 41
e massa atômica relativa de 92,9064, ele é mononuclídico, ou seja, tem ocorrência na
natureza em apenas um nuclídeo apresentando somente um isótopo natural, o
93Nb.
O nióbio metálico quando puro é relativamente maleável e dúctil, contudo, impurezas
o torna rígido, ele possui densidade de 8,57 g/cm 3; nas CNTP encontra-se no estado
sólido, seu ponto de fusão e de ebulição são de, respectivamente, 2468 °C e 4744 °C.
O nióbio metálico é um dos metais mais resistentes a corrosão, inclusive em meios
ácidos e em metais alcalinos fundidos.1,2
Embora o nióbio exiba todos os estados de oxidação formais do +5 ao -1, seu
estado mais estável é o +5. O estado de oxidação +4 é observado em alguns
compostos halogenados, enquanto que os estados +2 e +3 aparecem em compostos
clusters.1
A abundância do nióbio na crosta terrestre é de 24 ppm. O nióbio não é
encontrado no estado livre na natureza e sim na forma de minerais quase sempre
associados ao tântalo, pois ambos possuem uma elevada afinidade geoquímica. A
ocorrência do nióbio é conhecida em mais de 90 espécies minerais, dentre eles os
que mais se destacam estão apresentados na Tabela 1. As principais fontes de nióbio
no Brasil e no mundo são a columbita-tantalita e o pirocloro.1,2
19
Tabela 1. Principais minerais de nióbio com suas respectivas composições e teores de Nb 2O5.
Mineral
Composição
Teor máximo de
Nb2O5 (%)
(Fe, Mn)(Nb, Ta2)O6
76
(Na3, Ca)2(Nb, Ti)(O, F)7
71
(Ba, Sr)2(Nb, Ti)2(O, OH)7
67
(Ce, Na, Ca)2(Ti, Nb)2O6
20
Columbita-Tantalita3
Pirocloro4
Bariopirocloro5
Loparita6
20
A columbita-tantalita geralmente é encontrada associada aos pegmatitos, isto
é, são termos finais do magma granítico que não entram na rocha primeiramente
cristalizada. Os pegmatitos são rochas plutônicas, resfriadas lentamente abaixo da
superfície da Terra. Neles encontram-se diversos minerais como: quartzo, feldspato,
mica, terras raras, gemas, cassiterita (estanho), tungstênio, além da columbitatantalita.2
O pirocloro é encontrado em carbonatitos associados a intrusões alcalinas do
período cretáceo superior, da era mesozoica. Os carbonatitos são comumente
compostos de um ou mais dos seguintes minerais: nióbio, níquel, cobre, titânio,
vermiculita (silicatos hidratados de alumínio e magnésio), apatita (fosfato), terras
raras, barita (sulfato de bário), fluorita (fluoreto de cálcio), tório e urânio.2
1.1.2 Reservas e Produção
Até a metade do século XX, a produção de nióbio era restrita, pois ele era obtido
como subproduto do tratamento das columbitas e tantalitas, isto implicava em um
preço elevado e uso limitado em um tipo de aço inoxidável e algumas superligas. Uma
modificação significativa neste cenário ocorreu com a descoberta de reservas de
pirocloro no Brasil e no Canadá. Atualmente, as três maiores reservas exploradas no
mundo estão localizadas no Brasil (Araxá, MG; Catalão e Ouvidor, GO) e no Canadá
(Saint Honoré, Québec) e encontram-se associados aos complexos alcalinos
carbonatíticos.2
O Brasil é detentor das maiores reservas mundiais de nióbio e também é o
maior produtor, seguido pelo Canadá e Austrália. As reservas estão concentradas nos
estados de Minas Gerais (75,08%) em Araxá e Tapira; Amazonas (21,34%) em São
Gabriel da Cachoeira e Presidente Figueiredo e Goiás (3,58%) em Catalão e Ouvidor.
O Brasil é autossuficiente na produção de nióbio desde 1993, com demanda suficiente
para atender o mercado interno e suprir quase a totalidade do mercado externo. 2
Quase todo consumo de nióbio (90%) é direcionado à indústria siderúrgica que
produz aços microligados, na forma de ferro nióbio, e aços resistentes ao calor. O
restante da produção é destinado à fabricação de superligas a base de óxido de nióbio
de elevada pureza e outras finalidades.2
21
1.1.3 Aplicações
O nióbio apresenta diversas aplicações e usos principalmente na indústria
siderúrgica e em setores de tecnologia.2
Na indústria siderúrgica o nióbio metálico e outros elementos como o titânio e
o vanádio são utilizados na fabricação de ligas de alta resistência, pois eles mantêm
propriedades desejáveis no aço como a soldabilidade, tenacidade e conformabilidade,
que são prejudicadas em aços com teor elevado de carbono. No caso do nióbio,
normalmente, as adições são de 400 g de nióbio para cada tonelada de aço. Esta liga
é usada na construção de oleodutos, gasodutos, plataformas de petróleo, bem como
na construção naval, indústria automobilística, construção civil e fabricação de
reatores nucleares.1,2
O nióbio é também utilizado na produção de aços inoxidáveis que são utilizados
principalmente na indústria de peças automotivas e aeronáutica. Os aços inoxidáveis
com nióbio apresentam maior durabilidade em condições de trabalho com temperatura
elevada.2
Uma propriedade importante do nióbio é a supercondutividade, com isso ele
pode ser aplicado em seu estado puro em magnetos supercondutores que compõem
aparelhos de ressonância magnética nuclear e em aceleradores de partículas
subatômicas. No Grande Colisor de Hándrons (LHC), por exemplo, há magnetos
compostos pela liga nióbio-titânio, essa liga também pode ser utilizada em implantes
cirúrgicos devido à baixa interação do nióbio com fluidos corporais.1,2
O óxido de nióbio de alta pureza (99,9%) é usado na produção de capacitores
cerâmicos, lentes ópticas, ferramentas, peças de motores e materiais resistentes ao
calor e a abrasão.2
O pentóxido de nióbio hidratado foi utilizado na década de 80 pela empresa
Sumitomo – que atua na área de mineração, siderurgia, química e farmacêutica – na
produção do 2,5-dimetilexa-2,4-dieno (3), um intermediário importante na síntese de
defensivos agrícolas, a partir da condensação do 2-metilpropeno (1) com o 2metilpropanal (2) (Esquema 1).7,8
Nb2O5.nH2O
O
-H2O
1
2
3
Esquema 1. Reação de condensação catalisada pelo pentóxido de nióbio hidratado.
22
Embora catalisadores contendo nióbio tenham sido estudados em diversas
reações catalisadas por ácido e suas atividades avaliadas por meio de várias técnicas,
eles ainda não são amplamente utilizados como catalisadores na prática.1
1.1.4. NbCl5: Propriedades e Aplicações na Química Orgânica Sintética
O pentacloreto de nióbio (NbCl5) é um ácido de Lewis de força elevada cuja
atividade como catalisador já foi estudada em diversas reações orgânicas. Ele pode
ser preparado de maneiras variadas, a metodologia mais simples consiste na cloração
direta do nióbio metálico a altas temperaturas (300-350 °C). O NbCl5 é um sólido
amarelo que sofre hidrólise facilmente, resultando em HCl e NbOCl3 ou Nb2O5.nH2O.
Ele é solúvel em solventes não aquosos, como álcoois e acetonitrila, e forma
complexos estáveis com vários ligantes doadores.9
A estrutura do NbCl5 no estado sólido constitui-se de unidade diméricas, nas
quais o metal está envolto por um octaedro distorcido de átomos de cloro. O dímero é
representado como dois octaedros dividindo um dos lados (Figura 1).9
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Nb
Nb
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Figura 1. Estrutura do NbCl5 no estado sólido.
A aplicações do NbCl5 como catalisador em reações orgânicas são extensas e
alguns exemplos recentes estão descritos a seguir.
Yamamoto et al. (1996)10 usa o NbCl5 como catalisador na síntese de γ-ceto
ésteres (5) a partir da homologação de α-trialquilestanilmetil-β-ceto ésteres (4)
(Esquema 2) com rendimentos ótimos em relação a outros ácidos de Lewis.
O
R
4
CO2Et
O
NbCl5
34-88%
R
SnR'3
Esquema 2. Reação de homologação de β-ceto ésteres.
CO2Et
5
R'3SnCl
6
23
A abertura de epóxidos catalisada pelo pentacloreto de nióbio apresenta bons
rendimentos, contudo os autores observaram pouca seletividade dos produtos, que
sofreram adição de solvente e de cloreto, eliminação de H+ e rearranjos.11
Em um dos seus estudos sobre o uso do pentacloreto de nióbio como ácido de
Lewis na síntese orgânica, Constantino et al. (2002)12 usa esse catalisador na reação
de Diels-Alder entre diferentes dienos cíclicos e enonas como dienófilos. Os autores
obtiveram sucesso apenas na reação entre o ciclopentadieno (7) e a cicloexenona (8)
(Esquema 3). Para os outros pares dieno/dienófilo, ou a reação não se procedeu ou
ocorreram substituições eletrofílicas nos anéis.
