Aula 18
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Prof. MGM D’Oca _______________________________PPGQTA ______________________________________ MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Reações de Substituição: Hidrólise de Esteres Ésteres podem ser hidrolisados em solução básica ou ácida. Em solução ácida, a reação é reversível. A posição do equilíbrio depende da concentração relativa de água e o álcool. Em solução aquosa, ocorre hidrólise. Em solução alcoólica, o equilíbrio é deslocado em favor do éster. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Hidrólise de Ésteres: Mecanismos MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Hidrólise de Ésteres: Mecanismos Estudos mecanisticos mostram a dependência da concentração dos íons hidrogênios ou íons hidróxido e estudos isotopicos comprovam que a ligação acila-oxigênio, não a ligação alquil-oxigênio, que é clivada durante a hidrólise. Efeitos do substituintes influenciam em vários pontos do mecanismo da hidrólise de ésteres. Na reação catalisada por base, substituintes retiradores (EWG) no grupo acil ou alcoxi facilitam a hidrólise. Se o grupo carbonila é conjugado com grupos doadores (ERG), reatividade é diminuída pela estabilização do estado fundamental. R. A. McClelland, J. Am. Chem. Soc. 106, 7579 (1984). MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Hidrólise de Ésteres: Efeitos dos Substituintes Como fenóis são ácidos mais fortes que os álcoois, suas bases conjugadas são melhores grupos abandonadores que íons alcóxido. Ésteres arilicos são hidrolisados mais rapidamente do que os ésteres alquílicos. Estes efeitos substituintes podem observados para o mecanismo de BAC2 observando o efeito dos substituintes em cada etapa do mecanismo. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Hidrólise de Ésteres: Mecanismo AAL1 Mudanças estruturais no ester podem deslocar a hidrólise deste através de outros mecanismos. Quando o éster é derivado de um álcool terciário, a hidrólise ácida geralmente ocorre por um mecanismo envolvendo a quebra da ligação oxigênio-alquila. A mudança no mecanismo é devido a estabilidade do carbocátion terciário que pode ser formado por esta quebra, levando a formação de alcenos ou álcoois. Esse mecanismo é denominado AAL1, indicando a clivagem da ligação alquil-oxigênio e sendo unimolecular. Este mecanismo permite que ésteres terciários possam ser hidrolisados seletivamente. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Hidrólise de Ésteres: Catálise Nucleofilica A hidrólise de ésteres também pode ocorrer por catálise nucleofílica. Se um dos reagentes é um nucleófilo mais eficaz do que a água na reação com o grupo carbonila a reação de transferência de acila pode formar um novo derivado acila. Se este intermediário acila é mais reativo este é rapidamente atacado pela água do que o éster original, levando a hidrólise. Exemplo: Uso de imidazol como catalisador Nu- Ânions carboxilatos também podem servir como catalisadores nucleofílicos, neste caso, um anidrido é o intermediário reativo. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Catalise Intramolecular de Esteres O caso da hidrólise de éster intramolecular tem sido estudado extensivamente para o ácido acetilsalicílico (aspirina) e seus derivados. Os dados cinéticos mostram que o ânion é hidrolisado mais rapidamente do que as espécies neutras, indicando que o grupo carboxilato é envolvido na reação de alguma forma. Neste caso podemos considerar três mecanismos. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Transesterificação de Ésteres Ésteres reagem com álcoois em solução ácida ou básica, a troca de grupos alcoxi (intercâmbio de éster) ocorre por um mecanismo que é igual ao da hidrólise. O álcool ou alcóxido atua como o nucleófilo. Em contraste com a hidrólise, a reação de alcoólise é reversível em soluções ácidas e básicas. O intermediário chave é o aduto tetraédrico. Seu destino é determinado principalmente pela nucleofilidade (basicidade relativa) dos dois grupos alcoxi. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Aminolise de Ésteres Ésteres reagem com amônia e aminas para levar a amidas. O mecanismo envolve ataque nucleofílico de amina no grupo carbonila, seguido por expulsão do grupo alcoxi do intermediário tetraédrico. Com bons grupos abandonadores como fenóis ou trifluoroethanol, a etapa lenta é a expulsão do oxigênio. Com grupos abandonadores mais pobres, a formação do intermediário tetraédrico ocorre somente após a formação da espécie aniônica B. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Aminolise de Ésteres A amina pode ajudar na desprotonação do intermediário zwitteriônico tetraédrico. A desprotonação deste intermediário aumenta a densidade de elétrons no nitrogênio e favorece a expulsão de um íon alcóxido. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Aminólise de Ésteres O pH da solução é fundamental na determinação do curso da reação. Em solução básica, eliminação de oxigênio é dominante, porque o substituinte de nitrogênio desprotonated é um grupo de saída muito pobre e também ajuda para facilitar a eliminação do alcóxido pela doação de elétrons. Em solução ácida, o nitrogênio protonado é um grupo abandonador melhor e também perde sua capacidade de ajudar na eliminação do alcóxido. Nestas circunstâncias, é favorecida a eliminação de nitrogênio. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Hidrólise de Amidas A hidrólise de amidas para levar a ácidos carboxílicos e aminas requer condições consideravelmente mais vigorosas do que para a hidrolise de ésteres. A razão é que o nitrogênio estabiliza fortemente a carbonila. Em solução básica, um mecanismo BAC2 semelhante a hidrólise de ésteres é proposto. A principal diferença está relacionada a baixa capacidade dos amidetos como grupos abandonadores, comparados aos alcóxidos. