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PRESIDENTE DA REPÚBLICA Luiz Inácio Lula da Si lva MINISTRO DA EDUCAÇÃO Fernando Haddad GOVERNADOR DO ESTADO DO PIAUÍ José Well ington Barroso de Araújo Dias REITOR DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ Luiz de Sousa Santos Júnior SECRETÁRIO DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA DO MEC Carlos Eduardo Bielschowsky COORDENADOR GERAL DA UNIVERSIDADE ABERTA DO BRASIL Celso Costa José da Costa DIRETOR DO CENTRO DE EDUCAÇÃO ABERTA A DISTÂNCIA DA UFPI Gildásio Guedes Fernandes DIRETOR DO CENTRO DE CIÊNCIAS DA NATUREZA Helder Nunes da Cunha COORDENADORA DO CURSO DE QUÍMICA NA MODALIDADE EAD Rosa Lina Gomes do Nascimento Perei ra da Si lva COORDENADORA DE MATERIAL DIDÁTICO DO CEAD/UFPI Cleidinalva Maria Barbosa Olivei ra DIAGRAMAÇÃO Diego Albert COORDENADOR DE REVISÃO DE TEXTO Naziozênio Antonio Larcerda REVISÃO Francisca das Dores Olivei ra Araújo

3

Neste material serão abordados os temas relacionados

ao programa de Educação a Distância da Universidade Aberta

do Piauí (UAPI) vinculada ao consórcio formado pela

Universidade Federal do Piauí (UFPI), Universidade Estadual

do Piauí (UESPI), Centro Federal de Ensino Tecnológico do

Piauí (CEFET-PI), com apoio do Governo do estado do Piauí,

através da Secretaria de Educação.

O texto aborda o conteúdo de química orgânica voltado

para os alunos do curso de Química, está estruturado em 11

unidades e subunidades correspondentes. Todas as unidades

visam contextualizar o aluno com os objetivos apresentados.

Enfatizo que esta não é, de fato, uma obra completa; fazendo-

se necessário buscar informações em outras fontes para um

melhor aprendizado.

Unidade 1 – Serão abordados assuntos que induzem o

aluno a refletir sobre a necessidade desta disciplina para sua

formação profissional plena na área de Química. Conceitos

fundamentais, comumente utilizados em química orgânica,

como estrutura, reatividade e mecanismos: ligações em

compostos de carbono, formação e quebra de ligações, fatores

eletrônicos e efeito estérico, tipos de reagentes.

Unidade 2 – Serão apresentadas a Investigações de

mecanismos: energética e cinética de reação, natureza do

produto, uso de isótopos, estudo de intermediários, critérios de

estereoquímica; capacitando o aluno a compreender melhor os

mecanismos em reações orgânicas.

Unidade 3 – Destacamos a importância das forças de

ácidos e bases orgânicas, origem da acidez em compostos

4

orgânicos, ácidos e bases alifáticas e aromáticas, bases

heterocíclicas e definição de ácido e bases duras e moles.

Estas propriedades das moléculas orgânicas são o foco desta

unidade, e discutiremos os termos fundamentais a ela

relacionados, além de aplicar os conhecimentos dessa área da

Química Orgânica para o melhor entendimento da estrutura

dos compostos orgânicos.

Unidade 4 – Estudaremos a reação de substituição

nucleofílica em átomo de carbono saturado; o mecanismo, a

estereoquímica, e o efeito de grupos que entram e que saem

das moléculas em questão reações com ênfase e derivados

mais importantes, bem como os processos industriais de

obtenção destes serão também abordados.

Unidade 5 – Trataremos da reação de substituição

eletrofílica e nucleofílica em sistemas aromáticos como:

nitração, diazoacoplamento, halogenação, sulfonação,

alquilação, acilação, ataque nucleofílico em espécies

aromáticas, efeito de substituintes, equação de Hammet;

buscando sempre uma interação entre esta importante classe

de reações orgânicas que são fundamentais para os processos

industriais e as principais reações envolvidas.

Unidade 6 – Trata do estudo dos mecanismos de

reações orgânicas pertencentes a Química Orgânica II,

envolvendo íons carbônio e átomos de nitrogênio e oxigênio

deficientes de elétrons. Será dada uma atenção especial para

os métodos de formação, estabilidade, estrutura e reações.

Unidade 7 – Nesta unidade, o aluno terá a oportunidade

de conhecer e aprender algumas reações de adição como:

adição eletrofílica e nucleofílica à ligação dupla carbono-

5

carbono, adição nucleofílica à ligação dupla carbono-oxigênio,

adição a dienos conjugados. Essas reações quando feitas em

laboratório, pela primeira vez, devem ser tomadas algumas

precauções a respeito dos reagentes e produtos envolvidos na

reação.

Unidade 8 – Serão apresentadas as reações de

eliminação e os mecanismo E1, E1cB e E2, eliminação versus

substituição, em compostos orgânicos .

Unidade 9 – Trata do estudo dos mecanismos de

reações orgânicas pertencentes à classe que envolve íons

carbânions; da formação, estabilidade, estereoquímica e das

reações mais importantes desta classe: íons negativos.

Unidade 10 – Será estudada a reação dos compostos

orgânicos com radicais, e ainda, o mecanismo, a

estereoquímica, o processo de formação, detecção e reações

envolvendo radicais.

Unidade 11 – Nesta unidade, trataremos das reações

controladas por simetria de orbitais, das reações eletrocíclicas,

cicloadição e rearranjos sigmatrópicos de carbono e

hidrogênio, buscando de fato entender como as reações

orgânicas ocorrem e quais são permitidas ou proibidas, por

simetria, viabilizando melhor entendimento dos mecanismos e

o porquê de alguns produtos serem formados com maior

prioridade nas reações orgânicas.

6

Unidade I - Estrutura, reatividade e mecanismos ................. 1

Estrutura e reatividade .............................................................. 2

Orbitais atômicos ....................................................................... 2

Hibridização ............................................................................... 4

Ligações em compostos de carbono ......................................... 5

Teoria de Ligação de Valência. ................................................. 5

Teoria do orbital molecular (OM) ............................................... 5

Energias dos orbitais moleculares ........................................... 12

Preenchimento dos orbitais moleculares ................................. 15

Ligações simples carbono-carbono ......................................... 17

Ligações duplas carbono-carbono .......................................... 18

Ligações triplas carbono-carbono ........................................... 20

Ligações carbono-oxigênio e carbono-nitrogênio. ................... 21

Conjugação ............................................................................. 22

Benzeno e aromaticidade ........................................................ 24

Condições necessárias para a deslocalização. ....................... 30

Quebra e formação de ligações .............................................. 31

Fatores que influenciam a disponibilidade eletrônica. ............. 33

Efeitos indutivos ...................................................................... 33

Efeitos mesoméricos ............................................................... 34

Efeitos variáveis com o tempo. ................................................ 36

Hiperconjugação ..................................................................... 37

Efeitos estereoquímicos .......................................................... 39

Tipos de reagentes .................................................................. 40

Tipos de reações ..................................................................... 43

1o roteiro de estudo dirigido ..................................................... 45

Unidade II – Energética, cinética e investigação de

mecanismos ........................................................................... 47

Energética de reações ............................................................ 48

7

Cinética de reações ................................................................ 51

Velocidade de reação e energia livre de ativação ................... 52

Cinética e etapa determinante da velocidade ......................... 54

Controle cinético versus controle termodinâmico .................... 58

Investigação de mecanismos de reações ............................... 59

A natureza dos produtos ......................................................... 59

Dados Cinéticos ...................................................................... 60

Mas o mecanismo real de hidrólise pode muito bem ter mudado

ao se ter alterado o solvente, de tal modo que não ficamos a

saber mais sobre o que de fato se passou na solução aquosa

original. ................................................................................... 61

A utilização de isótopos .......................................................... 62

O estudo de intermediários ..................................................... 64

Critérios estereoquímicos ....................................................... 65

20 Roteiro de estudo dirigido ................................................... 66

Unidade III- Ácidos e bases .................................................. 68

Ácidos ..................................................................................... 69

Força ácida - pKa .................................................................... 69

A origem da acidez em compostos orgânicos ......................... 70

A influência do solvente .......................................................... 72

Ácidos alifáticos simples ......................................................... 73

Ácidos alifáticos substituídos .................................................. 76

Substituintes doadores ou retiradores de elétrons - fenóis ..... 78

Ácidos carboxílicos aromáticos ............................................... 79

Ácidos dicarboxílicos............................................................... 81

Bases ...................................................................................... 82

pKb, pKBH+ e pKa ..................................................................... 82

Bases alifáticas ....................................................................... 83

Bases aromáticas ................................................................... 86

Bases heterocíclicas ............................................................... 90

Conceito de ácidos/ bases duros e moles ............................... 92

Classificação de alguns ácidos e bases de Lewis. ................. 93

8

3º ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO..................................... 95

Unidade IV - Substituição nucleófila num átomo de carbono

saturado ................................................................................. 97

Relação entre cinética e mecanismo ....................................... 97

Efeito do solvente .................................................................. 100

Efeito da estrutura ................................................................. 102

Implicações estereoquímicas do mecanismo ........................ 108

Mecanismo SN2, inversão de configuração ........................... 108

Determinação da configuração relativa ................................. 109

Mecanismo SN1: racemização ............................................... 110

Mecanismo SN1: retenção de configuração ........................... 112

Participação de grupos vizinhos: “retenção de configuração” 113

Efeito de nucleófilos e grupos abandonadores...................... 114

Nucleófilo............................................................................... 114

O grupo abandonador ........................................................... 117

4o ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO................................... 119

Unidade V - Substituição eletrófilica e nucleófilica em

sistemas aromáticos ........................................................... 123

Ataque eletrofilíco ao benzeno .............................................. 124

Complexos π e σ ................................................................... 124

Nitração ................................................................................. 126

Halogenação ......................................................................... 128

Sulfonação ............................................................................ 130

Reações de friedel-crafts ...................................................... 132

Alquilação de Friedel-Crafts .................................................. 132

Acilação de Friedel-Crafts ..................................................... 135

Acoplamentos diazo .............................................................. 138

Ataque eletrofílico a C6H5Y ................................................... 140

Efeitos eletrônicos do grupo substituinte (y) .......................... 142

Efeitos eletrônicos de grupos substituintes desativantes ...... 142

Efeitos eletrônicos de grupos substituintes ativantes ............ 143

Fatores de velocidade parciais e seletividade ....................... 146

9

Efeitos esteroquímicos e razões orto/para ............................ 148

Controle cinético versus termodinâmico ............................... 150

Substituição eletrofila em outras espécies aromaticas.......... 151

Substituição nucleofílica aromática ....................................... 153

Substituição de hidrogênio .................................................... 153

Substituição de átomos diferentes de hidrogêno .................. 154

Mecanismo unimolecular SN1Ar ............................................ 154

Mecanismo adição-eliminação SN2 ativado .......................... 155

Substituição via intermediários arino ou eliminação-adição .. 157

5o ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO .................................. 158

Unidade VI – Rearranjos moleculares envolvendo átomos

de carbono, nitrogênio e oxigênio deficientes de elétrons160

Unidade 6 – Rearranjos moleculares envolvendo átomos de

carbono, nitrogênio e oxigênio deficientes de elétrons ......... 160

Métodos de formação de íons carbônio ................................ 162

Fissão heterolítica de espécies neutras ................................ 162

Adição de cátions a espécies neutras ................................... 163

Obtenção de íons carbônios a partir de outros cátions ......... 164

Estabilidade e estrutura de íons carbônios ........................... 165

Reações de íons carbônio .................................................... 168

Rearranjo de íons carbônios ................................................. 170

Sem alteração da cadeia carbônica ...................................... 170

Rearranjos alílicos ................................................................ 171

Com alteração na cadeia carbônica ...................................... 172

Rearranjos neopentílicos ...................................................... 172

Rearranjo de hidrocarbonetos ............................................... 173

Rearranjos pinacol/pinacolona .............................................. 173

Aspectos estereoquímico ...................................................... 174

Rearranjo de Wolff ................................................................ 177

Cátions diazônios .................................................................. 178

Migração para nitrogênio deficiente de elétron ..................... 180

Reações de Hofmann, Curtius, Lossen e Schmidt ................ 180

10

Rearranjos de Beckman ........................................................ 183

Migração para oxigênio elétron deficiente ............................. 185

Oxidação Baeyer-Villiger ....................................................... 185

Rearranjos de hidroperóxido ................................................. 186

6o ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO................................... 188

Unidade VII - Adição eletrófila e nucleófila a C=C e C=O 190

Adição de halogênios ............................................................ 191

Efeito de substituintes na velocidade de adição .................... 194

Orientação da adição ............................................................ 195

Outras reações de adição ..................................................... 197

Outros derivados halogenados .............................................. 197

Hidratação ............................................................................. 198

Íons carbônios ....................................................................... 199

Hidroxilação ........................................................................... 199

Hidrogenação ........................................................................ 201

Adição nucleófila ................................................................... 202

Cianoetilação ......................................................................... 203

Reações de Michael .............................................................. 203

Adição nucleofílica a carbonila (c=o) ..................................... 204

estrutura e reatividade ........................................................... 205

reações de adição simples a aldeídos e cetonas .................. 207

Hidratação ............................................................................. 207

Adição de álcoois – formação de acetal e hemiacetal ........... 209

Adição de tióis ....................................................................... 211

Adição de cianeto de hidrogênio ........................................... 212

Adição de bissulfito ............................................................... 213

Adição de íons hidreto ........................................................... 213

Adição de complexos de íons hidreto com metais ................ 213

Reação de Meerwein-Ponndorf ............................................. 214

Reações de Cannizzaro ........................................................ 215

Adição de elétrons ................................................................. 215

Reações de adição/eliminação .............................................. 216

11

Derivados de NH3 ................................................................. 216

Adição de carbono nucleofílico ............................................. 217

Reagentes de Gringnard ....................................................... 218

Íons acetilênicos ................................................................... 219

Reações aldólicos ................................................................. 219

Reação de Perkin ................................................................. 220

Reações de Knoevenagel e de Stobbe ................................. 221

Condensação de Claisen de ésteres .................................... 222

Reação de Wittig ................................................................... 223

Estereosseletividade em reações de adição a carbonilos..... 224

Reações catalisadas por ácido ............................................. 226

Adição a c≡n ......................................................................... 227

7o ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO .................................. 227

Unidade VIII - Reação de eliminação ................................. 230

Reações de eliminação 1,2, eliminação-β............................. 231

Outras eliminações β ............................................................ 231

Mecanismo e1 ....................................................................... 233

Mecanismo e1cb ................................................................... 234

Mecanismo e2 ....................................................................... 235

Estereosseletividade em E2 .................................................. 236

Orientação em E2: Saytzev versus Hofmann ....................... 239

Eliminação versus substituição ............................................. 240

8o ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO .................................. 242

Unidade IX - Carbânions ..................................................... 244

Formação de carbânions ...................................................... 245

Estabilidade de carbânions ................................................... 247

Estereoquímica de carbânions .............................................. 250

Reações dos carbânions ....................................................... 252

Reação de adição ................................................................. 252

Reação de adição - carbonação ........................................... 253

12

Reação de eliminação ........................................................... 254

Reação de eliminação - descarboxilação .............................. 254

Reação de substituição ......................................................... 255

Reações de Reimer-Tiemann ................................................ 255

Reações de Kolbe-Schmidt ................................................... 255

Rearranjo............................................................................... 256

Oxidação ............................................................................... 258

Halogenação de cetonas ....................................................... 258

Unidade X - Radicais ........................................................... 260

Formação de radicais ............................................................ 262

Fotólise .................................................................................. 262

Termólise............................................................................... 263

Reações redoxi ..................................................................... 263

Detecção de radicais ............................................................. 264

Forma e estabilização de radicais ......................................... 265

Reações de radicais .............................................................. 267

Adição ................................................................................... 268

Adição de Halogênios ........................................................... 268

Adição de Ácido bromídrico................................................... 270

Outras adições ...................................................................... 273

Polimerização vinílica ............................................................ 273

Substituição ........................................................................... 275

Halogenação ......................................................................... 275

Auto-oxidação ....................................................................... 278

Substituição aromática .......................................................... 280

Rearranjo............................................................................... 282

Bi-radicais.............................................................................. 283

10º ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO ................................. 285

Unidade XI - Reações controladas por simetria de orbitais

Introdução ............................................................................. 290

13

Teoria dos orbitais moleculares ............................................ 290

Equação de onda - fase ........................................................ 290

Reações eletrocíclicas .......................................................... 293

Reação térmica ..................................................................... 294

Reação fotoquímica .............................................................. 296

Regras de woodward-hofmann ............................................. 297

Reações de cicloadições ...................................................... 298

Rearranjos sigmatrópicos ..................................................... 302

Migração de hidrogênio......................................................... 303

Migração de carbono ............................................................ 305

Referências ........................................................................... 310

Sites para pesquisa na web .................................................. 311

Sobre os autores: .................................................................. 312

1

2

UNIDADE I - ESTRUTURA, REATIVIDADE E MECANISMOS

ESTRUTURA E REATIVIDADE

Orbitais atômicos

O átomo de carbono tem seis elétrons que

segundo a teoria da estrutura atômica de Bohr, estão dispostos

em órbitas a distância crescente do núcleo. Estas órbitas

correspondem a níveis de energia gradualmente crescentes. A

de energia mais baixa, 1s, acomodando 2 elétrons, a seguinte,

2s, acomodando também dois elétrons e os 2 elétrons

restantes do átomo de carbono indo ocupar o nível 2p, que é

capaz de acomodar um total de 6 elétrons.

O principio da incerteza de Heisenberg e a visão

da mecânica-ondulatória do elétron tornaram necessário

eliminar algo definido com tanta precisão como descritos por

funções de onda ψ, e as órbitas de Bohr, clássicas e exatas,

foram substituídas por orbitais atômicos tridimensionais com

diferentes níveis de energia. O tamanho, forma e orientação

destes orbitais atômicos, regiões em que há máxima

probabilidade de se encontrar um elétron correspondem a um

nível de energia quantificado e são delineados por uma função

de onda, ψA, ψB, ψC, etc. Na verdade, os orbitais são

bastantes semelhantes a mapas de contorno eletrônico

tridimensional, em que ψ2 determina a probabilidade relativa

de encontrar um elétron num dado ponto do orbital.

A teoria dos orbitais moleculares (OM) constitui uma

alternativa para se ter uma visão da ligação. De acordo com

este enfoque, todos os elétrons de valência têm uma influência

na estabilidade da molécula (Elétrons dos níveis inferiores

também podem contribuir para a ligação, mas para muitas

moléculas simples o efeito é demasiado pequeno). A teoria do

OM considera que os orbitais atômicos (OAs) do nível de

valência deixam de existir quando a molécula se forma, sendo

3

substituídos por um novo conjunto de níveis energéticos que

correspondem a novas distribuições da nuvem eletrônica

(densidade de probabilidade). Esses novos níveis energéticos

constituem uma propriedade da molécula como um todo e são

chamados, consequentemente, de orbitais moleculares.

O cálculo das propriedades dos orbitais moleculares é

feito comumente, assumindo que os OAs se combinam para

formar OM. As funções de onda dos OAs são combinados

matematicamente para produzir as funções de onda dos OM

resultantes. O processo é remanescente da mistura de orbitais

atômicos puros para formar orbitais híbridos, exceto que, na

formação de OM, OA de mais de um átomo são combinados

ou misturados. No entanto, como no caso da hibridização, o

número de orbitais novos formados é igual ao número de OA

originários da combinação.

Da mesma maneira que nos orbitais atômicos, estamos

interessados em dois aspectos moleculares:

1) as formas de suas distribuições espaciais da nuvem

eletrônica;

2) suas energias relativas.

O diagrama usual de ψ versus r para o orbital 1s de um

átomo A (Figura 1a) deve, porém, ser modificado para levar em

conta a variação de r entre -∞ e +∞, resultando no diagrama

mostrado na figura 1b.

Figura 1 - Diagramas de ψ versus r para o orbital 1s.

Os seis elétrons do átomo de carbono estão

acomodados em orbitais atômicos de nível de energia

crescente até que todos estejam classificados (principio de Auf

4

bau). Onde dois elétrons, com spins emparelhados, irão para o

orbital 1s, dois para o orbital 2s, no nível 2p os dois elétrons

restantes poderão acomodar-se no mesmo orbital 2px, ou em

orbitais diferentes, 2px e 2py. A regra de Hund determina que

dois elétrons não pode ocupar o mesmo orbital, desde que haja

outro energeticamente equivalente desocupado. Assim, a

configuração eletrônica do átomo de carbono no estado

fundamental com dois elétrons desemparelhado é

1s22s22px12py

1, com o orbital 2pz desocupado. O átomo de

carbono no estado excitado (mais alta energia) possui

configuração eletrônica 1s22s12px12py

12pz1, agora com quatro

elétrons desemparelhados e pode por isso formar quatro

ligações com outros átomos ou grupos de átomos. A grande

quantidade de energia produzida pela formação destas duas

novas ligações contrabalança consideravelmente a energia

necessária para o desacoplamento inicial 2s2 e promoção de 2s

� 2p (≈ 406 kJ)

Hibridização

O átomo de carbono combina-se com outros quatro

átomos, formando entre as ligações ângulos de 109º 28’entre

si, isto pode ser explicado com base na mistura do orbital 2s e

dos três orbitais atômicos 2p de modo a produzir quatro novos

orbitais idênticos capazes de formar quatro ligações mais

fortes. Estes novos OA híbridos sp3 são obtidos pelo processo

chamado de hibridização.

+ +

2s 2px 2py 2pzhibrido sp

3

x

y

z

x

y

z

De modo semelhante, pode-se imaginar que a

hibridização ocorre também quando o átomo de carbono

5

combina-se com três outros átomos, no eteno, três orbitais

atômicos híbridos sp2 dispostos em ângulos de 120º no mesmo

plano (hibridização trigonal plana), e quando o átomo de

carbono combina-se com dois outros átomos de carbono, etino,

são utilizados dois orbitais atômicos híbridos sp1 dispostos a

ângulos de 180º (hibridização diagonal), em cada caso o orbital

s está sempre envolvido, visto que é o de mais baixo nível de

energia.

LIGAÇÕES EM COMPOSTOS DE CARBONO

Teoria de Ligação de Valência.

Uma ligação covalente ocorre quando dois átomos se

aproximam (distância ótima = comprimento da ligação) de

modo que um orbital de um dos átomos, ocupado por um

elétron, se superpõe a um orbital do outro átomo, também com

um elétron.

A força da ligação depende do grau de superposição dos

orbitais.

O grau de superposição entre os OA foi calculado e seu

valor é:

Orbital Grau de superposição s 1,00 p 1,72 sp 1,93 sp2 1,99 sp3 2,00

Teoria do orbital molecular (OM)

A teoria do OM constitui numa alternativa para se ter

uma visão da ligação. De acordo com este enfoque, todos os

6

elétrons de valência têm uma influência na estabilidade da

molécula (elétrons dos níveis inferiores também podem

contribuir para a ligação, mas para muitas moléculas simples o

efeito é pequeno). Além disso, a teoria OM considera que os

OA do nível de valência deixam de existir quando a molécula

se forma, sendo substituídos por um novo conjunto de níveis

energéticos que correspondem a novas distribuições da nuvem

eletrônica. Esses novos níveis energéticos constituem uma

propriedade da molécula como um todo e são chamados,

consequentemente de orbitais moleculares.

Observando os OM que são formados quando dois

átomos idênticos se ligam numa molécula diatômica, usando

um enfoque simples, consideremos que um OA de um átomo

se combina com um OA de um segundo átomo para formar

dois OM. Para que esse processo seja efetivo, duas condições

devem ser favorecidas:

1) os OA devem ter energias comparáveis;

2) eles devem se sobrepor de maneira significativa.

Os cálculos da mecânica quântica para a combinação

dos OA originais consistem em:

1) uma adição das funções de onda do OA;

2) uma subtração das funções de onda do OA.

Quando os dois átomos são diferentes, é incluído um

fator que leva em conta o fato de que os dois OAs não

contribuem igualmente para a formação dos OM. Os

resultados, então, são duas novas funções de onda, uma de

adição e outra de subtração. O quadrado da função de onda

para um elétron nos dá informações acerca da probabilidade

de encontrar este elétron em várias regiões do espaço. Quando

isto é feito para um OM, resultam informações sobre a

densidade da probabilidade para um elétron ocupando aquele

OM e, a partir dessas informações, as superfícies limites

correspondentes (e também os níveis energéticos) podem ser

7

encontradas. Este método é conhecido como a combinação

linear de orbitais atômicos, ou método LCAO (Linear

Combinations Atomic Orbitals) (Figuras 2 e 3)

Figura 2. Formação de orbitais moleculares ligantes e antiligantes pela

adição e subtração de orbitais atômicos.

Den

sida

de e

letr

ônic

a

Posição internuclear

Figura 3. Gráfico da densidade eletrônica para orbitais

ψ1 e ψ2 (linhas descontinuas) ψB (linha superior solida)

e ψA (linha inferior solida), ao longo do eixo para H2.

Quando duas funções 1s são adicionadas, elas se

reforçam entre si por toda parte e principalmente na região

entre os dois núcleos. Esta redistribuição de densidade

eletrônica entre os núcleos ajuda a abaixar a energia potencial

coulômbica (Figura 3 - linha cheia superior). Como resultado,

este orbital tem características ligantes e denomina-se 1s.

Quando um orbital atômico é subtraído do outro, eles se

cancelam exatamente entre si em um plano que está situado a

meio caminho entre os núcleos, produzindo, portanto, um plano

8

nodal. A função de onda molecular é de sinal oposto em cada

lado deste plano nodal (Figura 2b). Quando se eleva a função

de onda ao quadrado (Figura 3 - linha cheia inferior), a

densidade de probabilidade resultante é obviamente positiva

em todos os lugares, exceto no plano nodal, onde é zero. Esta

deficiência de densidade eletrônica na região internuclear ajuda

a aumentar a energia potencial coulômbica do sistema, e o nó,

na função de onda, produz um aumento na energia cinética do

elétron. A energia total é, consequentemente, alta, os átomos

não estão ligados, e o orbital é descrito como antiligante.

Deve-se ter em mente que as representações dos OM

são análogas às representações dos OA e podem ser

interpretadas de duas maneiras equivalentes elas mostram:

1) a(s) região(ões) na(s) qual(is) o elétron passa a maior

parte do tempo, isto é, a(s) região(ões) de maior probabilidade

de encontrar-se o elétron ou, alternativamente,

2) a(s) região(ões) na(s) qual(is) a densidade da carga

eletrônica é alta.

Na figura 4 são mostradas as superfícies limites de dois

orbitais moleculares que são formados pela combinação de

dois orbitais atômicos 1s. Vemos à esquerda a sobreposição

dos OAs 1s e, à direita, os OM resultantes. O OM formado pela

subtração de funções de onda OA é representado por σs* (leia:

"sigma asterisco"), enquanto o formado pela adição é

representado por σs. O contraste entre esses dois OM é

grande. Há um aumento da densidade eletrônica de carga

entre os núcleos no orbital σs, mas um decréscimo na mesma

região no orbital σs*. Por essa razão, o orbital σs é chamado

orbital ligante, e o σs*, de orbital antiligante. O primeiro

tende a estabilizar a ligação, enquanto o último tende a

desestabilizá-la. Ambos são chamados orbitais σ porque estão

centrados e são simétricos ao redor do eixo de ligação. Uma

9

secção de cada orbital feita perpendicularmente ao eixo de

ligação apresenta um formato circular.

Figura 4. Combinação de AO 1s para formar OM σ.

Pela combinação linear de um orbital 2s de um átomo A

com um orbital 2s do átomo B, obtemos aproximações dos

orbitais moleculares σ2s, Ligante e antiligante.

O processo é completamente análogo àquele

empregado para σ1s e σ1s*. As quantidades N e N* são fatores

de normalização. O orbital σ2s* possui um plano nodal entre os

dois núcleos, é antiligante e tem energia maior do que o orbital

σ2s que não possui este plano nodal, e é Ligante (Figura 5).

Figura 5. Formação de orbitais σ2s e σ2s

* pela adição e subtração de OA 2s.

Os sinais de mais e menos se referem ao sinal das

funções de onda e não a cargas nucleares ou eletrônicas.

Observa-se que há uma superfície nodal rodeando os

núcleos tanto no orbital σ2s como no orbital σ2s*, o que os

10

distingue dos orbital σ1s e σ1s*. Na Figura 6, estão indicados os

sinais das funções de onda de acordo com a convenção usual.

Pode ser observado que os lóbulos positivos dos orbitais estão

orientados na direção positiva dos eixos, dando-se preferência

para o eixo x. Para os orbitais s, o lóbulo externo é sempre

considerado positivo (Figura 5).

Se dois orbitais estão a uma distância infinita um do

outro, a sua superposição é nula. Quando se aproximam, eles

se superpõem e formam um OM Ligante (superposição

positiva) e um OM antiligante (superposição negativa).

Figura 6. Representações convencional dos orbitais, três p e cinco d.

Os eixos são marcados diferentemente para os orbitais dxy, dxz

e dyz

Figura 7 - Superposição negativa e positiva de orbitais atômicos.

11

A figura 7 mostra que a superposição é positiva se

corresponder à combinação de funções de onda de mesmo

sinal, e será negativa se os sinais forem opostos.

Notamos que, na figura 7a, o orbital 2pz da direita tem

seu lóbulo negativo orientado segundo a direção positiva do

eixo z, o que significa que ele foi multiplicado por menos um.

Isso equivale a dizer que, em vez de soma, foi feita uma

subtração dos OA, enquanto que a figura 7b mostra uma soma

dos OA, pois ambos os OA estão orientados na mesma direção

do eixo z.

A combinação de dois orbitais p pode produzir

resultados diferentes, dependendo de quais orbitais p são

usados. Se o eixo x é o eixo de ligação, então dois orbitais 2px

podem se sobrepor quando eles se aproximarem segundo um

único eixo, como é mostrado na Figura 8. Os OM resultantes

constituem, como antes, um orbital ligante (σx) com carga

eletrônica acumulada entre os núcleos e um OM antiligante

(σx*) com decréscimo de carga entre os núcleos.

Esses orbitais são também classificados como σ, porque

são simétricos ao redor do eixo de ligação e são designados σx

e σx* para indicar que derivaram de OA px.

Figura 8. Combinação de OA 2px para formar OM σ

Quando orbitais 2py e 2pz se sobrepõem para formar

OM, eles o fazem lado a lado, como é apresentado na Figura 9.

Em cada caso, o resultado é um orbital antiligante com quatro

12

lóbulos e um orbital ligante com dois lóbulos. Esses orbitais

não são simétricos em relação ao eixo de ligação, em vez

disso, existem duas regiões, em lados opostos ao eixo da

ligação, nas quais a densidade da nuvem de carga é alta. Isto é

característico de um orbital π.

Observe que, o orbital ligante permite uma alta

concentração da carga eletrônica na região entre os núcleos,

enquanto o orbital antiligante mostra uma diminuição da

densidade de carga nessa região. (Na realidade, cada orbital

antiligante tem um plano nodal entre os dois núcleos).

Figura 9. Combinação de OA 2p na formação de OM π.

Quando OA se combinam, eles passam a compartilhar

uma região do espaço. Se a superposição entre os orbitais é

positiva, os lóbulos envolvidos se fundem e formam um lóbulo

único no orbital molecular resultante. Se a superposição entre

os orbitais é negativa, não ocorre a fusão dos lóbulos,

aparecendo um plano nodal entre eles e a densidade eletrônica

na região internuclear diminui.

Energias dos orbitais moleculares

Um exemplo clássico em estudos é a formação da

molécula H2 a partir dos dois átomos, a uma distância infinita

um do outro. Inicialmente, seus orbitais não se superpõem e a

energia potencial do sistema é considerado igual a zero. À

medida que eles se aproximam, começa a haver interações

entre seus orbitais, formando-se um OM Ligante e um OM

13

antiligante. Os elétrons ocupam o OM Ligante em que é maior

a densidade eletrônica na região internuclear.

Dessa foram, será favorecida a atração núcleo-elétron e

minimizada a repulsão núcleo-núcleo, com a consequente

diminuição da energia potencial do sistema (Figura 11).

Quanto mais próximos os núcleos dos átomos de

hidrogênio ficam um do outro, tanto mais se superpõem os

orbitais e menor torna-se a energia. Há, todavia, um limite para

a aproximação, a partir do qual passa a dominar a repulsão

entre os núcleos. Existe, pois, uma separação de equilíbrio,

que é denominada comprimento de ligação, ao qual

corresponde uma energia mínima, a energia de ligação.

Figura 11. Variação com a separação internuclear, da energia potencial de

dois átomos de hidrogênio.

Quando dois OA se combinam para formar dois OM, a

energia do OM ligante é sempre menor do que a dos OA,

enquanto a energia do OM antiligante é maior. Nas Figuras 12

e 13 aparecem as relações de energias entre os OA 1s e os

resultantes OM σs e σs* para o caso de uma molécula diatômica

homonuclear, na qual os dois átomos são iguais. Na Figura 13,

à esquerda e à direita estão os níveis de energia 1s de dois

átomos do elemento A (identificados com A e A'). No centro,

encontram-se os níveis de energia σs e σs* da molécula A – A'.

14

As linhas tracejadas diagonais mostram que os OM se

formaram dos OA indicados. A Figura 13 poder ser usada para

mostrar a formação dos OM de um par de qualquer orbital s

(2s, 3s, 4s, etc.). Em cada caso, um orbital antiligante e um

orbital ligante são formados.

Figura 12. A idéia do orbital molecular

Figura 13. Energias relativas dos orbitais σs em moléculas diatômicas

homonucleares.

Consideremos a seguir a formação dos OM de um par

de orbitais 2px cujos lóbulos estão dirigidos para o eixo de

ligação, Figura 14, a formação de um par de OM, um ligante

(σx) e um antiligante (σx*).