O
O
NbCl5
42-74%
7
8
9
Esquema 3. Reação de Diels-Alder catalisada pelo pentacloreto de nióbio.
Andrade et al. (2004)13 utilizou diferentes ácidos de Lewis (NbCl5, TaCl5, InCl3)
na ciclização do (R)-citronelal (10) resultando em uma mistura de isopulegol (11) e
neo-isopulegol (12) (Esquema 4). Dentre os catalisadores usados, o NbCl5 foi o mais
ativo e o menos seletivo.
NbCl5
(10 mol%)
CHO
10
OH
OH
30-98%
11
12
Esquema 4. Ciclização do (R)-citronelal na presença de NbCl5.
O pentacloreto de nióbio foi descrito como catalisador na reação de Diels-Alder
entre o aldeído tíglico (13) e o dieno 14 fornecendo com rendimento razoável e
excelente régio e estereosseletividade para o aduto que atua como intermediário na
síntese da Bakkenolida A (16). Em etapas posteriores os autores obtiveram o
epímeros 16 e 17 na proporção de 1:1 (Esquema 5).14
24
O
O
NbCl5
(25 mol%)
BnO
OBn
13
H
H
CH2Cl2
45%
OHC
()-Bakkenolida A
16
O
H
7-epi-()-Bakkenolida A
O
15
14
17
H
O
Esquema 5. Reação de Diels-Alder catalisada pelo NbCl5 fornecendo um intermediário na síntese da
Bakkenolida A.
Wang et al. (2007)15, utilizam o NbCl5 como catalisador em reações de Mannich
entre a acetofenona (18) e aldeídos 19 e aminas 20 aromáticas variadas (Esquema
6). Bons rendimentos foram obtidos em condições reacionais brandas. Os autores
compararam o NbCl5 com outros ácidos de Lewis comumente empregados em síntese
orgânica, e nas mesmas condições reacionais a atividade catalítica do NbCl 5 foi a
mais pronunciada.
CHO
O
R'
NH2
O HN
NbCl5 (10 mol%)
CH3
R'
R
19
18
EtOH, t.a.
76-96%
R
20
21
Esquema 6. Reação de Mannich catalisada pelo NbCl5.
A cianosililação de aldeídos e cetonas (Esquema 7) necessita de quantidades
muito pequenas do NbCl5 para que rendimentos acima de 90% sejam alcançados em
menos de uma hora de reação.16
O
R
R'
22
Me3SiCN
23
NbCl5 (1 mol%)
t.a.
65-99%
Esquema 7. Cianosililação de aldeídos e cetonas com o NbCl5.
R'
R
OSiMe3
CN
24
25
Álcoois benzílicos secundários 25 sofrem substituições nucleofílicas centradas
em átomos de carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre facilmente na presença de
quantidades catalíticas de NbCl5, como descreve Yadav et al. (2007)17 (Esquema 8).
OH
X
Nu-H ou R''-OH
ou
NH4SCN ou NaN3
R'
R
25
NbCl5 (5 mol%)
R'
R
CH3CN, t.a.
70-95%
X = Nu, OR'',
SCN ou N3
26
Esquema 8. Substituição nucleofílica de álcoois benzílicos catalisadas pelo NbCl 5.
Majhi et al. (2008)18 descreve a síntese de α-aminonitrilas 30 a partir da reação
simultânea entre aldeídos 27, aminas aromáticas 28 e o cianeto de trimetilsilila (29)
catalisada pelo NbCl5 com excelentes rendimentos (Esquema 9).
O
NH2
Ar
H
R
27
Me3SiCN
28
HN
NbCl5 (10 mol%)
R
CH3CN, t.a.
70-95%
29
Ar
CN
30
Esquema 9. Síntese de α-aminonitrilas catalisadas pelo NbCl5.
A reação de hetero Diels-Alder entre aldiminas 31 e o 3,4-diidro-2H-pirano (32)
fornece derivados de piranoquinolinas 33 que apresentam ampla atividade biológica.
A síntese desses compostos catalisada pelo pentacloreto de nióbio é decrita em
condições reacionais brandas com rendimentos elevados em tempos reacionais entre
1 e 190 minutos (Esquema 10).19
R1
R2
N
R5
O
NbCl5
(50, 25 e
12,5 mol%)
H
H
R2
R5
R4
31
R1
N
H
MeCN, t.a.
67-92%
R3
O
32
33
R3
R4
Esquema 10. Síntese de derivados de piranoquinolinas.
A acetilação de álcoois e fenóis catalisada pelo NbCl5 estudada por Yadav et
26
al. (2005)20 apresenta bons rendimentos com a seguinte ordem de reatividade: álcool
fenólico>benzílico>alifático primário>secundário>terciário (Esquema 11).
O
OH
R3
R1 R
2
NbCl5
(10 mol%)
O
25-100%
OAc
R3
R1 R
2
O
34
35
36
Esquema 11. Acetilação de álcoois catalisada pelo pentacloreto de nióbio.
Outros muitos tipos de reações catalisadas pelo NbCl5 são reportados na
literatura demonstrando sua ampla aplicabilidade na química orgânica sintética.
1.2
Reação de Diels-Alder
A reação de Diels-Alder é uma cicloadição entre um dieno conjugado e um
segundo componente, denominado dienófilo, que contém uma ligação dupla ou tripla.
No processo duas ligações σ são formadas à custo de duas ligações π (Esquema
12).21,22
Esquema 12. Reação de Diels-Alder clássica.
Poucas reações podem competir com a cicloadição de Diels-Alder no que se
diz respeito ao grau de complexidade estrutural que pode ser alcançado em apenas
uma etapa sintética. Bem conhecida e amplamente estudada por muitas décadas, a
reação de Diels-Alder permanece como um dos métodos sintéticos mais empregados
na construção de anéis de seis membros. A elevada régio e estereosseletividade
tipicamente exibidas por esse processo pericíclico e sua simples execução tem
contribuído com a sua popularidade.23
Desde a descoberta da reação de Diels-Alder em 1928, milhares de artigos
foram publicados a respeito de aspectos sintéticos, mecanísticos e teóricos. 22
Pesquisando o termo “Diels-Alder reaction” na plataforma de busca Web of Science®
obtém-se mais de 22 mil publicações com inúmeros tipos de aplicação apenas nos
27
últimos 24 anos, sendo que mais da metade delas surgiram na última década; dentre
todas as publicações mais de 2 mil tratam-se de revisões da literatura e todo ano esse
número só aumenta.24
Tabela 2. Registros de publicação nos últimos 10 anos sobre a reação de Diels-Alder na Web of
Science®.
Ano de publicação
Registros
2013
593
2012
1145
2011
1279
2010
1182
2009
1187
2008
1150
2007
1157
2006
1125
2005
1102
2004
1027
2003
1087
TOTAL
12034
A reação é classificada como uma cicloadição [4+2]; os números 4 e 2 indicam
os elétrons envolvidos no rearranjo eletrônico e o número de átomos que originam o
anel de seis membros insaturado. A reação de Diels-Alder pode ser intermolecular ou
intramolecular e possui diversas condições experimentais descritas. A característica
essencial da reação é que os dois componentes devem possuir caráter eletrônico
complementar. A maioria das reações envolvem um dieno contendo um substituinte
doador de elétrons e um dienófilo com substituintes retiradores de elétrons. Entretanto
há outro grupo menor de reações nas quais dienófilos ricos em elétrons reagem com
dienos deficientes em elétrons, essas reações com demanda inversa de elétrons,
como são denominadas, também são empregadas em síntese.21
A reação de Diels-Alder é uma cicloadição pericíclica – quando a formação e a
quebra das ligações são concertadas no estado de transição cíclico. Um estado de
transição concertado síncrono (a formação das ligações ocorrem simultaneamente) e
um estado de transição concertado assíncrono (a formação de uma ligação σ
ocorrendo antes da outra) são sugeridos, e o caminho da reação depende da natureza
dos reagentes e das condições experimentais. Uma reação de Diels-Alder concertada
28
e síncrona ocorre apenas com reagentes simétricos e apolares. A cicloadição de DielsAlder com materiais de partida não-simétricos é concertada, mas assíncrona. Cátions,
ânions e radicais conjugados também participam de reações de Diels-Alder. Nesses
casos, a cicloadição deixa de ser pericíclica, pois as duas ligações σ são formadas
em etapas distintas (Figura 2).22,25
H
H
H
H
H
H
H
X
X
H
H
E.T. síncrono
H
H
H
H
H
H
X
H
H
H
H
H
X
H
Y
H
H
E.T. assíncrono
Z
H
E.T. polar-iônico
Figura 2. Representação dos possíveis estados de transição da cicloadição de Diels-Alder.
De acordo com a teoria dos orbitais moleculares de fronteira (TOMF), a
reatividade, regioquímica e estereoquímica da reação de Diels-Alder são controladas
pelas interações suprafaciais em fase do orbital molecular ocupado de maior energia
(HOMO) de um componente e do orbital molecular desocupado de menor energia
(LUMO) do outro (Figura 3).22
LUMO
HOMO
Figura 3. Interação em fase dos orbitais de fronteira do par dieno-dienófilo.