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Hidrólise de Amidas O mecanismo de hidrólise usual em soluções fortemente ácidas envolve a adição de água ao intermediário amida O-protonada seguida por dissociação do intermediário tetraédrico. Neste caso no intermediário tetraédrico a troca (intercâmbio) de hidrogênio do oxigênio com o nitrogênio significa leva exclusivamente a eliminação do substituinte de nitrogênio. Este resultado é explicado, porque o grupo amino é o sitio mais básico e é o local preferido de protonação no intermediário tetraédrico. A amina protonado é um grupo abandonador melhor deixando do que o íon hidróxido. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Acilação de Nucleofilos de Oxigênio e Nitrogênio A conversão de álcoois em ésteres por O-acilação (Esterificação de Fischer) e de aminas para amidas por N-acilação são reações orgânicas fundamentais que ocorrem de forma inversa a hidrólise. Exemplos: Os procedimentos mais comuns de acilação de O e N usam agentes de acilação que são mais reativos que os seus ésteres e ácidos carboxílicos. Anidridos e cloretos de acila reagem rapidamente com álcoois e aminas para dar ésteres e amidas, respectivamente. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Acilação de Nucleofilos de Oxigênio e Nitrogênio Acilação de álcoois é freqüentemente realizada na presença de uma base orgânica, como a piridina. Esta base serve para dois propósitos: neutraliza os prótons gerados na reação e impede o desenvolvimento de altas concentrações de ácido. Piridina também está diretamente envolvida na reação como um catalisador nucleofílico Piridina é mais nucleofilica que o álcool. O produto resultante, um íon acilpiridinium, é, por sua vez, mais reativo do que o cloreto de acila original. A evidência que suporta este mecanismo é observação espectroscópica do íon acetilpiridinium intermediário. Um catalisador mais eficiente é 4Dimetilaminopiridina (DMAP), que funciona da mesma forma, mas é mais reativo devido ao seu substituinte dimetilamino doador de elétrons (ERG). MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Acilação de Nucleofilos de Oxigênio e Nitrogênio Além de cloretos de acila e anidridos de ácido, há um número de outros tipos de compostos que são agentes de acilação. Muitos foram desenvolvidos para facilitar a síntese de polipeptídeos, que exigem condições suaves e alta seletividade. Carbodiimides, como dicyclohexylcarbodiimide (DCC), constituem um importante grupo de reagentes para converter ácidos carboxílicos para em amidas e ésteres. O mecanismo de formação de ligação amida-carbodiimida é mostrado abaixo: MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Adição de Organometálicos A adição de nucleófilos de carbono, tais como compostos organometálicos, aos grupos carbonila é um dos principais métodos de formação de ligações carbono-carbono. Reagentes organolítios e organomagnesium são altamente reativos com compostos carbonilicos. Com aldeídos e cetonas, o aduto tetraédrico é estável e álcoois são isolados após a protonação do aduto. Com cloretos de acila, anidridos, ésteres, carboxamidas e ânions carboxilato, o aduto tetraédrico pode sofrer eliminação. A eliminação leva a uma cetona, podendo uma segunda etapa de adição ocorrer. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Adição de Enol e Enolatos a C=O A reação de adição aldólica envolve a dimerização catalisada por ácido ou base de uma cetona ou aldeido. Sob certas condições, o produto da reação pode sofrer desidratação, levando a um aldeído ou cetona α,β-insaturada. Esta variante pode ser chamada de Condensação Aldólica. O mecanismo da reação catalisada por base envolve a formação de equilíbrio do íon enolato, seguido pela adição do enolato ao grupo carbonila do aldeído ou cetona. Estas reações de aldeídos ocorrem em solução básica diluída em ou abaixo da temperatura ambiente. Em condições um pouco mais vigorosas, como temperaturas altas ou maior concentração de base, a etapa de eliminação ocorre. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Adição de Enol e Enolatos a C=O Catalise Básica: A constante de equilíbrio geralmente favorece a formação do produto de desidratação por causa do sistema α,ß-insaturado, conjugado, mais estável. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Adição de Enol e Enolatos a C=O Catalise Ácida: MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Adição de Enol e Enolatos a C=O MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Adição de Enol e Enolatos a C=O MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Reação Estereoespecífica Uma conseqüência do ET cíclico quelado é que a reação é estereoespecífica em relação a configuração E- ou Z- do enolato. O enolato E dá o produto aldol-anti e o enolato-Z dá o aldol-syn. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Reação Estereoespecífica: Enolatos de Boro Em geral, a estereosseletividade é maior do que para enolatos de lítio. As distâncias de ligação do O−B são mais curtas do que O-Li, e isto leva a um ET mais compacto e amplia as interações estéricas que controlam a estereosseletividade facial. MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Reação Estereoespecífica Quando a reação de adição aldólica é realizada sob condições termodinâmicas, a diferença de estabilidade dos produtos syn e anti determina a composição do produto. No caso de enolatos de lítio, os adutos podem ser equilibrados. A maior estabilidade do isômero anti é atribuída à posição pseudoequatorial do grupo metila no ET quelado. Com grupos substituintes maiores, a preferência termodinâmica para o isômero anti é ainda maior MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Formação de Silil Ceteno Acetais e Silil Enol Eteres Os enolatos podem ser muitas vezes trapeados por agentes sililantes (TMSCl, cloro trimetil silano) para levar aos correspondentes éteres de silicio. silil enol eter MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Reação de Silil Ceteno Acetais e Silil Enol Eteres com Aldeídos e Cetonas Oxaborazolidinona derivada do triptofano Exemplo: Versão Assimétrica MGM D’Oca Adição e Substituição em Compostos Carbonílicos ______________________________________ Reação de Silil Ceteno Acetais e Silil Enol Eteres com Aldeídos e Cetonas ET: Indução Assimétrica