15

Figura 14. Energias relativas dos orbitais σx em moléculas diatômicas

homonucleares

Observe os OA 2py e 2pz, que se sobrepõem lado a

lado. Os OM formados a partir deles são mostrados na figura

15. A sobreposição py – py é exatamente igual à sobreposição pz

– pz (exceto pela orientação) e assim os OM formam dois

conjuntos de orbitais de mesma energia, os orbitais πy e πz

(ligantes) e os orbitais πy* e πz

* (antiligantes).

Figura 15. Energias relativas dos orbitais πy e πz em moléculas diatômicas

homonucleares

Preenchimento dos orbitais moleculares

O procedimento de Aufbau, pelo qual os elétrons são

adicionados um a um ao diagrama de energia dos OA com o

objetivo de construir a configuração eletrônica dos átomos,

usaremos agora uma técnica semelhante para preencher os

níveis energéticos do diagrama de OM, para construir a

configuração eletrônica de moléculas diatômicas

16

homonucleares no estado fundamental. Os elétrons são

adicionados a partir da base do diagrama para cima, para os

orbitais de maior energia.

A molécula mais simples é a de hidrogênio (H2). A Figura

16 mostra, à esquerda e à direita, elétrons colocados em dois

átomos de H não-ligados e, no meio do diagrama, a molécula

de H2 no estado fundamental. Os dois elétrons 1s vão constituir

um par (spins opostos) no orbital σs (ligante) da molécula. Este

par constitui uma ligação simples. A configuração eletrônica da

molécula de hidrogênio pode ser escrita como: H2 (σs)2

Figura 16. Preenchimento do diagrama OM para H2

Considerando a molécula Hélio e (He2), que poderia ser

formada por dois átomos de hélio em que cada um dos quais é

capaz de fornecer dois elétrons para a molécula. O total é de

quatro elétrons, dois a mais que no H2, de maneira que a

distribuição no OM será a da Figura 17. A configuração

eletrônica no estado fundamental da molécula de He2 deverá

ser:

He2: (σs)2(σs*)2

Figura 17. Preenchimento do diagrama OM para a molécula hipotética He2.

17

Devido ao fato de que o σs* (antiligante) está agora

preenchido e seu efeito desestabilizador cancela o efeito

estabilizador do orbital σs,. O resultado é que não há uma força

de atração entre os átomos de hélio devido ao número igual de

elétrons ligantes e antiligantes e, assim, He2 não existe.

Na teoria dos OM a ordem de ligação é definida como:

Assim, a ordem de ligação na molécula de H2 é:

Enquanto na molécula hipotética de He2 é:

Para a molécula de lítio (Li2) e de berílio (Be2), desde que o

preenchimento de dois OM σ formados de orbitais 1s está

completo, passasse para os dois OM σ formados a partir dos

orbitais 2s.

Ligações simples carbono-carbono

A combinação de dois átomos de carbono no etano

resulta da sobreposição axial de dois orbiatais sp3, um de cada

átomo de carbono, para formar uma ligação sigma forte entre

eles. O comprimento da ligação carbono-carbono é de 0,154

nm. Uma ligação simples semelhante entre dois átomos de

carbonos hibridizados sp2, =CH – CH=, tem em média um

comprimento de ligação de 0,147 nm e entre átomos de

carbono hibridizados sp1, ≡C–C≡, cerca de 0,138 nm. Este fato

ocorre porque um orbital s e qualquer elétron que nele se

encontre são mantidos mais próximos e fortemente pelo núcleo

do que um orbital p e qualquer elétron que nele se encontre. O

mesmo efeito será observado com orbitais híbridos à medida

que aumenta a sua componente s, e para dois átomos de

18

carbonos ligados entre si os núcleos são aproximados à

medida que vai de sp3 – sp3 � sp2 – sp2 � sp1 – sp1.

Entretanto, não é definida uma estrutura única para o

etano, a ligação sigma entre os átomos de carbono é simétrica

em torno de uma linha que une os dois núcleos, teoricamente,

é possível uma variedade infinita de estruturas diferentes

definida pela posição dos hidrogênios num átomo de carbono,

relativamente à posição dos átomos de hidrogênios no outro

átomo de carbono. De todas as estruturas possíveis, os dois

extremos são as formas eclipsadas e em estrela, conhecidas

como projeções em perspectiva de Newman.

HH

H HH

H H

H H

H

H

HHH

H

HH

H

H

H

H

H

H

Eclipisada Em estrela

As formas eclipsadas e em estrela é a infinita variedade

de estruturas possíveis entre esses extremos, são designadas

por conformações da molécula do etano. Conformações são

definidas como diferentes arranjos do mesmo grupo de átomos

que podem ser convertidos uns nos outros sem quebra de

quaisquer ligações.

A conformação em estrela é a mais estável, os átomos

de hidrogênios nos átomos de carbonos adjacentes estão tão

afastados quanto possível uns dos outros (0,310 nm) e

qualquer interação chamada não-ligante entre eles está

portanto num mínimo, enquanto que na conformação eclipsada

estão num máximo de sobreposição (0,230 nm), ligeiramente

menos do que a soma dos seus raios de van der Waals.

Ligações duplas carbono-carbono

No eteno, cada átomo de carbono esta ligado a três

outros átomos, dois hidrogênios e um carbono. Formam-se

19

ligações sigma fortes com estes três átomos pela utilização de

três orbitais derivados por hibridização do orbital 2s e dois

orbitais atômicos 2p do átomo de carbono, um átomo

normalmente só mobiliza tantos orbitais híbridos quantos os

átomos ou grupos com os quais pode formar ligações sigma

fortes. Os orbitais híbridos sp2 resultantes encontram-se todos

no mesmo plano e com ângulos de ligação de 120º, um em

relação aos outros (orbitais trigonais planos). Na formação da

molécula do eteno, dois orbitais sp2 de cada átomo de carbono

são visualizados como sobrepondo-se aos orbitais 1s de dois

átomos de hidrogênios para formar duas ligações C–H sigma

fortes, enquanto que a terceiro orbital sp2 de cada átomo de

carbono se sobrepõe axialmente para formar uma ligação C–C

sigma forte entre eles. Verifica-se experimentalmente que os

ângulos das ligações H–C–H e H–C–C são de fato 116º7’ e

121º6’, respectivamente. O afastamento de 120º não é visto

que estão envolvidos diferentes trios de átomos.

Isto deixa, em cada átomo de carbono, um orbital

atômico não hibridizado 2p com ângulos retos com o plano

contendo os átomos de carbono e de hidrogênio. Estes dois

orbitais 2p paralelos um ao outro, podem sobrepor-se

resultando na formação de um orbital molecular ligante que se

estende sobre ambos os átomos de carbonos, situando-se

acima e abaixo do plano que contêm os dois átomos de

carbonos e os quatro átomos de hidrogênios.

Este novo orbital molecular ligante (também forma um

orbital molecular antiligante) é conhecido como um orbital π, e

os elétrons que ocupam estes são elétrons π. A nova ligação π

20

que se forma tem efeito de fazer aproximar mais os átomos de

carbonos C=C, cuja distância no eteno é de 0,133 nm,

comparada com uma distância C–C de 0,154 nm no etano. A

sobreposição lateral dos orbitais atômicos p axial que ocorre na

formação de uma ligação π, a primeira é mais fraca do que a

última. Isto se reflete no fato de a energia de uma ligação dupla

carbono-carbono, embora superior a de uma ligação simples,

ser inferior ao dobro desta última. Assim a energia da ligação

C–C no etano e de 347 kJ/mol, enquanto que a de C=C no

eteno é de apenas 598 kJ/mol.

A sobreposição lateral dos dois orbitais atômicos 2p, a

força da ligação π, será claramente máxima quando os dois

átomos de carbonos e os quatros átomos de hidrogênios forem

exatamente coplanares, pois só nesta posição é que os orbitais

p são exatamente paralelos entre si, capazes de um máximo

de sobreposição. Qualquer deste estado coplanar, por torção

em torno da ligação σ que une os dois átomos de carbonos,

conduz a redução da sobreposição π, e a um decréscimo na

força da ligação π.

Ligações triplas carbono-carbono

No etino, cada átomo de carbono está ligado a dois

outros átomos, um de hidrogênio e um carbono. Formam

ligações sigma fortes com estes dois átomos pela utilização de

dois orbitais híbridos derivados por hibridização do orbital 2s e

um orbital atômico 2p do átomo de carbono. Os orbitais

híbridos resultantes sp1 diagonais são co-lineares. Assim na

formação da molécula do etino, estes orbitais são utilizados

para formar ligações sigma fortes entre o átomo de carbono e

um átomo de hidrogênio, e entre dois átomos de carbonos

resultando uma molécula linear com dois orbitais atômicos 2p

não híbridos com ângulos retos entre si em cada um dos

átomos de carbonos. Os orbitais atômicos, num átomo de

21

carbono, são paralelos aos do outro, e podem sobrepor-se com

formação de duas ligações π em planos a ângulos retos entre

si.

A molécula de etino está efetivamente envolta num

cilindro de carga negativa. A energia da ligação C≡C e de 812

kJ/mol, de modo que o incremento devido a terceira ligação é

inferior ao que ocorre quando se passa de uma ligação simples

para uma dupla. A distância da ligação C≡C e de 0,120 nm de

modo que os átomos de carbonos se aproximam mais ainda,

aqui novamente o decréscimo ao passar de C=C � C≡C é

inferior ao que ocorre quando se passa de C–C � C=C.

Ligações carbono-oxigênio e carbono-nitrogênio.

Um átomo de oxigênio tem configuração eletrônica

1s22s22px22py12pz1, e também ele, ao combinar-se com outros

átomos, pode ser considerado como utilizando orbitais híbridos

de modo a formar ligações mais fortes. Ao combinar-se com os

átomos de carbono de dois grupos metila, para formar

metoximetano, CH3–O–CH3, o átomo de oxigênio pode utilizar

quatro orbitais híbridos sp3 de cada um dos dois átomos de

carbonos e as outras duas para acomodar os seus dois pares

de elétrons desemparelhados. Verifica-se que o comprimento

da ligação C–O é 0,142 nm, e a energia da ligação de 360

kJ/mol.

O átomo de oxigênio também pode formar uma ligação

dupla com um carbono, assim, na propanona, (CH3)2C=O, o

átomo de oxigênio poderia utilizar três orbitais híbridos sp2, um

para formar uma ligação sigma por sobreposição com o orbital

sp2 do átomo de carbono, e os outros dois para acomodar os

22

dois pares de elétrons desemparelhados. Isto deixa um orbital

não hibridizado p quer no oxigênio quer no carbono, e estes

podem sobrepor-se entre si lateralmente para formar uma

ligação π.

O ângulo da ligação C–C=O é de ≈ 120º, o comprimento

da ligação C=O de 0,122 nm e a energia da ligação 750 kJ/mol.

O fato de esta ser superior ao dobro da energia da ligação C–

O, enquanto que a energia da ligação C=C é inferior ao dobro

da de C–C, em parte, devido ao fato de os pares de elétrons

desemparelhados no oxigênio se encontrarem mais afastados,

e por isso mais estáveis em C=O do que em C–O, não

havendo circunstância equivalente com o carbono. O fato das

ligações carbono-oxigênio, ao contrário das ligações carbono-

carbono, serem polares também desempenha seu papel.

Um átomo de nitrogênio, com a configuração eletrônica

1s2 2s2 2px1 2py1 2pz1, também utiliza orbitais híbridos na

formação de ligações simples, C–N, ligações duplas, C=N, e

nas ligações triplas C≡N. Em cada caso uma desses orbitais é

utilizado para acomodar o par de elétrons desemparelhado do

nitrogênio, na formação de ligações duplas e triplas, são

utilizados orbitais p, não híbridos, do nitrogênio e do carbono.

Os comprimentos e energias médias das ligações são: simples

0,147 nm e 305 kJ/mol, dupla 0,129 nm e 616 kJ/mol e na tripla

0,116 nm e 893 kJ/mol.

Conjugação

Quando se considera moléculas que contêm mais de

uma ligação múltipla, dienos com duas ligações C=C, verifica-

se que compostos em que as ligações são conjugadas

(ligações múltiplas e simples alternadas) são ligeiramente mais

estáveis do que aquelas em que são isoladas.

CH3 CH2 CH2 CH2

23

Esta estabilidade termodinâmica superior de moléculas

conjugadas é comprovada pelo fato de apresentar um calor de

combustão e um calor de hidrogenação inferior ao de duplas

isoladas, e também na observação geral de que ligações

duplas isoladas podem ser induzidas a migrar rapidamente de

modo a tornarem-se conjugadas.

CH3

O

CH3

Base

Catalisadores

CH3

O

CH3

A conjugação não está limitada, é claro, apenas a

ligações múltiplas carbono-carbono.

Quer com duplas conjugadas ou duplas isoladas, a

sobreposição lateral dos OA p em átomos de carbonos

adjacentes pode conduzir a formação de duas ligações π

localizadas, e esperar-se-ia que os compostos se

assemelhassem ao eteno, é de fato o que se verifica com

duplas isoladas, mas com duplas conjugadas apresentam um

comportamento diferente devido sua maior estabilidade,

diferenças de comportamento espectroscópico, e pelo fato de

sofrer reações de adição mais rapidamente do que um dieno

isolado. No entanto, uma observação mais detalhada, mostra

que com duplas conjugadas, mas não com duplas isoladas, a

sobreposição lateral pode ocorrer entre todos os quatro orbitais

atômicos p em átomos de carbonos adjacentes. Tal

sobreposição resultará na formação de quatro orbitais

moleculares, dois ligantes (ψ1 e ψ2) e dois antiligantes (ψ3 e ψ4)

– a sobreposição de n orbitais atômicos dá origem a n orbitais

moleculares.

Observa-se, a partir da figura acima, que acomodando

os quatro elétrons do dieno conjugado em dois orbitais ligantes,

conduzirá a uma energia total para o composto, mais baixa do

que – por analogia com o eteno – acomodando-os em duas

ligações π localizadas. Os elétrons por estarem deslocalizados,

24

estão mantidos pelo conjunto do sistema conjugado em vez de

serem localizados sobre dois átomos de carbonos em ligações

π, como no eteno ou em duplas isoladas. A acomodação dos

quatro elétrons nos orbitais moleculares ψ1 e ψ2 resulta na

distribuição eletrônica numa nuvem de carga numa dada região

da molécula ou nela como um todo.

A deslocalização é muito envolvida na estabilização de

estados excitados de dienos e de polienos, em geral, no

abaixamento do nível de energia dos seus estados excitados.

O seu efeito é reduzir a diferença de energia entre os estados

fundamental e excitado de moléculas conjugadas, por

comparação com aquelas que contêm duplas ligações

isoladas, e esta diferença de energia diminui progressivamente

à medida que aumenta a extensão da conjugação. Os dienos

simples absorvem na região do ultravioleta, mas à medida que

aumenta a extensão da conjugação, a absorção gradualmente

desloca-se para a região do visível e o composto torna-se mais

colorido. Ilustrado pela série de α, ω-difenilpolienos (C6H5–

(CH=CH)n–C6H5).

Série de difenilpolienos (C6H5 – (CH = CH)n – C6H5)

Cor

n = 1 Incolor n = 2-4 Amarelo n = 5 Laranja n = 8 Vermelho

Benzeno e aromaticidade

No início da química orgânica, a palavra aromático foi

utilizada para descrever algumas substâncias que possuíam

fragrâncias, como o Benzaldeído (responsável pelo aroma das

cerejas, pêssegos e amêndoas), o tolueno (bálsamo) e o

benzeno (do carvão destilado). Entretanto, logo se observou

que essas substâncias denominadas aromáticas eram

25

diferentes da maioria dos compostos orgânicos em relação ao

comportamento químico.

C

O

HCH3

Benzeno Benzaldeído Tolueno

Hoje em dia, usamos a palavra aromático para nos

referir ao benzeno e seus derivados estruturais. Assim, os

químicos do século XIX estavam corretos em relação à

diferença entre os compostos aromáticos e os outros, porém a

associação de aromaticidade com fragrância havia se perdido.

Muitos compostos isolados de fontes naturais são, em

parte, aromáticos. Além do benzeno, benzaldeído e tolueno, a

substância hormonal estrona e o bastante conhecido

analgésico morfina têm anéis aromáticos. Muitas drogas

sintéticas também são aromáticas, o tranquilizante diazepam é

um exemplo.

Foi comprovado que a exposição prolongada ao

benzeno causa depressão da medula óssea e

consequentemente leucopenia (diminuição dos glóbulos

brancos). Dessa forma, o benzeno deve ser manuseado

cuidadosamente se utilizado como solvente em laboratório.

Um dos principais problemas da química orgânica

elementar é a estrutura pormenorizada do benzeno. A

conhecida estrutura planar da molécula implica hibridação sp2

OCH3

H

HO

H H

O

N CH3

OH

HO

Estrona Morfina

N

N

OCH3

Cl

Diazepam (valium)

26

com orbitais atômicos p e ângulos retos em relação ao plano

do núcleo, em cada um dos seis átomos de carbono.

A sobreposição poderia ser nas posições 1,2; 3,4; 5,6 ou

1,6; 5,4; 3,2, conduzindo a formulações correspondentes as

estruturas de Kekulé, mas como alternativa todos os orbitais p

adjacentes poderiam sobrepor-se, como com dienos

conjugados, resultando na formação de seis orbitais

moleculares, três ligantes (ψ1 �ψ3) e três antiligantes (ψ4 �

ψ6) com níveis de energia.

O OM ligante de menor energia (ψ1) é cíclico e engloba

todos os seis átomos de carbono deslocalizado. Tem um plano

nodal no plano do anel, de modo que há dois lobos anelares,

um acima e outro abaixo do plano do anel, o de cima está

ilustrado na figura abaixo, onde dois elétrons estão portanto

acomodados. Os dois OM ligantes seguintes (ψ2 e ψ3), de igual

energia, também englobam todos os seis átomos de carbono,

mas cada um tem ainda outro plano nodal, a ângulos retos com

o plano do anel, para além do no plano do anel. Cada OM tem

quatro lobos como ilustrado na figura abaixo, cada um destes

OM acomoda mais dois elétrons, perfazendo um total de seis.

O resultado global é uma nuvem eletrônica anelar, acima

e abaixo do plano do anel.

27

A influência desta nuvem de carga negativa com o

reagente que atacará o benzeno, onde na primeira fase da

reação envolve a interação entre o eletrófilo que se aproxima e

os orbitais π deslocalizados, chama-se complexo π.

O comprimento de todas as ligações carbono-carbono

no benzeno é 0,140 nm, fazendo com que o benzeno seja um

hexágono regular, comprimento intermediário entre os valores

normais para uma ligação simples de 0,154 nm e uma ligação

dupla de 0,133 nm. Esta regularidade pode ser evidenciada se

evitar escrever estruturas de Kekulé para o benzeno, uma vez

que são claramente representações inadequadas, e usando em

vez disso a representação abaixo.

Permanece a questão da estabilidade termodinâmica do

benzeno. Parte desta resulta sem dúvida da disposição das

três ligações σ trigonais planas em torno de cada átomo de

carbono no seu ângulo de 120º, mas grande parte resulta do

uso de OM cíclicas deslocalizados para acomodar os seis

elétrons residuais, este é um arranjo mais estável (energia

mais baixa) do que acomodar os elétrons em três orbitais

moleculares π localizados. A maior estabilização do benzeno,

resulta do fato do benzeno ser um sistema simétrico cíclico.

Uma estimativa aproximada da estabilização do benzeno

(cilcohexa-1,3,5-trieno), comparada com estruturas cíclicas

insaturadas simples, pode ser obtida comparando o seu calor

de hidrogenação com os do ciclohexeno, do ciclohexa-1,3-

dieno.

28

+

+

+

H2

2H2

3H2

∆Η = − 120 kJ mol-1

∆H = - 232 kJ mol-1

∆H = - 208 kJ mol-1

Em acentuado contraste com o caso do benzeno acima

descrito, o calor de hidrogenação do cicloctatetraeno e

cicloctano é de -410 kJ/mol, enquanto que o do ciclocteno é de

-96 kJ/mol.

∆H = - 410 kJ mol-1

∆H = - 96 kJ mol-1

4H2 H2

O cicloctatetraeno, ao contrário do benzeno, não existe

estabilidade característica quando comparado com o polieno

cíclico hipotético relevante, isto é, não é aromático. Esta

ausência de caráter aromático é realmente de surpreender

porque a sobreposição de orbital p cíclica, tal como no

benzeno, requereria que fosse plano com um consequente

ângulo da ligação C–C–C de 135º, resultando numa

considerável distensão do anel para um conjunto de carbonos

hibridizados sp2 (ângulo preferencial 120º). Essa distensão

pode ser aliviada por flexão do anel, mas só à custa da

possibilidade de sobreposição global de orbitais p, (por

cristalografia de raio-X, o cicloctatetraeno tem uma estrutura na

forma de banheira, com ligações C–C alternadamente duplas

de 0,133 nm e simples de 0,146 nm)

Os requisitos necessários para a ocorrência de

estabilização e caráter aromático, em polienos cíclicos são: a)

0,133 nm

0,146 nm

29

molécula tem que ser plana; b) todos os orbitais ligantes

completamente preenchidos. Esta condição verifica-se em

sistemas cíclicos com 4n + 2 elétrons π (regra de Hückel), e o

arranjo que ocorre de longe mais vulgarmente em compostos

aromáticos, por exemplo, quando n = 1, isto é, o composto tem

6 eletrons π, 10 eletrons π (n = 2) estão presentes no naftaleno,

e 14 eletrons π (n = 3) no antraceno e fenantraceno.

Naftaleno Antraceno Fenantreno

Embora estas substâncias não sejam monocíclicas

como o benzeno, e a regra de Hückel não deva aplicar-se a

elas, a introdução da ligação transanelar as torna bi e

tricíclicas, parecendo causar uma perturbação relativamente

pequena no que se refere a deslocalizaçao dos elétrons π

sobre o grupo ciclico de dez ou quatorze átomos de carbono.

As estruturas quase-aromáticas são aquelas em

que a espécie cíclica estabilizada é um íon e o cátion

cicloheptatrienilo (tropílio), o ânion ciclopentadienilo, ambos

têm 6 eletrons π (n = 1) e ainda mais surpreendente, o cátion

ciclopropenilo que tem 2 elétrons π (n = 0).

-+ +

Cátion ciclopropeniloÂnion ciclocilcopentadieniloCátion cicloheptatrienilo

Além disso, a estrutura anelar não tem de ser puramente

carbociclica, e a piridina, por exemplo, com um átomo de

nitrogênio no anel e 6 elétrons π (n = 1), encontra-se tão

estabilizada quanto ao benzeno.

30

N

Condições necessárias para a deslocalização.

A dificuldade em encontrar uma representação

satisfatória para a ligação carbono-carbono no benzeno leva-

nos a constatar que a maneira, segundo a qual normalmente

escrevemos as ligações entre átomos com simples, duplas ou

triplas, envolvendo dois, quatro e seis elétrons,

respectivamente, é inadequada. Algumas ligações envolvem

outros números, mesmo fracionários de elétrons. É o que se

pode ver muito claramente no ânion etanoato (acetato), em que

a distância das duas ligações carbono-oxigênio é a mesma,

envolvendo o mesmo número de elétrons.

CH3 C

O

O-

Estas dificuldades conduziram à convenção de

representar moléculas que não podem ser escritas

adequadamente como uma estrutura clássica simples por uma

combinação de duas ou mais estruturas clássicas, as

chamadas estruturas canônicas, ligadas por uma seta com

duas pontas. O modo pelo qual uma destas estruturas pode ser

relacionada com outra é geralmente indicado por meio de setas

encurvadas, indicando a cauda da seta encurvada de onde é

que se move um par de elétrons e a ponta da seta o local para

onde esse par de elétrons se move.

CH3 C

O

O-

CH3 C

O-

O

CH3 C

O

O

-

31

Nunca é de mais acentuar que o ânion etanoato não tem

duas estruturas possíveis e alternativas, que são rapidamente

interconvertidas, mas uma só estrutura real, por vezes

designada como um híbrido, para as estruturas canônicas

menos exatas.

De um modo geral, quanto mais estruturas canônicas

puderem ser escritas para um dado composto, maior será a

deslocalização dos elétrons, e mais estável será o composto.

Estas estruturas não devem diferir muito umas das outras em

conteúdo energético, ou então as de energia mais elevada

contribuirão tão pouco para o híbrido que a sua contribuição se

torna praticamente irrelevante.

As estruturas escritas devem todas elas conter o mesmo

número de elétrons emparelhados, e os átomos constituintes

devem todos eles ocupar essencialmente as mesmas posições

relativamente uns aos outros em cada estrutura canônica. Se a

deslocalização for significativa, todos os átomos ligados a

centros insaturados devem situar-se no mesmo plano, ou

aproximadamente no mesmo plano.

QUEBRA E FORMAÇÃO DE LIGAÇÕES

Uma ligação covalente entre dois átomos pode sofrer

quebra essencialmente dos seguintes modos:

R + X. .R:

-+ X

+

R+

+ X-

R X..

No primeiro caso, cada átomo separa-se com um

elétron, conduzindo a formação de entidades altamente

reativas chamadas de radicais, que devem sua reatividade ao

elétron desemparelhado, e a esta quebra de ligação dá-se o

nome de fissão homolítica da ligação. No segundo caso, um

átomo pode ficar com os dois elétrons, não deixando nenhum

32

para o outro átomo da ligação, resultando, neste caso, um íon

negativo e um íon positivo. Quando R e X não são idênticos, a

fissão pode ocorrer de um ou de outro dos modos, dependendo

se é R ou X que retém o par de elétrons. Ambos estes

processos são designados como fissão heterolítica, sendo o

resultado a formação de um par iônico. A formação de uma

ligação covalente pode ocorrer pelo processo inverso de

qualquer destes processos e, também, pelo ataque dos

radicais ou íons primeiramente formados a outras espécies.

Esses radicais ou pares iônicos formam intermediários

reativos numa grande variedade de reações orgânicas, como

se mostrará mais adiante. As reações envolvendo radicais

tendem a ocorrer na fase gasosa e em solução em solventes

não-polares, catalisadas pela luz ou pela adição de outros

radicais. As reações que envolvem pares iônicos ocorrem mais

rapidamente em solução em solventes, devido a maior

facilidade de separação de carga nessas condições, e

frequentemente devido a estabilização dos pares iônicos

resultantes através da solvatação. Muitos destes intermediários

iônicos podem ser considerados como transportando a sua

carga no átomo de carbono, embora o íon seja muitas vezes

estabilizado por deslocalização da carga, em maior ou menor

extensão, sobre outros átomos e carbono, ou átomos de

elementos diferentes.

Quando o átomo de carbono tem uma carga positiva, é

designado como íon carbônion (carbocátion), e quando é

carregado com uma carga negativa é um carbânion. Embora

tais íons possam formar-se e estar presente apenas em

concentração pequena, são de máxima importância no controle

das reações em que participam.

Estes três tipos, radicais, íons carbônion e

carbânions, de modo algum esgotam as possibilidades de

intermediários transientes em que o carbono é o centro ativo,

33

outros incluem as espécies elétron deficientes carbenos, R2C:,

e benzinos

FATORES QUE INFLUENCIAM A DISPONIBILIDADE

ELETRÔNICA.

Prever quaisquer fatores que influenciem a

disponibilidade relativa de elétrons (densidade eletrônica) em

ligações ou em átomos num composto deve ser considerado a

sua reatividade em relação a um reagente particular, uma

posição de alta densidade eletrônica será atacada com

dificuldade, por exemplo, por OH-, enquanto que uma posição

de baixa densidade eletrônica é provável que seja atacada com

facilidade e vice-versa por um reagente positivamente

carregado.

Efeitos indutivos

Numa ligação covalente simples entre átomos

diferentes, o par eletrônico que forma a ligação sigma nunca é

partilhado de modo absolutamente igual entre os dois átomos,

ele tende a ser atraído para o mais eletronegativo dos dois

átomos. Assim no cloreto de alquila, a densidade eletrônica é

maior, próximo do cloro do que do carbono.

C Cl

H

H

H

δδ+ -C Cl

H

H

H

Se o átomo de carbono ligado ao cloro estiver ele

próprio ligado a outros átomos de carbono, o efeito pode ser

transmitido mais longe.

CH3 CH2 CH2 CH2 Cl

O efeito da apropriação parcial de elétrons pelo átomo

de cloro da ligação carbono-cloro deixa o C1 ligeiramente

elétron-deficiente, ele tenta retificar esta situação, apropriando-

34

se, por sua vez, de um pouco mais do que a sua parte dos

elétrons da ligação sigma que o liga a C2, e assim por diante

ao longo da cadeia. O efeito de C1 em C2 é inferior ao de Cl

sobre C1, no entanto, a transmissão rapidamente se

desvanece numa cadeia saturada, sendo geralmente muito

reduzida para se notar além do C2.

A maior parte dos átomos e grupos ligados ao carbono

exerce estes efeitos indutivos na mesma direção que o cloro,

isto é, são retiradores de elétrons, por serem mais

eletronegativos do que o carbono, sendo a principal exceção os

grupos alquila e elétrons doadores. Embora o efeito seja

quantitativamente pequeno, é responsável pelo aumento de

basicidade que resulta quando um dos átomos de hidrogênio

do amoníaco é substituído por um grupo alquila, pela rápida

substituição do anel aromático no metilbenzeno do que no

benzeno propriamente dito.

Todos os efeitos indutivos são polarizações

permanentes no estado fundamental da molécula, e

manifestam-se nas suas propriedades físicas, por exemplo,

momento de dipolo.

Efeitos mesoméricos

Estes são essencialmente redistribuições de elétrons

que podem ocorrer em sistemas insaturados, especialmente

em sistemas conjugados, via seus orbitais π. Um exemplo é o

grupo carbonilo, cujas propriedades não são explicadas de

modo totalmente satisfatório pela formulação clássica, nem

pelo dipolo extremo obtido pela deslocalizaçao dos elétrons π.

C O

CH3

CH3

C+

O-

CH3

CH3

δδ+ -

C O

CH3

CH3

35

A estrutura real situa-se entre aquelas, um híbrido

resultante das formas canônicas.

Haverá também um efeito indutivo, mas muito menor do

que o efeito mesomérico, visto que os elétrons sigmas são

muito menos rapidamente deslocados do que os elétrons π.

Se o grupo C=O estiver conjugado com C=C, a

polarização acima pode ser transmitida mais além, via elétrons

π.

A deslocalização ocorre de tal modo que resulta num

átomo elétron deficiente em C3, bem como em C1 tal como

num composto carbonílico. A diferença entre esta transmissão

via sistema conjugado, e o efeito indutivo em sistema saturado,

é que aqui o efeito sofre muito menos atenuação após

transmissão, e a polaridade alterna.

A estabilização que pode resultar por deslocalização de

uma carga positiva ou negativa num ânion, via seus orbitais π,

pode ser um fator importante para tornar possível a formação

do íon, em primeiro lugar. A estabilização do ânion fenóxido,

por deslocalização da sua carga via orbitais π deslocalizados

do anel, é responsável pela acidez do fenol.

Uma deslocalização aparentemente semelhante pode

ocorrer no próprio fenol não dissociado, envolvendo um par de

elétrons não compartilhado no átomo de oxigênio, mas isso

envolve separação de cargas e será menos eficaz do que a

CH3 O CH3CH

+O

-CH3

CHO

δ-δ+

OH

+ H2O

O-

O O O

+ H3O+-

-

-

36

estabilização do íon fenóxido, que não envolve separação de

cargas.

OH OH OH OH

-

-

-

:+ + +

Os efeitos mesoméricos, tal como os indutivos, são

polarizações permanentes no estado fundamental de uma

molécula, e manifestam-se nas propriedades físicas dos

compostos em que ocorrem. A diferença essencial entre efeitos

indutivos e mesoméricos é que os primeiros ocorrem

essencialmente em grupos ou compostos saturados, e os

segundos em compostos insaturados e especialmente em

compostos conjugados. Os primeiros envolvem elétrons de

ligações sigma e os segundos os elétrons em ligações π. Os

efeitos indutivos são transmitidos apenas a curtas distâncias

em cadeias saturadas antes de desvanecerem, enquanto que

os efeitos mesoméricos podem ser transmitidos de uma

extremidade a outra da molécula bastante grande desde que

esteja presente conjugação, através da qual podem ser

transmitidos.

Efeitos variáveis com o tempo.

Os fatores variáveis com o tempo, por analogia com os

efeitos com os efeitos permanentes descritos anteriormente,

foram designados por efeitos indutoméricos e efeitos

eletroméricos. Quaisquer destes efeitos podem ser

considerados como polarizabilidades em vez de polaridades,

porque a distribuição dos elétrons reverte a do estado

fundamental da molécula atacada se o reagente for removido

sem que a reação possa ocorrer. Ou se o estado de transição,

37

uma vez atingido, se decompor para dar de novo os materiais

de partida.

Estes efeitos variáveis, com o tempo, sendo apenas

temporários, não se refletirão nas propriedades físicas dos

compostos. Muitas vezes é impossível distinguir

experimentalmente entre efeitos permanentes e efeitos

variáveis com o tempo, mas nunca é de mais acentuar que

apesar das dificuldades em distinguir que proporções de um

dado efeito são devidas a fatores permanentes e a fatores

variáveis com o tempo, de fato a aproximação de um reagente

pode ter um efeito no aumento de reatividade numa molécula

reagente, e assim promover a reação.