A reatividade dos componentes de uma reação de Diels-Alder depende da
diferença de energia dos HOMO e LUMO: quanto menor a diferença de energia,
menor será a energia do estado de transição da reação em relação aos materiais de
partida e mais rápida será a reação. Substituintes retiradores de elétrons diminuem as
energias do HOMO e do LUMO, enquanto que os grupos doadores de elétrons
aumentas essas energias (Figura 4).22,26
29
Figura 4. Diagrama representativo de energias dos pares dieno-dienófilo.
A reação de Diels-Alder é reversível e a cicloadição é favorecida, pois duas
ligações π são substituídas por duas ligações σ. A ciclorreversão ocorre quando o
dieno e/ou dienófilo são moléculas particularmente estáveis (i.e. formação de anel
aromático, molécula de nitrogênio, dióxido de carbono, acetileno, etileno, nitrilas, etc.)
ou quando um dos reagente é facilmente consumido em reações subsequentes. A
reação de retro Diels-Alder normalmente requer temperaturas elevadas para transpor
a elevada barreira de ativação da ciclorreversão.21,22
A regiosseletividade da reação de Diels-Alder depende da natureza e do
número de substituintes no dieno e no dienófilo, bem como das condições reacionais
(catalisador, temperatura, pressão, solvente, etc.). Quando dois substituintes
diferentes estão presentes no dieno, um deles funciona como dirigente e controla a
regioquímica da reação.22
A regiosseletividade da reação é explicada pela TOMF com base nos
coeficientes dos orbitais dos átomos que formam a ligação σ. A regioquímica é
determinada pela sobreposição dos orbitais que possuem os maiores coeficientes.
Quanto maior a diferença entre os coeficientes orbitalares dos átomos do dieno e do
dienófilo que participam da reação, mais regiosseletiva será a reação (Figura 5).22,26
30
Favorecido
GDE
GDE
GRE
1
GRE
1
2
3
2
4
Desfavorecido
GDE
GDE
1
1
2
X
2
3
4
GRE
GRE
GDE = grupo doador de elétrons
GRE = grupo retirados de elétrons
Figura 5. Regiosseletividade da reação de Diels-Alder em termos da TOMF.
As reações de Diels-Alder são reações supra faciais o que preserva no
cicloaduto a estereoquímica relativa dos substituintes em C1 e C4 e em C1 e C2 dos
dienos e dienófilos, respectivamente. A estereoquímica relativa dos substituintes nos
novos centros estereogênicos do aduto é fixada por duas aproximações supra faciais
possíveis denominadas endo e exo.22
Espera-se que a adição exo seja a preferida, pois há menos interações
estéricas repulsivas do que na adição endo, entretanto, o aduto endo é normalmente
o produto majoritário devido à interações de estabilização secundária dos orbitais no
estado de transição. A TOMF explica que a adição endo é cineticamente favorável,
pois considera uma interação adicional não-ligante. Essa interação secundária dos
orbitais não dá origem a uma ligação, mas contribui para diminuição da energia do
estado transição endo em relação ao estado de transição exo.22,26 Estudos recentes
apontam que em determinados casos em que experimentalmente o aduto endo é o
produto majoritário ou o único, cálculos teóricos demostram que o estereoisômero
endo é o produto cinético e o termodinâmico, devido à interações estereoeletrônicas
estabilizadoras que se sobrepõem às interações repulsivas.27
31
O
Sem ligação
Sobreposição secundária
Energia de estabilização
ESTADO DE TRANSIÇÃO ENDO
MeO
Ligação
Sobreposição primária
O
O
O
ESTADO DE TRANSIÇÃO EXO
OMe
Figura 6. Estereosseletividade da cicloadição [4+2] explicada pela TOMF.
A descoberta de que ácidos de Lewis podem promover a reação de Diels-Alder
se tornou uma ferramenta importante na química orgânica sintética. A presença de
catalisadores ácidos de Lewis permitem que as cicloadições sejam realizadas em
condições brandas, reações com dienos e/ou dienófilos pouco reativos são possíveis
e a régio e estereosseletividade das reações podem ser modificadas.22
Os ácidos de Lewis podem acelerar as cicloadições. O efeito catalítico é
explicado pela TOMF considerando que a coordenação do ácido de Lewis com um
grupo retirador de elétrons no dienófilo aumenta o efeito retirador na ligação dupla ou
tripla e diminui a energia do LUMO do dienófilo. A complexação com ácidos de Lewis
ou a protonação influenciam tanto a energia quanto os coeficientes dos átomos de
carbono do orbital LUMO do dienófilo.22
Um método comum de se aumentar a regiosseletividade das reações de DielsAlder se baseia no uso de catalisadores ácidos de Lewis. A partir da complexação
dessas espécies com o dienófilo, a reação normal é promovida, uma vez que a
diferença de energia entre o LUMO do dienóflo e o HOMO do dieno é diminuída,
reduzindo assim a energia de ativação da reação (Figura 7). Além disso, essa
estabilização é maior para o estado de transição endo, resultado do aumento da
sobreposição secundária dos orbitais. O mais importante, no entanto, é o fato de que
os ácidos de Lewis podem frequentemente inverter a regioquímica do aduto de Diels-
32
Alder e gerar produtos que não seriam observados numa reação conduzida
termicamente.28
R
R
LUMO
O
AL
LUMO
O
HOMO
Me
HOMO
Me
Figura 7. Influência do ácido de Lewis nos coefientes dos orbitais do dienófilo.
Diversos ácidos de Lewis tem sido estudados e utilizados na reação de DielsAlder, desde os ácidos de Lewis mais comuns como AlCl3, TiCl4, SnCl4, ZnCl2, ZnBr2,
etc., até complexos de lantanídeos e catalisadores quirais.22
As reações de Diels-Alder também podem ser aceleradas através de pressões
elevadas (10-20 kbar) devido à diminuição no volume de ativação na formação do
estado de transição. O uso de altas pressões é particularmente útil quando há
impedimentos estéricos ou reagentes e/ou produtos instáveis termicamente
impossibilitam a utilização de métodos convencionais para acelerar a reação.
Enquanto que o aumento da temperatura reacional aumenta a velocidade tanto da
reação direta como a da reação inversa, o aumento da pressão aumenta a velocidade
somente da reação direta.23
1.2.1 Dienos e dienófilos
A utilidade da reação de Diels-Alder em síntese vem da sua versatilidade e
elevada régio e estereosseletividade. Um grande número de dienos e dienófilos,
contendo diversos grupos funcionais, podem ser utilizados. Nem todos os átomos
presentes no anel formado precisam ser átomos de carbono, de modo que
heterociclos também podem ser construídos por meio dessa reação.23
Dienos conjugados podem ser reativos nas cicloadições desde que as duas
ligações duplas assumam uma geometria cisóide. O dieno trans resultaria em um anel
de seis membros muito desfavorável energeticamente. Dienos cíclicos são
normalmente mais reativos do que aqueles de cadeia aberta (Figura 8).22-26
33
OMe
O
Me3SiO
CO2Me
N
OMe
CO2Me
MeO2C
O
CO2Me
Figura 8. Exemplos de dienos usados em síntese.
Efeitos eletrônicos dos substituintes no dieno influenciam as velocidades das
cicloadições. Substituintes doadores de elétrons no dieno aceleram as reações com
dienófilos contendo grupos retiradores de elétrons (reação de Diels-Alder com
demanda de elétrons normal), ao passo que grupos retiradores de elétrons ligados ao
dieno aceleram a cicloadição com dienófilos que possuem substituintes doadores de
elétrons (reação de Diels-Alder com demanda inversa de elétrons) (Esquema 13). As
reações que não são sensíveis aos efeitos de substituintes no dieno e/ou dienófilo são
classificadas como neutras.22,26
34
Reação de Diels-Alder não-ativada
C
C

C
C
GDE = grupo doador de elétrons
GRE = grupo retirador de elétrons
Reação de Diels-Alder normal
GDE
GDE
ou
GRE
GRE
Ácido de
Lewis
Reação de Diels-Alder com demanda inversa de elétrons
GRE
GDE
pressão
GRE
GDE
ou
Ácido de
Lewis
Reação de Diels-Alder intramolecular
GDE
GDE
GRE
ou
GRE
Ácido de
Lewis
n
n
Esquema 13. Tipos de espécies que participam da reação de Diels-Alder.
Heterociclos aromáticos, como furanos, tiofenos e pirróis, são bem
estabelecidos como dienos em reações de Diels-Alder apesar da sua aromaticidade
e consequente diminuição na reatividade. Em geral, os furanos sofrem cicloadições
[4+2] com diversos dienófilos, como alquenos, alquinos ou alenos ativados.
