A Reação de Diels-Alder

Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
A Reação de Diels-Alder
Método sintético para a preparação de
compostos contendo
o anel Cicloexeno
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1
Reação de Diels-Alder
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Reação Geral
+
Dieno
alceno
conjugado (dienófilo)
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cicloexeno
2
Reação de Diels-Alder
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Caminho reacional
Estado de transição
nova ligação
dieno
4 elétrons 
dienófilo
2 elétrons 
Estado de transição
6 elétrons 
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nova ligação
3
Reação de Diels-Alder
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Reação de Diels-Alder.
Reação D-A é quando
(1) forma anel de 6 membros
(2) forma 2 novas ligações s C-C ao mesmo que 1 
(3) é estereospecifica e regiosseletiva.
Caminho reacional
dieno
dienófilo
4 elétrons 
2 elétrons 
Estado de transição
6 elétrons 
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novas ligações
2se1
4
Reação de Diels-Alder
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Reação de Diels-Alder.
adição 1,4 ao 1,3-butadieno
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O reagente contendo a dupla
ligação (conhecido como
dienófilo) deve estar ligado a
um grupo retirador de
elétrons ligado ao Csp2 de
maneira a polarizar a dupla
ligação (diminui a EHOMO).
5
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Estabilidade de olefinas.
Nome
Name
Fórmula
estrutural
Formula
Structural
Ho
kJ (kcal)/mol
1-Butene
1-Buteno
-127 (-30.3)
1-Pentene
1-Penteno
-126 (-30.1)
cis-1-Buteno
cis-2-Butene
-120 (-28.6)
trans-1-Buteno
trans-2-Butene
-115 (-27.6)
1,3-Butadieno
1,3-Butadiene
-237 (-56.5)
trans-1,3-Pentadieno
trans-1,3-Pentadiene
-226 (-54.1)
1,4-Pentadieno
1,4-Pentadiene
-254 (-60.8)
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6
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Dienos
Dienófilos
H H
H
C
C
H
O
O
N
C
N
H
C
N
C
C
C
H H
H
C
N
H
C
C
H
H
C
C
C
H
C
C
C
N
H
N
O
C
N
O
F
OCH3
O
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7
Reação de Diels-Alder
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Orbitais Moleculares  do
Etileno e 1,3-Butadieno
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8
Reação de Diels-Alder
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Orbitais e Reações Químicas
• Uma compreensão mais profunda da
reatividade química pode ser adquirida
enfocando os orbitais de fronteira dos
reagentes.
• Fluxo de elétrons do orbital molecular mais
alto ocupado (HOMO) de um reagente para
o mais baixo orbital molecular desocupado
(LUMO) do outro.
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Reação de Diels-Alder
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Orbitais e Reações Químicas
• As interações HOMO-LUMO, por meio da
reação de Diels-Alder entre etileno e 1,3butadieno.
• Consideramos só os elétrons  de etileno e
1,3-butadieno. Podemos ignorar as ligações s
em cada molécula.
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Reação de Diels-Alder
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OM do 1,3-butadieno.
f4
o sistema pi do butadieno é
obtido pela combinação de
quatro orbitais atômicos 2p;
há dois OM ligantes e dois
OM antiligantes.
f3
f2
f1
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Reação de Diels-Alder
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OMs  do Etileno
• cores vermelho e azul distinguem o sinal da
função de onda
• OM  são antissimétrico em relação ao plano da
molécula
Orbital  da ligação do etileno;
dois elétrons no orbital.
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OMs  do Etileno
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orbital  antiligante do etileno;
não tem elétrons no orbital *
•* LUMO
• HOMO
orbital  ligante do etileno;
dois elétrons neste orbital
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Reação de Diels-Alder
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OMs  do 1,3-Butadieno
• Quatro Orbitais  contribuem com o
sistema do 1,3-butadieno; Portanto,
existem 4 orbitais moleculares.
• Dois destes orbitais são ligantes; e dois
são antiligantes.
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Reação de Diels-Alder
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Dois OMs  antiligantes do 1,3-Butadieno
f4
Orbital de maior energia
Os dois orbitais
antiligantes estão vazios
f3
f2
f1
LUMO
HOMO
4 elétrons  ;
2 em cada orbital
Orbital de menor energia
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15
Reação de Diels-Alder
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Reação de Diels-Alder.