Hiperconjugação

A grandeza relativa do efeito indutivo de grupos alquilas

verifica-se seguir normalmente a ordem:

(CH3)3 – C– < (CH3)2 – CH– < CH3 – CH2 – < CH3–

Quando os grupos alquilas estão ligados a um sistema

insaturado, uma ligação dupla ou um grupo benzênico, verifica-

se que aquela ordem é perturbada e, no caso de alguns

sistemas conjugados, é de fato invertida. Parece assim que os

grupos alquilas são capazes, nessas circunstâncias, de dar

origem a um aumento de densidade eletrônica por um

mecanismo diferente do efeito indutivo. Este foi explicado como

ocorrendo através de uma extensão do efeito mesomérico ou

de conjugação, ocorrendo a deslocalização, como segue.

C CH2

H

H

H

C CH2-

H

H

H+

C H

H

H C

H

H C

H

H C

H

HH+

- -

-

H+

H+

38

Este efeito foi designado por hiperconjugação e tem sido

utilizado com sucesso para explicar vários fenômenos de

outros modos não relacionáveis. Deve acentuar-se que não se

está de fato a sugerir que um próton fica livre como mostrado

na figura acima, se deslocasse da sua posição original uma

das condições necessárias para a deslocalização ocorrer, seria

contrariada.

A inversão da ordem esperada (indutiva) de elétron

doação para CH3 > CH3CH2 > (CH3)2CH > (CH3)3C pode ser

explicada com base na hiperconjugação ser dependente da

presença de hidrogênio nos átomos de carbono alfa em relação

ao sistema insaturado. Esta está claramente num máximo com

CH3 e é não existente com (CH3)C, e daí a maior capacidade

elétron doadora dos grupos CH3 nestas condições.

C CH2

H

H

H

C CH2

H

H

CH3

C CH2

CH3

CH3

CH3

C CH2

CH3

CH3

CH3

A hiperconjugação poderia envolver ligações C–C, bem

como ligações C–H, e as diferenças em reatividade relativas

observadas numa série de compostos pode, de fato, resultar da

atuação de efeitos do solvente, bem como de efeitos

hiperconjugativos.

A hiperconjugação também tem sido usada para explicar

a maior estabilidade termodinâmica de alcenos em que a

ligação dupla não é terminal, comparada com compostos

isoméricos em que a dupla é terminal, onde os nove átomos de

hidrogênio alfa hiperconjugáveis, comparados com apenas

cinco átomos no isômero.

CH2CH3

CH3C CH3CH3

CH3

39

Isto resulta na formação preferencial de alcenos não

terminais, em reações que poderiam conduzir a ambos ou aos

seus isômeros terminais por introdução da ligação dupla, e a

isomerização bastante rápida do composto menos estável no

mais estável.

Efeitos estereoquímicos

Até aqui discutimos fatores que podem influenciar a

disponibilidade relativa de elétrons em ligações, ou em átomos

particulares, num composto e assim afetar a reatividade desse

composto. A atuação destes fatores pode, no entanto, ser

modificada ou até mesmo anulada pela influência de fatores

esteroquímicos; assim, a deslocalização efetiva via orbitais π só

pode ter lugar se os orbitais p ou π, nos átomos envolvidos na

deslocalizaçao, puderem tornar-se paralelos ou praticamente

paralelos. Se houver impedimento, não pode ter uma

sobreposição significativa, e a deslocalizaçao pode ser inibida.

Um exemplo é dado pela comparação entre o comportamento

da N,N-dimetilanilina e os seus derivados 2,6-dialquilados. O

grupo N,N-Me2, sendo elétron doador (devido ao par de

elétrons não compartilhado no nitrogênio interagir com os

orbitais π deslocalizados no núcleo), ativa o núcleo em relação

ao ataque pelo cátion diazônio PhN2+, em relação ao

acoplamento azóico, conduzindo a substituição na posição

para.

N

CH3CH3:

PhN2+

N+CH3 CH3

HNNPh

- H+

NCH3 CH3

NNPh

..

O derivado 2,6-dimetílico não sofre acoplamento nessas

condições, apesar do fato de os grupos metila que foram

40

introduzidos estarem afastado um do outro para que o seu

volume interfira diretamente com o ataque a posição para. O

não acoplamento nesta posição é devido aos dois grupos

metilas, nas posições orto a NMe2, interferindo

estereoquimicamente com os dois grupos metilas ligados ao

nitrogênio e impedindo assim que estes se situem no mesmo

plano do anel benzênico. Isto significa que os orbitais p no

nitrogênio e no átomo de carbono do anel ao qual se encontra

ligado são impedidos de se tornarem paralelos entre si, e a

sobreposição é assim inibida. A interação eletrônica com o anel

é impedida, e não ocorre transferência de carga.

..N

CH3 CH3

CH3CH3

O efeito estereoquímico mais comum é a obstrução

estereoquímica clássica, em que o volume dos grupos

influencia a reatividade diretamente num local do composto,

impedindo a aproximação de um reagente do centro reacional,

introduzindo uma obstrução no estado de transição e não

promovendo ou inibindo a disponibilidade eletrônica.

Deve acentuar-se que tal inibição estereoquímica é só

um caso extremo, e quaisquer fatores que perturbem ou inibam

uma orientação particular do reagente relativamente um ao

outro, não permitindo a sua aproximação suficientemente,

podem também afetar profundamente a velocidade de reações,

é o que se verifica frequentemente em reações em sistemas

biológicos.

TIPOS DE REAGENTES

Os grupos elétron doadores e elétron retiradores

possuem efeito de tornar um local de uma molécula rico ou

41

deficiente em elétrons. Isto vai claramente influenciar o tipo de

reagente com o qual o composto reagirá mais facilmente. Uma

espécie rica em elétrons, como o ânion fenóxido,

O-

O

-

tenderá ser mais facilmente atacada por cátions positivamente

carregados como C6H5N2+, um cátion diazônio, ou por outras

espécies que, embora não sendo de fato cátions, possuem um

átomo ou centro que é elétron deficiente, por exemplo, o átomo

de enxofre do trióxido de enxofre na sulfonação.

O S

O

O

δ

δ

δδ

-

-

-

+++

Tais reagentes, porque tendem a atacar o substrato

numa posição de densidade eletrônica elevada, são chamados

reagentes eletrofílicos ou simplesmente eletrófilos.

Inversamente, um centro elétron deficiente, como o

átomo de carbono no clorometano,

CH3 Clδ -δ+

será atacado mais facilmente por ânions (carregados

negativamente) tais como OH-, CN-, etc., ou por outras

espécies que, embora não sendo de fato ânions, possuem um

átomo ou centro que é rico em elétrons; por exemplo, o átomo

de nitrogênio no amoníaco ou em aminas, P3N ou R3N. Estes

reagentes tendem atacar o substrato numa posição de baixa

densidade eletrônica, isto é, onde o núcleo atômico está além

do seu comportamento normal, são chamados reagentes

nucleofílicos ou simplesmente nucleófilos.

42

Esta diferença de eletrófilo/nucleófilo pode ser

considerada como um caso especial da ideia ácido/base. A

definição clássica de ácidos e bases é que os primeiros são

doadores de prótons, e os segundos são aceitadores de

prótons. Esta ideia foi tornada mais geral por Lewis, que definiu

ácidos como compostos preparados para aceitar pares de

eletrons, e bases como substâncias capazes de fornecer esses

pares. Isto incluiria certo número de compostos não

anteriormente considerados como ácidos e bases, exemplo o

trifluoreto de boro, que atua como um ácido aceitando o par de

eletrons do nitrogênio da trimetilamina para formar o complexo

neutro, e é, portanto, chamado de um ácido de Lewis.

F3B + N(CH3)3: F3B N(CH3)3:- +

Os eletrófilos e os nucleófilos em reações orgânicas

podem ser considerados essencialmente como aceitadores e

doadores, respectivamente, de pares eletrônicos, de um para

outro átomo, mais frequentemente carbono. Os eletrófilos e os

nucleófilos podem, é claro, também relacionar-se com agentes

oxidantes e redutores, pois os últimos podem considerar-se

como aceitadores de elétrons e os primeiros como doadores de

elétrons. Alguns eletrófilos e nucleófilos mais comuns

encontram-se listados a seguir.

Exemplos de:

Eletrófilos

H+, H3O

+,

+NO2,

+NO, PhN 2

+, R

3C

+,

+SO3,

+CO2,

+BF3,

+AlCl3,

+ICl, Br 2, O3

Nucleófilos

H-, BH4

-, HSO3

-, HO

-, RS

-, CN

-, RCO2

-, RCC

-, (EtCO2)2CH

-, O:, N:, S:, MgBrR

-, LiR

-

Quando o reagente está marcado com um asterisco,

indica o átomo que aceita elétrons do substrato, ou doa

elétrons ao substrato. Não se pode fazer necessariamente uma

distinção clara entre o que constitui o reagente e qual o

43

substrato, porque embora NO2+, OH-, etc. sejam normalmente

considerados como reagentes, o carbânion ((EtCO2)2CH-) pode

ser o reagente ou substrato quando reage, por exemplo, com

um haleto de alquila. A reação do primeiro com o último é um

ataque nucleofílico, enquanto que a do segundo com o primeiro

é considerado como um ataque eletrofílico, mas qualquer que

seja o ponto de vista, numa reação, é encarado o reagente, a

sua natureza essencial não está por um momento sequer em

dúvida.

Deve-se recordar que as reações que envolvem radicais

como entidades reativas são também conhecidas. Estas são

muito menos susceptíveis a variações em densidade eletrônica

no substrato do que as reações que envolvem intermediários

polares, mas em geral são mais fortemente afetadas pela

adição de pequenas quantidades de substâncias que ou

libertam ou removam radicais. Serão consideradas mais

adiante.

TIPOS DE REAÇÕES

Há quatro tipos de reações que os compostos orgânicos

podem sofrer.

a) Reação de deslocamento (substituição); b) Reação de

adição; c) Reação de eliminação; d) Rearranjo.

Em (a) é a substituição no carbono que normalmente se

refere, mas o átomo substituído pode ser hidrogênio ou outro

grupo.

Na substituição eletrofílica geralmente o hidrogênio é

deslocado, sendo a substituição aromática clássica um bom

exemplo.

H

+-NO2

NO2

+ H+

44

Na substituição nucleofilica é frequentemente, um

átomo, que não é o hidrogênio, é deslocado, porém a

substituição nucleofílica do hidrogênio também pode ocorrer.

NC-

+ R Br CN R + Br-

A substituição induzida por radicais acontece também, e

ocorre, por exemplo, a halogenação de alcanos.

As reações de adição, também, podem ser eletrofílicas,

nucleofílicas ou radicalares, dependendo do tipo de espécie

que inicia o processo. A adição a ligações duplas carbono-

carbono simples é normalmente ou induzida por eletrófilos ou

por radical, exemplo, a adição de HBr, que pode ser iniciada

pelo ataque de ou H+ ou Br- a ligação dupla.

CH3

CH3

CH3

CH3

HBrCH3

CH3

CH3

CH3 H

Br

Pelo contrário, as reações de adição exibidas pela

adição dupla carbono oxigênio, em aldeídos e cetonas simples,

têm geralmente caráter nucleofílico, um exemplo é a formação,

catalisada por base, de cianidrinas em HCN líquido.

As reações de eliminação são essencialmente o inverso

das reações de adição. O tipo mais comum é a perda de

hidrogênio e de outro átomo ou grupo de átomos de carbono

adjacentes para dar alcenos.

Os rearranjos também podem ocorrer via intermediários

que são essencialmente cátions, ânions ou radicais, embora os

que envolvem íons carbônios, ou outras espécies elétron

deficientes, sejam de longe os mais comuns. Podem envolver

CH3

CH3

CH3

CH3 H

Br

- HBrCH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 H

OH

45

um grande rearranjo do esqueleto carbonado de um composto,

como na conversão de 2,3-dimetilbutan-2,3-diol (pinacol) em

2,2-dimetilbutan-3-ona (pinacolona).

- H2OCH3

CH3

CH3

CH3OH OH

CH3CH3

CH3 O

Nestas transformações a verdadeira etapa do rearranjo

é, muitas vezes, seguida por uma substituição, adição ou

eliminação, antes que se obtenha um produto final estável.

1O ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO

1. Porque os DIENOS CONJUGADOS são mais estáveis que os dienos isolados? 2. Sugira uma explicação para as diferenças nos CALORES DE COMBUSTÃO apresentados abaixo:

COMPOSTO CALOR DE COMBUSTÃO (KJ/mol)

Ciclo-hexeno -120 Ciclo-hexadieno -232 Benzeno -208 3. Dê uma explicação para a mudança de coloração observada na série de α,ω-DIFENIL-POLIENOS, abaixo:

C6H5(CH=CH)nC6H5 COR n=1 incolor n=2 amarelo n=3 laranja n=4 vermelho 4. Defina e dê exemplos de: a) efeito indutivo d) efeito eletromérico b) efeito mesomérico e) efeito estérico c) efeito indutomérico f) hiperconjugação 5. Escreva as estruturas de ressonância para: a) fenol b) benzaldeído c) anilina d) nitrobenzeno

46

6. Pesquise sobre a isomerização abaixo:

O

Base

O

7. Justifique porque os ácidos “A” e “B” são difíceis de esterificar e o ”C” não.

Me

CMe

O OH

R3COOH

Me

CH2

Me

CO OH

A B C 8. Embora quase todas as espécies orgânicas estáveis tenham átomos de carbono tetravalente, sabe-se que existem espécies que possuem átomos de carbonos trivalentes. Os carbocátions são uma destas classes de compostos. a) Qual é a relação existente entre um carbocátion e um composto de boro trivalente como o BF3? b) Quantos elétrons de valência possuem o átomo de carbono carregando positivamente? c) Que tipo de hibridação deve possuir esse átomo de carbono? d) Qual é a geometria do carbocátion? 9. Um carbânion é uma espécie que tem um carbono trivalente carregado negativamente. a) Qual é relação existente entre um carbânion e um composto de nitrogênio trivalente como o NH3? b) Quantos elétrons de valência possuem o átomo de carbono carregado negativamente? c) Que tipo de hibridação deve possuir esse átomo de carbono? d) Qual e a geometria do carbânion? 10. Compostos aromáticos sofrem reações de substituição eletrofílica catalisada por ácidos de Lewis anidros. Considerando a piridina e o eletrófilo NO2

+ mostre qual carbono é o mais susceptível de ataque. Idem para o pirrol.

47

48

UNIDADE II – ENERGÉTICA, CINÉTICA E INVESTIGAÇÃO

DE MECANISMOS

ENERGÉTICA DE REAÇÕES

A conversão de reagentes em produtos, que constitui

uma reação orgânica, e “em que extensão ocorrerá à reação

para formar os produtos?” É o queremos saber. Os sistemas

tendem a deslocar-se em direção ao seu estado mais estável,

por isso podemos prever que quanto mais estáveis forem os

produtos, comparados com os reagentes, mais deslocado o

equilíbrio estará do lado dos produtos, quando maior diferença

na estabilidade (∆estabilidade), maior a conversão esperada em

produtos.

A simples variação de energia que ocorre quando se vai

de reagentes para produtos, e que pode ser facilmente medida

como o calor de reação ∆H*, não é uma medida adequada da

diferença de estabilidade entre eles, pois frequentemente se

verifica não existir correlação entre ∆H e a constante de

equilíbrio para a reação, k. Nas reações altamente exotérmicas

com pequenas constantes de equilíbrio (pouca conversão de

reagentes em produtos) e algumas reações com constante de

equilíbrio elevadas, que são endotérmicas (a entalpia dos

produtos é superior a entalpia dos reagentes), é nítido que

algum fator, além da entalpia, deve estar envolvido na

estabilidade relativa de espécies químicas.

Isso é um corolário da Segunda Lei da Termodinâmica

que se relaciona essencialmente com probabilidades e com a

49

tendência dos sistemas ordenados para se tornarem

desordenados, sendo a medida do grau de desordem de um

sistema dada pela sua entropia (S). Ao procurar a sua condição

mais estável, os sistemas tendem para um número de energia

(entalpia, H) e um máximo de entropia (desordem ou acaso),

pelo que uma medida da sua estabilidade relativa deve abarcar

um compromisso entre H e S, e é fornecido pela energia livre

de Gibbs (G) que é definida por:

G = H - TS

em que T é a temperatura absoluta. A variação de

energia livre durante uma reação a uma dada temperatura é

dada por

∆G = ∆H – T∆S,

e verifica-se que a variação de energia livre partindo

dos reagentes para os produtos, ∆G, relaciona-se com a

constante de equilíbrio K, para a reação, pela relação

∆G = 2,303RT logK,

isto é, quanto maior o decréscimo de energia livre,

partindo dos reagentes para produtos, maior será o valor de K,

e mais o equilíbrio estará deslocado a favor dos produtos. A

situação de energia livre mínima corresponde à posição de

equilíbrio para reagentes/ produtos. Para uma reação em que

não há variação de energia livre (∆G = 0), K = 1, corresponde a

50% de reagentes em produtos. Valores positivos crescentes

de ∆G implicam em valores fracionários menores de K,

correspondendo a uma conversão extremamente reduzida em

produtos, enquanto que valores negativos maiores de ∆G

implicam valores maiores de K. Assim um ∆G de -42 kJ

corresponde a uma constante de equilíbrio de 107, e a uma

conversão completa em produtos. O conhecimento das

energias livres de padrão de reagentes e de produtos, foram

determinadas para um grande número de compostos

50

orgânicos, permite-nos prever a extensão de conversão dos

reagentes.

O fator ∆H para a transformação pode ser equacionado

com a diferença de energias entre as ligações nos reagentes e

as ligações nos produtos, e um valor aproximado de ∆H para

uma reação pode, muitas vezes, ser previsto a partir de tabelas

de energias de ligação padrão, visto que foi a partir de valores

de ∆H que as energias médias de ligações foram calculadas.

O fator entropia não pode ser explicado de modo simples, mas efetivamente relaciona-se com o número de modos possíveis em que a energia total, pode ser compartilhada entre um conjunto de moléculas, e também o número de modos em que o quanto de energia de uma molécula pode ser compartilhado para efeitos translacionais, rotacionais e vibracionais, sendo o translacional o de maior magnitude. Assim para uma reação em que há um aumento de espécies moleculares ao passar-se de reagentes para produtos, é provável que haja um acréscimo apreciável de entropia devido ao ganho em liberdade translacional.

A → B + C

O termo -T∆S pode ser maior do que o termo +∆H de

uma reação endotérmica, conduzindo a um valor negativo para

∆G, e a um equilíbrio se encontra a favor dos produtos. De

qualquer modo, se a reação for exotérmica (∆H negativo), ∆G

será ainda mais negativo, e constante de equilíbrio, K, é maior.

Quando o número de espécies decresce ao ir dos reagentes

para os produtos, é provável que haja um decréscimo de

entropia.

∆G- = ∆H - (-)T∆S

Então, a não ser que a reação seja suficientemente

exotérmica (∆H negativo e muito grande) para contrabalancear,

∆G será positivo, e o equilíbrio irá se deslocar muito a favor dos

reagentes.

51

As reações de ciclização podem ter decréscimo de

entropia, embora não seja necessária uma variação de entropia

translacional, é imposta uma restrição à rotação em torno das

ligações simples carbono-carbono, e esta é essencialmente

livre no reagente de cadeia aberta, mas muito restringida no

produto cíclico. Esse termo de entropia rotacional é menor do

que o termo de entropia translacional envolvido em reações em

que o número de espécies participantes decresce ao

formarem-se produtos.

Um fato que se reflete na preferência por ligações

hidrogênio intramoleculares em vez de intermoleculares em

1,2- dióis.

Não se deve minimizar o fato de o termo de entropia

envolver temperatura (T∆S) enquanto que o mesmo não

sucede com o termo de entalpia (∆H), e que as suas

contribuições relativas para a variação de energia livre podem

ser acentuadamente diferentes para a mesma reação realizada

a temperaturas muito diferentes.

CINÉTICA DE REAÇÕES

Embora o valor negativo para ∆G seja uma condição

necessária para que uma reação ocorra para dado um conjunto

de condições, é necessária mais informação, já que o valor de -

∆G nada nos diz quão rápido os reagentes são convertidos em

produtos.

52

(C6H10O5)n + 6nO2 6nCO2 + 5nH2O

Ene

rgia

livr

eReagentes

Produtos

∆G-

Caminho da reação

Para a oxidação da celulose, ∆G é negativo e grande em

magnitude, de tal modo que o equilíbrio está todo deslocado a

favor de CO2 e H2O, mas um papel jornal pode ser lido ao ar

por longos períodos de tempo sem que se note o seu

desaparecimento com formação de produtos gasosos, a

velocidade da conversão é extremamente lenta nestas

condições, apesar do valor muito elevado de ∆G negativo, é

claro que em temperaturas mais elevadas a reação é

acelerada. A conversão dos reagentes em produtos, apesar de

um ∆G negativo, há geralmente uma barreira a ser

ultrapassada no processo.

Ene

rgia

livr

e

Reagentes

Produtos

∆G-

Caminho da reação

∆G

x

Velocidade de reação e energia livre de ativação

A posição de x no perfil de energia anterior corresponde

à configuração menos estável através da qual os reagentes

passam durante a sua conversão em produtos, e é geralmente

designada como um complexo ativado ou estado de transição.

53

Deve acentuar-se que este é apenas um estado altamente

instável, que é atingido durante um processo dinâmico, e não

uma espécie molecular, um intermediário, que pode ser

detectado ou até mesmo isolado. Um exemplo é o estado de

transição na hidrólise alcalina do bromometano, em que a

ligação HO–C forma-se ao mesmo tempo em que a ligação C–

Br está se quebrando, e os três átomos de hidrogênio ligados

ao carbono passam por uma configuração em que todos se

encontram no mesmo plano.

A altura da barreira energética na figura é chamada de

energia livre de ativação para a reação (quanto mais alta, mais

lenta a reação) e pode ser considerada como composta por

termos de entalpia e de entropia.

∆G*= ∆H* - T∆S*

O ∆H≠ corresponde à energia necessária para efetuar

estiramento ou mesmo a quebra de ligações que é um pré-

requisito essencial para que a reação aconteça. Assim, as

moléculas reagentes devem transportar com elas para

qualquer colisão um mínimo de energia para que a reação

aconteça; o aumento da velocidade de uma reação à medida

que a temperatura é aumentada é, de fato, devido à proporção

crescente de moléculas com uma energia acima daquele

mínimo com o aumento de temperatura.

A ordem de grandeza de Eact para uma reação se

calcula a partir de valores de k, constante de velocidade,

determinada experimentalmente a duas temperaturas

54

diferentes T1 e T2, utilizando a expressão de Arrhenius que

relaciona k com T, a temperatura absoluta, (K).

k = Ae-E/RT ou log10k = (Eativação/2,303RT) + log10A

onde R é a constante dos gases, e A é a constante para a

reação, independente da temperatura que está relacionada

com a proporção do número total de colisões entre moléculas

reagentes que resultam numa conversão eficaz em produtos. O

valor de Eativação pode então ser obtido fazendo-se um gráfico

de valores de log10k vs 1/T ou por conversão da equação

anterior em log10 k1/k2 = ((Eativação/2,303 R) x [(1/T1) – (1/T2)]) e

cálculo subsequente.

O termo ∆S#* relaciona-se com uma distribuição, é uma

medida da variação no grau de organização, ou

ordenadamente, de ambas as moléculas reagentes

propriamente ditas e da distribuição de energia dentro delas, ao

ir-se de reagentes para o estado de transição; ∆S≠ está

relacionado com o fator A na equação de Arrhenius. Se a

formação do estado de transição requer a imposição de um alto

grau de organização no modo pelo qual as moléculas

reagentes se devem aproximar uma da outra, e também da

concentração da sua energia em ligações particulares de modo

a permitir finalmente a sua quebra, ao ser atingido o estado de

transição há um decréscimo de entropia, e a possibilidade da

sua formação é menor.

Cinética e etapa determinante da velocidade

Experimentalmente, a medição de velocidades de

reações consiste em investigar a que velocidade os reagentes

desaparecem e/ou os produtos se formam a uma temperatura

particular, e procurar relacionar a velocidade com a

concentração de um ou de todos os reagentes. A reação pode

ser seguida por uma variedade de métodos, diretamente por

55

remoção de alíquotas seguida pela sua determinação

titrimétrica, ou indiretamente por observação de variações

colorimétricas, conductimétricas, espectroscópicas, etc.

Qualquer que seja o método usado, a etapa crucial

normalmente envolve a tentativa de correlacionar os dados

cinéticos não tratados com possíveis funções variáveis de

concentração, quer graficamente, que por cálculo, até que um

resultado que se ajuste razoavelmente seja obtido. Assim, para

a reação,

CH3Br + -OH � CH3OH + Br-

a equação de velocidade é,

Velocidade = k[CH3Br][ -OH]

onde, k é chamado a constante de velocidade para a reação.

A reação de segunda ordem; de primeira ordem em relação ao

CH3Br e ao OH-.

Tal coincidência de estequeometria e lei de velocidade é

bastante rara, a primeira não é geralmente de todo um guia

para a segunda, que só pode ser determinada por

experimentos em laboratórios. A equação da reação de

bromação catalisada por base da propanona é

CH3COCH3 + Br2, (-OH)catalisador � CH3COCH2Br + HBr,

e a equação da velocidade, onde o bromo não aparece,

Velocidade = k[CH3COCH3][ -OH]

É claro que o bromo tem que estar envolvido em alguma

etapa da reação global uma vez que é incorporado no produto

final, mas obviamente não pode estar envolvido em uma etapa

determinante da velocidade de reação. Poucas reações

orgânicas são processos numa só etapa, e isto é evidenciado

na reação de formação de hexamina, em que a probabilidade

de colisão simultânea de seis moléculas de CH2O e de quatro

de NH3 numa colisão de dez corpos é efetivamente nula.

6CH2O + 4NH3 � C6H6N4 + 6H2O

56

Mas quando a estequiometria é menos extrema, as

reações são normalmente complexas, constituídas por um

número de etapas sucessivas (geralmente colisões entre dois

corpos). A etapa que medimos é a mais lenta, e por isso

determinante da velocidade da reação, na converção de

reagentes em produtos.

Ene

rgia

livr

e

Reagentes

Produtos

Caminho da reação

Intermediário

∆G1

∆G2

x1 x

2

Observa-se que os reagentes são convertidos via estado

de transição (ET) x1 num intermediário, que então se

decompõe em produtos via um segundo ET x2. Como

representado acima, a formação do intermediário via x1 é a que

requer maior energia entre as duas etapas, assim será a mais

lenta e determinante da velocidade das reações. A segunda

etapa é rápida e não limitante da velocidade da reação. A

bromação da propanona, em certas condições, segue um

padrão em que a etapa determinante da velocidade da reação

e a remoção de um próton pela base que resulta na formação

do carbánion intermediário, que ataca rápido, o Br2 para dar

bromopropanona e íon brometo como produtos.

57

Deve acentuar-se que embora esta explicação seja uma

dedução razoável da equação de velocidade estabelecida

experimentalmente, esta última não se pode dizer que prova a

primeira. A equação da velocidade determinada

experimentalmente da informação acerca das espécies que

estão envolvidas na etapa determinante da velocidade de uma

reação, e esta sendo incluida, na verdade a equação de

velocidade específica a composição, mas não, a estrutura do

estado de transição para a etapa determinante da velocidade.

Esta etapa não fornece informação direta acerca de

intermediários nem das espécies que estão envolvidas nos

processos rápidos, não determinantes da velocidade.

Ao considerar-se o efeito que uma alteração nas

condições do solvente ou na estrutura do material de partida

pode ter sobre a velocidade de uma reação, precisamos saber

qual o efeito que tais alterações terão sobre a estabilidade do

estado de transição, quaisquer fatores que sirvam para

estabilizar, conduzirão à mais rápida formação, e o inverso

igualmente se aplicará. Raramente é possível obter tal

informação detalhada acerca destes ET de energia elevada,

geralmente podemos tomar os intermediários relevantes como

modelos para eles e ver os efeitos que tais alterações exerçam

sobre estes. Tal modelo é razoável, o intermediário

transientemente formado na da bromação da propanona

assemelha-se muito, em termos de nível de energia livre, ao

ET do que seria o reagente. Em substituições eletrofílicas

aromáticas são utilizados complexos σ como modelos para os

ET que são os seus precursores imediatos.

O efeito de um catalisador é o de aumentar a velocidade

de uma reação, através da diminuição da energia de ativação,

na formação de um novo intermediário mais estável (de menor

energia).

58

Ene

rgia

livr

eReagentes

Produtos

Caminho da reação

E.T. para a reação não catalisada

E.T. para a etapa limitante da velocidade da reação catalisada

Assim a velocidade de hidratação de um alceno,

diretamente com água,

é em geral extremamente lenta, mas pode ser acelerada pela

presença de um catalisador ácido, que efetua a protonação

inicial do alceno para dar um íon (carbônion) positivamente

carregado por uma molécula de água atuando como nucleófilo,

e a liberação de um próton que é capaz de atuar novamente

como um catalisador.

Controle cinético versus controle termodinâmico

Quando um material de partida pode ser convertido em

dois ou mais produtos alternativos, como no ataque eletrofílico

há uma espécie aromática que já possui um substituinte, as

proporções em que os produtos alternativos se formam são

frequentemente determinadas pela sua velocidade de formação

relativa, quanto mais rapidamente se formar um produto, maior

proporção desse produto se encontrará na mistura final, é o

que se chama de controle cinético. No entanto, não é sempre

59

isto o que se observa, porque se uma ou mais das reações

alternativas for reversível, ou se os produtos forem facilmente

interconvertíveis nas condições reacionais, a composição da

mistura final de produtos pode ser ditada não pelas velocidades

de formação relativas dos diferentes produtos, mas sim pelas

suas estabilidades termodinâmicas relativas no sistema

reacional, esta então está em presença de controle

termodinâmico ou de equilíbrio. Na nitração do metilbenzeno, a

reação é cineticamente controlada, enquanto que na alquilação

de Friedel-Crafts da mesma espécie, a reação é controlada em

geral pela termodinamica. A forma de controle que ocorre

também pode ser influenciada pelas condições reacionais,

assim a sulfonação do naftaleno com H2SO4 concentrado a 80°

é cineticamente controlada, enquanto que a 160° é

termodinamicamente controlada.

Investigação de mecanismos de reações

Raramente, é possível fornecer informação completa,

estrutural, energética, regioquímica e estereoquímica, sobre

uma reação química, ou seja, é difícil comprovar que um

mecanismo reacional está completamente correto. No entanto,

e possível reunir um grande número de informações, sobre a

reação e demonstrar teoricamente que, dentre as diversas

alternativas, um determinado mecanismo é viável, e outros

não. Na investigação dos mecanismos de reações, vários

fatores são considerados.

A natureza dos produtos

A informação mais fundamental acerca de uma reação é

fornecida pela estrutura dos produtos que se formam durante o

seu curso, e a relação desta informação com a estrutura do

material de partida. Como é frequentemente o caso com

60

reações orgânicas, se obtém mais do que um produto, então

em geral é necessário conhecer também as proporções

relativas em que os produtos são obtidos com exatidão através

de técnicas de cromatografia e por métodos espectroscópicos,

entre outros, pode ocorrer por controle cinético ou

termodinâmico.

A informação sobre os produtos de uma reação pode ser

informativa quando um deles é totalmente desconhecido.

Assim, a reação de 4-metilclorobenzeno (p-clorotolueno) com

íons amina, -NH2, em amoníaco líquido conduz não só ao

produto previsto, 4-metilfenilamina (p-toluidina), mas também

ao produto bastante inesperado 3-metifenilamina (m-toluidina),

que na realidade é o produto majoritário.

A 3-metifenilamina não pode ser obtida a partir do 4-

metil-clorobenzeno por um simples processo de substituição e

ou se deve formar a partir de 4-metil-clorobenzeno via um

percurso diferente do da 4-metilfenilamina ou, se os dois

produtos se formam através de algum intermidiário comum,

então a 4-metilfenilamina também não pode formar-se por uma

substituição direta.

Dados Cinéticos

A maior quantidade de informação sobre percursos

reacionais provém de estudos cinéticos, mas a interpretação

dos dados cinéticos em termos mecanísticos não é sempre tão

simples como poderia parecer à primeira vista. Assim, as

espécies reagentes efetivas, cuja concentração na verdade

determina a velocidade da reação, podem diferir das espécies

que foram colocadas inicialmente na mistura reacional, e cuja

61

concentração variável estamos de fato a procurar medir. Deste

modo, na nitração aromática a espécie atacante efetiva é

geralmente +NO2, mas é HNO3 que colocamos na mistura

reacional e cuja concentração variável que medimos; a relação

entre as duas pode ser complexa e assim, portanto, também a

relação entre a velocidade da reação e [HNO3]. Apesar de a

reação essencial ser simples, pode não ser fácil deduzir isso a

partir das quantidades que podemos rapidamente medir.

E assim, também, se a hidrólise numa solução aquosa

do haleto de alquilo, RX, se verifica, segui a equação de

velocidade.

Velocidade = k1[RX]

Não é necessariamente seguro concluir que a etapa

determinante da velocidade não envolve a participação de

água, simplesmente com base em que [H2O] não figura na

equação de velocidade; porque se a água está a ser usada

como solvente, estará presente em grande excesso, e a sua

concentração permanecerá virtualmente inalterada quer

participe ou não na etapa determinante da velocidade. O

assunto poderia talvez ser esclarecido se fizesse a hidrólise em

outro solvente, como o HCO2H e usando uma concentração

muito menor de água como um nucleófilo potencial. Pode então

verificar-se que a hidrólise segue a equação de velocidade.

Velocidade = k2[RX][H2O]

Mas o mecanismo real de hidrólise pode muito bem ter

mudado ao se ter alterado o solvente, de tal modo que não

ficamos a saber mais sobre o que de fato se passou na solução

aquosa original.