Entretanto, diversos pesquisadores observaram diferenças distintas no que se diz
respeito à rendimentos, tempos reacionais, condições reacionais necessárias e
esterosseletividades, dependendo do padrão de substituição no anel furano e da
natureza do dienófilo.23
Dienófilos são moléculas que possuem uma ligação dupla ou tripla. Diversos
tipos distintos de dienófilos podem fazer parte da reação de Diels-Alder. Eles podem
ser derivados do etileno, acetileno ou reagentes em que um ou dois átomos são
heteroátomos (Figura 9). Nem todos os dienófilos reagem facilmente; a reatividade
depende da estrutura. Geralmente para a reação “normal”, quanto maior o número de
35
substituintes retiradores de elétrons na ligação dupla ou tripla, mais reativo será o
dienófilo.21
O
O
MeO2C
O
CO2Me
O
S
O
O
C
CO2Me
O
O
N
O
CHO
NO2
OEt
O
O
Figura 9. Exemplos de dienófilos usados em síntese.
Os grupos ativadores mais comumente encontrados para os dienófilos que
participam da reação de Diels-Alder “normal” são CO, CO2R, CN e NO2. Ésteres e
nitrilas acrílicas, ésteres acetilênicos, cetonas α,β-insaturadas e quinonas, por
exemplo, são bastante utilizadas. Substituintes alquil, por outro lado, podem reduzir a
reatividade do dienófilo através de efeito estérico. Éteres vinílicos e enaminas, são
empregados em reações de Diels-Alder com demanda inversa de elétrons.21
Ligações carbono-carbono duplas ou triplas isoladas normalmente não
participam de reações de Diels-Alder intermoleculares em condições normais,
entretanto alquenos e alquinos cíclicos com elevada tensão angular participam.23
1.2.2 Reações de Diels-Alder com o anel furano
A tendência do anel furano de sofrer cicloadição [4+2] com várias ligações π
permite a construção rápida de intermediários sintéticos valiosos. A reação dá origem
ao 7-oxabiciclo-[2.2.1]hept-5-eno (7-oxanorboneno) substituído que pode ser
manipulado com elevada seletividade resultando em uma variedade de moléculas alvo
(Esquema 14).23
O
+
O
E
E
H
7-oxa-biciclo[2.2.1]hepteno
Esquema 14. Reação de cicloadição [4+2] com o furano.
36
Derivados do anel 7-oxanorbonano são encontrados na natureza e alguns
deles possuem atividades biológicas interessantes. Os 7-oxabiciclo[2.2.1]heptanos e
seus derivados insaturados (7-oxabiciclo[2.2.1]hept-5-enos; 7-oxabiciclo[2.2.1]hept2,5-enos) podem ser submetidos a diversas reações, tornando-os bem úteis como
intermediários na síntese total de produtos naturais.29
O desenvolvimento de métodos para construir novos substratos oxabicíclicos
encontrou um interesse crescente no final da década de 1970, e logo as reações de
abertura do anel foram aprofundadas. Contribuições significantes nessa área vieram
com melhoramentos na reação de Diels-Alder no anel furano, que tem sido a
metodologia mais estudada e aplicada na construção de 7-oxabiciclos[2.2.1]hept-5enos.30
A reação de Diels-Alder empregando o furano (38a) como dieno está entre uma
das primeiras reações estudadas por Otto Diels e Kurt Alder na década de 1920. 31
Trabalho no qual os pesquisadores desenvolveram um novo método de sintetizar a
norcantaridina (40) (Esquema 15). Atualmente, os cicloadutos derivados do furano são
ponto de partida na construção de estruturas bem mais complexas.30
O
O
O
37
O
O
38a

O
39
O
hidrogenação
catalítica
O
O
O
O
O
40
Esquema 15. Síntese do primeiro oxabiciclo via reação de cicloadição.
O furano é um dieno relativamente fraco em reações de Diels-Alder e reagem
com apenas alguns dienófilos bastante reativos formando os cicloadutos em
rendimentos razoáveis. Diversas tentativas de aumentar os rendimentos dessas
reações tem sido realizadas, como o uso de pressões elevadas e catalisadores ácidos
de Lewis.23
Em estudos teóricos acerca da reatividade de heterociclos aromáticos de cinco
membros (furano, tiofeno, pirrol e fosfol) como dienos em cicloadições, Musslimani e
Mettee (2004)32 demonstraram que o efeito dos substituintes nesses heterociclos é
semelhante àquele observado em dienos mais comuns, como o butadieno. Quanto
mais eletro-doador é o substituinte, mais exotérmica é a reação e maior a constante
de equilíbrio. Jursic (1998)33 determinou por meio da combinação de várias
37
abordagens teóricas que dentre os heterociclos aromáticos furano, pirrol e tiofeno, o
furano é o mais reativo e, portanto, o melhor dieno para reações de Diels-Alder; o
tiofeno é inerte e o pirrol tem reatividade intermediária.
Alguns estudos com a utilização do furano em reações de cicloadição [4+2]
realizados nas últimas décadas são mostrados a seguir.
O sistema 7-oxabiciclo[2.2.1]hept-5-enil (42) é um intermediário importante na
construção de anéis de seis membros funcionalizados. Brion (1982) 34, obteve bons
rendimentos do biciclo 42 através da reação de Diels-Alder do furano (38a) com
diversos dienófilos 41 catalisada por ZnI2. Bons rendimentos também foram obtidos
na abertura do anel induzida por base (Esquema 16).
O
38a
O
R1
ZnI2
R2
48 h, 40 °C
R1
R2
i. (Me3Si)2N
R1
ii. NH4Cl
R2
OH
42
41
43
Esquema 16. Síntese do anel cicloexadienol (43).
Uma classe de dienófilos que se submete facilmente a cicloadição de DielsAlder com o furano (38a) são os alenos que possuem pelo menos um grupo retirador
de elétrons no carbono terminal. Essa reação fornece uma rota sintética simples para
a obtenção de sistemas cíclicos funcionalizados contendo uma ligação dupla
exocíclica.23 A reação de Diels-Alder entre 38a e alenos é descrita por diversos
autores. Guildford e Turner (1983)35 reportam a síntese do aduto de Diels-Alder com
o fenilsulfonilpropadieno (44) como dienófilo com 61% de rendimento e maior
seletividade para o aduto endo (Esquema 17). Mais recentemente, Wang et al.
(2011)36 utiliza um catalisador de ouro (I) na reação entre 38a e o éter alenil (47), o
produto da cicloadição não foi observado, apenas o resultante de uma adição-1,4 (48)
(Esquema 18).
O
38a
100 °C
SO2Ph
44
O
O
SO2Ph
61%
SO2Ph
45
46
Esquema 17. Reação de Diels-Alder utilizando um aleno como dienófilo.
38
O
[Ph3P)Au]SbF6
O
O
O
47
38a
Alil
38%
Alil
48
Esquema 18. Reação entre o furano e um éter alenil.
Yang e Koreeda (1992)37 obtêm o ácido ftálico 4,5-cis-diidrodiol (51) – um dos
produtos de degradação do ácido ftálico – partindo do anel 7-oxabicilo[2.2.1]hept-5eno 50, resultado da reação de Diels-Alder entre 38a e um éster fumarato 49.
(Esquema 19).
O
OR
O
O
COOR
ZnI2
HO
COOH
RO
O
49
38a
50
HO
COOR
COOH
51
Esquema 19. Síntese do ácido ftálico 4,5-cis-diidrodiol.
Gustafsson e Sterner (1994)38 descrevem a síntese de cicloexeno-1,6dicarbaldeídos 55 – núcleo presente em diversos terpenóides isolados de plantas,
fungos, insetos e moluscos, que apresentam atividade biológica – partindo da reação
de Diels-Alder entre 2-alquilfuranos (52) e o 4,4-dietoxibut-1-inal 53 (Esquema 20).
CHO
O
i. Diels-Alder
R
O
CHO
ii. Hidrogenação
CH(EtO)2
52
53
i. Base
ii. Proteção
CHO
TBDMSO
CHO
iii. Hidrólise do acetal
54
CH(EtO)2
R
55
Esquema 20. Sintese do cicloexeno-1,6-dicarbaldeído (55).
A reação de Diels-Alder intramolecular é passível de ocorrer com o furano como
dieno. O escopo dessa reação é bem amplo em relação ao dieno, dienófilo e a ligação
entre os dois. O curso da reação de Diels-Alder intramolecular do anel furano (por
exemplo velocidade, estereosseletividade) pode ser afetado por substituições em
diferentes sítios do substrato.23
Sternbach e Rossana (1982)39 utilizaram a β-ciclodextrina em solução aquosa
como catalisador em reações de Diels-Alder intramolecular (Esquema 21), formando
sistemas policíclicos, interessantes na síntese de produtos naturais. Em comparação
39
com as reações não catalisadas em diferentes solventes, aquelas realizadas em
solução aquosa de β-ciclodextrina apresentaram rendimentos melhores.
R
O
O
-CD
R
H2O
O
HO
R
OH
R
HO
57a R
56
R
57b
Esquema 21. Reação de Diels-Alder intramolecular catalisada pela β-ciclodextrina.
