reação reação básica

capítulo 4 - Catálise
Catálise por ácidos, bases e íons metálicos
catálise por acidos e bases de Lewis
Catálise por ácidos, bases e íons metálicos
Velocidade da transferência de prótons
Mecanismo
B + H A
B
(1)
H A
B H
(2)
A
B H + A
(3)
1) A formação de uma ligação de hidrogênio entre a base B– e o ácido HA
controlada por difusão
2) A transferência do proton, levando à formação de uma nova ligação de
hidrogênio.
3) Dissociação do produto controlada por difusão.
- Transferência do proton para N, O, S é rápida;
- Transferência de proton para o carbono (C) é lenta;
-Transferência de proton de H3O+ para N ou O é controlada por
- difusão k-1  1011 l.mol-1.s-1
AH + H2O
k1
k -1
A + H3O
A formação de ligação de hidrogênio entre um doador de proton e um receptor
de proton é a etapa determinante da velocidade : essa etapa é mais lenta do que
a transferência do proton !
Tipicamente quando um proton está ligado e sendo transferido a átomos de
oxigenio e nitrogênio, e carga negativa fica localizada num átomo.
Entretanto, difusão de H+ em água é mais rápido do que a adifusão de outros íons:
ácidoacid:
base
base:
H
O+ H
H
H
O
H
O
H
A
H
H O
H A
H
O
H
H
O H
H A
H O
H
H
O
H
A
Transferência de Proton para\do carbono de ácidos/bases
H3C
O
C N
H2 O
H3C
O
C N
H
O
k1
+ H2O
k -1
H3C
O
C N
H
O
+ H3O+
k1 = 4x10-8 l.mol-1.s-1, processos lentos devido:
- Ausência da formação de ligação de hidrogênio antes da transferência do
proton
- Baixa acidez dos átomos de hidrogênio.
k-1 = 16 l.mol-1.s-1, e também menor velocidade de difusão, pois:
- Com a protonação ha redistribuição de carga com concomitante alteração
na solvatação.
Outro exemplo:
H
O
O
H3C
CH3
H H
1
1
2
O
4x104
107
O
H3C
CH3
H
2
O
107
1010
O
H3C
CH3
H
3
2: carbono ácido, k1 e k-1 relativamente pequeno
3: oxigênio ácido, k1 e k-1 relativamente grande (formação da ligação de H)
Influência do pH na velocidade da reação
A hidrólise dos ésteres é catalisada por ácidos e bases:
Catálise ácida
log kobs
Catálise básica
7.0
pH
outro exemplo: mutarotação da glicose:
HOH2C
O H
HO
HO
OH
HO
HOH2C
O H
HO
OH
HO
HO
HOH2C
O
HO
HO
HO
HOH2C
O
HO
HO
HO
O H
OH
HOH2C
O
HO
HO
HO
log kobs
HOH2C
O
HO
HO
HO
OH
7.0
pH
OH
Catalise
ácida
acid catalysed
uncatalysed
Sem catalise
Catalise básica
O
+ H2O
base catalysed
outro exemplo: formação de iminas
R NH2 + H+
inativo
inactive
C O + H+
C OH
ativo
active
R NH2 +
C OH
H2
R N C OH
log kobs
nucleófilo
nucleophile
R NH3+
4.5
pH
N C
R
HN C
R
H
R N C OH2
pH ótimo- 4.5
Inclinação do gráfico de log kobs vs. pH é comumente próximo a 1:
Linearmente dependente da [H+] ou [OH-]
Dois mecanismos para catálise ácida
Catálise ácida específica:
- Um proton é transferido ao substrato num pré equilíbrio rápido;
subsequentemente, o substrato protonado reage fornecendo o produto ou produtos
na etapa determinante de velocidade:
Catálise ácida geral:
- Transferência de próton transfer occure lentamente , na etapa determinante da
velocidade da reação;
subsequentemente, o substrato protonado reage rapidamente formando o produto.:
Catálise específica ácido/base
Normalmente ocorre para elementos eletronegativos (O, N), onde a transferência de
protons é rápida:
A segunda etapa é determinante de velocidade e pode ser mono ou bimolecular:
Velocidade de reação:
ν = k1[EH + ] = k1K
Pode ser escrito
[E][HA]
[A - ]
since
[H 3O + ][A - ]
Ka =
[HA]
k1K
ν=
[E][H 3O + ] = k'[E][H 3O + ]
Ka
Portanto a velocidade só depende do pH, e não do [HA] !!
Exemplo de catálise ácida específica hidrólise de acetais mec A1
OCH3
OCH3
H
O
H+
H2O
x
x
+ 2 CH3OH
H
x
kobs
x
x
[H+];
x
kobs é diretamente proporcional a
Adição de mais ácido (tampão) em
pH constante não altera o kobs.
Transferência de Proton não participa da etapa
determinante de velocidade portanto o
O mecanismo pode ser:
[H+]
x x
kobs
x
x
x
x
[ClCH2COOH/
ClCH2COO-] (2:1)
Exemplo de uma reação que sofre catálise ácida específica mec A2
Hidrólise do acetato de etila:
Catálise básica específica
Exemplo: reação retro-aldol de I:
x
x
O
OH
CH3
CH3
H3C
base
O
2
H3C
x
kobs
CH3
I
kobs é diretamente proporcional a [OH-]. Adição de mais base
(tampão) pH constante não afeta o kobs;
[OH-] é a única base na equação de velocidade.
x
x
x
[OH-]
Portanto o mecanismo de reação provavelmente é:
Equação da reação:
1 d[acetone]
ν=
= k[II]
2
dt
[II][HB]
K=
[I][B- ]
Há um equilíbrio ácido-base em água
[HB][OH- ]
reescrevendo
KB =
[B ]
[I][B- ]
[II] = K
[HB]
B + H2O
[B- ] [OH- ]
=
[HB]
Kb
[I][B
] kK
assim ν = k[II] = kK
=
[I][OH- ] = k'[I][OH- ]
[HB] K B
Kb
HB + OH
somente [OH-]
ocorre na equação
de velocidade
Catálise ácida\ base geral
A transferência de proton é a etapa determinante da velocidade da
reação. Exemplo: hidrólise de orto ésteres:
H3C
OC2H5
OC2H5 + H2O
OC2H5
H+
O
H3C
+ 2 C2H5OH
OC2H5
III
A reação é estudada numa série de
soluções tampão (m-NO2-Ph-OH/m-NO2Ph-O–): velocidade de reação aumenta
com o aumento da concentração do
tampão mesmo se o o pH se mantem
constante
k(tampão)