A grande maioria das reações orgânicas é realizada em

solução, e pequenas alterações no solvente usado podem

produzir as mais profundas alterações nas velocidades e

mecanismos reacionais. Isto sucede particularmente quando

62

intermediários polares, por exemplo, íons carbónio ou

carbânions como constituintes de pares iônicos, estão

envolvidos, pois estas espécies normalmente transportam um

invólucro de moléculas de solvente em torno de si, afetando

enormemente sua estabilidade, e é fortemente influenciado

pela composição e natureza do solvente utilizado,

particularmente a sua polaridade e a capacidade de

solvatação. Pelo contrário, reações que envolvem radicais são

muito menos influenciadas pela natureza do solvente, mas são

grandemente influenciadas pela adição de fontes radicalares

como peróxidos ou absorventes de radicais como quinonas, ou

pela luz que pode iniciar a reação através da produção de

radicais por ativação fotoquímica,

Br2 hv

Br . .Br.

O fato de se verificar que uma reação ocorre

inesperadamente mais rápida ou mais lentamente do que

reações aparentemente semelhantes, em condições

comparáveis, e para compostos de estrutura relacionada,

sugere que está a operar um mecanismo diferente, ou

modificado, do mecanismo geral que de outro modo se

presumiria para essa série de compostos. Assim as

velocidades de hidrólise observadas para a hidrólise dos

clorometanos com bases fortes, em condições comparáveis,

variam como se segue

CH3CL >> CH2Cl2 << CHCl3 >> CCl4

Claramente, sugerindo que o triclorometano sofre hidrólise de

uma maneira diferente dos outros compostos.

A utilização de isótopos

Um assunto que muitas vezes intriga é saber se uma

dada ligação sofreu ou não ruptura, numa etapa ou, incluindo o

63

passo determinante da velocidade de uma reação, os dados

cinéticos simples não nos podem dar estas informações, e por

isso é necessário recorrer técnicas mais abrangentes. Se, por

exemplo, a ligação em causa for C–H, a equação pode ser

resolvida comparando a velocidade de reação, nas mesmas

condições, do composto em que estamos interessados e do

seu análogo em que aquela ligação foi substituída por uma

ligação C–D. As duas ligações terão a mesma natureza

química, uma vez que estão envolvidos isótopos do mesmo

elemento, mas as suas frequências de vibração, e as suas

energias de dissociação, serão ligeiramente diferentes porque

estão envolvidos átomos de massa diferentes, quanto maior for

a massa, mais forte será a ligação. Esta diferença em força de

ligações em condições comparáveis, a ligação mais forte C–D

será quebrada mais lentamente do que a ligação C–H, cálculos

da mecânica quântica sugerem uma diferença de velocidade

máxima, kH/kD, de ≈ 7 a 25°.

Também se podem usar isótopos para resolver

mecanísticos que não são cinéticos. Na hidrólise de ésteres,

para dar um ácido e um álcool, em teoria, ocorre pela quebra

em (a) quebra alquilo/oxigênio, ou em (b) quebra acila/oxigênio:

Se a reação for realizada em água enriquecida no

isótopo mais pesado de oxigênio 18O, conduzirá a um álcool

que é enriquecido em 18O e um ácido que o não é, enquanto

(b) conduzirá a um ácido enriquecido em 18O e a um álcool

normal. Verifica-se que a maior parte dos ésteres simples dá

origem a um ácido enriquecido em 18O, indicando que a

hidrólise, nestas condições, ocorre via (b) ruptura

64

acila/oxigênio. Deve acentuar-se que estes resultados só são

válidos desde que nem o ácido nem o álcool, uma vez

formados, possam eles próprios trocar o seu oxigênio com

água enriquecida e 18O, como de fato se demonstrou ser o

caso.

Uma grande variedade de outros marcadores isotópicos, 3H (ou T),13C, 14C, 15N, 32P, 35S, 37Cl, 131I, etc., têm sido também

utilizados para fornecer informação mecanística importante; os

isótopos do carbono são particularmente úteis uma vez que

este elemento ocorre em todos os compostos orgânicos. As

maiores dificuldades envolvidas nos estudos com marcação

isotópica são: (a) síntese seletiva, de modo que o marcador

isotópico seja introduzido numa posição (ou posições)

conhecida no composto a testar; (b) degradação seletiva do

produto da reação para estabelecer a localização do marcador;

e (c) acompanhamento do conteúdo em marcador isotópico por

medidas de radioatividade (3H, 14C, 32P, 35S, etc.), de

espectroscopia de massa (D, 13C, 15N, 18O, etc.) ou outros

métodos.

O estudo de intermediários

Entre as provas mais concretas que podem ser obtidas

acerca do mecanismo de uma reação, encontra-se a fornecida

pelo isolamento efetivo de um ou mais intermediários da

mistura reacional.

É muito mais comum não isolar quaisquer

intermediários, mas isto não significa que nenhum se forme. A

sua ocorrência pode, muitas vezes, ser inferida de

determinações físicas e espectroscópicas, feitas sobre o

sistema. Assim na formação de oximas a partir de um número

de compostos carbonílicos por reação com hidroxilamina.

65

A banda de absorção no infravermelho característica de

C=O (1780 – 1760 cm-1) no material de partida desaparece

rapidamente e pode ter desaparecido por completo antes que a

banda característica de C=N (1690 – 1635 cm-1) no produto

comece aparecer. Claro que deve formar um intermediário, e

outras provas sugerem que é a carbinolamina que se forma

rapidamente e depois decompõe lentamente para dar os

produtos, a oxima e água.

Quando não temos razão para suspeitar do

envolvimento de uma espécie particular como um intermediário

instável no percurso de uma reação, pode ser possível

confirmar as nossas suspeitas, introduzindo na mistura

reacional uma espécie reativa que se preveja e reaja com

particular rapidez com o intermediário postulado. Pode então

ser possível fazer divergir o intermediário instável do principal

percurso reacional capturando-o e isolar uma espécie estável

no qual ele é incorporado.

O estudo dos intermediários fornece uma ou mais pistas

que auxiliam a definir o caminho de uma reação, e os próprios

intermediários podem fornecer provas acerca dos estados de

transição, os quais são tomados como modelos.

Critérios estereoquímicos

A estereoquímica de uma reação pode fornecer

esclarecimentos sobre o mecanismo sugerido. Assim, a

bromação catalisada por base da PhCOCHMeEt, opticamente

ativa, forma um produto racêmico opticamente inativo, indica

que a reação

66

deve ocorrer através de um intermediário planar, que pode

sofrer ataque de ambos os lados, conduzindo a iguais

quantidades das duas formas do produto que são imagens num

espelho uma da outra.

A adição do ciclopenteno ao bromo em condições

polares da o trans dibrometo, indica que o mecanismo da

reação não pode ser adição numa só etapa da molécula de

bromo à dupla, porque isto conduziria ao dibrometo cis.

A adição deve ser pelo menos um processo em duas

etapas. Reações como estas, que ocorrem para dar

essencialmente um dos estereoisômeros entre as duas

alternativas possíveis, são estereosseletivas.

O grau de certeza com que um mecanismo de uma

reação é sugerido não é determinado apenas por explicar os

fatos conhecidos, e sim pelo êxito com que poderá predizer

uma mudança de velocidade, ou até da natureza de produtos

formados, quando se altera as condições reacionais ou a

estrutura dos reagentes.

20 ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO

1. Por que existem reações exotérmicas que apresentam pequenas constantes de equilíbrio e reações endotérmicas que apresentam constantes de equilíbrio elevadas?

2. Qual o valor de K, numa reação onde o ∆G0 é igual a zero, sabendo-se que: ∆G0 = -2,303 RTlogK. O que significa isso, em termos percentuais de transformação de reagentes em produtos?

67

3. Qual a correlação entre energia livre de ativação e velocidade de reação? Escreva a equação de Arrhenius, que correlaciona K (constante de velocidade) com T (temperatura).

4. Faça o gráfico para o perfil energético da halogenação de cetonas, em meio básico.

5. Qual o efeito de um catalisador?

6. O que são produto cinético e produto

termodinâmico de uma reação? 7. Cloreto de t-butila reage com o íon hidróxido de acordo com a seguinte reação: Cloreto de t-butila álcool t-butila Acredita-se que esta reação procede via o seguinte mecanismo: A ordem das constantes de velocidade é: K3>K2>K1>>K4 (a) Construa um diagrama de energia para a reação. (b) A primeira etapa desta reação é endotérmica ou exotérmica? (c) A reação total é endotérmica ou exotérmica? (d) Qual a etapa determinante da reação? 8. Considere a seguinte sequência de reações em que B é um intermediário. Mostre os perfis de energia para cada uma das possíveis relações entre as constantes de velocidade indicada. A parte da reação C é insignificante. (a), K1 e K2 grande; K3 pequeno; (b) K1 grande, K2 e K3 grande, mas K2> K3; (c) K1 e K3 grande; K2 pequeno; (d) pequenos K1, K2 e K3 grande, mas K3> K2; Identificar e determinar a lei de velocidade do estado de transição para cada um dos quatro casos.

(2) (CH3)3OHOH-+(CH3)3+

(1) Cl-+(CH3)3+

OH-+(CH3)3ClK1

K2

K3

K4

AK1

K2

B

B CK3

+ OH-k

(CH3)3OH + Cl-(CH3)3Cl

68

69

UNIDADE III. ÁCIDOS E BASES

Bronsted definiu ácidos como substâncias que perdem

prótons (doadoras de prótons), enquanto que as bases são

aceitadoras de prótons. A primeira ionização do ácido sulfúrico

em solução aquosa, onde a água atua como uma base

aceitando um próton, é convertida no seu ácido conjugado,

H30+, enquanto que o ácido H2SO4, doando um próton, é

convertido na sua base conjugada, HSO4-.

H3O+

Base Ácido conjugado conjugada

Base

+ H2O: HSO4-H2SO4 +

Ácido

Lewis, definiu ácidos como moléculas ou íons capazes

de aceitar pares de elétrons e bases como moléculas ou íons

que doam pares de elétrons disponíveis por compartilhamento.

Exemplo:

(CH3)3N: + BF3 (CH3)3N : BF3-+

ÁCIDOS

Força ácida - pKa

A força de um ácido, HA, em água, e a extensão em que

é dissociado pode ser determinada, considerando-se o

equilíbrio.

H2O + HA H3O+ + A-

A constante de equilíbrio em água é dada por:

[ ][ ][ ]HA

AOHK

a

−+

≈ 3

A concentração da [H2O] está incorporada no Ka ,

porque a sua concentração não varia signficativamente. Deve

acentuar-se que Ka, a constante de acidez do ácido em água,

é apenas aproximada (como acima), se usar concentrações em

70

vez de atividades, o que seria mais correto; é uma premissa

razoável, no entanto, desde que a solução seja bastante

diluída. A constante de acidez é influenciada pelo solvente em

que o ácido é dissolvido e por outros fatores. Para se evitar

escrever potências negativas de 10, o Ka é geralmente

convertido em pKa (pKa = -log10 Ka); assim enquanto que o Ka

para o ácido etanóico em água a 25° é 1,79 x 10-5, o pKa =

4,76. Quanto menor for o valor numérico de pKa, mais forte

será o ácido a que se refere.

Os ácidos muito fracos, aqueles que o pKa é maior que

16, não serão detectáveis como ácidos em água, uma vez que

a [H30+] que produzem nesse meio é inferior à produzida pela

autólise da própria água.

H2O + H2O H3O+

+ OH-

Então o (pKa) não pode ser medido em água. Quando os

ácidos são fortes (pKa baixo), estarão totalmente ionizadas em

água, e assim todos parecem ter a mesma força. Exemplo:

HCl, HNO3, HClO4, etc. Isto é designado como efeito nivelador

da água.

O intervalo de medida de pKa comparativo pode ser

estendido, se no primeiro caso, fornecer uma base mais forte, e

no segundo caso, uma base mais fraca do que a água como

solvente. Efetuando as determinações numa variedade de

solventes de basicidade crescente, é possível fazer as

determinações de forças ácidas até em ácidos tão fracos como

o metano.

A origem da acidez em compostos orgânicos

Entre os fatores que podem influenciar a acidez de um

composto orgânico, HA, encontram-se: (a) A força da ligação

H-A; (b) A eletronegatividade de A; (c) Fatores que estabilizam

A- em relação a HA; (c) A natureza do solvente.

71

Comparando-se esses fatores, evidência –se que (a)

não é normalmente um fator limitante, mas o efeito (b) é

refletido no fato de o pKa do metanol, CH3O-H, ser 16,

enquanto que o do metano, CH3-H é 43, sendo o oxigênio

consideravelmente mais eletronegativo que o carbono. Em

contraste, o pKa do ácido metanóico é 3,77. Isto deve-se em

parte ao grupo carbonilo elétron retirador, que aumenta a

afinidade eletrônica do átomo de oxigênio ao qual está ligado o

hidrogênio, mas muito mais importante é (c), a estabilização do

ânion metanoato resultante, comparada com a molécula de

ácido metanóico não dissociada.

No ânion metanoato a deslocalização é eficaz, e há

estabilização, envolvendo duas estruturas canônicas de

energia idêntica, e embora possa haver deslocalização também

na molécula do ácido metanóico, esta envolve separação de

carga e será menos eficaz como influência estabilizadora. O

efeito dessa estabilização dificulta a recombinação do próton

com o ânion metanoato, o equilíbrio é deslocado para a direita,

e o ácido metanóico é, pelos padrões orgânicos, um ácido

moderadamente forte.

Com alcoóis, não existe um fator deste tipo para

estabilizar o ânion alcóxido (RO-), relativamente os alcoóis são

muito menos ácidos do que os ácidos carboxílicos. Com os

fenóis, há estabilização relativa ao ánion, por deslocalização da

sua carga negativa através de interação com os orbitais π do

anel aromático.

72

O-

O O O

-

-

-

Também ocorre deslocalização na molécula de fenol não

dissociada, mas, envolvendo separação de cargas, o que é

menos eficaz do que no ânion. Verifica- se que os fenóis são

ácidos mais fortes do que os alcoóis (o pKa do fenol é 9,95),

mas consideravelmente mais fracos do que os ácidos

carboxílicos. Isto é devido a deslocalização da carga negativa,

no ânion carboxilato, envolver estruturas de mesmo teor

energético, e dos centros envolvidos, dois são átomos de

oxigênio muito eletronegativos, enquanto que no ânion

fenóxido as estruturas envolvendo carga negativa nos átomos

de carbonos do anel apresentam maior teor energético do que

aquela em que a carga se encontra no oxigênio e dos centros

envolvidos. A estabilização relativa do ânion, relativamente à

molécula não dissociada, é provavelmente menos eficaz com

um fenol do que com um ácido carboxílico, conduzindo a mais

baixa acidez relativa do primeiro.

A influência do solvente

Considerando a água como solvente ionizante, para

compostos orgânicos, tem uma desvantagem, alguns desses

compostos não são solúveis em água na forma não ionizada. A

água é um solvente ionizante eficaz devido (a) à sua elevada

constante dielétrica e (b) à sua capacidade de solvatar íons. A

primeira propriedade justifica que quanto maior a constante

dielétrica de um solvente, menor é a energia eletrostática de

qualquer par de íons nele presente, assim quanto mais

facilmente esses íons se formam, mais estáveis são em

solução, e menos facilmente se recombinam uns com os

outros.

73

Os íons em solução polarizam fortemente as moléculas

de solventes mais próximas, constituindo à sua volta um

envelope de moléculas de solvente, quanto maior a extensão

de formação desse, maior a estabilização do íon, dispersando

ou deslocalizando a sua carga. A eficácia peculiar da água,

como um meio solvatante de íons, resulta do fato de que a

água é polarizada com extrema facilidade e por ser de tamanho

pequeno, pode solvatar, e assim estabilizar, quer cátions ou

ânions. O efeito é acentuado com ânions, pois pode ocorrer

uma solvatação do tipo ligação hidrogênio, e esta não pode em

geral ocorrer com cátions, mas no caso particular de ácidos, o

cátion inicial, H+, também pode solvatar-se através da

formação de ligações hidrogênio com as moléculas de água.

Os alcoóis, desde que não sejam muito volumosos,

como o MeOH, compartilham de algumas das propriedades da

água e, por exemplo, verifica- se que o HCl também é um ácido

forte em metanol. No entanto, não se deve esquecer que o

requisito principal do solvente é que deve ser capaz de atuar

como uma base, quanto mais fraca a base, menor será a

dissociação do ácido.

Ácidos alifáticos simples

Quando ocorre a substituição do átomo de hidrogênio

não hidroxílico do ácido metanóico por um grupo alquila, o

ácido que se forma é mais fraco, devido o efeito indutivo

positivo do grupo alquila reduzir a afinidade eletrônica residual

do átomo de oxigênio pelo hidrogênio ácido, diminuindo a força

do ácido. No ânion com o grupo alquila substituinte, a

disponibilidade eletrônica acrescida no oxigênio serve para

H Y + nH2O O+

H

H

H+Y

H OH

H

O

H

OHHOH

H

-

74

promover a sua recombinação com um próton, por comparação

com o sistema ânion metanoato/ácido metanóico.

CH3 C

O

O

-

H C

O

O

-

Ânion Acetato

Ânion Metanoato

O equilíbrio é deslocado para a esquerda em

comparação com o do ácido metanóico/ânion metanoato, e

verifica- se que o pKa do ácido etanóico é de 4,76 comparado

com o 3,77 para o ácido metanóico. No entanto, a alteração

global na estrutura efetuada numa molécula tão pequena como

o ácido metanóico por substituição de H por CH3 torna

duvidoso que um argumento tão simplista seja realmente

válido, pode muito bem acontecer que as capacidades de

solvatação relativas nos dois casos sejam afetadas pelas

formas diferentes, bem como pela distribuição de carga

relativa, nas duas pequenas moléculas.

O valor da constante de acidez, Ka, de um ácido está

relacionado com a variação de energia livre padrão para a

ionização, ∆G, pela relação,

- ∆G = 2,303RT logKa

e que ∆G- inclui tanto um termo de entalpia como de entropia.

∆G = ∆H -T ∆S

Os valores surpreendentemente baixos de ∆H para os

ácidos etanoico e metanoico quase certamente derivam da

energia requerida para a dissociação da ligação O–H, nos

ácidos carboxílicos não dissociados, ser cancelada pela que é

liberada na solvatação dos íons resultantes.

Os diferentes valores de ∆G, diferentes Ka, para os dois

ácidos resultam dos diferentes valores dos dois termos de

entropia (∆S). Há duas espécies de cada lado do equilíbrio, e

as diferenças em entropia translacional por dissociação serão,

portanto, pequenas. No entanto, as duas espécies são

75

moléculas neutras de um lado do equilíbrio, e íons do outro. O

principal fator que contribui para o ∆S são as camadas de

solvatação de moléculas de água que rodeiam RCO2- e H30

+, e

a restrição, em termos de aumento de ordenação, que é assim

imposta às moléculas de água como solvente, o aumento de

ordenação não é tão grande como seria de esperar já que há

bastante ordenação na própria água líquida. A diferença de

força entre o ácido metanoico e etanoico está assim

relacionada com a solvatação diferencial dos seus ânions.

A substituição de grupos alquila ao ácido etanoico tem

menor efeito do que a primeira substituição, sendo agora

essencialmente um efeito de segunda ordem; a influência na

força do ácido não é sempre tão regular, desempenhando a

sua influência nos fatores estereoquímicos e outros, observam-

se os seguintes valores de pKa.

Ácido orgânico pKa

Me2CHCO2H 4,86 Me3CCO2H 5,05 CH3CO2H 4,76 MeCH2CO2H 4,88 Me (CH2)2CO2H 4,82 Me (CH2)3CO2H 4,86

Se existe um átomo de carbono ligado por uma ligação

dupla adjacente ao grupo carboxila, a força do ácido é

aumentada. Assim, o ácido propenoico CH2CHCO2H tem um

pKa de 4,25 comparado com 4,88 para o análogo saturado,

ácido propanóico. Isto é devido ao átomo de carbono α

insaturado com hibridização sp2, o que significa que os elétrons

se encontram mais próximos do núcleo do carbono do que no

átomo hibridizado sp3, devido a maior contribuição s no híbrido

sp2. O resultado é que os átomos de carbono hibridizados sp2

são menos doadores de elétrons do que os hibridados sp3, e

assim o ácido propenóico, embora ainda mais fraco do que o

ácido metanóico, é mais forte que o propanoico. O efeito é

76

muito mais acentuado com o átomo de carbono hibridizado sp1

de uma ligação tripla, e assim o pKa do ácido propiônico,

HC≡CCO2H, é 1,84. Uma situação análoga ocorre com os

átomos de hidrogênios do eteno e do etino, os do primeiro são

um pouco mais ácidos do que os hidrogênios no etano,

enquanto que os do etino são suficientemente ácidos que

podem ser rapidamente substituídos por um certo número de

metais.

Ácidos alifáticos substituídos

A substituição de hidrogênios por grupos que retiram

elétrons em ácidos alifáticos aumentam a força do ácido.

Exemplos:

O efeito relativo dos diferentes halogênios encontra-se

na ordem prevista, sendo o flúor o mais eletronegativo (elétron

retirador) produzindo um aumento de cem vezes na força do

ácido fluoro etanoico em comparação com o ácido etanoico. O

efeito é muito maior do que o produzido, em sentido oposto,

pela introdução de um grupo alquila, e a introdução de outros

halogênios ainda provoca grandes aumentos na força ácida, o

ácido tricloroetanóico é, por isso, um ácido forte.

O Ka (pKa) está relacionado com ∆G para a ionização, e

∆G inclui o termo ∆S e ∆H. Nesta série de ácidos etanoicos

substituídos com halogênios, verifica-se que ∆H difere pouco

de um composto para outro, sendo a variação de ∆G ao longo

C

O

OH

H

H

H

C

O

OH

H

F

H

C

O

OH

H

Br

H

C

O

OH

H

I

H

C

O

OH

H

Cl

H

C

O

OH

Cl

Cl

H

C

O

OH

Cl

Cl

Cl

pKa = 4,76 pKa = 2,57 pKa = 2,86 pKa = 2,90

pKa = 1,25 pKa = 0,65

pKa = 3,16

77

da série principalmente devida à variação de ∆S. Isto resulta do

fato de o átomo de halogênio substituinte provocar a

deslocalização da carga negativa sobre o conjunto de todo o

ânion, impondo restrição sobre as moléculas de água que o

rodeiam do que o ânion etanoato cuja carga está concentrada,

estando localizada no CO2-.

C C

O

O

F

H

H

-

C C

O

O

H

H

H

-

Há, portanto, um decréscimo menor de entropia na

ionização dos ácidos etanoicos substituídos com halogênio do

que com o ácido etanóico propriamente dito. Isto é acentuado

com CF3CO2H para cuja ionização ∆G =1,3 kJ comparado com

27,2 kJ para CH3CO2H, enquanto que ∆H difere muito pouco

de um ácido para outro.

A introdução de um átomo de halogênio em posição

mais afastada do grupo carboxila do que a posição α tem muito

menos influência, porque o efeito indutivo se desvanece ao

longo de uma cadeia saturada, e como resultado, a carga

negativa se torna menos dispersa, mais concentrada, no ânion

carboxilato. O ácido assemelha-se ao ácido alifático simples,

como mostram os seguintes valores de pKa.

Outros grupos elétrons retiradores, como por exemplo,

NO2, CN, SO2R, CO, CO2R, aumentam a força de ácidos

alifáticos simples, o mesmo sucedendo com os grupos hidroxila

e metoxila. Os elétrons não compartilhados nos átomos destes

CH3 CO

OH

CH3 CC

O

OH

Cl

H

CH3 C CO

OH

Cl

H

C CO

OH

Cl

H

H

pKa = 4,82 pKa = 2,84 pKa = 4,52pKa = 4,06

O2N CO

OH

CO

OHMe3N

pKa = 1,68

pKa = 3,35 pKa = 3,58

pKa = 1,83

EtO2C CO

OH

+

MeCO CO

OH

CO

OHNC

pKa = 3,53

MeO CO

OH

pKa = 3,83

OH CO

OH

pKa = 2,47

78

dois últimos grupos não são capazes de exercer um efeito

mesomérico, no sentido oposto do seu efeito indutivo, devido

aos átomos de carbono saturados. Estes efeitos podem ser

observados nos seguintes valores de pKa.

SUBSTITUINTES DOADORES OU RETIRADORES DE

ELÉTRONS - FENÓIS

Os fenóis substituídos aumentam sua acidez na

presença de grupos elétrons retiradores no anel. No caso de

um substituinte nitro, é de esperar que o efeito indutivo

diminuísse ao ir de o- → m- →p- nitrofenol, mas há também um

efeito elétron retirador mesomérico, quando o grupo nitro está

na posição o- ou p-, mas não na posição m-, isto promoveria

também a ionização por estabilização (através de

deslocalização) do ânion resultante. Portanto o o- e p-

nitrofenóis são mais ácidos que o m-nitrofenol. A introdução de

mais grupos NO2 promove um aumento na acidez, assim o

2,4,6-trinitrofenol (ácido pícrico) é um ácido forte.

Fenol pH

C6H5OH 9,95 o-O2NC6H4OH 7,23 m-O2NC6H4OH 8,35 p-O2NC6H4OH 7,14 2,4-(O2N)2C6H5OH 4,01 2,4,6-(O2N)3C6H2OH 1,02

Como anteriormente, ∆H varia muito pouco entre os o-,

m- e p-nitrofenóis, resultando os diferentes valores para ∆G

para os três compostos de diferenças nos termos T∆S, ou seja,

de variações nos padrões de solvatação dos três ânions,

devido à diferente distribuição de carga negativa nesses

ânions.

79

O efeito da introdução de grupos alquila elétron doador

no anel benzênico é pequeno.

Fenol pKa

C6H5OH 9,95 o-MeC6H4OH 10,28 m-MeC6H4OH 10,08 p-MeC6H4OH 10,19

Os fenóis substituídos resultantes são ácidos

ligeiramente mais fracos, indicando que o efeito desses

substituintes na desestabilização do íon fenóxido, perturbando

a interação da sua carga negativa com os orbitais

deslocalizados no núcleo aromático, é pequeno.

Ácidos carboxílicos aromáticos

O ácido benzóico, com pKa de 4,20, é mais forte do que

o seu análogo saturado, ácido ciclohexano-carboxílico (pKa =

4,87); sugerindo que um grupo fenila, é aqui menos elétron

doador, em comparação com um átomo de carbono saturado,

em relação ao grupo carboxila, devido ao átomo de carbono

hibridado sp2 ao qual o grupo carboxila está ligado.

A introdução de grupos alquilas no anel benzênico tem

pouca influência na força do ácido benzoico, mas grupos

retiradores

Ácido carboxílico pKa

C6H5CO2H 4,20 m-MeC6H4CO2H 4,24 p-MeC6H4CO2H 4,34

de elétrons aumentam a sua força, sendo o efeito mais

pronunciado, quando encontram-se nas posições orto e para.

Ácido carboxílico pKa O O

N+

O O

+

-

- -

C6H5CO2H 4,20 o-O2NC6H4CO2H 2,17 m-O2NC6H4CO2H 3,45 p-O2NC6H4CO2H 3,43 3,5-(O2N)2C6H3CO2H 2,83

80

O efeito particularmente acentuado com o-NO2 pode ser

devido à distância muito curta sobre a qual atua o poderoso

efeito indutivo, mas não se pode excluir mais interação direta

entre os grupos vizinhos.

A presença de grupos como OH, OMe, ou halogênio

possuindo um efeito indutivo elétron retirador, mas um efeito

mesomérico elétron doador quando nas posições o- e p- pode,

no entanto, fazer com que os ácidos p- substituídos sejam mais

fracos do que o m- e, por vezes, ainda mais fracos do que o

próprio ácido não substituído, ex: ácido p- hidroxibenzóico.

pKa de R – C6H5CO2H O O

R+

-

-

O O

R:

H Cl Br OCH3 OH o- 4,20 2,94 2,85 4,09 2,98 m- 4,20 3,83 3,81 4,09 4,08 p- 4,20 3,99 4,00 4,47 4,58

Este efeito compensador torna-se mais pronunciado ao

ir-se de Cl ≈ Br → OH, ou seja, por ordem crescente da

facilidade com que o átomo ligado ao anel se separa com os

seus pares eletrônicos.

O comportamento de ácidos o-substituídos é,

frequentemente, anômalo. Algumas vezes verifica-se que a sua

força é consideravelmente superior ao previsto devido à

interação direta entre os grupos adjacentes. Assim, a ligação

hidrogênio intramolecular estabiliza o ânion em ácido o-

hidroxibenzóico (salicílico) por deslocalização da sua carga,

uma vantagem não partilhada pelos os seus isômeros m- e p-,

nem pelo ácido o- metoxibenzoico.

OH

O

O H

- H+

OH

O

O

-

(3) (4)

81

A ligação de hidrogênio intramolecular pode atuar no

ácido não dissociado tal como no ânion, mas provável que seja

consideravelmente mais eficaz no último do que no primeiro,

porque a carga negativa no oxigênio do ânion conduzirá a uma

ligação hidrogênio mais forte. O efeito é ainda maior quando

pode ocorrer ligação hidrogênio com grupos hidroxilas em

ambas as posições orto, e por isso o ácido 2,6-hidroxibenzóico

tem um pKa = 1,30.

Ácidos dicarboxílicos

O grupo carboxila tem um efeito indutivo elétron

retirador, é de esperar que a presença de um segundo grupo

carboxila num ácido o torne mais forte, diminuindo os valores

de pKa.

Ácido carboxílico pKa Ácido dicarboxílico pKa

HCOOH 3,77 HOOCCOOH 1,23 CH3COOH 2,17 HOOCCH2COOH 2,83 CH3CH2CO2H 4,88 HOOCCH2CH2COOH 4,19 C6H5COOH 4,20 o-HOOCC6H4COOH 2,98 m- HOOCC6H4COOH 3,46 p- HOOCC6H4COOH 3,51

O efeito é muito pronunciado, mas decai à medida que

os grupos carboxilas são separados por mais do que um átomo

de carbono saturado. O ácido cis-butenodioico (maleico), pKa1

= 1,92 é um ácido muito mais forte do que o ácido trans-

butenodioico (fumárico), pKa1 = 3,02, devido à ligação de

hidrogênio intramolecular que pode ocorrer com o primeiro,

mas não com o segundo, conduzindo à estabilização relativa

do mono-ânion cis (maleato).

Já a segunda dissociação do ácido trans-butenodioico

(pKa2 = 4,38) ocorre mais rapidamente do que a do ácido cis

(pKa2 = 6,23), devido a maior dificuldade em remover um próton

82

de um sistema cíclico negativamente carregado no ânion

derivado do último. Os ácidos etanodióicos (oxálico), 1,3-

propanodióico (malônico) e 1,4-butanodióico (succínico) são,

cada um deles, mais fracos nas suas segundas dissociações

do que, respectivamente, os ácidos metanoico, etanoico e

propanoico. Isto se deve ao fato de o segundo próton ter de ser

removido de uma espécie negativamente carregada contendo

um substituinte elétron doador, CO2- , que pode desestabilizar o

ânion relativamente ao ácido não dissociado, quando

comparado com o sistema não substituído.

BASES

pKb, pKBH+ e pKa

A força de uma base (B:) em água, pode ser

determinada considerando-se equilíbrio.

B: + HOH BH2+

+-OH

A constante de equilíbrio, Kb, em água, é então dada

por:

[ ][ ][ ]B

OHBHK

b

−+

=

O termo [H2O] assemelha-se ao caso dos ácidos, é

incorporado em Kb porque a água está presente em tal excesso

que a sua concentração não varia significativamente, também

aqui as concentrações são usadas em vez das atividades mais

corretas, desde que a solução seja razoavelmente diluída.

No entanto, é comum descrever a força de bases

também em termos de Ka e pKa, estabelecendo assim uma

única escala contínua, quer para ácidos ou para bases. Para

tornar isto possível, utiliza-se, como a reação de referência

para bases, no equilíbrio,

BH2+

+ HOH + H3O+

B:

para a qual pode-se escrever,

83

[ ][ ][ ]+

+

=BH

OHBKa

3:

em que Ka (e pKa) é uma medida da força ácida do ácido

conjugado BH+, da base B:. Esta medida da facilidade com que

BH+ perderá um próton é, inversamente, uma medida da

dificuldade com que a base (B:) aceitará um próton: quanto

mais forte for BH+ como um ácido, tanto mais fraca será B:

como base. Quase sempre utiliza pKa para referir a força de

uma base B:, pKBH+ deve ser especificado, ao invés de

escrever simplesmente pKa.

O íon amônio (NH4+) com valor de pKa de 9,25, e

valores de

NH4+

+ H2O NH3 + H3O+

∆G = 52,7 kJ, ∆H = 51,9 kJ, ∆S = -2,9 J e T∆S = - 0,8 kJ

a 25°. Assim, a posição de equilíbrio acima indicada, que é

determinada por ∆H, sendo o efeito de ∆S quase despresível, é

um resultado que contrasta acentuadamente com o

comportamento de muitos ácidos como vimos anteriormente. A

razão de pequeno efeito de ∆S é que aqui há uma espécie

carregada (um íon positivo) de cada lado do equilíbrio, e estes

íons têm efeitos muito comparáveis em restringir as moléculas

de água do solvente que os rodeiam, de modo que as suas

entropias de solvatação tendem a anular-se entre si.

Bases alifáticas

A força crescente das bases nitrogenadas está

relacionada com a facilidade com que estão preparadas para

aceitar prótons e, portanto, com a disponibilidade do par de

elétrons não compartilhado no átomo de nitrogênio, devemos

prever um aumento em força básica na série NH3→ RNH2→

R2NH→ R3N, devido ao crescente efeito indutivo de sucessivos

grupos alquilas que tornam o átomo de nitrogênio mais

84

negativo. Verificou-se que uma série de aminas tem, no

entanto, os valores relativos de pKa que seguem.