Padwa et al. (1998)40 investigou a reação de Diels-Alder intramolecular de
amidofuranos 58 substituídos com uma olefina, a fim de criar uma metodologia de
síntese de alcalóides da classe das pirrolofenantridinas 59 em poucas etapas
reacionais (Esquema 22). O cicloaduto não é isolado, pois o par de elétrons não-ligado
do nitrogênio auxilia na abertura do biciclo subsequentemente.
CO2Me
O
N
N
Br
O
O
58
59
Esquema 22. Síntese do alcalóide da classe das pirrolofenantridinas (59).
A reação de Diels-Alder intramolecular também é utilizada em uma das etapas
da síntese no núcleo isoindol[1,2-a]isoquinolina 62 (Esquema 23), presente em
alcalóides produzidos por diversas plantas medicinais. O autor modificou os grupos X,
R1 e R2 a fim de estudar a influência da natureza do substituinte. Grupos doadores ou
aceptores de elétrons em R2 diminuem os rendimentos do aduto de Diels-Alder, por
causa do impedimento estérico gerado pelo substituinte. A natureza dos substituintes
X e R1 tiveram um efeito menos significativo na reação.41
40
X
X
N
X
O
R2
X
R2
Hal
N
X
MeCN
O
R1
exo-[4+2]
Haleto
N
X
R2
Haleto
O
R1
61
60
R1
62
Esquema 23. Síntese do núcleo isoindol[1,2-a]isoquinolina (62).
Aragão et al. (2005)42 utiliza o 2-metil-furano (38b) e o 3-bromopropiolato de
metila (63) como ponto de partida na síntese do metil 1-metil-3-oxo-7oxabiciclo[2.2.1]hept-5-en-2-carboxilato 66 em apenas três etapas reacionais. A
primeira etapa da síntese foi uma cicloadição [4+2], na qual o aduto 64 foi formado
majoritariamente (Esquema 24).
CO2Me
O
Benzeno
38b
Br
63
O
MeONa
Br
refluxo
53%
O
OMe
OMe
CO2Me
MeOH
87%
CO2Me
O
H3O+
O
82%
CO2Me
65
64
66
Esquema 24. Síntese do metil 1-metil-3-oxo-7-oxabiciclo[2.2.1]hept-5-en-2-carboxilato (67).
Nas reações entre o anel furano substituído em C2 e o dimetil
acetilenodicarboxilato (68), o IrCl3.3H2O promove a cicloadição seguida da clivagem
do biciclo, fornecendo derivados de 3-hidroxiftalatos com até 98% de rendimento
através de uma metodologia one-pot (Esquema 25). Nas reações em que o furano
possui um substituinte um doador de elétrons a proporção do aduto de Diels-Alder 69
foi inferior à do 3-hidroxiftalato (70). Já a maior quantidade de cicloaduto foi observada
quando o dieno possuía grupos retiradores de elétrons ou nenhum substituinte. 43
O
R
CO2CH3 IrCl3.3H2O
(10 mol%)
tolueno, 70 °C
48 h
CO2CH3
67
68
OH
O
CO2CH3
CO2CH3
R
CO2CH3
CO2CH3
R
69
Esquema 25. Síntese através de uma metodologia one-pot de 3-hidroxiftalatos (70).
70
41
Muitas outras reações de cicloadição envolvendo o anel furano são descritas
na literatura com diversas aplicações.
42
2.
OBJETIVOS
Desenvolver uma metodologia de síntese de derivados 7-oxabiciclo[2.2.1]hept-
5-eno através de reações de Diels-Alder entre o furano e diferentes dienófilos
catalisadas pelo pentacloreto de nióbio, avaliando a influência de alguns parâmetros
nos rendimentos e seletividade das reações como: quantidade de catalisador,
temperatura e tempo reacional.
43
3.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Reagentes:

Catalisador:
Pentacloreto de nióbio - Aldrich, 99% e CBMM (Companhia Brasileira de
Metalurgia e Mineração).

Dienos:
Furano - Fluka, padrão analítico, com 0,025% de 2,6-di-tert-4-metilfenol
como estabilizante e Aldrich, ≥ 99%, com BHT como inibidor.
2-metil-furano - Aldrich, 99%.

Dienófilos:
Acrilato de metila - Aldrich, 99%.
Acrilonitrila - Aldrich, 99,0%.
Maleato de dimetila - Aldrich, 98%.
2-cloro-acrilonitrila - Acros Organics, 99%, estabilizada com 500 ppm de
hidroquinona.
Acetaldeído - Vetec, 99%.
Dentre todos os reagentes utilizados, apenas o furano sofreu pré-tratamento de
acordo com o que é descrito na literatura.44
Métodos analíticos:

Cromatografia em camada delgada (CCD) – as análises de CCD foram
realizadas em placa de sílica gel UV254 (250 μm, 20x20 cm) suportada
em alumínio. Como eluente, utilizou-se uma mistura de acetato de etila
e hexano numa proporção de 7:3. Alíquotas retiradas das reações foram
diluídas em acetona e aplicadas na placa de sílica gel e após a corrida
a placa foi revelada foi efetuada em câmara de iodo.

Espectroscopia na região do infravermelho (IV) – os compostos
sintetizados foram analisados no equipamento FTLA2000-102 fabricado
pela ABB BOMEM. Os espectros foram adquiridos com resolução de 4
cm-1, 16 varreduras, com o acessório MIRacle, Pike Technologies = ATR
Single Reflection, 45°, ZnSe, utilizando como branco a atmosfera.
44

Espectroscopia de ressonância magnética nuclear de ¹H e ¹³C (RMN de
¹H e ¹³C) – as análises foram realizadas no espectrômetro Varian 400
MHz, na sonda de 5 mm Broadband 1H / X / D. O CDCl3 foi utilizado
como solvente. Os deslocamentos químicos (δ) estão representados em
ppm em relação ao padrão interno TMS. Os espectros foram editados e
preditos no software MestReNova.
Métodos experimentais gerais:
As reações foram realizadas em meio anidro e protegidas da luz. A uma mistura
de 10 mmol do dienófilo (71a-e) e NbCl5 (0,005; 0,025 e 0,100 mmol) adicionou-se 11
mmol do dieno (38a-b) (Esquema 26). A mistura foi mantida sob agitação magnética
em temperaturas ambiente, 0 °C e -20°C durante tempos variados. O
acompanhamento qualitativo das reações se deu por meio de análises de CCD
O
R1
O
R2
R4
+
38a-b
R1
a H
b CH3
X
NbCl5
X R
2
R3
72a-b,a-e
endo
R3
71a-e
a
b
c
d
e
R2
R3
CO2CH3
H
CN
H
CO2CH3 CO2CH3
CN
H
CH3
-
R4
R4
H
H
H
Cl
H
O
X
R4
R2
R3
72a-b,a-e
exo
X
CH
CH
CH
CH
O
Esquema 26. Componentes usados nas reações de Diels-Alder catalisada pelo NbCl5.
Ao final das reações os produtos foram isolados por extração múltipla com
acetato de etila, algumas gotas de solução saturada de bicarbonato de sódio foram
adicionadas à fase aquosa, para neutralizar o catalisador. Após remover o solvente
dos produtos extraídos, os mesmos foram analisados por espectroscopia de RMN de
¹H e ¹³C e infravermelho.
Os rendimentos reacionais foram calculados a partir de uma relação %m/m
entre o material isolado da reação e os materiais de partida (dieno e dienófilo). A
proporção dos adutos endo e exo foi determinada pela relação entre os valores das
integrações dos sinais dos hidrogênios da ligação dupla (6,70-6,20 ppm) dos
respectivos adutos no espectro de RMN de ¹H.
45
4.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O furano 38a é um dieno com reatividade relativamente baixa devido à perda
da aromaticidade durante a reação de cicloadição. Por esse motivo, ele reage apenas
com dienófilos bastante ativados fornecendo rendimentos razoáveis dos derivados 7oxabiciclo[2.2.1]hept-5-eno (72). Além disso, a reação de Diels-Alder com o furano
como dieno tende a ser reversível, uma outra dificuldade em realizar essa reações.30
Neste sentido, dienófilos com grupos retiradores de elétrons (reativos) foram utilizados
na avaliação do NbCl5 como catalisador nas cicloadições com o anel furano como
dieno.
O mecanismo da reação de Diels-Alder catalisada por ácidos de Lewis consiste
inicialmente na complexação do ácido de Lewis – neste caso o NbCl5 – com um átomo
com elétrons não-ligantes do dienófilo, o que diminui a energia do LUMO desse
componente através da deslocalização dos elétrons π, resultando no aumento da
velocidade da reação. Em seguida, ocorre o ataque concertado ao anel furano, cuja
adição pode ser endo ou exo. O aduto endo é o produto cinético e favorecido por
efeitos eletrônicos, já o aduto exo é o produto termodinâmico e efeitos estéricos
governam a sua formação (Esquema 26).26
Cl5Nb
O
OCH3
NbCl5
H3CO
O
O
O
O
CO2CH3
H
exo
H
CO2CH3
endo
Esquema 27. Proposta de mecanismo representada para a reação de Diels-Alder entre o furano
(38a) e o acrilato de metila (71a).