LUMO
HOMO
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Reação de Diels-Alder
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Análise dos Orbitais Moleculares 
da Reação de Diels-Alder
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Reação de Diels-Alder
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OM: Análise da Reação de Diels-Alder
• Na medida em que grupos retiradores de elétrons
aumentam a reatividade de um dienófilo,
assumimos o fluxo de elétrons do HOMO do dieno
para o LUMO do dienófilo.
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Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
OM: Análise da Reação de Diels-Alder
HOMO do 1,3-butadieno
• HOMO de 1,3-butadieno e
LUMO de etileno estão em
fase um com o outro
• Permite ligação s entre o
alceno e o dieno
LUMO do etileno (dienófilo)
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Reação de Diels-Alder
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OM: Análise da Reação de Diels-Alder
HOMO do 1,3-butadieno
LUMO do etileno (dienófilo)
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Reação de Diels-Alder
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Reação de Diels-Alder.
dieno
dieno
dienófilo
HOMO
dienófilo
LUMO
Overlap dos OM tendo a
Mesma fase (orbital em fase)
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Reação de Diels-Alder
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Estereoquímica do produto
e,e
O
i
endo
i
O
+
syn
exo
i
endo
O
+
exo
endo
exo
exo
endo
i
O
z,z
syn
+
e,z
anti
+
z,e
anti
+
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Reação de Diels-Alder
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Entre as estruturas, Qual o par mais reativo?
O
LUMO:
0.1212
HOMO: -0.32348
0.10006
0.19862
0.14441
-0.38622
-0.34261
-0.29698
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23
Reação de Diels-Alder
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Energia dos OM
LUMO: 0.10006
HOMO: -0.29698
E = 0.10006 – (- 0.29698)
= 0.39704 Hartree
= 246.76 kcal / mol
HOMO
0.20
0.20
0.10
0.10
0.00
0.00
- 0.10
- 0.10
- 0.20
- 0.20
- 0.30
- 0.30
- 0.40
- 0.40
dienos
LUMO
O
dienófilos
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24
Reação de Diels-Alder
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N
Energia dos OM
H
C
C
0.20
C
0.20
H
C
N
0.10
0.10
O
LUMO
O
0.00
0.00
O
N
- 0.10
N
C
C
C
- 0.10
C
C
N
- 0.20
- 0.20
- 0.30
- 0.30
- 0.40
- 0.40
C
N
HOMO
dienos
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dienófilos
25
Reação de Diels-Alder
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Regioquímica da reação DA
O
O
O +
O
O
O
O
C
O
Produto exo
O
O
C
O
O
O
O
O
O + O
O
O
O
O
C O
C O
O
Produto endo
Dados Experimentais:
produto exo mais estável por 1,9 kcal/mol
Ea menor para a rota do produto endo por 3,8 kcal/mol
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26
Reação de Diels-Alder
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Regioquímica da reação DA
E
O O
O
3.8 kcal/mol
O
O
O
O
O
O
O
O +
C O
C
O O
O
O
O
C
O
O
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C
O
1.9 kcal/mol
Reaction progress
27
Reação de Diels-Alder
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Regioquímica da reação DA
ET endo
Furano
Anidrido Malonico
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Reação de Diels-Alder
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Regioquímica da reação DA
-609.07
B3LYP/6-31G
0.51 kcal/mol
-609.08
-609.09
O
O
-609.10
O
O
-609.11
1.89 kcal/mol
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Reação de Diels-Alder
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Reação de DA requer conformação s-cis
C pertence aos 2 anéis
s-Cis
s-Trans
Conformação s-Cis
Conformação
conformation s-trans conformation
(maior
energia)
(higher
in energy)
(maior
energia)
(lower
in energy)
1,3-Ciclopentadieno
Bicíclico em ponte
1,3-Cicloexadieno
Bicíclico em ponte
Não
Reage
Conformação s-trans
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Reação de Diels-Alder
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Estereosseletividade
a reação é estereosseletiva porque diferentes reagentes
estereoisoméricos dão diferentes produtos estereoisoméricos
dienófilo cis
dienófilo trans
produtos cis
produtos trans
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Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
Estereosseletividade
Carbono cabeça
de ponte
2 carbono em
ponte
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Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
ou
Estruturas de ressonância do Dieno
Estruturas de ressonância do dienófilo
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Reação de Diels-Alder
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Estereosseletividade
• Quando o Dieno é cíclico,
o produto endo é o
preferencial
Novas
ligações
Interações
secundárias
Produto endo
Interações secundárias
no ET endo
Novas
ligações
Produto exo
Sem Interações secundárias ET exo
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Reação de Diels-Alder
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Regiosseletividade
ou
Estruturas de ressonância do dieno
dieno
Estruturas de ressonância do dienófilo
dienófilo
Overlap de Orbitais
em Fase
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Reação de Diels-Alder
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Características mecanicistas
• mecanismo concertado
• Cicloadição
• Reação periciclica
• Reação concertada: reação procede
através de estado de transição cíclico
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Reação de Diels-Alder
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O que torna Dienófilos reativos?