Amina NH3 CH3–NH2

(CH3)2–NH

(CH3)3–N

CH3CH2–NH2

(CH3CH2)2–NH

(CH3CH2)3–N

pKa 9,25 10,64 10,77 9,80 10,67 10,93 10,88

A introdução de um grupo alquila no amoníaco aumenta

acentuadamente a força básica como se esperava. A

introdução de um segundo grupo alquila aumenta ainda mais a

força básica, mas o efeito da introdução do segundo grupo

alquila é muito menos acentuado do que o efeito da introdução

do primeiro. No entanto, a introdução de um terceiro grupo

alquila para dar uma amina terciária de fato diminui a força

básica de uma amina, em água, o que justifica a basicidade ser

determinada não só pela disponibilidade eletrônica no átomo

nitrogênio, mas também pela extensão em que o cátion,

formado por aceitação de um próton, pode sofrer solvatação e,

assim, ficar estabilizado. Quanto mais átomos de hidrogênio

estiverem ligados ao nitrogênio no cátion, tanto maiores serão

as possibilidades de solvatação, por ligações de hidrogênio

entre estes e a água.

H2O H

N+

H

HH2O

R OH2 > >

H2O H

N+

R

HH2O

R

H2O H

N+

R

R

R

Decréscimo na estabilidade por solvatação

Ao percorrer a série NH3→ RNH2→ R2NH→ R3N, o

efeito indutivo tenderá a aumentar a basicidade, mas ocorrerá

menor estabilização do cátion por hidratação, que tenderá a

diminuir a basicidade. O efeito final da introdução de

sucessivos grupos alquila diminui a estabilização e ocorre de

fato uma inversão ao passar-se de uma amina secundária para

uma amina terciária. Se esta for a explicação real, essa

inversão não deve ser observada se forem efetuadas

85

determinações de basicidade num solvente em que a formação

de ligações hidrogênio não possa ocorrer. Em clorobenzeno,

verificou-se que a ordem de basicidade das butilaminas é:

BuNH2 > Bu2NH > Bu3N

embora os seus pKa em água sejam 10,61; 11,28; 9,87.

A introdução de grupos retiradores de elétrons, Cl, NO2,

próximo a um centro básico diminui a basicidade, devido ao

efeito indutivo negativo, assim a amina (CF3)3–N é virtualmente

não básica, devido aos três grupos CF3, fortemente elétron

retiradores.

A variação é também pronunciada com C=O, porque não

só o átomo de nitrogênio, com o seu par de elétrons, está

ligado a um grupo elétron retirador através de um átomo de

carbono hibridado sp², mas pode também operar um efeito

mesomérico elétron doador.

R C

NH2

O

R C

NH2+

O-

:

Por isso, as amidas são bases muito fracas em água, e

se estiverem presentes dois grupos C=O, as amidas

resultantes, longe de serem básicas, são suficientemente

ácidas para formar sais de metais alcalinos, 1,2-

benzenodicarboximida.

NH

O

O

OH-

N

O

O

δ−

δ−

δ−

O efeito da deslocalização no aumento da força básica

de uma amina é observado na guanidina, HN=C(NH2)2, que,

com exceção dos hidróxido de tetralquilamônio, se encontra

entre as bases orgânicas nitrogenadas mais fortes que se

NH C

NH2

NH2

NH-

C

NH2

NH2+

NH-

C

NH2+

NH2

NH2+

C

NH2

NH2

NH2 C

NH2

NH2+

NH2 C

NH2+

NH2

Molécula neutra

Cátion

H+

86

conhece, com um pKa de 13,6. Tanto a molécula neutra como o

cátion resultante da sua protonação são estabilizados por

deslocalização.

No cátion, a carga positiva está simetricamente

espalhada por contribuição para o híbrido de três estruturas

exatamente equivalentes, de igual energia. Não ocorre na

molécula neutra um efeito de deslocalização comparável (em

que duas das estruturas contribuintes envolvem separação de

cargas), como resultado de que o cátion é muito mais

estabilizado relativamente à molécula neutra, a guanidina é

uma base extremamente forte.

Uma situação análoga ocorre com as amidinas,

RC(=NH)NH2.

NH C

R

NH2

NH-

C

R

NH2+

NH2+

C

R

NH2

NH2 C

R

NH2+

Molécula neutra

Cátion

H+

Neste caso, a estabilização por deslocalização no cátion

é menos efetiva que com a do cátion da guanidina, verifica-se

que a etanamidina (pKa = 12,4) é uma base mais forte do que a

etilamina (pKa = 10,67).

Bases aromáticas

As aminas aromáticas são bases mais fracas que as

alifáticas em mais fracas que o próprio amoníaco.

Aminas Anilina Metilanilina Amoníaco Ciclohexilamina pKa 4,62 10,67 9,25 10,68

Na anilina, o átomo de nitrogênio está ligado a um átomo

de carbono hibridado sp², mas o que é mais significativo, o par

87

de elétrons não compartilhado no nitrogênio pode interagir com

as orbitais deslocalizadas do anel.

NH2 NH2 NH2 NH2+ + +

--

-

Se a anilina for protonada, essa interação, com

resultante estabilização, no cátion anilínio é proibida, uma vez

que o par de elétrons em N não está disponível.

NH3+

Então, a molécula da anilina é estabilizada em relação

ao cátion anilínio, e é, portanto, energicamente desfavorável

para a anilina aceitar um próton. O efeito de diminuição de

caráter básico é naturalmente mais pronunciado quando são

introduzidos outros grupos fenila no átomo nitrogênio, assim a

difenilamina, Ph2NH, é uma base extremamente fraca (pKa =

0,8), enquanto que a trifenilamina, Ph3N, não é, segundo os

padrões normais, uma base.

Grupos substituintes ligados no átomo de nitrogênio e no

anel Benzênico influenciaram na interação do par não

compartilhado do átomo de nitrogenio com o sistema de

orbitais deslocalizados do anel benzênico. Assim, verifica-se

que as anilinas substituídas tem os seguintes valores de pKa.

Bases Aromáticas pKa

C6H5NH2 4,62 C6H5NHCH3 4,84 C6H5N(CH3)2 5,15 o-CH3C6H4NH2 4,38 m- CH3C6H4NH2 4,67 p- CH3C6H4NH2 5,10

88

O efeito indutivo pequeno, aumentando o caráter básico

que os grupos alquila exercem, não é suficientemente para

influenciar a estabilização da molécula da anilina numa

extensão significativa, e pode mesmo ser modificado por

fatores estereoquímicos e solvatação. Um grupo com efeito

indutivo (elétron retirador) mais poderoso, NO2, tem mais

influência. A retirada de elétrons é intensificada quando um

grupo nitro se encontra na posição o- e p-, porque a interação

do par de elétrons não compartilhado do nitrogênio do grupo

amino com o sistema de orbitais deslocalizados do anel

benzênico é assim acentuada. Deste modo, a molécula neutra

ainda mais estabilizada relativamente ao cátion resulta num

enfraquecimento ainda maior como uma base. Assim, observa-

se que as nitroanilinas têm os seguintes valores de pKa.

Bases Aromáticas pKa NH2

N+

O-

ON

+

O-

O-

NH2

+

C6H5NH2 4,62 o-NO2C6H4NH2 -0,28 m- NO2C6H4NH2 2,45 p- NO2C6H4NH2 0,98

O efeito enfraquecedor de caráter básico adicional

quando o substituinte se encontra na posição o- é em parte

devido à curta distância ao longo do qual atua o efeito indutivo,

e também à interação direta, por estereoquímica e por ligações

de hidrogênio, com o grupo NH2. A o-nitroanilina é uma base

tão fraca que seus sais são quase totalmente hidrolisados em

solução aquosa, enquanto que a 2,4-dinitroanilina é insolúvel

em solução aquosa ácida, e a 2,4,6- trinitroanilina se

assemelha a uma amida, é na verdade conhecida por

picramida e sofre facilmente hidrólise a ácido pícrico (2,4,6-

trinitrofenol).

Substituintes como OH e OMe, que possuem pares de

elétron não compartilhados, podem exercer efeito mesomérico

89

elétron doador, isto é, fortalecedor de caráter básico, das

posições o- e p-, mas não da posição m-, resultando que a

anilina p- substituída é uma base mais forte do que o

correspondente composto m-. O composto m- é uma base mais

fraca do que a própria anilina, devido ao efeito indutivo elétron

retirador exercido pelo átomo de oxigênio, em cada caso.

Como em outros casos, o efeito do substituinte o- permanece

anômalo, devido à interação direta com o grupo NH2 quer por

efeitos estereoquímicos quer por efeitos polares. Verifica-se

que as anilinas substituídas têm os seguintes valores de pKa.

Bases Aromáticas

pKa Bases Aromáticas

pKa

NH2

OCH3 OCH3

NH2

+

-

C6H5NH2 4,62 - -

o-HOC6H4NH2 4,72 o-CH3OC6H4NH2

4,49

m- HOC6H4NH2

4,17 m- CH3OC6H4NH2

4,20

p- HOC6H4NH2

5,30 p- CH3OC6H4NH2

5,29

Um caso interessante é o da 2,4,6-trinitro-N,N-

dimetilanilina e da 2,4,6-trinitroanilina, em que a primeira é

cerca de quarenta mil vezes mais forte como base do que a

segunda. Isso se deve ao fato do grupo NMe2 ser

suficientemente volumoso para interferir estereoquimicamente

com os grupos NO2 muito volumosos em ambas as posições o-

.impedindo a interação da retirada de elétrons, por mesomeria,

pelos grupos nitros, e o esperado enfraquecimento de caráter

básico pelos três grupos nitros, fica restrito aos seus efeitos

indutivos.

N+

O-

O

N+

O-

O

N+

O-

O

NCH3CH3

90

Na 2,4,6-trinitroanilina, o grupo NH2 é suficientemente

pequeno para que seja imposta essa limitação, a formação de

ligações de hidrogênio entre os átomos de oxigênio dos grupos

o-NO2 e os átomos de hidrogênio do grupo NH2 pode de fato

ajudar a manter estes grupos na orientação planar requerida.

As orbitais p podem adquirir uma orientação paralela, e a força

da base é enormemente reduzida pelo efeito mesomérico

elétron retirador pelos três grupos NO2.

N+

O-

O-

N

N+

O

O-

N+

O-

O

HH +

N+

O-

O

N

N+

O

O-

N+

O-

O

HH +

Bases heterocíclicas

A piridina é o protótipo dessa classe. A piridina é um

composto aromático, o átomo de nitrogênio está hibridado sp2 e

contribui com um elétron para o sistema 6eπ (4n = 2, n = 1);

isto deixa um par de elétrons não compartilhado disponível no

nitrogênio (acomodado num orbital híbrido sp²), e verifica-se

que a piridina é básica (pKa = 5,04). No entanto, é uma base

muito mais fraca do que aminas alifáticas terciárias, e nesta

característica de bases, o átomo de nitrogênio está ligado por

uma ligação múltipla. Isto se deve ao fato de à medida que o

átomo de nitrogênio se torna ligado por ligações múltiplas, o

seu par de elétrons não compartilhados é acomodado numa

orbital que tem mais caráter s. O par de elétrons é atraído para

o núcleo do nitrogênio e ligado mais fortemente por ele,

tornando-se assim menos disponível para formar uma ligação

com um próton, com diminuição na basicidade do composto, ao

ir de:

91

NCH3

CH3

CH3

N

CH2

CH3

NCH

em, por exemplo,

NR

R

R

NRCN

os pares não compartilhados estão, respectivamente, em

orbitais sp3, sp2 e sp1, e a basicidade decrescente reflete-se

nos valores de pKa, é o caso da basicidade de cianetos de

alquila ser extremamente baixa.

Na quinuclidina, o par de elétrons não compartilhado

está num orbital sp³ e o seu pKa (10,85) difere muito pouco do

da trietilamina (10,88).

N..

O pirrol exibe algum caráter aromático (embora não tão

pronunciado como o benzeno ou piridina) e não se comporta

como um dieno conjugado.

NH

..NH

..

Pirrol Pirrolidina

Para tal aromaticidade ser conseguida, seis elétrons π

(4n+2, n = 1) dos átomos do anel devem preencher as três

orbitais moleculares ligantes. Isto necessita da contribuição de

dois elétrons por parte do átomo de nitrogenio e, embora a

resultante nuvem eletrônica fique deformada em direção ao

nitrogenio devido à natureza mais eletronegativa desse átomo

em comparação com o dos quatro carbonos, o par de elétrons

do nitrogênio não está disponível para aceitar um próton.

NH

..

H+

NH

+ H

H

92

A protonação se for forçada no pirrol, não tem lugar no

nitrogênio, mas sim no átomo de carbono. Isto acontece porque

a incorporação do par de elétrons não compartilhado do átomo

de nitrogênio no sistema aromático 6eπ deixa o átomo N

positivamente polarizado, os prótons tendem a ser repelidos

por ele, e são assim aceitos pelo átomo de carbono adjacente.

A situação de basicidade assemelha-se bastante à já

encontrada com a anilina pelo fato do cátion estar

desestabilizado relativamente à molécula neutra. O efeito é

muito mais pronunciado com o pirrol, que para funcionar como

uma base tem de perder todo o caráter aromático, e

consequente estabilização, refletindo no seu valor de pKa

comparado com o da anilina. O pirrol é uma base muito fraca e

pode funcionar como um ácido, embora muito fraco, já que o

átomo de H do grupo NH pode ser removido por bases fortes,

como –NH2, sendo o ânion resultante estabilizado por

deslocalização.

NH

..

-NH2

N..

-

Tais considerações não podem, aplicar-se a pirrolidina,

que tem um pKa de 11,27, assemelhando-se muito a

dietilamina.

Conceito de ácidos/ bases duros e moles

Este conceito foi desenvolvido para poder comparar, de

uma maneira qualitativa, a força de ácidos e bases de Lewis.

Especificamente, para poder prever a "força" de um certo ácido

frente a uma certa base.

Para este fim, ácidos e bases de Lewis foram

classificados como duros e moles, dependendo das

características dos seus átomos centrais:

Classificação de Ácidos e Bases Duros e moles:

93

Base mole

EN(↓) P (↑) facilmente oxidável PE não ligado

Base dura

EN (↑)

P (↓) não oxidável PE muito ligado

Ácido mole

EN (↓)

P (↑) densidade de carga + (↓)

PE orbitais p ou d (átomo central grande)

Ácido duro

EN (↑)

P (↓) densidade de carga + (↑)

não tem PE (átomo central pequeno)

EN: Eletronegatividade; P: Polarizabilidade; (↓): baixo;

(↑): alto; PE: Par de Elétron

A utilidade desta classificação é baseada no

princípio de que um ácido duro interage melhor com uma base

dura, e um ácido mole interage melhor com uma base mole, ou

seja, as interações entre um ácido de Lewis / base de Lewis

duro/duro e mole/mole possuem constantes de equilíbrio altas:

ALmole + BLmole ALmole BLmole K

ALduro + BLduro ALduro BLduro K

ALmole + BLduro ALmole BLduroK

KALduro + BLmole ALduro BLmole

Este princípio é chamado de "Hard Soft Acid Base

Principle - HSAB", ou seja, o "Princípio de Ácidos e Bases

Duras e Moles - ABDM".

Classificação de alguns ácidos e bases de Lewis.

Tabela 2. Ácidos e Bases Duros e Moles:

Bases Duras Bases Moles Bases Intermediárias

H2O OH- F

-

AcO- SO42

- Cl

-

CO32- NO3

- ROH

RO- R2O NH3

RNH2

R2S RSH RS-

I- R3P (RO)3P

CN- RCN CO

C2H4 C6H6

H- R

-

ArNH2 C5H5N

N3- Br

-

NO2-

94

Ácidos Duros Ácidos Moles Ácidos Intermediários

H+ Li

+ Na

+

K+ Mg2+ Ca2+

Al3+ Cr3+ Fe3+

BF3 B(OR)3 AlMe3

AlCl3 AlH3 SO3

RCO+ CO2

HX (moléculas com ponte de hidrogênio)

Cu+ Ag

+ Pd 2+

Pt2+ Hg2+ BH3

GaCl3 I2 Br2

CH2 (carbenos)

Fe3+ Co2+ Cu2+

Zn2+ Sn2+ Sb3+

BMe3 SO2 R3C+

NO+ C6H5+

Com respeito à tabela anterior, chama-se a atenção para

alguns pontos:

� A "moleza" das bases diminui na seguinte ordem:

I- > Br- > Cl- > F- e CH3- > NH2- > OH- > F-

De acordo com o aumento de eletronegatividade e

diminuição da polarizabilidade.

� Alcenos e anéis aromáticos são bases moles

(formam complexos com Ag+, Pt2+ e Hg2+, mas não com Na+,

Mg2+ e Al3+).

� Carbânions e o hidreto são bases moles.

� Bases com oxigênio e nitrogênio como átomo

central são duros; com fósforo, enxofre e carbono como átomo

central são moles.

� Anilinas e piridinas são bases intermediárias.

� Cátions pequenos são ácidos duros; cátions

grandes são ácidos moles.

� Chama-se atenção ao fato de que o próton é um

ácido de Lewis duro.

� Carbenos são ácidos moles, e carbocâtions são

ácidos intermediários.

95

3º ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO

1. Que fatores contribuem para as diferenças nos pKa a seguir: etano (pKa=45); etanol (pKa=18) e ácido acético (pKa=4,76) 2. A acidez do 2,2,2- trifluoro-etanol (pKa=12,4) é cerca de 1000 vezes maior que a do etanol (pKa=18). Explique esta diferença. 3. Os fenóis abaixo relacionados têm os valores de pKa iguais a: 1, 4, 7, 9 e 10. Determine o valor de pKa correspondente a cada fenol e explique. a) 2,4-dinitrofenol, b) 4-nitrofenol, c) 2,4,6-trinitrofenol, d) fenol e e) 3-clorofenol 4. Em cada um dos itens abaixo, indique (e justifique) qual a substância mais ácida: a) fenol ou ciclo-hexano? b) fenol ou ácido benzóico? c) Ácido propanóico, ácido propenóico (acrílico) ou ácido propinóico? d) Ácido o-hidroxibenzóico (salicílico), seu isômero meta ou seu isômero para? e) Ácido maleico ou ácido fumárico? f) Meta ou para-cianofenol? g) Ciclopentadieno ou penta-1,4-dieno? 5. A quinuclidina é uma base mais forte que a trietilamina, frente ao trimetil-boro; mas, a basicidade destas duas aminas frente a prótons é praticamente a mesma. Explique. 6. Explique a basicidade das aminas primárias, secundárias e terciárias: a) em água e b) em clorobenzeno

7. Escreva as estruturas de ressonância da guanidina e de seu cátion. Com base nestas estruturas, responda: a guanidina é uma base forte ou fraca? 8. Compare as basicidades da piridina, do pirrol, da quinuclidina e da pirrolidina.

HC CH2 C CHa) , b) CH2 CON(Et)2 , [(CH3)2CH]2N-

c) d) p-nitrofenolato e m-nitrofenolatoCH3O- , (CH3)3CO-

96

9. Para cada um dos seguintes pares indique a base mais forte. 10. Para cada um dos seguintes compostos indique qual o próton é mais facilmente removido: 11.A quinina é um fármaco de origem natural, utilizado no tratamento da malária. Quantos equivalentes de HCl este alcaloide pode reagir?Desenhe a estrutura do sal formado.

N

MeON

HOH

H

12.Mostre, através de exemplo de reações, por que o álcool benzílico (PhCH2OH) pode ser considerado um ácido ou base de Bronsted-Lowry. 13.Utilizando a teoria ácido-base mole–duro de Pearson, explique a razão da quimios- seletividade das reações a seguir:

O

O

EtONa EtOH

Na OOEt

O

O

O

NaCNEtOH

NCO

O

Na

O

O

EtSNaEtOH

EtSO

O

Na

a) b)CH3COCH2COCH3 H2NCH2CH2OH

c)

O

d) HN NNH

NH2

97

14. Justifique a diferença de acidez dos seguintes isômeros:

UNIDADE IV - SUBSTITUIÇÃO NUCLEÓFILA NUM ÁTOMO DE CARBONO SATURADO

Uma reação clássica é a conversão de um haleto de alquila num álcool em soluão aquosa básica. Esta reação foi muito estudada por Ingold e sua escola.

R XOH-

+ R OH + X-

Determinações cinéticas em reações em que haletos de

alquila são atacados por uma grande variedade de diferentes

nucleófilos, Nu:, revelaram dois tipos essencialmente extremos:

um em que a velocidade é dependente de [Nu:],

Velocidade = k2[R – X] [HO-]

e outro em que, a velocidade é independente de [Nu:],

Velocidade = k1[R – X].

Em alguns casos verifica-se que as equações de

velocidade são “mistas” ou então complexas, e outros que

seguem exatamente as relações simples de lei de velocidade.

Relação entre cinética e mecanismo

98

Demonstrou-se que a hidrólise do haleto primário

clorometano (cloret de metila) em base aquosa se dá de

acordo com a equação (Velocidade = k2[R–X][HO-]), e esta foi

interpretada como envolvendo a participação de ambos o

haleto de alquila e o íon hidroxila na etapa determinante da

velocidade (mais lenta) da reação. Ingold tinha sugerido um

estado de transição em que o íon hidroxila ataca ficando

parcialmente ligado ao átomo de carbono reagente antes que o

íon cloreto tenha dele desligado. A energia necessária para

efetuar a quebra da ligação C–Cl é fornecida pela energia que

é produzida na formação da ligação HO–C . Cálculos de

mecânica quântica mostram que a aproximação pelo íon

hidroxila ao longo da linha dos centros dos átomos de carbono

e de cloro é a que apresenta requisitos energéticos mais

baixos. Isto pode ser representado como se indica a seguir.

A carga positiva é dispersa no estado de transição no

decurso da sua transferência do hidroxila para o cloro, e os

átomos de hidrogênio ligados a átomo de carbono passam por

uma posição em que todos eles se encontram num plano (a

ângulos retos com a folha de papel). Este tipo de mecanismo

foi designado por Ingold como SN2, significando Substituição

Nucleófila bimolecular.

Em contraste, a hidrólise do haleto terciário 2-cloro-2-

metilpropano (cloreto de t-butila) em base cineticamente segue

a equação (Velocidade = k1[R–X]). Como a velocidade é

independente de [-OH], este não pode desempenhar qualquer

papel na etapa determinante da velocidade, indicando que o

haleto sofre ionização lenta (nesta molécula existe completa

polarização R→Cl) como a etapa determinante da velocidade

OH-

+ C Cl

H

HH

C ClHO

HH

Hδ

-δ

-

CHO

H

HH

+ Cl-δ

+δ

-

99

para dar o par iônico R+Cl-, seguida pelo ataque rápido, não

determinante da velocidade, por –OH ou pelo solvente.

Cl

CH3

CH3

CH3

H2O

Lento

CH3

C+

CH3 CH3

+ Cl-

Este tipo de mecanismo foi designado por SN1,

significando Substituição Nucleófila Unimolecular. A energia

necessária para efetuar a ionização inicial é recuperada pela

energia de solvatação dos íons formados. O cátion, no par

iônico, em que o átomo de carbono possui uma carga positiva

é um íon carbônio, e durante a sua formação o átomo de

carbono inicialmente tetraédrico encontra-se num estado planar

mais estável em que os três grupos metila se encontram tão

afastados quanto possível, o ataque por –OH ou solvente (H2O)

pode então ocorrer pelo outro lado. Se o estado planar for

inibido por fatores estereoquímicos ou outros, o íon carbônio

será formado com dificuldade, e a reação pelo mecanismo SN1,

pode então não ocorrer.

No entanto, determinações cinéticas simples podem ser

um guia inadequado para qual dos dois mecanismos

anteriores, SN1 ou SN2, ocorra, por exemplo, na hidrólise de um

haleto. Assim, onde o solvente pode atuar como um nucleófilo

(solvólise), no caso da H2O, é de esperar uma reação do tipo

SN2,

Velocidade = k2 [RX] [H2O]

CH3

C+

CH3 CH3

rápido

rápido

H2O

-OH

OH

CH3

CH3

CH3

OH2

CH3

CH3

CH3

+OH

CH3

CH3

CH3

- H+

Cl-

100

mas como [H2O] permanece efetivamente constante, a

equação de velocidade de fato observada será

Velocidade = kobs [RX],

e determinações cinéticas simples em solução aquosa

sugerirão erradamente que a reação é do tipo SN1.

Efeito do solvente

Mudandça no solvente em uma reação exerce um efeito

profundo na sua velocidade e pode, de fato, resultar mesmo

numa mudança do seu percurso mecanístico. Assim, para um

haleto que sofre hidrólise pelo mecanismo SN1, um aumento na

polaridade do solvente (aumento de ε, constante dielétrica)

e/ou sua capacidade de solvatar íons resulta num aumento

acentuado da velocidade de reação. Por isso, a velocidade de

solvólise do haleto terciário Me3CBr é 3 x 104 vezes mais

rápida em etanol aquoso 50% do que só em etanol. Isto sucede

porque, no mecanismo SN1, a carga é desenvolvida e

concentrada no estado de transição em comparação com o

material de partida.

R XR X

X-

R+δ

+ δ-

A energia requerida para efetuar o processo decresce à

medida que aumenta ε; o processo também é facilitado pela

solvatação crescente, e consequente estabilização, do par

iônico em desenvolvimento em comparação com o material de

partida. O efeito de solvatação é evidenciado pelo fato de que

as reações do tipo SN1 são extremamente raras em fase

gasosa.

No mecanismo SN2, verifica-se que aumentando a

polaridade do solvente, o efeito é menos acentuado,

resultando, algumas vezes num leve decréscimo na velocidade

da reação. Isto ocorre porque neste exemplo particular não se

desenvolve nova carga, e a carga existente é dispersa no

Nu-

+ R X R XNuδ

-δ

-

RNu + X-

101

estado de transição, em comparação com os materiais de

partida.

A solvatação do estado de transição é provavelmente

algo menos eficaz do que a do nucleófilo inicial, daí o leve

decréscimo. Este diferente comportamento dos mecanismos

SN1 e SN2 às variações de solvente pode até certo ponto ser

usado como diagnóstico o tipo mecanismo da reação.

Contudo, consegue-se um efeito maior sobre a

velocidade de uma reação SN2 quando se passa de solventes

polares próticos para solventes polares não-próticos. Assim a

velocidade de reação do haleto primário, Iodeto de Metila,

(MeI), com N3- a 0° C aumentou 4,5 x 104 vezes ao ser

transferida de metanol (ε = 33) para N,N-dimetilmetanamida

(dimetil formamida, DMF), HCONMe2, que tem praticamente a

mesma polaridade (ε = 37). Esta grande diferença de

velocidade provém do N3-, ser altamente solvatado através de

ligações de hidrogênio no MeOH, enquanto que é menos

solvatado, e não por ligações de hidrogênio, em HCONMe2. O

ânion N3- largamente não solvatado em (HCONMe2) é um

nucleófilo muito mais forte do que quando rodeado (MeOH)

efeito solvatante tornando o muito menos nucleófilo, e daí o

aumento da velocidade de reação. Aumento de velocidade da

ordem de 109 tem sido observado ao transferir reações de SN2,

em MeOH, para outro solvente polar não-prótico,

dimetilsulfóxido (DMSO), Me2SO (ε = 46).

Quando há alterações mecanísticas com a

mudança de solvente, um aumento na polaridade do solvente e

capacidade de solvatar íons pode (mas não necessariamente)

alterar o mecanismo SN2 → SN1. A transferência de solventes

hidroxílicos para solventes polares não-próticos (DMSO) pode,

e muitas vezes o faz, mudar o mecanismo da reação de SN1 →

SN2 por aumentar a eficácia do nucleófilo no sistema.

102

Efeito da estrutura

Ao considerar-se a série de haletos:

CH3 – Br CH3 – CH2 – Br (CH3)2 – CH2 – Br

(CH3)3 – C – Br

O primeiro e último compostos são hidrolisados

facilmente, enquanto que os dois intermédios são mais

resistentes. A determinação das suas velocidades de hidrólise

com solução aquosa etanólica, diluída, de hidróxido de sódio

gera o seguinte gráfico.

CH3 CH3CH2 (CH3)2CH (CH3)3C

O bromometano e o bromoetano seguem uma equação

de velocidade de segunda ordem, o 2-bromopropano uma

equação de velocidade mista de segunda ordem e de primeira

ordem, dependendo da proporção relativa das duas da [-OH]

inicial (quanto mais elevada a concentração inicial, maior a

proporção de segunda ordem) e a velocidade total encontra-se

aqui num mínimo para série, enquanto que o 2-bromo-2-

metilpropano segue uma equação de velocidade de primeira

ordem.

Para a reação SN2, o efeito indutivo mais pronunciado de

um número crescente de grupos metila, à medida que se vai ao

longo da série, deve esperar-se que torne o átomo de carbono,

a que está ligado o bromo, menos polarizado positivamente, e

com menos facilidade de ser atacado pela hidroxila (–OH). Este

103

efeito provavelmente é pequeno, e os fatores estéreoquímicos

são mais importantes, A hidroxila (–OH) terá mais dificuldade

em atacar o átomo de carbono que está ligado o bromo à

medida que esse átomo se encontra mais substituído. Se o

estado de transição da reação de SN2 resultante tiver cinco

grupos em torno desse átomo de carbono (comparado com

apenas quatro no haleto inicial), haverá um aumento da

obstrução espacial ai ir-se do haleto inicial para o estado de

transição, e esta obstrução relativa aumentará à medida que

aumenta o tamanho dos substituintes originais (H→Me).

Quanto maior a obstrução no estado de transição relativo aos

materiais de partida, maior será a sua energia, e portanto

formar-se-á mais lentamente. A velocidade da reação SN2

diminuirá à medida que se prossegue ao longo da série.

Relação CH3I CH3CH2Cl (CH3)2CHCl (CH3)3CCl Velocidade ( SN2) 1 2,7 x 10-2 4,9 x 10-4 2,2 x 10-5

Para o ataque SN1, a separação de carga no estado de

transição, e o par iônico intermediário a que dá origem, são

muitas vezes tomados como modelo para o estado de

transição. À medida que se prossegue ao longo série de

haletos, há uma crescente estabilização do íon carbônio do par

iônico, aumentando a velocidade de formação do estado de

transição. Esta estabilização crescente resulta da atuação

simultânea de um efeito indutivo,

e de hiperconjugação,

CH2

CH3CH3

H

+

CH2

CH3CH3

+H

H

HH

CH3

HH

CH3

CH3H

CH3

CH3CH3+ + + +< < <

104

dos átomos de hidrogênio ligados aos carbonos α, tendo a

referida série de íons carbônio respectivamente, 3, 6 e 9

desses átomos de hidrogênio.

A interação das ligações H–C com o átomo de carbono

transportando a carga positiva é obtido ao se substituir H por D

no haleto original, verificando-se então que a velocidade de

formação do par iônico diminui em ≈ 10% por átomo de

deutério incorporado, um resultado só é compatível se as

ligações H–C estiverem envolvidas na ionização. Isto é

conhecido por efeito cinético isotópico secundário,

secundário porque é uma ligação que não aquela que

transporta o marcador isotópico que sofre ruptura. Em

termos estereoquímicos, há um alívio da obstrução ao passar-

se do haleto inicial para uma conformação tetraédrica dos

quatro substituintes em torno do átomo de carbono hibridizado

sp3, para o íon carbônio, com uma conformação planar de três

substituintes (cinco para o E.T. SN2) em torno do átomo de

carbono agora com hibridização sp2. Os três substituintes estão

afastados uns dos outros no íon carbônio planar, e o efeito

relativo diminui o impedimento e aumentará à medida que os

substituintes aumentam de tamanho (H→Me). A velocidade de

reação SN1 aumentará à medida que se percorre a série.

Uma vez que a velocidade SN2 diminui e a velocidade

SN1 aumenta ao longo da série de haletos, tornam-se evidentes

as razões da alteração de mecanismo.

Uma alteração mecanística semelhante é observada,

embora mais rápido, ao percorrer-se a série.

CH3 – Cl, C6H5 – CH2 – Cl, (C6H5)2 – CH – Cl, (C6H5)3 –

C – Cl

Assim, para a hidrólise em acetona em água a 50%,

observa-se para o fenilclorometano (cloreto de benzilo) uma

equação de velocidade mista de segunda e primeira ordem,

passando quase completamente para o mecanismo SN1

105

quando apenas em água. A principal razão para a maior

promoção de ionização, com consequente passagem para o

mecanismo SN1 nesta série, é a considerável estabilização do

íon carbônio, por deslocalização da sua carga positiva, que é

agora possível.

CH2 CH2 CH2 CH2+

++

+

Semelhante estabilização de íon carbônio pode também

ocorrer com haletos de alila, 3-cloropropeno.

O ataque SN1 é assim promovido e os haletos de alila,

tal como os de benzila, são em geral extremamente reativos,

quando comparados com, CH3CH2CH2Cl e C6H5CH2CH2CH2Cl,

onde estabilização de íon carbônio não ocorre. O ataque SN2 é

acelerado pela interação, no ET, da orbital p não hibridizado no

átomo de carbono sp2 atacado com a orbital π da ligação dupla.

Verifica-se que as proporções da reação total que ocorrem por

cada um dos mecanismos dependem das condições,

promovendo os nucleófilos mais poderosos o mecanismo SN2.