{k(H3O+)[H3O+] + k(H2O)[H2O]}[III]
[tampão]
= k1 [H+] [H2O][III] +k2 [ HA1] [H2O] [III] + k3 [HA2] [H2O][III] +
…. k(m-NO2-Ph-OH)·[m-NO2-Ph-OH]· [H2O] [III]
Catálise acido/base geral:
A velocidade da reação depende de todas as espécies
ácidos\bases presentes em solução
Catálise ácida geral:
kobs = S ki[HAi]
Catálise base geral: kobs = S ki[Bi]
Exemplo de catálise basica geral:
O
O
H3C
CH3
H Br
O
Br2
base
O
H3C
CH3
Br Br
A reação depende da concentração do tampão
a pH constante . Há também a contribuição do
OH- e H2O.
kobs
[ClCH2COO-/ClCH2COOH]
Resumindo:
Catálise específica acido/base :
 = k’[S][H3O+]
ou
 = k’[S][OH–]
Catálise geral ácido/base :
 = kx[H3O+] [S], + ky[H2O] [S], + kz[HA] [S], + …….= S[HAi][S], ou com bases:  =
S[Bi][S].
Quando kx[H3O+] ou kx[OH–] são grandes, as contribuições de outros acidos/bases
são negligênciaveis e a cinética se assemelha a catálise ácido/base. Portanto
catálise ácido/base geral normalmente ocorre somente perto do pH neutro.
Relação entre um catalisador ácido geral e
relação de Brønsted
A eficiência de um catalisador ácido geral depende da força do ácido (= relação de
Brønsted):
log kHA = a log KHA + a constante
kHA = constante de velocidade da etapa catalítica
KHA = constante de dissociação do ácido HA
a =coeficiente de Brønsted (normamente 0< a <1)
indica sensibilidade da etapa catalítica a alterações da força ado
ácido HA (pKa)
Exemplo:
OCH3
H
+ HA
slow
OCH3
H
H
H2O
fast
+A
H2O OCH3
O
HO OCH3
fast
fast
- CH3OH
Gráfico log kHA versus log KHA, inclinação = a
a Indica em que extensão proton é transferido do ácido ao substrato no
estado de transição:
a = 1: toda alteração na força do ácido afeta a catálise. O proton é
(quase) completamente transferido ao substrato no estado de
transição.
a = 0:A nreação é insensível as alterações da força do ácido. Todos os ácidos
são catalisadores bons (log kHA = constante). O proton é dificilmente
transferido no estado de transição da reação.
a= 0.5: No estado de transição o proton é transferido a meio caminho entre o
anion do ácido A– e o substrato : A–····H+····S, ET simétrico
Há uma relação de Brønsted para catálise básica geral :
log kB = -b log KHB+ + a constante
O coeficiente b tem o mesmo significado que a para a catálise ácida geral
Catálise com íons Metálicos
Papel da catálise de metais:
• como “super ácido”: comparável a H+ porém mais forte
• Como molde: íons metalicos são capazes de coordenar aa mais de 2 ligantes e
podem portante aproximar moléculas
• Como catalisador redox : muitos íons metálicos podem aceitar ou doar eletrons
alterando o estado redox
Catalise Super ácida
Características:
Introduz carga positiva no substrato, tornando-o mais sucetível ao ataque
nucleofílico.
Troca dos íons metálicos é rápida (105-109 s-1), porém mais lenta do que H+ (1011
s-1)
Catálise de íons metálicos na clivagem C-C
Descarboxilação do oxalosuccinato pela desidrogenase isocitrato
O
O
O
O
a
O
O
- CO2
O
O
b
O