Os mais reativos de enófilos se ligam a grupos elétronretiradores (EWG) diretamente ligado a dupla ligação.
EWG
C
C
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Típicos EWGs
C
O
C
N
37
Reação de Diels-Alder
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O que torna Dienófilos reativos?
Grupo e- doador
(aumenta EHOMO)
Grupo e- retirador
(diminui ELUMO)
- CH3 (gr. Alquila)
- CHO (aldeído, cetona)
- OR (éter)
- COOH (carboxila)
- OCOR (éster)
- COOR ( éster)
- NHR (amina)
- NO2 (nitro)
- C=N (ciano)
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38
Reação de Diels-Alder
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Exemplo
H2C
O
CH-CH
CH2 + H2C
benzeno
CH
CH
100°C
O
CH
(100%)
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Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
Exemplo
O
H2C
CHCH
CH2 + H2C
benzeno
via:
CH
CH
100°C
O
O
CH
CH
(100%)
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40
Reação de Diels-Alder
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Exemplo
H2C
O
CHC
CH2
+
O
CH3
100°C
benzeno
O
O
H3C
O
(100%)
O
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41
Reação de Diels-Alder
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Exemplo
H2C
O
CHC
CH2
+
CH3
via:
H3C
benzeno
100°C
O
O
H3 C
O
O
O
O
O
(100%)
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42
Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
Dienófilo Acetilênico
O
H2C
CHCH
CH2 + CH CH OCC
3
2
benzeno
100°C
O
CCOCH2CH3
O
COCH2CH3
(98%)
COCH2CH3
O
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Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
A Reação de Diels-Alder é estereoespecífica *
• adição syn de alceno
• substituintes E (
) e Z ( ) no alceno ficam
retidas no produto - Cicloexeno
* Uma reação estereoespecíficaé quando matérias-primas estereoisoméricas dão
produtos estereoisoméricos;
caracteriza-se por termos reações como adição syn,
eliminação anti, inversão de configuração, etc...
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Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
Exemplo
H2C
CHCH
O
CH2
+
C6H5
COH
C
H
H
C
H
C6H5
Único produto
(+ enantiômero)
COH
H
O
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Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
Exemplo
H2C
O
H
CH2 +
CHCH
COH
C
C6H5
C6H5
C
H
H
Único produto
(mais enantiômero)
COH
H
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O
46
Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
Diels-Alder em sistemas bicíclicos
+
?
Carbono cabeça
de ponte
2 carbono em
ponte
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47
Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
O
COCH3
H
+
C
CH3OC
C
H
H
O
O
COCH3
H
COCH3
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O
48
Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
H
O
O
COCH3
H
COCH3
H
É o mesmo que
COCH3
H
COCH3
O
O
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49
Reação de Diels-Alder
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A reação “proibida"
H2C
+
H2C
CH2
CH2
• A dimerização do etileno não deve formar ciclobutano
sob condições típicas da reações de Diels-Alder.
Por que não?
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50
Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
“A reação “proibida"
H2C
+
H2C
CH2
CH2
Incompatibilidade do HOMO-LUMO
HOMO do etileno
da molécula
de duas moléculas de etileno impede a
formação das duas novas Ligações s
LUMO da
em uma etapa única.
outra molécula de
etileno
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51
Reação de Diels-Alder
Prof. Hugo Braibante-UFSM
Exemplos
COOEt
COOEt
COOEt
+
CHO
O
OCCH 3
(a)
COOEt
CHO
O
+ H
O
C
N
CH3
(b)
+
O
OCCH 3
O
C( CH3 ) 3
COOCH 3
O
(c)
+ N
N
(d)
N CH 3
O
(e)
O
N C
N
N
N
N
+ CH2 = CHCH 3
COOCH 3
H
+
H
C N
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52