Ao contrário, haletos de vinila como o cloroeteno,

CH2=CHCl, e halobenzenos são muito pouco reativos em

relação aos nucleófilos. Isto resulta do fato de o átomo de

halogênio estar agora ligado a um carbono hibridado sp2, com

o resultado que o par de elétrons da ligação C–Cl são

deslocalizado para mais perto do carbono do que na ligação a

um carbono sp3. A ligação C–Cl é mais forte e, por isso, é mais

difícil de sofrer ruptura do que por exemplo CH3CH2Cl com

momento de dipolo C–Cl menor, com menos tendência a

ionização (SN1) e um carbono menos positivo para o ataque

por –OH (SN2). Os elétrons da ligação dupla também inibem a

aproximação de um nucleófilo atacante. A ligação dupla não

CH2 ClCH2

CH2 H2C CH2

+ +Cl

-

106

ajudaria a estabilizar quer o estado de transição SN2 quer o íon

carbônio envolvido no mecanismo SN1. Muitas das mesmas

considerações aplicam-se aos halobenzenos, como carbonos

hibridizado sp2 e o sistema orbital π do anel benzênico.

A influencia de fatores estereoquímicos no mecanismo

da reação é particularmente observado quando ocorre

substituição na posição β.

Relação CH3 – CH2–Br

CH3CH2 – CH2–Br

(CH3)2CH – CH2–Br

(CH3)3C – CH2–Br

Velocidade ( SN2) 1 2,8 x 10-1 3,0 x 10-2 4,2 x 10-6

Assim, para a série acima, os valores indicados são

velocidades de reação relativas para SN2, com etóxido em

etanol a 55 °C. Quaisquer diferenças no efeito eletrônico dos

grupos metila através de dois átomos de carbono saturados

seriam muito pequenas, e a razão para as diferenças de

velocidade é estereoquímica crescente, dificultando

aproximação de etóxido “por trás” do átomo de carbono ao qual

o Br está ligado, e crescente impedimento estereoquímico no

ET resultante. A razão para a diminuição da velocidade entre 1-

bromo-2-metilpropano e 1-bromo-2,2-dimetilpropano (brometo

de neopentilo) é que o ET do primeiro, mais obstruído, pode,

por rotação em torno da ligação Cα–Cβ, adaptar uma

conformação em que o etóxido sofre interferência pelo H,

enquanto que esta desobstrução não é possível no ET do

segundo.

C

CHH

CH3

CH3

H

BrH3CH2CO

C

C

HH

CH3

CH3

CH3

BrH3CH2CO

107

O E.T. do 1-bromo-2,2-dimetilpropano estará num nível

de energia mais elevado, ∆G será maior e a velocidade de

reação correspondente mais baixa.

O efeito da estrutura na reatividade relativa pode ser

observado com particular clareza quando um átomo de

halogênio está localizado na cabeça de ponte de um sistema

bicíclico. Assim, observaram-se as seguintes velocidades para

a solvólise em etanol aquoso 80% a 25°C:

Relação

Br

CH3

CH

Br Br

Velocidade

( SN2) 1

≈

10-6

≈

10-14

Todos são haletos terciários; não é de esperar que

ocorra reação pelo mecanismo SN2 em bicilco[2,2,2]1-

bromoctano ou no biciclo [2,2,1] 1-bromoheptano, mais ocorre

em 1-bromo-2,2-dimetiletano. O ataque SN2 “por trás” no átomo

de carbono a que está ligado Br é, em qualquer dos casos,

impedido em bicilco[2,2,2]1-bromoctano ou no biciclo[2,2,1]1-

bromoheptano, quer pela estereoquímica de sua estrutura em

gaiola, ou pela sua estrutura rígida no ET, sem conformação

planar de ligações de átomo de carbono da ponte. A solvólise

via SN1, a etapa determinante da velocidade, é a formação do

par iônico, como acontece com 1-bromo-2,2-dimetiletano, está

também inibida, porque o íon carbônio resultante de

bicilco[2,2,2]1-bromooctano ou no biciclo[2,2,1]1-bromoheptano

(estrutura rígida), estabilizão um estado planar estável. Os

intermediários íon cabônio tem um nível de energia mais alto

do que o normal, e só se formam lentamente e com relutância.

A velocidade de solvólise, enormemente reduzida de

biciclo[2,2,1]1-bromoheptano em comparação com a de

bicilco[2,2,2]1-bromoctano, reflete a maior rigidez em torno do

108

átomo de carbono em cabeça de ponte (íon carbônio para uma

ponte com um carbono biciclo[2,2,1]1-bromoheptano do que

para uma com dois carbonos bicilco[2,2,2]1-bromooctano).

Esta rigidez no 1-bromotripticeno faz com que o átomo

de bromo seja inerte a nucleófilos.

Relação

Br

Br

Velocidade ( SN2) 1 ≈ 10-23

Apesar da semelhança formal da vizinhança do átomo

de bromo em 1-bromotripticeno com o trifenilbromometano,

verifica-se que as suas velocidades de reação, em condições

comparáveis, diferem por um fator de 10-23:1. Isto resulta da

estabilização do íon carbônio no trifenilbromometano ocorrer

por deslocalização da sua carga, através dos sistemas orbitais

π dos três anéis de benzeno, enquanto que no 1-

bromotripticeno a coplanaridade necessária no íon carbônio

não pode ser atingida como resultado da sua estrutura

extremamente rígida.

IMPLICAÇÕES ESTEREOQUÍMICAS DO MECANISMO

A hidrólise de uma forma opticamente ativa de um haleto

quiral apresenta algumas características estereoquímicas

interessantes. Consideremos então cada um dos mecanismos.

Mecanismo SN2, inversão de configuração

O átomo de carbono sofre inversão da sua configuração,

quando o arranjo espacial dos três grupos ligados ao átomo de

carbono após a reação for invertido. O que se pode observar

no mecanismo de reação abaixo.

OH-

+ C Br

H

HH

C BrHO

HH

Hδ

-δ

-

CHO

H

HH

+ Br-δ

+δ

-

109

Verificar-se que o arranjo espacial dos três grupos

residuais ligados ao átomo de carbono atacado foi invertido. Na

verdade, se o produto pudesse ser o brometo, em vez de o

álcool, o plano de polarização giraria, e a luz polarizada iria na

direção oposta, (-), à do material de partida, (+), seria a sua

imagem num espelho. No entanto, o produto que se obtém é o

álcool e infelizmente não somos capazes, apenas por

observação da sua rotação óptica, de dizer se tem ou não a

mesma configuração do brometo. Assim, para confirmar na

prática que a reação SN2 acima indicada é acompanhada por

uma inversão de configuração, como requer a teoria, é

necessário dispor de um método independente para relacionar

a configuração do reagente e do produto, o brometo e o álcool

correspondente indicados.

Determinação da configuração relativa

Esta se baseia no fato de que se um composto quiral

sofre uma reação que quebra uma ligação entre um dos grupos

e o centro quiral, então o centro pode sofrer inversão de

configuração. Por outro lado, se o composto reagir sem que

haja quebra da ligação, então a configuração do centro quiral

se conserva.

Assim, na série de reações no álcool opticamente ativo

(+),

OH

R

R'R" (+)

OSO2Ar

CH3

CH3CH3

Br-ArSO2Cl

Br

R"

R

R'

CH3CO2-

CH3CO O

R"

R

R'CH3

CH3OH-

OH

R"

R

R'(-)

R = PhCH2

R' = CH3

R" = HAr = p-CH3C6H4

110

sabe-se que a formação de um éster com cloreto de 4-

metilbenzenosulfonila (tosila) não quebra a ligação C–O do

álcool, pelo que o tosilato deve ter a mesma configuração que

o álcool original. Sabe-se que a reação deste éster com

CH3CO2- é uma substituição em que ArSO3

-(Ar = p-MeC6H4) sai

e é introduzido MeCO2-, donde a ligação C–O quebra nesta

reação, e, assim, pode ocorrer inversão de configuração na

formação de acetato. Na hidrólise alcalina do acetato, não

envolve quebra da ligação alquil-oxigênio C–O, porque o álcool

tem a mesma configuração que o acetato. Como se verifica

que álcool opticamente inativo (-) é a imagem num espelho do

material de partida, o álcool opticamente ativo (+), direção

oposta de rotação óptica, durante a série de reações, tem de

ter ocorrido uma inversão de configuração, e só pode ter

ocorrido durante a reação de MeCO2- com tosilato. A reação

deste tosilato com um número de outros íons mostrou que

ocorre inversão de configuração na reação com Br- , para dar o

brometo, e este como o acetato tem configuração oposta à do

álcool de partida.

Mecanismo SN1: racemização

Um íon carbônio formado na etapa lenta, determinante

da velocidade da reação, é planar, e o ataque subsequente por

um nucleófilo como –OH, ou o solvente (H2O), ocorre com igual

facilidade por ambos os lados do íon carbônio planar,

produzindo uma mistura 50:50 de espécies com a mesma

configuração e com configuração oposta à do material de

partida, a racemização daria origem a um produto (±)

opticamente inativo.

111

C Br

R

R'R" (+)

C

R

R' R"Br-

+OH

-

OH-

OH

R"

R

R'

OH

R

R'R"

50%

50%

CH3 CH3+

Na prática, a racemização prevista raramente é

observada, sendo acompanhada por certo grau de inversão.

Verifica-se que as proporções relativas das duas dependem:

(a) da estrutura do haleto, estabilidade reativa do íon carbônio,

(b) do solvente, sua capacidade como nucleófilo.

Quanto mais estável for o íon carbônio, maior é a

proporção de racemização, quanto mais nucleófilo for o

solvente, maior é a proporção de inversão. Estas observações

tornam-se compreensíveis se a ionização SN1 é determinante

da velocidade.

Onde (1) é um par iônico íntimo em que os contra-íons

solvatados estão fortemente associados sem que entre eles

haja moléculas do solvente; (2) é um par iônico separado pelo

solvente; e (3) representa o par de íons dissociados e

solvatados separadamente.

Numa reação de solvólise, é provável que o ataque em

R+ por uma molécula de solvente, H2O, em (1) conduza a

inversão, dado que o ataque pode ocorrer “por trás” de R+, mas

não pela “frente” onde não há moléculas de solvente, e que

está impedido pelo contra-íon Br-. Em (2) é mais provável que o

ataque ocorra por ambos os lados, conduzindo a racemização,

enquanto que ataque em (3) pode ocorrer sem dúvida com

igual facilidade por ambos os lados. Assim, quanto mais longa

R Br R+ Br-

R+ Br-

Br-

R+ +δ

+δ

-

(1) (2) (3)

112

for vida de R+, mais difícil é o ataque pelo nucleófilo, e maior a

proporção de racemização

Assim, a solvólise de (+)C6H5CHMeCl, que pode formar

um íon carbônio estabilizado de tipo benzílico, conduz a 98%

de racemização, enquanto que a de (+)C6H13CHMeCl, em que

não há estabilização comparável, conduz apenas a 34% de

racemização. A solvólise de (+)C6H5CHMeCl em 80% de

acetona e 20% de água conduz a 98% de racemização, mas

em água apenas, observa-se somente 80% de racemização.

As mesmas considerações gerais aplicam-se a reações de

substituição nucleofílicas por Nu: tal como à solvólise, exceto

quando R+ tiver tempo de vida maior, pelo menos em parte, o

solvente que tem de ser removido antes que o Nu: possa

atacar R+. É importante notar que a racemização é nitidamente

um requisito estereoquímico menos importante para reações

SN1 do que a inversão é para as reações SN2.

Mecanismo SN1: retenção de configuração

As reações de substituição que conduzem a inversão de

configuração, a racemização, ou a uma mistura de ambas, são

comuns, mas conhecem-se diversos casos de reações que

ocorrem com retenção de configuração. Uma reação para a

qual se demonstrou ocorrer essa retenção de configuração é a

substituição de OH por Cl, através do uso de cloreto de tionilo,

SOCl2, na presença de solvente nucleofílico.

C OH

Me

PhH

SOCl2C Cl

Me

PhH

+ SO2 + HCl

Dois métodos, com base nos reagentes inorgânicos e

cloreto de tionilo, tribrometo fósforo, ostenta uma menção

especial. O cloreto de tionilo reage com álcoois para formar

113

cloretos de alquila. Os subprodutos da reação inorgânicas,

dióxido de enxofre e ácido clorídrico, ambos são gases à

temperatura ambiente e são facilmente removidos, tornando-se

fácil isolar o cloreto de alquila.

Os álcoois terciários são facilmente convertidos em

cloretos de alquila primário e secundário na presença de ácido

clorídrico e cloreto de tionilo. As reações com cloreto de tionila

normalmente são realizadas na presença de carbonato de

potássio ou piridina.

Participação de grupos vizinhos: “retenção de

configuração”

A retenção de configuração em reações de substituição

nucleofílica em que a característica comum é um átomo ou

grupo, próximo do carbono que sofre o ataque, tem um par

eletrônico disponível. Este grupo vizinho participa utilizando o

seu par eletrônico para impedir a “parte de trás” do átomo de

carbono, que sofre substituição, do ataque pelo reagente

nucleófilo, assim o ataque só pode ocorrer “pela frente”,

conduzindo a retenção de configuração. Verifica-se que a

hidrólise básica da 1,2-cloridina (10) dá o 1,2-diol (14) com a

ClCH3

H

OH

CH2

CH3

CH2

CH3

OH-

* ClCH3

H

O

CH2

CH3

CH2

CH3

*-

C

CH3H

O

CH2

CH3

CH2

CH3

*

-

OH-

CCH3

H

O

CH2

CH3

CH2

CH3

OH*H2O

OHCH3

H

OH

CH2

CH3

CH2

CH3

*

Inversão (1)

Inversão (2)

OH-

(10) (11)

(12)

(13)(14)

114

mesma configuração.

O ataque inicial pela base em (10) dá o ânion alcóxido

(11), o ataque interno por este RO- dá então o epóxido (12)

com inversão de configuração em C* (estes intermediários

cíclicos podem ser isolados em muitos casos), este átomo de

carbono, sofre ataque normal SN2 por –OH, com uma segunda

inversão de configuração em C*. Finalmente, este segundo

ânion alcóxido (13) abstrai um próton do solvente para dar o

produto 1,2-diol (14) com a mesma configuração que o material

de partida (10). Esta retenção aparente de configuração foi

resultante de duas inversões sucessivas.

O oxigênio, enxofre e nitrogênio, também foram estudos

como grupos vizinhos em reaçoes e em situações em que,

embora não esteja em causa qualquer aspecto estereoquímico,

velocidades inesperadamente elevadas sugerem uma

alteração mecanística.

EFEITO DE NUCLEÓFILOS E GRUPOS ABANDONADORES

Nucleófilo

A alteração do reagente utilizado, o grupo de entrada

(nucleófilo), não alterará diretamente a velocidade de uma

reação de substituição SN1, porque este reagente não toma

parte na etapa determinante da velocidade da reação. No

entanto, numa substituição SN2, quanto mais forte for o

reagente nucleofílico, mais rápido a reação ocorre. Pode talvez

esperar-se que um reagente nucleofílico se correlacione com a

sua basicidade, ambas envolvem a disponibilidade de pares

eletrônicos e as facilidade com que são doados. O paralelo não

é de modo algum exato, a basicidade envolve a doação de

pares eletrônicos ao hidrogênio, enquanto que a nucleofilia

envolve a doação de pares eletrônicos para outro átomo,

115

frequentemente o carbono. A basicidade envolve uma situação

de equilíbrio (termodinâmico), ∆G, enquanto que nucleofilia

envolve normalmente um equilíbrio cinético, ∆G≠≠≠≠, a basicidade

é provável que seja pouco afetada por influências

esteroquímicas, enquanto que a nucleofilia pode ser muito

afetada.

Esta distinção resulta em certa medida que foi

introduzida entre bases moles e bases duras.

Base dura é aquela em que o átomo doador é muito

eletronegativo, de baixa polarizabilidade e difícil de oxidar, –OH, –OR, R3N:.

Base macia é aquela em que o átomo doador tem baixa

eletronegatividade, polarizabilidade elevada e é fácil oxidar,

RS-, I-, SCN-. Para um dado grau de basicidade, a moleza

promove a nucleofilia. Os dados relativos a basicidade são em

geral os mais acessíveis e podem ser utilizados como guias

para a nucleofilia, desde que comparados com análogos.

Quando o átomo atacante for o mesmo, os dois são

razoavelmente paralelos, e quanto mais forte é a base, mais

poderoso é o nucleófilo.

EtO- > PhO- > MeCO2- > NO3

-

Também pode ocorrer variação no tipo mecanístico com

a mudança de nucleófilo, assim uma substituição que é SN1,

em H2O, HCO3-, MeCO2

-, etc., pode tornar-se SN2 com –OH ou

EtO-.

Verifica-se que a nucleofilia é muito afetada pelo

tamanho do átomo atacante no nucleófilo, pelo menos em

comparação dentro do mesmo grupo ou subgrupo da tabela

periódica, observa-se:

I- > Br- > Cl- RS- > RO-

Tanto o tamanho como a eletronegatividade governam a

polarizabilidade, à medida que o átomo aumenta de tamanho,

116

menor a influência exercida pelo núcleo sobre os elétrons

periféricos, que assim se tornam mais facilmente polarizáveis,

conduzindo à iniciação de ligação a separações nucleares

crescentes. Também quanto maior o íon ou grupo nucleófilo,

menor a sua energia de solvatação, mais rapidamente é

convertido no nucleófilo eficaz largamente não solvatado. É a

combinação destes fatores que torna o íon iodeto, I-, grande,

altamente polarizável e pouco solvatado, num nucleófilo muito

melhor do que o íon fluoreto, F-, pequeno, dificilmente

polarizável e muito solvatado (ligações de hidrogênio com um

solvente hidroxilado), apesar de este ser a base mais forte.

Neste caso, devemos esperar que a velocidade da

reação, ao passar de um solvente hidroxilado para um solvente

não-prótico polar, aumente muito menos com I- do que com Br-

ou Cl-.

Outro aspecto também interessante surge com

nucleófilos que tem mais do que um, geralmente dois átomos

adequados dos quais podem atacar o substrato, nucleófilos

ambidentados. -X Y X Y

-

Para as reações SN1 (altamente polares) o ataque

ocorre no íon carbônio, R+, através do átomo do nucleófilo que

tem a densidade eletrônica mais elevada. Por exemplo, com

haletos que não reagem facilmente por SN1, este pode ser

induzido pelo uso do sal de prata do ânion, AgCN, dado que

Ag+ promove a formação de R+ através da precipitação de AgX.

R Br + Ag+CN

- Lento Br + R+ + CN- Rápido R N C

+ -Ag

C N- C N

-.. ..

..

..

..

117

Na ausência daquela indução por Ag+, com Na+[CN]-,

verifica-se que a reação SN2 resultante ocorre com ataque

preferencial no átomo mais polarizável do nucleófilo.

Isto é compreensível se, ao contrário de SN1, a formação

da ligação ocorrer agora no ET para a etapa determinante da

velocidade, a fácil polarizabilidade do átomo ligante no

nucleófilo, o inicio da ligação e uma separação internuclear tão

grande quanto possível. Analogamente, verifica-se que o íon

nitrito [NO2]- resulta na formação de nitritos de alquila, R-O-

N=O, em condições SN1 (oxigênio é o átomo de densidade

eletrônica maior) e nitroalcanos, R-NO2, em condições SN2 (N é

o átomo mais facilmente polarizável).

O grupo abandonador

A alteração do grupo abandonador afetará a velocidade

das reações SN1, e SN2, desde que em ambas, a quebra da

ligação ao grupo abandonador está envolvida na etapa

determinante da velocidade. Em ambos os casos, a força da

base é sem dúvida um aspecto com algum significado, mas

nas reações SN2 a redistribuição de cargas negativas no ET e,

tal como com o grupo de entrada, a polarizabilidade no átomo

ligante do grupo de saída estará em cheque na formação do

ET. Esta é a principal razão para a sequência de reatividade

SN2 de haletos.

R – I > R – Br > R – Cl > R – F

A polarizabilidade elevada torna I- tanto um bom grupo

de entrada (nucleófilo) como um bom grupo de saída

NC-

+ R Br ................NCδ

-δ

-

BrR N C R + Br-

118

(abandonador), e por isso é frequentemente utilizado para

induzir (substituir) numa reação de substituição lenta.

OH2 R Cl+ +

+

+

LentoOH R H

+Cl

-:

I-

R Cl+ Rápido

Rápido

I R Cl-

R OHH+I-

Este efeito é designado catálise nucleofílicla. Quanto

mais forte e dura, como base, como grupo de saída, menos

facilmente pode ser substituído, por isso, grupos como: –OH, –

OR, NH2 ligados a carbono por átomos pequenos, muito

eletronegativos de baixa polarizabilidade, não podem

normalmente ser diretamente substituídos por outros

nucleófilos. Verifica-se que os melhores grupos abandonadores

são os ânions de ácidos fortes, os ânions haleto indicados

acima e espécies como p-MeC6H4SO3- (ânion tosilato), p-

BrC6H4SO3- (ânion brosilato), etc. Os requisitos SN1 são muito

semelhantes, observa-se a mesma frequência de reatividade

para R-X, e os principais requisitos para o grupo de saída são a

sua fraqueza como uma base, ânion de ácido forte e de fácil

solvatação.

Reações de substituição difíceis, ou mesmo impossíveis

de ocorrer diretamente podem ser efetuadas por modificação

do grupo de saída, por protonação, de modo a torná-lo numa

base mais fraca e/ou mole. O grupo -OH não pode ser

diretamente substituído por Br-, mas é facilmente substituído se

for primeiro protonado.

119

+Br-

+

+R OH Br R OH-

X

H+

+Br-

R O

H

H +Br R OH2

Existem duas razões principais para que isto aconteça:

(a) Br-, agora ataca uma espécie positivamente carregada, e

não neutra, e (b) a H2O é uma base mais fraca, é um grupo de

saída muito melhor do que o –OH fortemente básico. A bem

conhecida utilização de HI para a clivagem de éteres resulta do

fato de I- ser das espécies mais nucleófilas que podem ser

geradas na solução fortemente ácida requerida para a

protonação inicial.

++

R OPhH

+

R OPh

H

I-

R I PhOH

A ordem de reatividade relativa dos grupos

abandonadores segue:

OH -

→ NH2

-

→ OR -

→ F- → Cl- → Br -

→ I- → TosO

- 1 1 1 1 200 10000 30000 60000

4o ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO

1. Escreva a equação da lei da velocidade para a reação de hidrólise de haletos primários e secundários. A lei de velocidade é a mesma para os haletos terciários? 2. De onde provém a energia necessária para a heterólise dos haletos terciários?

120

3. Qual a correlação entre a polaridade do solvente e a velocidade de uma reação que se processa via mecanismos SN1 e SN2? 4. Dada a reação SN2: H3C – CH2I + N3

- � H3C –CH2N3 + I- Explique em que solventes ela ocorre mais rapidamente: metanol ou DMSO? 5. Explique o efeito da estrutura dos haletos (primários, secundários e terciários) na reação de hidrólise. 6. Dê exemplos de haletos que são difíceis de hidrolisar pelos mecanismos SN1 e SN2.

7. Explique a estereoquímica dos produtos formados via mecanismos SN1 e SN2. 8. Como se faz determinação da configuração relativa?

9. Em que mecanismo de substituição nucleofílica observa-se a retenção de configuração? Explique. 10. Quando se deixa 2-iodo-octano opticamente ativo, em solução de acetona com NaI, observa-se que o haleto apresenta perda de atividade ótica. Mostre o que acontece.

11. A reação, CH3CH2CH2Br + NaCN � CH3CH2CH2CN + NaBr deve ocorrer mais rapidamente em DMF ou em metanol? 12. Explique as afirmações abaixo: a) Quando brometo de t-butila sofre solvólise, em uma mistura de metanol e água, a velocidade de solvólise aumenta, quando o percentual de água aumenta. b) Quando cloreto de etila reage com iodeto de potássio, em metanol e água, a velocidade da reação diminui, quando o percentual de água aumenta. 13. Partindo-se de (S)-2-bromo-butano mostre como preparar: a)(R)-CH3CH(OCOCH3)CH2CH3, b) (R)-CH3CH(SCH3)CH2CH3 14. Em cada par indique que haleto de alquila reage mais rapidamente pelo mecanismo SN2: a) Brometo de iso-butila ou brometo de n-propila? b) Cloreto de n-propila ou brometo de n-propila?

121

c) Cloreto de etila ou cloreto de vinila? 15. O cloreto de (R)-α-fenil-etila (C6H5CHClCH2CH3), opticamente puro, apresenta (α)= -109; o álcool (R)-α-fenil-etila (C6H5CHOHCH2CH3), opticamente puro, apresenta (α)= -42,3. Por tratamento do cloreto (α)= -34, com solução diluída de NaOH, obtém-se o álcool de (α)= +1,7. Calcule: a) a pureza ótica do reagente e do produto da reação; b) a porcentagem de retenção e de inversão; c) a porcentagem de racemização. E de retenção ou de inversão. 16. Quando p-(2-bromoetil)-fenol é cuidadosamente tratado com base, um composto C8H8O é isolado. Este composto não mostra bandas de absorção no IV acima de 3200 cm-1, mas apresenta uma banda forte em 1670 cm-1 e UV máximo em cerca de 230 nm. Em tratamento com HBr o composto reverte facilmente ao fenol original. Considere estas observações e explique o que realmente acontece. 17. Em cada caso, indique o mecanismo mais provável da reação de SN1 ou SN2. Escreva o mecanismo que leva ao produto principal (incluindo a estereoquímica onde for apropriado) e indique também produtos secundários (sub-produtos) possíveis de serem formados: a) 3-fenil-1-bromo-propano + NaCN em dimetilformamida. b) (R)-3-fenil-1-bromo-butano + NaCN em dimetilformamida. c) (S)-1-fenil-1-bromo-butano + NaCN em dimetilformamida. d) (S)-1-fenil-1-bromo-butano + AgOAc em etanol. e) γ,γ-dimetil-alil-tosilato + (C2H5)3N em metanol. f) Ácido-(R)-4-cloropentanóico + NaNO2 em água. g) Ácido-(R)-4-cloropentanóico + em ebulição com água. h) Cloreto de benzila + Na2CS3 em acetona. i) (S)(-)1,3-dibromo-1-fenil-propano em solução aquosa de ácido acético a quente. j) (S)(-)1,3-dibromo-1-fenil-propano + KOAc em dimetilsulfóxido. 18. Considere a transformação representada pelo esquema abaixo:

O tipo de reação e a expressão da lei de velocidade são:

122

Tipo de reação Expressão da lei de velocidade

a) Substituição nucleofilica de primeira ordem

v = k[CH3Cl]

b) Substituição nucleofilica de sugunda ordem

v = k[CH3Cl][OH-]

c) Adição eletrofilica de primeira ordem v = k[OH-] d) Adição eletrofilica de segunda ordem

v = k[CH3Cl]2

e) Adição eletrofilica seguida de eliminação

v = k[CH3Cl][OH-]2

19. Na reação do but-1-eno com HBr, o intermediário e o tipo de mecannismo operante, respectivamente, são:

Intermediário Tipo de mecanismo a) Carbânion Substituição nucleofílica b) Carbânion Adição nucleofílica c) Carbocátion Adição eletrofílica d) Carbocátion Substituição eletrofílica e) Radical livre Eliminação

20. Derivados halogenados são bons substratos para a preparação de éteres, em laboratório, através de reação com reagentes nucleofílicos fortes como o metóxido de sódio. A velocidade dessas reações pode ser drasticamente aumentada pela escolha apropiada do solvente. Considerando os substratos 3-bromo-3-metilhexano e brometo de metila, qual o tipo de mecanismo e o solvente adequado para a reação desses substratos halogenados com o metóxido de sódio? Dado: DMSO corresponde a (CH3)2S = O

3-bromo-3-metilhexano Brometo de metila Mecanismo Solvente Mecanismo Solvente a) SN1 DMSO SN2 DMSO b) SN1 Hexano SN2 Hexano c) SN1 Hexano SN1 Metanol d) SN2 DMSO SN1 Metanol e) SN2 Metanol SN2 Hexano

123

124

UNIDADE V - SUBSTITUIÇÃO ELETRÓFILICA E NUCLEÓFILICA EM SISTEMAS AROMÁTICOS

ATAQUE ELETROFILÍCO AO BENZENO

Complexos ππππ e σ

A primeira etapa da reação envolve a interação entre o

eletrófilo que se aproxima e as orbitais π deslocalizadas,

chamados complexos π.

Por exemplo, o metilbenzeno (tolueno) forma um

complexo 1:1 com o ácido clorídrico (HCl) a -78 °C, sendo a

reação facilmente reversível, não se forma uma ligação entre

um átomo de carbono do anel e o próton de HCl que é

confirmado quando a reação é feita em DCl. Este também dá

origem a um complexo π, mas a sua formação e decomposição

não faz a troca de deutério com qualquer dos átomos de

hidrogênio do anel, mostrando que no complexo não se formou

nenhuma ligação C–D. Os hidrocarbonetos aromáticos formam

complexos π com espécies como os halogênios, Ag+, o ácido

pícrico, 2,4,6-(O2N)3C6H2OH, formando-se adutos estáveis,

corados e cristalinos, cujos pontos de fusão podem ser usados

na caracterização desses hidrocarbonetos. Esses adutos são

também conhecidos como complexos de transferência de

carga.

Na presença de um composto que tenha um

orbital vazio, um ácido de Lewis como AlCl3, forma-se um

complexo diferente. A troca de HCl, por DCl, origina uma troca

rápida de deutério com os átomos de hidrogênio do anel, o que

indica a formação de um complexo σ, também chamado

intermediário de Wheland, no qual H+ ou D+, está ligado por

covalência a um átomo do anel.

125

+ DCl

AlCl3

H D

+AlCl4

-

(-H+)

D

Os complexos π e σ com, metilbenzeno e HCl, saõ

diferentes uns dos outros. Assim, a formação do complexos π

conduz a solução não condutora de eletricidade, sem alteração

de cor e a uma pequena modificação no espectro ultravioleta,

indicando pouca alteração na distribuição eletrônica do

metilbenzeno inicial. Na presença de AlCl3, a solução torna-se

verde, condutora de eletricidade e o espectro ultravioleta é

diferente do metilbenzeno inicial, indicando a formação de um

complexo σ, não há provas de que o cloreto de alumínio forme

complexos do tipo H+AlCl-4.

A reação pode ser completada pela remoção de um

próton do complexo σ pela espécie AlCl-4 [(2) → (4)]. Assim,

ocorre a troca de átomos de hidrogênio na presença de HCl,

mas há substituição de hidrogênio por deutério quando se

utiliza DCl, a reação é uma substituição eletrofíliica.

Expulsando H+, por substituição em vez de adição, são retidas

no produto (4) as orbitais π deslocalizados e preenchidos, e a

aromaticidade do composto é recuperada.

O aumento de estabilização que se obtém quando se

passa (2) → (4) fornece a energia requerida para quebrar a

ligação C–H, necessária para a expulsão de H+, como na

126

reação de HCl com alcenos, não existe este fator para

favorecer a substituição, e a reação é de adição.

Nitração

Esta é uma reação de substituição aromática, muito

estudada, e, em consequência, é a reação que provavelmente

fornece um quadro mecanístico mais detalhado. A reação de

nitração é feita com uma mistura de ácidos nítrico e sulfúrico

concentrados, chamada mistura nitrante.

O ácido sulfúrico reage com o ácido nítrico e não sobre o

benzeno, na mistura reacional. Isto é evidenciado, porque as

soluções de ácido nítrico em ácido sulfúrico puro apresentam

uma depressão quádrupla do ponto de congelação molecular, o

que foi interpretado como sendo devido à formação dos quatro

íons.

OH NO2

H2SO4

O+

NO2

H

H

H2SO4H3O

+ + HSO4- + +NO2

HNO3 + 2 H2SO4+NO2 + H3O

+ + HSO4-

ou

A presença de +NO2, o íon nitrônio, foi confirmada pelo

espectro de Raman em 1400 cm-1, como uma espécie linear e

triatômica. O próprio ácido nítrico, em ácido sulfúrico

concentrado, é quase totalmente convertido em +NO2, e não há

dúvidas de que é este o eletrófilo na nitração. A pouca eficácia

do próprio ácido nítrico na nitração do benzeno é explicada por

conter pouco +NO2. A pequena quantidade que se encontra

presente é obtida pelo processo em duas etapas em que o

ácido nítrico é primeiro rapidamente convertido no seu ácido

conjugado e este, mais lentamente, no íon nitrônio.

127

Muitas nitrações estão de acordo com uma lei de

velocidade, Velocidade = k[Ar–H][+NO2], mas na prática, por

diversas razões, a cinética da reação nem sempre é fácil de

acompanhar ou de interpretar.

A lei de velocidade para a reação de nitração do

benzeno é compatível com o seguinte mecanismo postulado. A

nitração ocorre pelo mecanismo em etapas, envolvendo um

estado de transição simples, onde a formação da ligação C–

NO2 é lenta e determinante da velocidade, passando por um

intermediário, e após ocorre a quebra rápida da ligação C–H.

+ +NO2

H NO2 NO2

+ + H+Lenta Rápida

A quebra da ligação C–H, perda de H+, do intermediário

restabelece o caráter aromática no nitrobenzeno formado. O

próton, H+, aqui é removido do intermediário pelo ataque pela

base, HSO-4, da mistura nitrante.

No que se refere às velocidades das reações de

substituição aromática, é a formação do estado de transição

(ET1) que precede o intermediário, determina a velocidade da

reação, conforme a figura abaixo:

ET1ET2

Caminho da reação

Ene

rgia

livr

e

+ +NO2

H NO2

+NO2

+ H+

Muitas vezes é difícil obter informação detalhada acerca

das espécies envolvidas nos estados de transição e dos

intermediários de reação. Por isso, tomado como seus

modelos, pode justificar-se com base no princípio de

128

Hammond, segundo o qual, numa dada sequência, as espécies

que se sucedem imediatamente se assemelham em termos

energéticos também se assemelham quanto à estrutura. Na

figura acima é provável que o intermediário seja um modelo

melhor para o ET do que o material de partida.

Compostos aromáticos extremamente reativos, como o

fenol, sofrem nitração rápida mesmo em ácido nítrico diluído, e

a uma velocidade muito maior do que pode ser explicado com

base na concentração de +NO2 presente na mistura.