Mn2+ enzyme
O
O
H+
a
a
b
O

O
b
O
Mn2+ enzyme
O

O
O
Mn2+ enzyme
Mn2+ aceita a carga negativa que se forma (“electron sink”); M3+ como Al3+ são bons,
M+ assim Na+, K+ (e H+!) são menos eficientes.
Outros substratos:
2+ O
2+
Mn
-ambos COO- e C=O são necessários
Para ligação no Mn2+
- Clivagem do grupo COO- na posição b
O
O
O
COOH
oxaloacetic acid
Mn
O
O
COOH
3-ketoglutaric acid
Catálise de íons metálicos nas adições a ligações
C=O(N)
Íons Cu2+ são muito eficientes para a hidrólise de ésteres de a-amino ácidos :
Cu
2+
H2N
R H
Cu
O
OH
OCH3
H2N
2+
O
OCH3
R H OH
H+
- CH3OH
Produtos de hidrólise
hydrolysis
products
São menos eficientes na hidrólise de amidas devido a ligação mais forte entre o
metal e o substrato (= estabilização do estado fundamental):
H2
N
O
Sem catálise
Mn+
N
H2
ester
E
amida
catalisada
amino
acid
Amino
amide ácido/ amida
Coordenada da reação
Catálise por íons metálicos na hidrólise de
ésteres de fosfatos e anidridos
Hidrólise de ésteres de fosfato (ex. Fosfato de acetila) o anidridos (ex. ATP)é sempre
catalisada por íons metálicos normalmente Mg2+:
2+
Mg
O
H3C
2+
Mg
O
P O
O
O
O
H3C
O
O
O
P
H2O
O
fast
H2PO4 + CH3COO
O papel dos íons metálicos são dois:
-Neutralização das cargas negativas do substrato e possibilitar a aproximação do nucleófilo;
-Estabilização do grupo
- de saida
Ad
Ad
O
O
-(neutralização da carga)
O P O
O
O P
O
O
O P O
O
P O
O
Mg 2+
ATP
O
HO P
O
ADP
O
O
P O
O
Mg 2+
H2O
H2PO4
Sumario da catálise por metais ou super ácidos
• Polarização das ligações particularmente C=O
• Aceitar a carga negativa (“electron sink”)
• Neutralização da carga negativa no substrato
facilitando a aproximação do nucleófilo
nucleophile
• Estabilização do grupo de saida. (redução da
carga)
Ions metálicos como molde : epoxidação de
Sharpless
R2
R3
R1
CH2OH
HO
HO
COOEt
, Ti(Oi Pr)4 ,
COOEt
CH2Cl2, -20°
OH
O
R2
A
CH2OH
R3
O
Mecanismo proposto por E.J. Corey:
B
R1
Sumario:
vantagens dos íons metálicos em relação a H+
• Maior carga (M2+, M3+)
• Ativos em pH neutro
• Coordenação com vários é possivel (efeito molde ,
template )
• Muitos íons tem propriedades redox