As reações foram realizadas sem solventes, primeiramente porque ambos
dienos e dienófilos são líquidos e também por contribuir na aplicação de metodologias
mais “verdes” na química orgânica sintética, resultando numa geração mínima de
resíduos, já que a reação de Diels-Alder ocorre com economia total de átomos, e no
momento da extração o NbCl5 é hidrolisado formando o Nb2O5.nH2O, um material com
baixa toxicidade.
46
Inicialmente, realizou-se o estudo das condições ótimas para a reação entre o
furano 38a e o acrilato de metila 71a (Tabela 3). Na determinação da proporção ideal
de catalisador, com a utilização de 0,5 mol % e 2,5 mol% de NbCl5 alguma atividade
foi apresentada em 24 horas de reação em temperaturas variadas, já com 10 mol%
de catalisador no mesmo tempo reacional, os rendimento foram bons (41,9-77,4%),
principalmente em temperaturas mais baixas. A diminuição do tempo reacional foi um
outro fator que influenciou no aumento das taxas de conversão. Com isso, pode-se
afirmar que começa a haver degradação dos produtos da reação com 10 mol% de
NbCl5 num período entre 4 e 6 horas, neste caso, subprodutos, como materiais
provenientes da reação de substituição no anel furano ou da polimerização do acrilato
de metila (71a), não foram observados (Figura 10), portanto, provavelmente a retroDiels-Alder foi favorecida em tempos reacionais maiores.
Tabela 3. Rendimentos e proporções endo:exo de 72aa.
O
CO2CH3
NbCl5
O
O
CO2CH3
38a
CO2CH3
73aa
73aa
endo
exo
72a
t.a.
Rendimento
(endo:exo)
2% (63:37)
0 °C
3% (66:34)
3
-20 °C
3% (61:39)
4
t.a.
16% (51:49)
0 °C
22% (65:35)
6
-20 °C
21% (65:35)
7
t.a.
42% (57:43)
0 °C
75% (59:41)
-20 °C
77% (60:40)
t.a.
50% (59:41)
0 °C
59% (62:38)
12
-20 °C
85% (61:39)
13
t.a.
58% (57:43)
0 °C
75% (65:35)
-20 °C
99% (56:44)
t.a.
47% (61:39)
0 °C
81% (58:42)
Dieno
Dienófilo
NbCl5
(mol%)
Tempo
1
2
0,5
5
2,5
8
9
10
38a
24 h
24 h
24 h
71ª
10
11
14
10
10
6h
4h
15
16
17
10
2h
Temperatura
47
18
-20 °C
83% (62:38)
Figura 10. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa.
A síntese do 72aa via reação de Diels-Alder já foi descrita por vários autores34,
45-49
utilizando pressões elevadas e diversos ácidos de Lewis. Com o NbCl5 como
catalisador observa-se rendimentos maiores em tempos reacionais inferiores aos
previamente reportados (Tabela 4).
Tabela 4. Comparação do melhor resultado de 72aa com diferentes metodologias descritas na
literatura.
Catalisador
Solvente
NbCl5
-
-
-
Temperatura
(°C)
-20
40
Tempo
(horas)
4
Rendimento
(%)
99
1-2 meses
5045
85:15
-b
endo:exo
58:42
-a
CH2Cl2
t.a.
4
6246
-a
CH2Cl2
60
6
9547
60:40
48
5534
33:67
17
6548
67:33
10
7649
70:30
14
4149
70:30
ZnI2
HfCl4
BF3.OEt2
Et2O
-
40
-78
5
BF3.OEt2
CCl4
5
a pressão de 15 kbar; b não foi informado pelo autor.
48
Nas reações entre o 2-metil-furano (38b) e o acrilato de metila (71a) (Tabela 5)
os tempos reacionais foram escolhidos de acordo com aqueles que apresentaram
melhores resultados para as reações entre 38a e 71a (Tabela 3), que foram 2 e 4
horas. Devido à maior reatividade do 38b em relação ao 38a, avaliou-se também a
influência da quantidade do catalisador e da temperatura.
Tabela 5. Porcentagem de massa recuperada das reações entre 38b e 71a.
O
O
CO2CH3
O
CO2CH3
NbCl5
X
CO2CH3
O
38b
O
71a
CO2CH3
CO2CH3
72ba
endo
Dieno
Dienófilo
NbCl5
(mol%)
19
2h
20
2,5
21
22
23
24
25
26
Tempo
4h
38b
71a
2h
10
4h
72ba
exo
t.a.
% de massa
recuperada
26
0 °C
49
t.a.
37
0 °C
90
t.a.
65
0 °C
56
t.a.
97
0 °C
76
Temperatura
Através das análises de RMN de ¹H constatou-se que o produto isolado não
corresponde ao cicloaduto 72ba, indicado principalmente pela ausência do sinal do
hidrogênio da ponte (H1 e H4) em aproximadamente 5,0 ppm (Figura 11). Na tentativa
de realizar as reações a -20 °C um material sólido e insolúvel em diversos solventes
se formou no balão reacional, o que pode apontar a polimerização dos materiais de
partida.
Comparando o espectro de RMN de ¹H do produto obtido nas reações entre
38b e 71a com o espectro predito para o produto de substituição eletrofílica no 2-metilfurano (38b) observa-se que há sinais característicos desse composto no espectro do
material isolado da reação (Figuras 11 e 12). O grupo metil no anel furano provoca
uma deslocalização de cargas no anel favorecendo a substituição frente à cicloadição.
49
O
5
6
5
3
4
1
O
7
2
CO2CH3
8
9
6
7
4
3
1
2
CO2CH3
8
9
Ausência do sinal
de H1 e H4 em
~5,0 ppm
Figura 11. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ba da reação 19 (vide Tabela 5).
Figura 12.Espectro de RMN de H¹ predito para o produto de substituição eletrofílica no 2-metil-furano
(38b).
50
As reações entre o 38a e a acrilonitrila 71b apresentaram rendimentos baixos
(Tabela 6), tentativas de realizar a reação com solvente não foram bem sucedidas.
Observou-se a formação de subprodutos que pode ser proveniente da polimerização
da acrilonitrila competindo com a formação do aduto de Diels-Alder. Nas reações
realizadas a -20 °C em 24 horas os cicloadutos não foram observados nas análises
de RMN de ¹H. Tempos reacionais menores do que os das reações entre 38a e 71a
foram testados no intuito de evitar a formação de subprodutos e aumentar os
rendimentos, entretanto essas tentativas também foram mal sucedidas. A seletividade
dos adutos 72ab foi em geral menor o que a observada para os adutos 72aa.
Tabela 6. Rendimentos e proporções endo:exo de 72ab.
O
CN
NbCl5
O
O
CN
38a
CN
73ab
endo
72b
t.a.
Rendimento
(endo:exo)
4 (50:50)
0 °C
7 (50:50)
29
-20 °C
3 (-)a
30
t.a.
6 (52:48)
0 °C
6 (49:51)
32
-20 °C
8 (-)a
33
t.a.
6 (50:50)
0 °C
9 (50:50)
-20 °C
-a
t.a.
14 (58:42)
0 °C
3 (57:43)
38
-20 °C
6 (56:44)
39
t.a.
18 (57:43)
0 °C
8 (57:43)
41
-20 °C
6 (59:41)
42
t.a.
8 (51:49)
0 °C
14 (59:41)
Dieno
Dienófilo
NbCl5
(mol%)
Tempo
27
28
0,5
31
2,5
34
35
36
37
40
43
aNão
73ab
exo
10
38a
24 h
24 h
24 h
71b
10
10
10
2h
1h
40 min
Temperatura
44
-20 °C
foram observado os sinais do cicloaduto no espectro de RMN de ¹H.
14 (60:40)
51
Comparando os resultados descritos na literatura para as reações de
cicloadição entre 38a e 71b usando outros catalisadores ácidos de Lewis e pressões
elevadas com as reações realizadas com o NbCl5 observa-se que as outras
metodologias foram mais eficientes (Tabela 7).
Tabela 7. Comparação do melhor resultado de 72ab com diferentes metodologias descritas na
literatura.
a
Catalisador
Temperatura
(°C)
Tempo
(horas)
Rendimento
(%)
endo:exo
NbCl5
t.a.
1
18
57:43
-
30
5 semanas
2550
61:39
-a
t.a.
4
5546
-b
ZnI2
40
48
10034
50:50
ZnI2c
40-60
48
3551
57:43
ZnCl2
t.a.
3
4852
55:45
ZnCl2/SiO2
t.a.
3
9052
65:35
pressão de 15 kbar; não foi informado pelo autor;
zinco
b
c
foi utilizado um grande excesso de iodeto de
52
As reações do 38b com 71b (Tabela 8) apresentaram bons rendimentos,
entretanto o aduto de Diels-Alder não foi observado no espectro de RMN de ¹H,
evidenciado pelo não aparecimento do sinal do hidrogênio da ponte (H1 e H4) em
aproximadamente 5,0 ppm (Figura 13). Kienzle (1975)50 reporta essa reação com 58%
de rendimento.