Demonstrou-se ser isto devido à presença de ácido nitroso no

sistema, o qual efetua a nitrosação do núcleo reativo através

do íon nitrosônio, +NO (ou outra espécie capaz de realizar a

nitrosação).

HNO3 + 2 HNO3H3O

+ + 2NO3- + +NO

OH

+NO

OH

NOH

+

OH

NO

NO3- HNO3

OH

NO2

+ HNO2

O nitrosofenol obtido é oxidado muito rápido pelo

ácido nítrico, dando nitrofenol e ácido nitroso; é produzido mais

ácido nitroso, e o processo reacional é acelerado. Não é

necessária a presença inicial de ácido nitroso no ácido nítrico,

dado que uma pequena quantidade deste último oxida o fenol

com formação de HNO2. A etapa determinante da velocidade é

novamente a formação do intermediário.

Halogenação

Ao contrário da nitração, a halogenação pode envolver

vários eletrófilos diferentes no ataque ao sistema aromático. Os

halogênios livres, Cl2 e Br2, atacam rapidamente um núcleo

ativado como o fenol, mas são incapazes de substituir o próprio

benzeno (contudo, a ativação fotoquímica pode conduzir a

adição por ação dos átomos livres de halogênio), sendo, para

129

tal, necessário um ácido de Lewis catalisador, como AlCl3, que

polariza a molécula de halogênio, tornando-a com uma

extremidade eletrofílica.

A lei de velocidade para a halogenação é geralmente da

forma:

Velocidade = k[Ar–H][X2][ácido de Lewis]

É provável que o benzeno forme um complexo π com,

por exemplo, Br2, e que o ácido de Lewis interague então com

esse complexo. O catalisador provavelmente polariza a ligação

Br–Br, assiste na formação de uma ligação σ entre a molécula

de bromo, agora com uma extremidade eletrofílica, e um átomo

de carbono do anel remove o íon brometo na formação do

complexo σ.

BrBrHBr Br

Br2

FeBr3

- FeBr4-

+ HBr + FeBr 3+

O ânion FeBr-4 remove o próton do complexo σ (positivo.

Nas reações de halogenação, não foram observados

efeitos isotópicos cinéticos, de hidrogênio, para a cloração, e

raramente para a bromação, porque estas reações de cloração

e bromação seguem normalmente o mecanismo proposto para

a nitração, em que a etapa determinante da velocidade da

reação é formação do complexo σ.

Na reação de iodação, que ocorre com o próprio iodo em

espécies ativadas, é observado o efeito isotópico cinético, de

hidrogênio, porque a reação é facilmente reversível (contrário

às outras halogenações) com perda de I pelo complexo σ, em

vez de perda de H, onde k-1 > k2.

130

Na reação de iodação do fenol e de 2,4,6-trideuteriofenol

kH/kD ≈ 4, sugerindo um mecanismo onde há um equilíbrio

entre as espécie dos reagentes e do estado de transição. A

iodação é geralmente assistida pela presença de bases ou de

agentes oxidantes, que removem HI e assim deslocam o

equilíbrio para a direita. Os agentes oxidantes também tendem

a produzir, a partir de I2, I+ ou um complexo contendo iodo

positivamente polarizado e proporcionando um eletrófilo mais

eficaz. A halogenação também pode ocorrer utilizando-se

compostos inter-halogenados, Brδ+–Clδ-, Iδ+–Clδ-, etc.,

ocorrendo o ataque através do halogênio menos eletronegativo

sendo esta a extremidade eletrófila da molécula. Verifica-se

que as duas espécies referidas efetuam, respectivamente, a

bromação e a iodação.

Sulfonação

A reação de sulfonação do benzeno é uma reação na

qual um átomo de hidrogênio em um anel aromático é

substituído por um grupo funcional ácido sulfônico.

O benzeno é sulfonado de modo relativamente lento por

ácido sulfúrico concentrado, a quente, mas rapidamente por

ácido sulfúrico fumegante (estando a velocidade da reação

relacionada com o concentração de SO3 no ácido) ou por SO3

em solventes inertes. O eletrófilo atacante pode ser o SO3 ou o

seu ácido conjugado, +SO3H, o qual pode variar com as

condições reacionais, mas em H2SO4 em geral deve ser SO3,

que existe em pequenas concentrações no equilíbrio.

O ataque ocorre através de enxofre (S), que encontra-se

polarizado positivamente, muito deficiente de elétrons.

131

A reação de benzeno com ácido sulfúrico para produzir

ácido benzenossulfónico, é reversível, mas pode ocorrer por

várias técnicas. Retirar a água formada na reação, por

exemplo, permite benzenossulfónico ser obtido em maior

quantidade. Quando uma solução de trióxido de enxofre em

ácido sulfúrico é usada como agente de sulfonação, a

velocidade de sulfonação é muito mais rápida, e o equilíbrio é

deslocado totalmente para o lado dos produtos, de acordo com

a equação.

Entre uma variedade de espécies eletrofílicas presentes

em ácido sulfúrico concentrado, o trióxido de enxofre é

provavelmente o eletrófilo real em sulfonação aromática. O

mecanismo proposto da sulfonação do benzeno por trióxido de

enxofre ocorre em etapas:

Etapa 1. O benzeno ataca o trióxido de enxofre, e esta é

a etapa determinante da velocidade da reação.

Etapa 2. O carbono hibridizado, sp3, do intermediário,

perde um próton e a aromaticidade do anel é restaurada. A

espécie que abstrai o próton é o íon hidrogênio sulfato formado

pela ionização do ácido sulfúrico.

132

Etapa 3. Uma transferência rápida de próton do oxigênio

do ácido sulfúrico ao oxigênio do benzenossulfonato conclui o

processo.

REAÇÕES DE FRIEDEL-CRAFTS

Estas reações podem ser subdividas em reações de

alquilação e acilação.

Alquilação de Friedel-Crafts

O átomo de carbono dos haletos de alquila, Rδ+–Xδ-, é

eletrofílico, mas os haletos de alquila reagem com benzeno na

presença de cloreto de alumínio, AlCl3, (um ácido de Lewis)

para produzir alquilbenzenos.

O fato dos haletos de alquila reagirem com ácidos de

Lewis foi demonstrado pela troca de bromo radioativo em EtBr,

quando misturado com AlBr3 e re-isolado, e pelo isolamento de

complexos 1:1, sólidos, do CH3Br·AlBr3 a baixas temperaturas -

78 °C. Estes complexos, embora polares, são condutores

fracos. Quando R é capaz de formar um íon carbônio

particularmente estável, Me3C–Br, é provável que na alquilação

seja o próprio íon carbônio, Me3C+.

133

Haletos de alquila por si só não são suficientemente

eletrofílicos para reagir com o benzeno. Cloreto de alumínio,

ácido de Lewis, serve como um catalisador para melhorar a

eletrofilicidade do agente alquilante. Com haletos de alquila

secundário e terciário, a adição de cloreto de alumínio leva à

formação de carbocátions, que atacam em seguida o anel

aromático.

Os haletos de alquila secundário reagem por um

mecanismo semelhante envolvendo ataque do benzeno a um

carbocátion secundário. Haletos de etila e metila não formam

carbocátions quando tratados com cloreto de alumínio, mas

reagem frente ao benzeno sob condições da alquilação de

Friedel-Crafts.

O mecanismo da reação do ataque do anel benzênico

ao cátion terc-butílico ocorre em duas:

Etapa 1. A reação do cloreto de terc-butilo com o cloreto

de alumínio gera o cátion terc-butílico, que é atacado pelos

elétrons do benzeno, e uma ligação de carbono-carbono é

formada

Etapa 2. A perda de um próton do intermediário o cátion

ciclohexadienil, produz o terc-butilbenzeno.

134

O mecanismo da reação é compatível com a lei de

velocidade:

Velocidade = k[Ar – H][RX][MX3]

A ordem de eficácia dos ácidos de Lewis como

catalisadores na alquilação de Friedel-Crafts é:

AlCl3 > FeCl3 > BF3 > TiCl3 > ZnCl2 > SnCl4

Em certo número de casos de alquilação de Friedel-

Crafts, verifica-se que o produto final contém um grupo alquilo

rearranjado. Assim, a reação de (CH3)3CCH2Cl/AlCl3 com

benzeno dá quase exclusivamente o produto rearranjado,

PhCMe2CH2Me, o que pode ser explicado com base no fato de

o complexo eletrófilo inicial ser polarizado para permitir o

rearranjo de [Me3CCH2]δ+...Cl...AlCl3

δ- a

[Me3CCH2Me]δ+...Cl...AlCl3δ- mais estável (estabilidade relativa

do íons carbônio). Pelo contrário, verifica-se que a reação de

Me3CCH2Cl/FeCl3 com benzeno dá quase exclusivamente o

produto não-rearranjado, Me3CCH2Ph, pressupondo-se que

isso se deve ao fato de o complexo com o ácido de Lewis não

se encontrar polarizado para permitir que ocorra isomerização.

Verifica-se que a temperatura também influi, para um dado

haleto/ácido de Lewis.

Os ácidos de Lewis catalisadores podem efetuar a

desalquilação, ou seja, a reação é reversível. Assim, verifica-se

que o etilbenzeno, com BF3 e HF, o produto da reação é

desproporcional. ET

HF

BF3

+

ET

+

ET

ET

45 % 10 % 45 %

Esta reação deve ser intermolecular, mas também há

rearranjos que envolvem alteração das posições relativas dos

substituintes no anel benzênico e que se verificou serem

intramoleculares. Assim, aquecendo p-dimetilbenzeno (p-

xileno) com AlCl3 e HCl, dá-se a sua conversão maioritária em

135

m-dimetilbenzeno (m-xileno), mais estável. A presença de HCl

é essencial, e a alteração envolve a migração de um grupo Me

na espécie incialmente protonada. CH3

CH3

H+

CH3

H CH3

CH3

CH3

H

CH3

CH3

++

p-Xileno m-Xileno

Além da possibilidade de rearranjar, a principal

desvantagem da utilização, para fins preparativos, desta

reação de Friedel-Crafts é a polialquilação. A presença de um

substituinte elétron retirador é geralmente suficiente para inibir

a alquilação de Friedel-Crafts e, por exemplo, o nitrobenzeno é

usado frequentemente como solvente que dissolve o AlCl3

muito rápido, evitando desse modo uma reação heterogênea.

Acilação de Friedel-Crafts

Uma reação de Friedel-Crafts que usa haletos de acila,

em vez de haletos de alquila, produz acilbenzenos conhecida

com reação de acilação de Friedel-Crafts. A acilação de

Friedel-Crafts, segue a mesma lei de velocidade geral da

alquilação.

Velocidade = k[Ar–H][RCOCl][AlCl3]

Também aqui se põe a questão de o eletrófilo efetivo ser

o íon acílio, como constituinte de um par iônico, ou um

complexo polarizado.

Muitos íons acílios foram detectados como complexos

sólidos e líquidos, MeCOCl e AlCl3, em solução nos solventes

polares (por espectrocopia no IV), e nos casos em que R é

muito volumoso.

O eletrófilo em uma reação de acilação de Friedel-Crafts

é um cátion acila (íon acílio), que é estabilizado por

136

ressonância. O cátion acila derivado de cloreto propanoíla é

representado por duas formas de ressonância.

Contudo, em solventes menos polares e em outras

condições, os íons acílios não são detectados e deverão ser o

complexo polarizado que atua como eletrófilo.

As reações químicas diretas indicam que íon acílio ou o

complexo polarizado podem estar envolvidos, dependendo das

condições da reação. Assim, na benzoilação do tolueno,

obtém-se a mesma mistura de produtos (1% m-, 9% o- e 90%

p-) com qualquer catalisador, ácido de Lewis, usando o cloreto

de benzoíla ou o brometo de benzoíla; isto sugere uma espécie

reagente comum para todos os casos, é o cátion Ph–C+=O. Por

outro lado, em muitos casos a proporção do produto orto é

muito reduzida, quando comparada com outras reações de

substituição eletrofílica, por exemplo na nitração, sugerindo o

envolvimento de um eletrófilo muito volumoso, obtendo

rendimento pelo complexo polarido do que pelo íon acila R–

C+=O linear. A natureza do eletrófilo, em cada caso, depende

muito das condições.

A reação pode então ser representada do modo

seguinte.

Uma diferença significativa entre a acilação e a

alquilação é que na acilação mais de 1 mol de ácido de Lewis é

137

usado. Isto porque, na acilação, ocorre a complexação do

ácido de Lewis com a cetona à medida que esta é formada,

impedindo a participação subsequente do ácido de Lewis na

reação.

Na reação de acilação, não ocorre poliacilação; a cetona

é muito menos reativa do que o benzeno. Não se observa o

rearranjo de R, ao contrário do que se verifica na alquilação,

mas pode ocorrer descarbonilação, e em especial quando R

pode formar um íon carbônio estável, de tal modo que o

resultado final é a alquilação em vez da acilação esperada.

(CH3)3C–C+=O � CO + (CH3)3C+ + C6H6 � C6H5–

C(CH3)3

Pode fazer a formilação utilizando CO, HCl e AlCl3

(reação de Gatterman-Koch), o eletrófilo mais provável é o íon

acilíon, HC+=O.

Na reação, o equilíbrio é desfavorável à formação do

produto, mas é deslocado para a direita pela complexação de

aldeído com o catalisador, o ácido de Lewis.

A acilação também pode ser efetuada com anidridos de

ácidos, (RCO)2O, em presença de ácidos de Lewis

138

Dado que não ocorre poliacilação, a reação de acilação

de um anel aromático é usada como o primeiro passo de um

processo para a alquilação de compostos aromáticos por

acilação-redução. Em geral, é preferível preparar

alquilbenzenos por acilação seguida de redução de

Clemmensen, ou outra, do que fazer à alquilação direta.

Acoplamentos diazo

O acoplamento diazo é a reação de substituição

eletrofílica aromática clássica, em que o eletrófilo efetivo é o

cátion diazônio.

NN

NN+

+

Este é um eletrófilo fraco em comparação com espécies

como +NO2, e normalmente só reage com compostos

aromáticos extremamente reativos, como os fenóis e aminas.

Contudo, a introdução de grupos retiradores de elétrons nas

posições orto ou para do cátion diazônio aumenta o seu caráter

eletrófilo através do aumento da carga positiva no grupo diazo

Assim, o cátion 2,4-dinitrofenildiazônio acoplará com

PhOMe, e o composto 2,4,6 correspondente acoplará até

mesmo com o hidrocarboneto 2,4,6-trimetilbenzeno

(mesitileno). Os cátions diazônio existem em solução ácida e

em solução ligeiramente alcalina, e as reações de acoplamento

diazoico são realizadas nestas condições, dependendo do pH

ótimo das espécies reagentes. Com fenóis esse pH é

139

ligeiramente alcalino, dado ser PhO-, e não PhOH, que reage

com ArN+2, seguindo a lei de velocidade da reação.

Velocidade = [ArN2+][PhO-]

O acoplamento diazócio com o íon fenóxido forma o

produto substituído, após a abstração do próton H+.

A remoção do próton (normalmente não determinante da

velocidade) é assistida por uma das espécies básicas

presentes na solução. O acoplamento normalmente ocorre na

posição para, em vez de na posição orto, devido ao volume

considerável do eletrófilo reagente, ArN+2.

As aminas aromáticas são, em geral, menos facilmente

atacadas do que os fenóis, e o acoplamento diazoico

normalmente ocorre em soluções levemente ácidas,

assegurando assim uma protonada [PhN+2], sem conversão na

amina, ArNH2, o cátion protonado inerte, ArN+H3, são bases

muito fracas. A diazotação inicial de aminas primárias

aromáticas é efetuada em meio fortemente ácido para garantir

que a amina que ainda não reagiu seja convertida no cátion,

evitando deste modo o acoplamento com o sal de diazônio à

medida que se forma.

Com aminas aromáticas, a reação ocorre principalmente

no nitrogênio, com aminas primárias e secundárias (N-

alquilanilinas), para dar compostos diazoamino, após a

abstração do próton.

140

Com a maioria das aminas primárias, este é o produto

da reação, mas com as aminas secundárias (N-alquilanilinas)

também pode ocorrer acoplamento no átomo de carbono do

anel, enquanto que com aminas terciárias (N,N-dialquilanilinas)

só se obtém o produto acoplado ao carbono.

Verifica-se que a reação segue normalmente a lei geral

de velocidade.

Velocidade = k[ArN2+][PhNR2]

Em alguns casos, a reação de acoplamento é catalisada

por bases, e verifica-se que é acompanhada por um efeito

isotópico cinético, k-1 > k2, e a quebra da ligação, C–H participa

da etapa determinante da velocidade da reação.

Ataque eletrofílico a C6H5Y

Quando um derivado monossubstituído do benzeno,

C6H5Y, sofre substituição eletrofílica, nitração, o novo

substituinte pode ser incorporado na posição orto, meta ou

para, e a velocidade realtiva da reação de substituição pode

ser maior ou menor do que a velocidade da correspondente

reação de substituição no benzeno.

A reação de substituição ocorre de modo a formar, o

isômero meta ou uma mistura dos isômeros orto e para. Nos

compostos formados na posição meta do anel, em relação ao

141

substituinte, a velocidade relativa da reação é sempre menor

do que a da correspondente reação no benzeno.

Y

Y

NO2

Y

NO2

Y

NO2

NO2

+NO2

+NO2+

No caso, onde os produtos são formados nas posições

orto e para, a velocidade relativa da reação é normalmente

maior do que a velocidade da reação correspondente com o

benzeno. O grupo substituinte Y é quem controla a posição em

que vai ocorrer a reação com o segundo grupo substituinte, o

que pode ser explicado com base nos efeitos eletrônicos que Y

pode exercer. O grupo substituinte Y pode também exercer um

efeito estereoquímico, mas a influência deste fator está limitada

ao ataque na posição orto.

Os substituintes Y são classificados como diretores meta

ou orto/para. Se a reação é mais rápida do que o do benzeno,

os grupos substituintes são ativadores; se o ataque for mais

lento, são desativadores. Deve salientar que estes efeitos

diretores são mais relativos do que absolutos, numa reação de

substituição praticamente formam-se sempre os três isômeros,

embora a proporção de produto meta com um substituinte Y

diretor orto e para, ou de produtos orto/para com um

substituinte Y diretor meta possam ser muito pequenas. Assim,

verifica-se que a nitração do nitrobenzeno (Y = NO2) resulta

numa mistura de 93% de isômero meta, 6% de isômero orto e

1% de isômero para, assim, o grupo NO2 é classificado como

um substituinte desativador e diretor meta. Pelo contrário, a

nitração do metoxibenzeno (Y = MeO-) origina 56% do isômero

142

para, 43% do isômero orto e 1% do isômero meta, então o

grupo MeO- é um substituinte ativador e diretor orto e para.

EFEITOS ELETRÔNICOS DO GRUPO SUBSTITUINTE (Y)

O efeito que um dado substituinte Y no anel aromático

exerce sobre a velocidade da reação nas posições orto/para e

meta, respectivamente, será discutidos a seguir.

Efeitos eletrônicos de grupos substituintes desativantes

Os grupos substituintes desativantes, Y = +NR3, CCl3,

NO2, CHO, CO2H, SO3H, CN, etc., têm em comum um átomo

carregado positivamente, ou polarizado positivamente,

adjacente a um átomo de carbono do anel benzênico.

Por isso, são retiradores de elétrons (efeito indutivo

negativo) do anel benzênico.

Quando o grupo substituinte é o NO2, um grupo

desativante e meta-dirigente apresenta as seguintes formas de

ressonância, como exemplo de complexos σ correspondentes

para reagir com um segundo eletrófilo, E+, na posição, meta

em relação ao substituinte inicial NO2.

O efeito desativante de Y sobre o anel aromático

aumenta a velocidade relativa da reação de substituição, na

seguinte ordem aproximada, +NR3 < NO2 < CN < SO3H < C=O

< CO2H.

Os substituintes como +NR3 serão particularmente

desativantes em reações de substituição em que o próprio

143

eletrófilo reage estando este carregado positivamente, +NO2,

(kC6H5Y/kC6H6 = 1,5 x 10-8 para a nitração quando R=CH3).

Efeitos eletrônicos de grupos substituintes ativantes

Os grupos substituintes ativantes, como grupo alquila e

fenila, em relação ao hidrogênio, são doadores de elétrons

(efeito indutivo positivo). As estruturas canônicas

correspondentes ao ataque orto e para, nos quais uma carga

positiva está localizada no átomo de carbono adjacente, são

estabilizadas.

Esses fatores não atuam no complexo σ correspondente

ao ataque, e assim a substituição orto e para é favorecida,

devido ao efeito doador de elétron, o ataque em qualquer

posição será mais rápido do que no benzeno (kC6H5Y/kC6H6 = 3,4

x 102, para a cloração).

O grupo CMe3 exerce um efeito indutivo doador de

elétron maior do que CH3, verifica-se que o tolueno sofre um

ataque orto e para mais rápido do que o 2,2-dimetilbenzeno.

Isto é devido ao fato de a doação de elétrons de CH3 poder

ocorrer por hiperconjugação, assim como através de um efeito

indutivo, enquanto que com CMe3 só o efeito indutivo pode

atuar.

144

A estabilização específica das formas canônicas dos

complexos σ correspondentes ao ataque orto e para também

pode ser efetuada por um grupo fenila, e a velocidade relativa

da reação com o bifenil é maior do que no caso do benzeno

(kC6H5Y/k C6H6 = 4,2 x 102 para a cloração).

Os casos em que grupos substituintes (Y) têm em

comum um átomo adjacente ao núcleo que pode exercer efeito

indutivo doador de elétron, e um par eletrons (Y = OCOR,

NHCOR, OR, OH, NH2, NR2) que pode estabilizar

especificamente os complexos σ correspondentes ao ataque

orto e para.

A estabilização é particularmente acentuada não só por

estar envolvido mais um estado canônico na estabilização dos

complexos σ orto e para, mas porque as formas, em que a

carga positiva está localizada no oxigênio, são mais estáveis

do que as outras, em que a carga positiva está localizada no

carbono. Este efeito é suficientemente pronunciado para se

sobrepor muito ao feito indutivo retirador de elétron, que

também atua nestes dois complexos σ, e assim a substituição

é quase complemente orto e para (obtêm-se << 1% do

isômero meta na nitração de PhOMe) e muito mais rápido do

que com o benzeno (kC2H5OMe /kC6H6 = 0,7 X 106 para a

cloração).

A ação do efeito indutivo retirador de elétron pode,

contudo, ser observada na pequena quantidade de ataque em

meta (para o qual não há estabilização específica do complexo

145

σ por deslocalização dos elétrons), que ocorre mais lentamente

que no caso do benzeno.

O efeito ativador de grupo substituinte (Y) no anel

aromático aumenta a velocidade relativa de substituição, na

seguinte ordem aproximada.

OCOR < NHCOR < OR < OH < NH2 < NR2

O grupo NR2 é um ativante mais forte do que NH2,

devido ao efeito doador de elétron dos grupos R. Contudo, não

se deve esquecer que em solução ácida, a reação de nitração,

estes dois grupos serão convertidos em +NHR2 e +NH3, o

núcleo estará assim desativado, e a substituição será

predominantemente meta. Os grupos OCOR e NHCOR são

ativantes mais fracos do que OH e NH2, devido à redução de

disponibilidade eletrônica no O e N, por deslocalização sobre o

grupo carbonila elétron atraente adjacente.

Os halobenzenos que tem o grupo substiuinte (F,Cl, Br,

e I) têm um átomo adjacente ao núcleo que transporta um par

eletrônico, assim, pode ocorrer a estabilização específica dos

complexos σ correspondentes ao ataque orto e para.

Os halogênios são desativantes, e orto e para diretores.

O efeito indutivo (negativo) retirador de elétron dos halogênios

é tal que o ataque é mais lento do que no caso do benzeno.

São substituintes desativantes (kC6H5Cl/kC6H6 = 3 x 10-2 para a

nitração). Esta atração de elétrons por halogênios reflete-se no

estado fundamental por um dipolo no clorobenzeno, com a

extremidade positiva no núcleo, em comparação com o

metoxibenzeno, no qual o dipolo tem orientação oposta.

146

O efeito nos complexos σ carregados positivamente não

é assim tão simples, apresentando a seguinte ordem de

velocidade relativa para o ataque eletrofílico nos halobenzenos.

C6H5F > C6H5Cl ≈ C6H5Br > C6H5I

O fluorbenzeno reage com uma velocidade muita

próxima a do benzeno.

Fatores de velocidade parciais e seletividade

Métodos cinéticos refinados e a capacidade de

determinar com exatidão as proporções relativas dos isômeros

orto, meta e para formados, por métodos espectroscópicos,

permitem uma abordagem quantitativa da substituição

eletrofílica aromática. Um conceito útil é o de fatores de

velocidade parciais, a velocidade em que uma posição, em

C6H5Y é

atacada,

compara

da com

a

velocida

de de

ataque de uma posição do benzeno, e que se representa por

fposição.

Os fatores de velocidade parciais podem ser obtidos por

determinações cinéticas independentes das constantes de

velocidade realtivas kC6H5Y e kC6H6. Em condições análogas (ou

por uma experiência competitiva, em que quantidades

equimolares de C6H5Y e de C6H6 competem por uma

quantidade insuficiente de um eletrófilo, dando assim a razão

147

kC6H5Y/kC6H6) e análises das quantidades relativas de produtos

orto, meta e para obtidos a partir de C6H5Y – a distribuição

isomérica (geralmente referida como a porcentagem do produto

de substituição total obtido). Assim, recordando que existem 6

posições disponíveis para ataque em C6H6, comparadas com

as posições 2orto-,2meta- e 1para- em C6H5Y, tem-se:

para a nitração do tolueno pelo ácido nítrico em anidrido

acético a 0 °C, kC6H5Me/kC6H6 é 27, e a porcentagem da

distribuição isomérica é: 6,5 de orto; 1,5 de meta e 37,0 de

para; e os fatores de velocidade parciais para a nitração,

nestas condições são:

A comparação destes fatores de velocidade parciais

para a nitração do tolueno com os da cloração e da bromação

mostra que diferem, em termos absolutos ou em termos

relativos, com o eletrófilo reagente, assim como de Y. Os

valores absolutos dos fatores de velocidade parciais, kY/kH,

aumentam na ordem (Nitração < Cloração < Bromação), à

medida que diminui a reatividade do eletrófilo atacante.

O uso dos fatores de velocidades parciais permite uma

investigação mais exata dos efeitos diretores do que era

possível até agora. Assim, todos os fatores de velocidade

parciais para o tolueno são >1, indicando que o grupo CH3

ativa todas as posições do núcleo em relação ao benzeno. O

mesmo se verifica para Y = CMe3, mas neste caso fm- para a

nitração é 3,0, em comparação com 1,3 para o tolueno,

indicando que CMe3 exerce um efeito indutivo (polar) elétron

doador maior do que o grupo CH3. Ao contrário, quando Y =

148

C6H5 no bifenila, fm- para a cloração é 0,7, a reação nesta

posição é mais lenta do que no benzeno (embora kC6H5Y/kC6H6 =

4,2 x 102), dado que o átomo de carbono sp2 pelo qual o

substituinte C6H5 está ligado ao anel benzênico exerce um

efeito indutivo (polar) reterador de elétron.

Observa-se um efeito semelhante com substituintes

ativantes e diretores orto e para, quando é possível investigar

uma reação que produz o produto meta em quantidade

suficiente para ser medida, a troca de deutério como ácido forte

CF3CO2D em C6H5OPh.

Os valores muito elevados de fo- e fp- refletem a

capacidade do par eletrônico em O de estabilizar seletivamente

os estados de transição para o ataque orto e para, enquanto

que o valor de fm- < 1 reflete a desestabilização do estado de

transição para o ataque meta pelo indutivo (polar) retirador de

elétron do átomo de oxigênio.

Os fatores de velocidade parciais e a distribuição

isomérica, numa reação de substituição, também são afetados

pela temperatura.

Efeitos esteroquímicos e razões orto/para

A razão dos produtos orto/para em uma reação

raramente é estatística de 2:1. Para qualquer diferença nos

efeitos eletrônicos que possam atuar nos estados de transição

(ou nos seus modelos, os intermediários de Wheland) para os

149

ataques orto e para, o estado de transição corresponde ao

ataque orto é ainda suscetível a efeitos estereoquímicos, que

podem ser pequenos ou insignificantes no estado de transição

correspondente ao ataque para. Verifica-se em geral que a

proporção de isômero orto diminui à medida que aumenta o

volume de Y ou do volume do eletrófilo atacante.

Assim, verifica-se que, para a nitração de alquil

benzenos (Y = CH3 → CMe3) em condições análogas,

Y % o- % p- fo- /fp-

CH3 58 37 1,57

CH2Me 45 49 0,92

CHMe2 30 62 0,48

CMe3 16 73 0,22

Analogamente, para vários ataques eletrofílicos

diferentes no clorobenzeno observam-se os seguintes valores:

Reação % o- % p- fo- /fp-

Cloração 39 55 0,71

Nitração 30 70 0,43

Bromação 11 87 0,14

Sulfonação 1 99 0,01

A cloração versus sulfonação corresponde ao aumento

crescente do volume da espécie eletrofílica reagente. Estes

resultados podem ser explicados com base no aumento

crescente do impedimento no estado de transição para o

ataque orto, o que representa o nível de energia mais elevado

(maior ∆G) e resulta numa velocidade corresponde mais lenta

de formação do isômero orto.

O fator estereoquímico pode não ser o único a atuar,

observa-se na nitração dos halobenzenos.

150

Y % o- % p- fo- /fp-

F 12 88 0,14

Cl 30 69 0,44

Br 37 62 0,60

I 38 60 0,63

Apesar do aumento do tamanho do substituinte Y

quando se passa de F → I, verifica-se que aumenta a

proporção de isômero orto e da razão orto/para. Não há

motivos para supor que um aumento de efeitos estereoquímico,

como o observado nos alquilbenzenos, não atue, e o seu efeito

deve, neste caso, ser menor do que o efeito indutivo (polar)

elétron retirador de Y. Este diminuirá com a distância, sendo

menos forte na posição para do que na posição orto; este

efeito será forte na posição orto relativo ao Flúor, muito

eletronegativo, assim o ataque em orto é pequeno apesar do

tamanho reduzido do substituinte. O efeito indutivo retirador de

elétron diminui consideravelmente do Fluor → Iodo (alteração

maior quando passa do F → Cl), resultando no aumento do

ataque à posição orto apesar do aumento do volume de Y.

Controle cinético versus termodinâmico

Nas reações anteriores, considerou-se que as

proporções de produtos formados numa reação são os

isômeros orto, meta e para, determinados por suas

velocidades de formação relativas, isto é, controle é cinético.

Contudo, nem sempre é o que se observa na prática. Na

alquilação de Friedel-Crafts do metilbenzeno com brometo de

benzila e GaBr3 (ácido de Lewis) a 25 ºC verifica-se que a

distribuição isomérica é:

Tempo (s) % o- % m- % p-

0,01 40 21 39

151

10 23 46 31

Mesmo após um tempo de reação muito curto (0,01

segundos) é duvidoso se a distribuição isomérica (na pequena

quantidade de produto reacional formado até então) é

puramente controlada pela cinética, a proporção de isômero

meta já é bastante elevada, e a após 10 segundos, já a reação

não é cineticamente controlada.

É importante salientar que as proporções relativas dos

produtos alternativos formados serão definidas pelas suas

estabilidades termodinâmicas relativas nas condições de

reação, que podem diferir das estabilidades termodinâmicas

das moléculas isoladas.

Substituição eletrofila em outras espécies aromáticas

A piridina, assim como o benzeno, tem 6 elétrons π

(sendo um deles fornecido pelo nitrogênio) nos orbitais π

deslocalizadas, mas, ao contrário do benzeno, os orbitais são

deformados pela atração em direção ao átomo de nitrogênio

por este ser mais eletronegativo do que o carbono. Isto reflete

no dipolo da piridina, que tem a extremidade negativa no N e a

extremidade positiva no anel.

A piridina é, por isso, descrita como um heterocíclico

deficiente em elétrons π, e, por analogia com o anel benzênico

que contenha um substituinte elétron retirador, NO2, pode

prever-se que esteja desativada frente ao reagente eletrofílico.

A substituição ocorre, com dificuldade, na posição meta por ser

a que conduz ao intermediário Wheland mais estável, ambos

152

os intermediários resultantes dos ataques nas posições orto e

para, a forma canônica em que a carga positiva está localizada

no nitrogênio, altamente instável e com energia elevada.

Esta dificuldade de ataque é devida, em parte, ao fato de

a piridina ter um par de elétrons livres no átomo de nitrogênio,

e pode, por isso, protonar ou interatuar com um eletrófilo.

A carga positiva irá desestabilizar ainda mais qualquer

dos complexos σ para a substituição eletrofílica, como

acontece o substituinte +NR3, a carga positiva está agora num

átomo do próprio anel e não simplesmente num substituinte.

O pirrol também tem 6 elétrons π em orbitais π

deslocalizadas, mas, neste caso, o átomo de nitrogênio tem de

contribuir com dois elétrons para completar o sexteto (por isso

não é básico durante o processo) e verifica-se que o dipolo do

pirrol se encontra em direção oposta ao da piridina, com a

extremidade positiva no nitrogênio e a extremidade negativa no

anel.

O pirrol é um heterocíclico excedente em elétrons π e

comporta-se de modo semelhante a um derivado do benzeno

ativado (anilina), reagindo com um eletrófilo com muita

facilidade. Isto pode não ocorrer em solução fortemente ácida

153

porque a protonação é forçada mesmo no pirrol fracamente

básico, a protonação ocorre no átomo de carbono 2 em vez do

nitrogênio.