Tabela 8. Rendimentos das reações entre 38b e 71b.
O
O
CN
CN
NbCl5
X
38b
O
CN
O
71b
O
CN
CN
72bb
endo
Dieno
Dienófilo
45
46
47
48
38b
NbCl5
(mol%)
Tempo
2,5
2h
10
2h
71b
72bb
exo
t.a.
% de massa
recuperada
43
0 °C
38
t.a.
71
0 °C
75
Temperatura
53
O
5
6
5
3
4
1
O
7
2
6
CN
7
8
4
3
1
2
CN
8
Ausência do sinal
de H1 e H4 em
~5,0 ppm
Figura 13. Espectro de RMN de ¹H do produto 72bb da reação 47 (vide Tabela 8).
Nas reações entre 38a e o maleato de dimetila 71c (Esquema 28) não houve
formação do aduto de Diels-Alder em nenhuma das condições reacionais testadas
(proporções de catalisador de 0,5 mol%, 2,5 mol% e 10 mol%, a temperatura ambiente
e 0 °C). Através do acompanhamento da reação por CCD, observou-se que mesmo
depois de 24 horas o dienófilo não havia sido consumido.
O
38a
CO2CH3
CO2CH3
71c
NbCl5
X
O
CO2CH3
CO2CH3
72ac
endo
O
CO2CH3
CO2CH3
72ac
exo
Esquema 28. Reação de Diels-Alder entre o 38a e 71c.
As metodologias de síntese de 72ac com outros ácidos de Lewis e pressões
elevadas descritas na literatura apresentam bons rendimentos (Tabela 9).
54
Tabela 9. Comparação de diferentes condições reacionais para a obtenção de 72ac.
a
Catalisador
Solvente
Temperatura
(°C)
Tempo
(horas)
Rendimento
(%)
endo:exo
NbCl5
-
t.a.
24
0
-
-a
CH2Cl2
t.a.
8
9445
-b
-a
CH2Cl2
27
8
9046
81:19
ZnI2
-
40
48
5534
40:60
HfCl4
CH2Cl2
-20
5
9147
93:7
Pressão de 15 kbar; b não informado pelo autor.
Para as reações entre 38a e a 2-cloro-acrilonitrila (71d) foram aplicadas
algumas condições que resultaram em bons rendimentos para os outros adutos, como
71d é um dienófilo mais reativo, novamente duas proporções de catalisador foram
testadas (2,5 mol% e 10 mol%) em duas horas de reação (Tabela 10).
Tabela 10. Rendimentos e proporções endo:exo de 72ad.
O
Cl
CN
NbCl5
O
O
CN
Cl
38a
Dieno
CN
72ad
endo
71d
Dienófilo
Tempo
49
t.a.
50
51
52
53
54
Temperatura
38a
71d
2h
0 °C
-20 °C
Cl
72ad
exo
NbCl5
(mol%)
2,5
Rendimento
(endo:exo)
18 (20:80)
10
10 (23:77)
2,5
2 (39:61)
10
19 (24:76)
2,5
8 (41:59)
10
20 (34:66)
Os rendimentos no geral foram baixos (Tabela 10). A 0 °C e -20 °C os resultados
foram melhores com 10 mol% de catalisador, já a temperatura ambiente o rendimento
foi menor com uma quantidade menor de catalisador (Tabela 10, reação 50). A fim de
justificar o rendimento da reação 50 (Tabela 10), essa reação foi repetida com os
tempos reacionais de 1 e 4 horas fornecendo rendimentos de 12% e 6%,
respectivamente, logo ficou evidente que a reação reversa é favorecida a essa
temperatura, o que também pode justificar a maior proporção do aduto exo.
55
Observou-se através dos espectros dos produtos 72ad que houve um aumento
no sinal da impureza entre 2,75-3,25 ppm em temperaturas reacionais menores, logo
mais subprodutos foram formados, reduzindo o rendimento real da reação. (Figuras
14, 15 e 16)
Sinal do
cicloaduto
Sinal da
impureza
Figura 14. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10).
56
Figura 15. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 51 (vide Tabela 10).
Figura 16. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 53 (vide Tabela 10).
57
Os rendimentos obtidos para 72ad foram inferiores aos alcançados com a
utilização de outros ácidos de Lewis (Tabela 11). Por outro lado, uma maior
seletividade para o aduto exo foi observada com a utilização do NbCl5.
Tabela 11. Comparação do melhor resultado de 72ad com diferentes metodologias descritas na
literatura.
a
Catalisador
Temperatura
Tempo
Rendimento (%)
endo:exo
NbCl5
-20 °C
2
20
34:66
-
70 °C
18
1153
-a
-
26 °C
4 semanas
3354
71:39
ZnI2
40 °C
48
6034
50:50
ZnCl2
t.a.
3
3052
67:33
ZnCl2/SiO2
t.a.
3
5552
38:62
não informado pelo autor.
Jursic e Zdravkovski (1995)55, mostram através de cálculos teóricos que o
formaldeído é mais reativo como dienófilo do que o etileno em seus estudos sobre a
reatividade e estereosseletividade das cicloadições entre heterodienófilos com o
furano. A fim de pôr em prova essa evidência teórica, realizou-se uma reação entre o
38a e o acetaldeído 71e com 2,5 mol% de NbCl5, a temperatura ambiente durante
duas horas (Esquema 29).
HO
O
O
NbCl5
O
H3C
HO
CH3
74
H3C
73
38a
NbCl5
O
71e
H
X
O
O
O
72ae CH3
endo
O
CH3
72ae
exo
Esquema 29. Possíveis reações entre 38a e 71e.
Neste caso, pode ter ocorrido uma substituição eletrofílica aromática (reação à
esquerda no Esquema 33), pois o espectro de RMN de ¹H do produto isolado (Figura
17) apresenta um sinal característico do anel furano em aproximadamente 7,3 ppm,
sinal que não aparece no espectro de RMN de ¹H do aduto de Diels-Alder
correspondente (Figura 18).
58
Figura 17. Espectro de RMN obtido para o produto da reação entre 38a e 71e.
Figura 18. Espectro de RMN de ¹H predito para o aduto 72ae.
59
Algumas características relacionadas à reatividade do furano e da carbonila do
aldeído podem ser consideradas na explicação da preferência na formação do produto
de substituição (73 e 74) frente ao aduto de Diels-Alder (72ae) (Esquema 29). Estudos
cristalográficos e computacionais mostram que os ácidos de Lewis assumem uma
conformação anti na complexação com aldeídos (Figura 19) e isso pode gerar um
impedimento estérico na aproximação do dieno. Além disso, os ácidos de Lewis
aumentam a eletrofilicidade da carbonila tornando a substituição eletrofílica no anel
furano mais favorável energeticamente, pois o intermediário é estabilizado por
ressonância e não há quebra da aromaticidade deste heterociclo (Esquema 30).56
AL
O
H
CH3
Figura 19. Acetaldeído complexado com um ácido de Lewis numa relação anti com o grupo alquil.
Cl4Nb
H
O
O
CH3
O
H
H
O
O
NbCl4
H
H
O
NbCl4
-NbCl5
O
O
H
H
O
NbCl4
-H+/+H+
CH3
OH
Esquema 30. Mecanismo proposto para a substituição eletrofílica no furano catalisada pelo NbCl 5.
60
5.
CONCLUSÃO
O NbCl5 usado como catalisador nas reações de Diels-Alder com o furano (38)
como dieno demonstrou boa atividade para o dienófilo menos reativo, o acrilato de
metila (71a), em condições reacionais brandas. Outros dienófilos, com grupo
apresentando maior efeito retirador de elétrons e, portanto, mais reativos
apresentaram rendimentos baixos com este catalisador ou nem reagiram. No caso da
acrilonitrila (71b) e da 2-cloro-acrilonitrila (71d), subprodutos foram observados
especialmente a temperaturas mais baixas, com o maleato de dimetila como dienófilo
(71c) não houve reação. As reações com o 2-metil-furano (38b) como dieno
catalisadas pelo pentacloreto de nióbio não ocorreram no sentido de formar os adutos
de Diels-Alder, assim como a reação com o acetaldeído (71e) como heterodienófilo.
61
6.
PERSPECTIVA DE TRABALHOS FUTUROS

Avaliar a atividade do NbCl5 em reações de Diels-Alder do anel furano com
dienófilos menos reativos do que os utilizados neste trabalho.

Testar para as reações que apresentaram baixos rendimentos condições
reacionais mais severas, como refluxo e -78 °C.

Empregar os adutos de Diels-Alder obtidos através da metodologia descrita na
síntese de produtos mais complexos.
62
7.
SEÇÃO DE ESPECTROS
Os dados espectrais estão de acordo com o que é descrito na literatura para
todos os adutos de Diels-Alder sintetizados.46,53,57
7.1.
Metil 7-oxabiciclo[2.2.1]hept-5-eno-2-carboxilato (72aa)
A caracterização completa do composto 72aa foi realizada com o produto da
reação 5 (vide Tabela 3).
O
O
5
6
1
4
5
3
3
CO2CH3
2
4
8
7
72aa exo
6
1
2
CO2CH3
8
7
72aa endo
Figura 20. Espectro de IV do produto 72aa da reação 5 (vide Tabela 3).
Tabela 12. Principais bandas de IV do aduto 72aa.
Grupo
funcional
C=C-H
Número de onda (cm-1)
3010
C-C-H
2954
C=O
1734
C=C
1438
O=C-O
1200-1170
C-O-C
1020
63
Figura 21. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 5 (vide Tabela 3)
Tabela 13. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72aa endo.
H
1
2
3
3’
4
5
6
7
δ (ppm)
5,17
3,12
2,14
1,58
5,02
6,42
6,23
3,65
Multiplicidade
ddd
ddd
m
m
ddd
dd
dd
s
J (Hz)
4,7; 1,5; 0,8
9,1; 4,8; 3,9
4,1; 1,7 ; 0,8
5,8; 1,9
5,8 ; 1,9
-
Tabela 14. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72aa exo.
H
1
2
3
3’
4
5
6
7
δ (ppm)
5,19
2,44
2,14
1,58
5,08
6,39
6,35
3,74
Multiplicidade
dd
dd
m
m
ddd
dd
dd
s
J (Hz)
1,5; 0,8
8,2; 3,9
4,7; 1,6; 0,8
5,8; 1,8
5,8; 1,8
-
64
Figura 22. Espectro de RMN de ¹³C do produto 72aa da reação 5 (vide Tabela 3)
Tabela 15. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72aa endo.
C
1
2
3
4
5
6
7
8
δ (ppm)
78,7
42,7
28,6
79,1
137,1
132,6
51,8
172,6
Tabela 16. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72aa exo.
C
1
2
3
4
5
6
7
8
δ (ppm)
80,9
42,7
29,1
78,0
137,1
134,6
52,1
174,2
65
Figura 23. Espectro de COSY do produto 72aa da reação 5 (vide Tabela 3)
Figura 24. Espectro de HSQC do produto 72aa da reação 5 (vide Tabela 3)
66
A seguir (Figuras 25-41) estão apresentados os espectros de RMN de ¹H dos
adutos 72aa obtidos nas reações 1 à 4 e 6 à 18 (vide Tabela 3).
Figura 25. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 1 (vide Tabela 3).
67
Figura 26. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 2 (vide Tabela 3).
Figura 27. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 3 (vide Tabela 3).
68
Figura 28. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 4 (vide Tabela 3).
Figura 29. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 6 (vide Tabela 3).
69
Figura 30. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 7 (vide Tabela 3).
Figura 31. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 8 (vide Tabela 3).
70
Figura 32. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 9 (vide Tabela 3).
Figura 33. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 10 (vide Tabela 3).
71
Figura 34. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 11 (vide Tabela 3).
Figura 35. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 12 (vide Tabela 3).
72
Figura 36. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 13 (vide Tabela 3).
Figura 37. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 14 (vide Tabela 3).
73
Figura 38. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 15 (vide Tabela 3).
Figura 39. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 16 (vide Tabela 3).
74
Figura 40. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 17 (vide Tabela 3).
Figura 41. Espectro de RMN de ¹H do produto 72aa da reação 18 (vide Tabela 3).
75
7.2.
7-oxa-biciclo[2.2.1]hept-5-eno-2-carbonitrila (72ab)
A caracterização completa do aduto 72ab foi realizada com o produto da
reação 42 (vide Tabela 6)
O
5
6
1
4
O
3
6
4
2
7 CN
72ab endo
5
3
CN
1
2
7
72ab exo
Figura 42. Espectro de IV do produto 72ab da reação 42 (vide Tabela 6).
Tabela 17. Principais bandas de IV do aduto 72ab.
Grupo
funcional
C-C-H
Número de onda (cm-1)
2961
C≡N
2242
C=C
1665
C-O-C
1020
76
Figura 43. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 42 (vide Tabela 6).
Tabela 18. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72ab endo
H
1
2
3
3’
4
5
6
δ (ppm)
5,23
2,94
2,30
1,55
5,14
6,57
6,31
Multiplicidade
ddd
dt
ddd
dd
dd
dd
dd
J (Hz)
4,7; 1,9; 0,8
9,4; 3,9
11,4; 9,3; 4,3
11,5; 3,7
4,7; 1,4
5,9; 1,9
5,7; 1,8
Tabela 19. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72ab exo
H
1
2
3
3’
4
5
6
δ (ppm)
5,24
2,40
2,13
1,75
5,19
6,49
6,42
Multiplicidade
dd
dd
dt
dd
dd
dd
dd
J (Hz)
1,9; 0,8
8,6; 3,9
11,5; 4,1
11,7; 8,2
4,7; 1,6
5,9; 1,6
5,9; 1,9
77
Figura 44. Espectro de RMN de ¹³C do produto 72ab da reação 42 (vide Tabela 6).
Tabela 20. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72ab endo
C
1
2
3
4
5
6
7
δ (ppm)
78,8
26,2
31,4
78,9
137,6
136,6
121,7
Tabela 21. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72ab exo
C
1
2
3
4
5
6
7
δ (ppm)
81,2
27,6
31,5
78,0
137,6
133,6
120,4
78
Figura 45. Espectro de COSY do produto 72ab da reação 42 (vide Tabela 6).
Figura 46. Espectro de HSQC do produto 72ab da reação 42 (vide Tabela 6).
79
A seguir (Figuras 47-60) estão apresentados os espectros de RMN de ¹H dos
adutos 72ab obtidos nas reações 27 à 41, 43 e 44 (vide Tabela 6).
Figura 47. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 27 (vide Tabela 6).
80
Figura 48. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 28 (vide Tabela 6).
Figura 49. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 30 (vide Tabela 6).
81
Figura 50. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 31 (vide Tabela 6).
Figura 51. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 33 (vide Tabela 6).
82
Figura 52. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 34 (vide Tabela 6).
Figura 53. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 36 (vide Tabela 6).
83
Figura 54. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 37 (vide Tabela 6).
Figura 55. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 38 (vide Tabela 6).
84
Figura 56. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 39 (vide Tabela 6).
Figura 57. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 40 (vide Tabela 6).
85
Figura 58. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 41 (vide Tabela 6).
Figura 59. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 43 (vide Tabela 6).
86
Figura 60. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ab da reação 44 (vide Tabela 6).
87
7.3.
2-cloro-7-oxa-biciclo[2.2.1]hept-5-eno-2-carbonitrila (72ad)
A caracterização completa do aduto 72ad foi realizada com o produto da reação
49 (vide Tabela 10)
O
5
O
4
6
3
4
6
Cl
1
2
CN
72ad endo
7
5
3
CN
1
2 7
Cl
72ad exo
Figura 61. Espectro de IV do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10)
Tabela 22. Principais bandas de IV do aduto 72ad.
Grupo
funcional
C-C-H
Número de onda (cm-1)
2960
HC=CH
1600
C-O-C
1147
C-Cl
700
88
Figura 62. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10).
Tabela 23. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72ad endo
H
1
3
3’
4
5
6
δ (ppm)
5,25
2,52
2,37
5,18
6,70
6,54
Multiplicidade
ddd
dd
d
dd
dd
dd
J (Hz)
4,3; 1,6; 0,8
13,3; 4,3
12,5
1,6; 0,8
5,9; 1,6
5,9; 1,6
Tabela 24. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹H do aduto 72ad exo
H
1
3
3’
4
5
6
δ (ppm)
5,33
2,88
1,84
5,21
6,64
6,43
Multiplicidade
dd
dd
d
ddd
dd
dd
J (Hz)
1,6; 0,8
12,5; 4,7
12,3
4,7; 1,6; 0,8
5,7; 1,7
5,7; 1,7
89
Figura 63. Espectro de RMN de ¹³C do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10).
Tabela 25. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72ad endo
C
1
2
3
4
5
6
7
δ (ppm)
84,9
58,2
45,8
79,6
138,3
132,1
120,1
Tabela 26. Atribuição dos sinais do espectro de RMN de ¹³C do aduto 72ad exo
C
1
2
3
4
5
6
7
δ (ppm)
87,6
51,4
44,3
79,4
140,4
132,6
118,4
90
Figura 64. Espectro de COSY do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10).
Figura 65. Espectro de HSQC do produto 72ad da reação 49 (vide Tabela 10).
91
A seguir (Figuras 66-70) estão apresentados os espectros de RMN de ¹H dos adutos
72ad obtidos nas reações 50 à 54 (vide Tabela 10).
Figura 66. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 50 (vide Tabela 10).
92
Figura 67. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 51 (vide Tabela 10).
Figura 68. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 52 (vide Tabela 10).
93
Figura 69. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 53 (vide Tabela 10).
Figura 70. Espectro de RMN de ¹H do produto 72ad da reação 54 (vide Tabela 10).
94
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