Perde-se, assim, o caráter aromático, e o cátion

comporta-se como um dieno conjugado, sofrendo

polimerização com grande facilidade.

SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA

Substituição de hidrogênio

O ataque por nucleófilos no anel benzênico sem

substituintes é muito mais difícil de ocorrer do que o ataque por

eletrófilos, visto que:

(a) a nuvem de elétrons π do anel está apta a repelir um

nucleófilo que se aproxime e;

(b) o seu sistema orbital π é menos capaz de

deslocalizar os dois elétrons extras, complexo e carregado

negativamente, do que no intermediário de Wheland, carregado

positivamente.

As dificuldades, dos ítens (a) ou (b) podem ser vencidas

se estiver presente um substituinte retirador de elétron para

facilitar o ataque pelo nucleófilo. O nitrobenzeno quando

aquecido com KOH, na presença de ar, produz o o-nitrofenol e

uma pequena quantidade de p-nitrofenol.

154

O substituinte NO2 retirador de elétron, orienta

substituição nucleofílica nas posições orto e para.

A piridina não requer mais do que a sua própria

capacidade elétron retiradora, e é atacada por nucleófilos

fortes, –NH2, em amoníaco conhecida como reação de

Tschitschibabin.

O grupo H- é removido formando o produto, 2-

aminopiridina, que foi durante muito tempo usado como

material de partida na síntese da sulfapiridina, um

medicamento do grupo das sulfonamidas.

SUBSTITUIÇÃO DE ÁTOMOS DIFERENTES DE

HIDROGÊNO

Mecanismo unimolecular SN1Ar

As reações de substituição nucleófila aromática são

mais comuns e úteis, quando um átomo de hidrogênio ou grupo

é substituído por outro grupo de saída melhor do que H+, como:

Cl-, Br-, N2, SO32-, –NR2, etc..

Um exemplo é a substituição de N2 nas reações dos sais

de diazônio, ArN2+:

ArN2+ + Y- � ArY + N2

Seguindo a lei de velocidade, Velocidade = k[ArN2+], em

que a velocidade é independente de [Y-]. A lei de velocidade

observada foi interpretada em termos da etapa lenta, e

determinante da velocidade, de um cátion arilo, seguida pela

etapa rápida com o nucleófilo.

155

A semelhança com a reação SN1 em carbono saturado,

é reforçada ao verificar que os nucleófilos adicionados Cl-,

MeOH, etc., afetam a posição do produto, mais não a

velocidade da reação.

A formação do cátion fenila é extremamente instável (a

carga positiva não pode ser deslocalizada pelo sistema orbital

π), e a força diretora é fornecida pela eficácia de N2 como

grupo de saída. O mais importante desta reação é poder gerar

o cátion arila simples em solução. Os cátions arilas são

extremamente reativos, e, por isso, não-seletivos frente a

nucleófilos, a seletividade entre Cl- e H2O (kCl-/kH2O) é de

apenas 3 para C6H5+ em comparação com 180 para Me3C

+. A

reatividade muito elevada de C6H5+ reflete-se na sua

capacidade de se combinar com N2, a decomposição do cátion

diazônio é reversível, o que foi demonstrado pela observação

da dispersão parcial com nitrogênio marcado, 15N.

As reações de sais de diazônio, em solventes menos

polares, podem ocorrer através da formação inicial de um

radical arila.

Mecanismo adição-eliminação SN2 ativado

As reações de substituição aromática nucleófila mais

comuns envolvem substituição de X- de um haleto ativado por

grupo retirador de elétron, esses mecanismos podem ser

denominados: adição-eliminação ou SN2 ativado.

156

Essas reações seguem, geralmente, a seguinte lei de

velocidade, velocidade = k[ArX][Y-], com semelhança a reação

de SN2 no carbono saturado. O mecanismo difere do

mecanisno SN2, porque o ataque por Y- não ocorre por trás no

átomo de carbono que transporta o grupo de saída, ocorrendo

pelo mesmo lado. E por isso, a reação de substituição

bimolecular, SN2 aromática, não é sincronizada, ocorre por um

mecanismo em duas etapas. Via complexo σ ou intermediário

de Meisenheimer.

A reação ocorre através de dois estados de transição,

ET1 e ET2 entre os quais não há o complexo intermediário (CI),

o esquema proposto para indicar como a reação ocorre é:

A

X

B

Nu-

A

X

B-

Nu

A

X

B-

Nu

A

X

B-

Nu

A

Nu

B

+ X-

ET1 ET2CI

O mecanismo é facilitado por:

1 - A existência de um bom grupo abandonador,

facilmente deslocável com seu par de elétron e;

2 – A presença de substituintes ou heteroátomos

retiradores de elétron no anel aromático.

Nestas reações a etapa lenta pode ser a 1ª ou a 2ª como

ilustrados pelos gráficos dos perfis energéticos:

157

ET1

ET2

Coordenada da reaçãoE

nerg

ia li

vre

EI

EF

ET1

ET2

EI

EF

CI CI

Substituição via intermediários arino ou eliminação-adição

Sugerindo que o ataque inicial do –NH2 deve ser como

base em vez de ser como nucleófilo, retirando o hidrogênio orto

ao grupo abandonador; já que este hidrogênio possui acidez

suficiente para levar a uma eliminação-β, na primeira etapa:

A perda do próton do p-clorometilbenzeno pode ser

síncrona com, ou seguida por, perda de Cl- para dar o

intermediário arino. Este tem duas posições alternativas que

podem sofrer ataque por –NH2; a adição de NH3 de dois modos

alternativos. Não se deve esperar que as proporções dos dois

produtos alternativos sejam as mesmas, porque o arino não é

um intermediário simétrico, as duas posições de ataque por –

NH2 são diferentes.

Este é um mecanismo de eliminação/adição (em

contraste com a adição/eliminação de SN2 aromática).

Os arinos apresentam características estruturais

interessante. Não podem ser acetilênicos, dado que isso

requeria uma deformação enorme do anel benzênico para que

acomodasse o ângulo de 180° exigido pelos carbonos

Cl

CH3 H

+-NH2

CH3 NH2

H

CH3

NH2

H

Cl

CH3 CH3-

-NH2 /NH3

-NH2/NH3

158

hibridados sp1 num alcino. Parece mais provável que os

orbitais π deslocalizadas do sistema aromático fiquem

praticamente inalteradas, conservando assim a estabilidade

aromática, e que os dois elétrons disponíveis vão preencher os

dois orbitais híbridos sp2 originais.

A sobreposição entre estes orbitais é muito pobre, e a

ligação resultante correspondente é fraca. Os arinos são por

isso muito reativos frente a nucleófilos e eletrófilos.

5o ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO

1. Explique a formação dos seguintes compostos:

a)

I

+ AgNO2

NO2 CH2NO2

+

b)

CH3CH3

C C

OH OHH2SO4

C C

O

CH3( )2

C C

O

CH3

CH3

)(2

+

94%

6%

OH OH

H2SO4

O

c)

d) CH3O CC

O

(C6H5)2

OCH3

+H2SO4

72% 28%

C C(C6H5)2

OHOH

CH3O( )2

C CC6H5CH3O

C6H5

O

)(2

NH2

OHCHO + N2

e) HNO2

159

CH2NH2HNO2 CH2OH

OH

H2C CHCH2CH2OHf) + +

NH3 NH

O

O

NaOClO

O

O

CO2H

NH2

g)

CH3CH2CONH2NaOBr

Br2 + NaOHCH3CH2NH2 + CO2h)

O

RCO3H

H+

OOi)

O

HN3

H2SO4

NO

H

j)

160

C N

OH

C6H5

CH3H2SO4 Conc.

CH3C NHC6H5

O

CH3C NC6H5

OHl)

C N

OHC6H5

CH3PCl5 C N

OPCl4

CH3 C6H5C N

O

H

CH3

H2Om) [ ]

C NOH

C6H5

CH3PCl51)

2) H2O

CH3 CNHC6H5

O

n)

NOH

H2SO4CN

OH

o)

65%

SOCl2 ACH2 N N

-HClB

1) Ag2O, H2O

2) H+

CO2H CH2CO2H

45%

p)

+-

C2H5CCOOH

CH3

C6H5

1)2)

3)

SOCl2CH2N2

Ag2OC2H5CCH2COOH

CH3

C6H5

C2H5CCH2CH2COOH

CH3

C6H5

q)

Ag2O

CH2N2

SOCl2

3)

2)1)

52% 45%

161

162

UNIDADE VI – REARRANJOS MOLECULARES

ENVOLVENDO ÁTOMOS DE CARBONO, NITROGÊNIO E

OXIGÊNIO DEFICIENTES DE ELÉTRONS

MÉTODOS DE FORMAÇÃO DE ÍONS CARBÔNIO

Fissão heterolítica de espécies neutras

Em cada caso é geralmente necessário um meio

altamente polar (ε elevado), com elevada capacidade

solvatante. Num contexto semelhante, foi já mencionado o

efeito de Ag+ na catálise de rações, geralmente por uma

mudança de mecanismo SN2 → SN1.

Ag+

+ R Br Ag + R+

Br

O efeito catalítico de Ag+ pode, contudo, ser complicado

pelo fato de o haleto de prata precipitado poder atuar como um

catalisador heterogênio.

A ionização também pode ser reduzida por ácido de

Lewis, por exemplo, o BF3,

+CCH3 OF BF3 CH3 C O+

BF4-

para dar um cátion acila, e sendo o equilíbrio

consideravelmente influenciado pela enorme estabilidade do

ânion, BF4-. Também com AlCl3,

++

+AlCl3 AlCl4-

CH3

C+

CH3CH3

AlCl4-

CO

CH3

CCH3

CH3

C

O

Cl

CH3

CCH3

CH3

C

O

onde o cátion acilo relativamente instável se decompõe,

originando Me3C+ muito estável, e sendo o equilíbrio deslocado

para a direita pela liberação de gás monóxido de carbono (CO).

Exemplos particularmente ilustrativos são fornecidos

pelos trabalhos de Olah com SbF5 como ácido de Lewis, em

SO2 líquido ou com excesso de SbF5 como solventes.

+R F SbF3 R+SbF6

-

163

A utilização dos “super ácidos”, daquele mesmo

investigador __ como SbF5/FSO3H, por exemplo __ permite a

formação de cátions alquilo, mesmo a partir de alcanos.

A estabilidade relativa de Me3C+ é evidenciada pelo fato

de se ter verificado que o íon carbônio isométrico,

MeC+HCH2Me, obtido de MeCH2CH2Me, rearranja de modo

instantâneo a Me3C+. A relação entre a estabilidade relativa de

íons carbônio e a sua estrutura é discutida mais adiante.

Adição de cátions a espécies neutras

O cátion mais comum é H+, que se adiciona a ligações

insaturadas, i. e. protonação, por exemplo na hidratação

catalisada por ácidos e alcenos.

A reação é reversível, e a inversa é a desidratação de

álcoois, catalisada por ácido. A protonação também pode

ocorrer no oxigênio de uma ligação dupla carbono-oxigênio,

conduzindo, assim, a um átomo de carbono mais positivo para

ataque subsequente por um nucleófilo, neste caso H2O, na

hidratação catalisada por derivados de ácidos carbonílicos.

A protanação ocorre na ausência de água, pela dupla

depressão do ponto de congelação observado com cetonas em

ácido sulfúrico concentrado.

+CH CHCH3 CH3 CH CHCH3 CH3

H

CH CHCH3 CH3

H

+OH2

CH CHCH3 CH3

H

OH

H+

OH2 - H+

+ +

CH3

CCH3

CH3

H SbF5/FSO3H H2

CH3

C+

CH3CH3

SbF5FSO3-

++ +C O

CH3

CH3H

+

C OH

CH3

CH3

C+

OH

CH3

CH3 OH2C

OHCH3

CH3 OH

H+δ

+δ

-

+C O

CH3

CH3 δ+

δ-

H2SO4 +C+

OH

CH3

CH3

HSO4-

164

Também podem ser gerados íons carbônios por

protonação de pares eletrônicos livres, neste caso, o átomo

protonado é convertido num bom grupo de saída e a ionização

é favorecida.

++ ++

Ph3C OHH2SO4

Ph3C OH

H

HSO4- H2SO4 Ph3C

+H3O

+ 2HSO4-

As ácidos de Lewis, também podem ser usados,

C O

CH3

CH3 δ+

δ-

+ +AlCl3 C O

CH3

CH3

AlCl3-

e outros cátions, por exemplo, o +NO2 na nitração do benzeno,

++

+

H

NO2

CH

NO2

em que o intermediário carregado positivamente é um íon

carbônio deslocalizado.

Obtenção de íons carbônios a partir de outros cátions

Os íons carbônios podem ser obtidos a partir da

decomposição de outros cátions, por exemplo, o cátion

diazônio proveniente da reação de NaNO2/HCl com RNH2,

R N N+

++

R N N

e também pela utilização de um íon carbônio facilmente

acessível para gerar outro de mais difícil obtenção.

+ +Ph3C+

HH

Ph3C H +

165

Estabilidade e estrutura de íons carbônios

O íon carbônio de grupo alquila simples apresentam a

seguinte sequência de estabilidades:

Me3C+ > Me2CH+ > MeCH2

+ > CH3+

A crescente substituição no átomo de carbono do íon

carbônio aumenta a deslocalização da carga positiva, por ação

de efeitos indutivos e de hiperconjugação. A estabilidade

particular de Me3C+ provém do fato de poder muitas vezes ser

formado, em condições vigorosas, por isomerização de outros

íons carbônio primeiro formados, e por que se mantém

inalterado após aquecimento a 170 °C em SbF5/FSO3H durante

4 semanas.

A estabilidade do íon carbônio acontece porque este é

planar, e nesta configuração pode ocorrer deslocalização

eficaz. Cálculos de mecânica quântica para cátions alquilo

simples sugerem, de fato, que a configuração planar (sp2) é

mais estável do que a piramidal (sp3) em cerca de 84 kJ (20

kcal)mol-1. À medida que este se afasta da planaridade,

aumenta a instabilidade do cátion e a consequente dificuldade

da sua formação. Isto foi observado para areação do 1-

bromotripticeno ao ataque SN1, devido à incapacidade de fomar

uma configuração planar, o que impede a formação do íon

carbônio. A estrutura planar observada por RMN e IV de

espécies como MeC+SbF5- é semelhante aos trialquilboranos,

R3B, com os quais são isoeletrônicas.

Um dos principais fatores que influencia a estabilidade

de cátions menos simples é a possibilidade de deslocalização

da carga, quando esta pode envolver orbitais π.

166

CH2 CH CH2 H2C CH CH2

+

++

+

CH2 CH2

δ+

δ+

CH3 O CH2

+CH3 O CH2

A reatividade frente a SN1 de haletos de alilo e de

benzilo, e a eficiência particular do par eletrônico livre no átomo

de oxigênio do exemplo anterior reflete-se no fato de que

MeOCH2Cl sofre solvólise pelo menos 1014 mais rapidamente

do que CH3Cl.

A estabilização também pode ocorrer mais uma vez por

deslocalização, através da ação de um grupo vizinho,

resultando na formação de um íon carbônio “em ponte”. Assim,

a ação de SbF5 em SO2 líquido sobre p-MeOC6H4CH2CH2Cl (2)

resulta na formação de (3), atuando o grupo fenila como grupo

vizinho.

Estas espécies com um grupo fenila em ponte são

conhecidas como íons fenônios. O efeito do grupo vizinho é

ainda mais pronunciado com um substituinte OH do que com

um substituinte OMe na posição para. Verifica-se que a

solvólise ocorre 106 vezes mais rápido e é possível isolar o

intermediário em ponte (5), embora não seja agora um íon

carbônio.

OCH3

CH2 CH2

+

OCH3

CH2 CH2 Cl

XSbF3/SO2

-70 ºC

:

C

OCH3

CH2 CH2

δ+

δ+

SbF3Cl-

(4) (2) (3)

OH

CH2 CH2 Br

C

O

CH2 CH2

CH3 O-

CH3O-

O-

CH2 CH2 OCH3

(5)

167

A estabilização, por meio de deslocalização,

ocorre em sistemas aromáticos. O 1-bromociclohepta-2,4,6-

trieno (brometo de tropílio, 6), que é isométrico com CH5CH2Br,

é um sólido cristalino (p.f 208 °C), extremamente solúvel em

água dando íons brometo em solução, um par iônico. A razão

deste comportamento reside no fato de o cátion cíclico (7)

apresentar 6 elétrons π, que podem ser acomodados em três

orbitais moleculares deslocalizados sobre os sete átomos.

Trata-se de um sistema que obedece a regra de Huckel 4n+2

(n=1) como o benzeno e exibe estabilidade quase aromática,

sendo o íon carbônio planar estabilizado, por aromatização.

BrH

(6)

H

H

HH

H

H

H

+ Br-

(7)

A aromatização deslocalizada indicada é confirmada

pelo fato de seu espectro de RMN apresentar um único sinal de

próton dos sete átomos de hidrogênio, reflete no fato de (7) ser

cerca de 1011 vezes mais estável do que o Ph3C+ altamente

deslocalizado.

Um caso particularmente interessante de estabilização

de um íon carbônio pode ser observado nos sistemas de

Huckel (4n + 2 em que n = 0), em sistemas cíclicos com 2

elétrons π. Verifica-se assim que os derivados do 1,2,3-

tripropilciclopropeno (8) dissocia ao correspondente cátion

ciclopropenilo (9) com extrema facilidade.

++

Pr Pr

YPr

Pr Pr

Pr

Y- SbCl6

-

(8) (9) (10)

Observa-se que (10) é mais estável (≈ 103 vezes) do que

(7) e encontra-se presente como íon carbônio numa extensão

de cerca de 50% em água a pH 7. Mais recentemente também

168

se mostrou ser possível isolar um par iônico o próprio cátion

ciclopropenilo (10) como um sólido branco cristalino.

Reações de íons carbônio

Os íons carbônio podem reagir por quatro tipos básicos

de reações. (a) Combinação com um nucleófilo, (b) Eliminação

de um próton, (c) Adição a uma ligação insaturada e (d)

Rearranjo da sua estrutura e seguindo (a) ou (b).

Os dois primeiros tipos de reação (a) e (b) conduzem

frequentemente à formação de produtos finais estáveis, mas (c)

e (d) dão origem à formação de novos íons carbônio, para os

quais são possíveis seguir (a) ou (b). A maior parte destas

possibilidades está bem ilustrada na reação de 1-

aminopropano (11) com nitrito de sódio e ácido clorídrico

diluído, formando cátion diazônio.

++

+

+CH3 CH2 CH2 N N NaNO2

HClCH3 CH2 CH2 NH2

N2 CH3 CH2 CH2

CH3 CH2 CH2 OH

CH3 CH CH2

CH3 CH CH3

CH3 CH CH3

OH

(11)(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

H2O

H2O

- H+

A reação do cátion 1-propilo (13) com água (reação tipo

(a), combinação com um nucleófilo) forma o propan-1-ol (14), a

eliminação de um próton de (13) forma o propeno (15, reação

do tipo (b) Eliminação de um próton), enquanto que o rearranjo

(13, reação do tipo (d) Rearranjo da sua estrutura), neste caso

migração de H+ forma o cátion 2-propilo (16). A reação do tipo

(b) neste cátion rearranjado (16) forma o propeno (15),

enquanto que uma reação do tipo (a) com água dará propan-2-

ol (17). A mistura de produtos obtida foi de 7% de propan-1-ol,

169

28% de propeno e 32% propan-2-ol, refletindo as proporções

relativas de propan-1-ol e de propan-2-ol a estabilidade relativa

dos dois cátions, (13) e (16).

A soma dos produtos referidos representa apenas 67%

de conversão do 1-aminopropino inicial. Há outros nucleófilos

presentes no sistema, como Cl- e NO2-, capazes de reagir com

qualquer dos cátions, (13) ou (16), com à possível formação

tanto de RNO2 como de RONO (podem também formar-se

nitritos por esterificação direta do ROH primeiramente

formado). Os cátions (13) e (16) podem também reagir com o

ROH inicialmente formado para dar éteres, ROR, ou com RNH2

para dar RNHR (que, pode sofrer alquilação ou nitosação).

Finalmente, qualquer dos cátions pode adicionar à ligação

dupla do propeno formado inicialmente, MeCH=CH2 (reação do

tipo (c)), para dar outros cátions , MeC+H__CH2R, que podem

reagir. A mistura de produtos que se obtêm é influenciada

pelas condições reacionais, mas esta reação não é um método

de reação satisfatório para a conversão RNH2 → ROH.

As reações do tipo (d) Rearranjo da sua estrutura,

dificulta a reação de alquilação de Friedel-Crafts do benzeno

(uma reação do tipo (c)/(b)) por 1-bromopropano,

MeCH2CH2Br, na presença de brometo de gálio, GaBr3, ácido

de Lewis. Aqui o eletrófilo atacante é um complexo altamente

polarizado, Rδ++GaBr4δ-- e a maior estabilidade do complexo em

que Rδ++ transporta a sua carga positiva principalmente no

átomo de carbono secundário, em vez de num primário,

Me2Cδ++HGaBr4

-- em vez de MeCH2Cδ++HGaBr4

--, resulta de

novo numa transferência de hidreto, de tal modo que o principal

produto da reação é Me2CHC6H5.

Os rearranjos não são simples como parecem ser uma

simples migração de H+, isto é ilustrado pelo comportamento

de 13CH3CH2CH3 com AlBr3, em que o carbono marcado fica

disperso. O produto consiste de 2 partes de 13CH3CH2CH3 e 1

170

parte de CH313CH2CH3. É possível que a dispersão do isotópico

ocorra através da ação de um ciclopropano protonado,

intermediário (18).

+

C

CH2

CH3H313

C

CH3

CH3H213

C

CH2

CH2H313

C

CH2

CH2H213

+ AlBr3

AlBr3HAlBr3

-

AlHBr3 δ

+ +

δ+ +

H

δ- -

(18)

Um explicação é a dispersão do 13C, análoga que se

observa no cátion 2-propilo inicial, CH313CH+CH3, proveniente

de CH313CH(Cl)CH3 com SbF5 a -60 °C.

REARRANJO DE ÍONS CARBÔNIOS

Os rearranjos envolvendo íons carbônios podem ser

divididos em dois tipos: com uma alteração na cadeia

carbônica, e aqueles que não há alteração na cadeia

carbônica.

SEM ALTERAÇÃO DA CADEIA CARBÔNICA

Um exemplo, em que o cátion 1-propilo que rearranja ao

cátion 2-propilo por migração de um átomo de hidrogênio com

o seu par eletrônico de C2 para o carbono C1 do íon carbônio,

uma transferência 1,2 de hidreto.

CH3 CH CH2

H+

CH3 CH CH2

H+

Isto reflete maior estabilidade de um íon carbônio

primário a um secundário, podem ocorrer transferências na

direção oposta quando isso favorece a possibilidade de maior

deslocalização do sistema orbital de um anel benzênico

(terciário → secundário).

+ +CH2 C

CH3

OH

CH3

CH C

CH3

CH3

H

CH C

CH3

CH3

H

FSO3H

SbF5

171

Há possibilidades de diferentes rearranjos, os mais

interessantes são aqueles em que os catiões estão

deslocalizados, por exemplo em rearranjos alílicos.

Rearranjos alílicos

Na solvólise via SN1 de 3-clorobut-1-eno (19) em EtOH

obtém-se não um, mas uma mistura de dois éteres isoméricos;

obtém-se a mesma mistura (os éteres, aproximadamente nas

mesmas proporções) a partir da solvólise de 1-clorobut-2-eno

(20), em condições semelhantes.

Isto reflete a formação do mesmo cátion alílico

deslocalizado (23) como um par iônico intermediário a partir de

cada haleto, capaz de sofrer subsequentemente um ataque

rápido por um nucleófilo, EtOH no C1 ou no C3.

Quando o EtO-, em concentração relativamente elevada,

é utilizado como o nucleófilo em vez de EtOH, a reação de (19)

é do tipo Sn2 e dá apenas um éter (21). Contudo, foram

observados rearranjos alílicos no decurso de reações de

substituição que ocorrem por um processo bimolecular. Essas

reações são designadas por SN2 e ocorre segundo o

mecanismo.

+CH3 CH

Cl

CH CH2

CH3 CH CH CH2

OEt

CH3 CH

OEt

CH CH2

CH3 CH CH CH2

ClEtOH EtOH

(19) (20)

(21)

(22)

+CH3 CH CH CH2

(23)

+CH3 CH CH CH2 Cl

-

+ +CH2 CH CH

R

ClNu-: CH2 CH CH

R

Nu Cl-

172

Este processo tende a ocorrer quando substituintes (R)

no átomo de carbono α são suficientemente volumosos para

reduzir de modo acentuado a velocidade de substituição SN2

direta em Cα. Os rearranjos alílicos são bastante comuns, mas

o mecanismo detalhado pelo qual ocorrem é assunto bastante

complexo.

COM ALTERAÇÃO NA CADEIA CARBÔNICA

Rearranjos neopentílicos

A hidrólise via SN2 de 1-bromo-2,2-dimetilpropano

(brometo de neopentilo, 24) é lenta devido ao impedimento

estereoquímico. Efetuando a reação em condições que

favoreçam o mecanismo SN1 pode resultar numa velocidade de

reação maior, mas verifica-se que o álcool produzido é o 2-

metilbutan-2-ol (26), e não o produto previsto, 2,2-

dimetilpropanol (álcool neopentílico, 25), por ocorrer o rearranjo

neopentílico.

A maior estabilidade do íon carbônio terciário (28),

comparada com a do primário inicialmente formado (27),

fovorece a quebra da ligação C–C, envolvida na migração do

grupo Me. Estas alterações na cadeia carbônica, envolvendo o

íon carbônio, são conhecidas por rearranjo de Wagner-

Meerwein. Confirmação subsequente do envolvimento de (28)

é a formação simultânea do alceno 2-metilbut-2-eno (29) por

+

+

CH3 C

CH3

CH3

CH2 Br CH3 C

CH3

CH3

CH2

CH3C

CH3

C

CH3

H

CH3 C

CH3

CH2

CH3

XH2O

CH3 C

CH3

CH3

CH2 OH

- H+

H2O CH3 C

CH3

CH2 CH3

OH

(24) (25)(27)

(26)(28)(29)

173

perda de próton, um produto que não poderia ser obtido a partir

de (27).

É interessante observar que , enquanto que o brometo

de tipo neopentilo (30) sofre rearranjo durante a hidrólise SN1,

tal rearranjo não ocorre com o seu análogo fenólico (31).

Isso reflete na maior estabilidade do cátion benzílico

(32), embora seja apenas secundário, ao cátion terciário (33)

que não é formado pelo seu rearranjo.

Rearranjo de hidrocarbonetos

O rearranjo de alcenos ocorre facilmente na presença de

ácido.

Este arranjo relativamente fácil pode ser um

inconveniente na adição preparativa de ácidos a alcenos, por

exemplo, ácidos hologenídricos a alcenos ou na hidratação

catalisada por ácido podem formar-se misturas de produtos

difíceis de separar ou, em casos menos favoráveis, pode não

se obter o produto desejado. Pode também ocorrer a adição de

íons carbônios aos alcenos iniciais ou a alcenos formados.

Rearranjos pinacol/pinacolona

+CH3 C

CH3

CH CH3

CH3

Br

SN1CH3 C

CH3

CH CH3

CH3+

CH3 C

CH3

CH CH3

CH3

Produtos

(30)

CH3 C

CH3

CH Ph

CH3

Br

+SN1CH3 C

CH3

CH Ph

CH3+

CH3 C

CH3

CH Ph

CH3

X

(31) (32) (33)

Produtos

CH3 C CH CH2

CH3

CH3

CH3 C CH CH3

CH3

CH3

CH3 C CH CH3

CH3

CH3 CH3

C C

CH3CH3

CH3H+

H+-+ +

174

Outro exemplo de migração de um grupo, metila, para

um átomo de carbono de um íon carbônio é observado no

rearranjo catalisado por ácido, de 1,2-dióis, por exemplo, o

pinacol Me2C(OH)Me2 (34) e cetonas, pinacolona, MeCOCMe3

(35).

O fato de em (36), que já é um íon carbônio terciário,

ocorrer uma transferência-1,2 de metila, resulta da

estabilização adicional conferida ao íon carbônio rearranjado

(37) por deslocalização de carga através de um par eletrônico

no átomo de oxigênio (37) que pode também perder facilmente

um próton para dar um produto final estável (35). Também

ocorre analogia com outros compostos capazes de formar o íon

carbônio como (36).

Aspectos estereoquímico

Há três aspectos de interesse estereoquímico nos

rearranjos de íons carbônio, a configuração no átomo de

carbono a partir do qual ocorre a migração (a origem da

migração), a configuração do átomo de carbono para o qual

ocorre a migração (o carbono do íon carbônio, o fim da

migração), e a configuração do grupo migrante. O que é

interessante é que para estas três questões nunca foi

encontrada resposta para um mesmo composto, apesar do

+

+

+

+

CH3 C C CH3

CH3

OH OH

CH3 H+

CH3 C C CH3

CH3

OH OH2

CH3- H2O

CH3 C CCH3

CH3

OH

CH3

CH3 C C CH3

O CH3

CH3 H+

CH3 C C CH3

O CH3

CH3

H

CH3 C C CH3

OH CH3

CH3

34

3537

36

175

enorme volume de trabalho que tem sido feito sobre íon

carbônio.

O último aspecto nunca foi diretamente estabelecido

experimentalmente para um rearranjo exclusivamente de íon

carbônio. Em consequência, estabeleceu-se que o grupo

migrante nunca fica livre durante o rearranjo. Isto é

demonstrado se tomar, por exemplo, dois pinacóis (48 e 49),

de estrutura muito semelhante (e que rearrangem a

velocidades muito semelhantes), mas tendo diferentes grupos

migrantes, e se forem rearranjos simultaneamente na mesma

solução (uma experiência cruzada), nunca se observa

migração cruzada.

Analogamente, se rearranjos em que há uma

transferência de hidreto forem realizados num solvente

deuterado (D2O, MeOD, Etc.), não há incorporação de deutério

na nova ligação C–H(D) no produto final rearranjado. Portanto,

em ambos os casos o rearranjo é estritamente intramolecular,

isto é, o grupo migrante nunca fica desligado do resto da

molécula, ao contrário dos rearranjos intermoleculares, em que

isso acontece.

Isto sugere uma associação muito próxima do grupo

migrante, R, com o término da migração antes que tenha

quebrado completamente a sua ligação com o átomo de origem

da migração, com retenção de configuração em R. Este fato foi

experimentalmente estabelecido numa reação envolvendo a

migração de um carbono elétron deficiente, no rearranjo de

+

Ph C C CH3

Ph

OH OH

CH3

Ph C C C2H5

Ph

OH OH

C2H5

+

Ph C C CH3

Ph O

CH3

Ph C C C2H5

Ph O

C2H5

H+

Ph C C CH3

Ph O

CH3

Ph C C C2H5

Ph O

C2H5

ouNão

48

49

176

Wolff e também na reação de Hofmann e outras relacionadas,

em que R migra para um átomo de nitrogênio elétron

deficiente.

Quanto aos dois outros aspectos, as provas apoiam uma

inversão de configuração tanto na origem como no fim da

migração.

A inversão é quase completa em compostos cíclicos em

que a rotação em torno da ligação C1–C2 é muito impedida,

mas também, em considerável expansão, igualmente em

compostos acíclicos. Isto poderia ser explicada com base num

intermediário em ponte, tipo (íon bromônio) ou estado de

transição.

A formação de uma ponte durante o rearranjo não é

universal mesmo quando o imigrante é C6H5, cujo sistema

orbital π pode ajudar na estabilização do íon carbônio em

ponte por deslocalização.

Isto fica bem demonstrado na reação de desaminação

pinacolínica, uma forma opticamente ativa do amino-álcool

(50). Este tipo de reação ocorre a partir de uma conformação

(antiperiplanar, 50a ou 50b), em que o grupo migrante (Ph) e o

grupo que sai (NH2: como N2) se encontram trans um em

ralação ao outro. O rearranjo via um íon carbônio em ponte

conduziria a 100% de inversão no fim da migração na cetona

+

+C

CR

R' R"

R' R"

Y C

CR

R' R"

R'

R"R'

R"

R

R"R'

Nu

R' R"

R

R"R'

Nu

C

CR

R' R"

R' R"

Y

+

R' R"

R

R"R'

Nu

R' R"

R

R"R'

Nu

C

CPh

OH Ph

CH3 H

NH2 C

CPh

Ph OH

CH3

NH2

H

O

Ph

Ph

HCH3

NaNO2

HCl

NaNO2

HCl(-)

(+)(-)

(50a) (50b)(51ad)

177

formada (51ab), qualquer que fosse a conformação inicial

envolvida (50a ou 50b).

No entanto, verificou-se que, embora a inversão

predominasse (51ab, 88%), a cetona formada teria uma

quantidade da imagem num espelho do (51d, 12%), porque

12% da reação não ocorreu via íon carbônio em ponte. A

explicação mais simples é que pelo menos parte do rearranjo

total ocorre via íon carbônio, não em ponte (52c), em que pode

ocorrer rotação em torno da ligação C1–C2 (52c → 52d),

formando a cetona (51d) em que houve retenção da

configuração.

+

C

CPh

OH Ph

CH3

HO

Ph

Ph

H CH3

(-)

(52c) (51d)

C

CPh

OH PhCH3

H

(-)

(52d)

+

A razão entre a inversão (51ab) e a retenção (51d) na

cetona formada é determinada pela velocidade relativa de

rotação em torno de C1–C2 (52c), comparada com a velocidade

de migração do Ph.

Rearranjo de Wolff

Este rearranjo foi separado dos rearranjos de íon

carbônio porque envolve migração para um carbono

semelhante a um carbeno, não carregado, apesar de elétron

deficiente em vez de migrar para um átomo de carbono

carregado positivamente. A reação envolve a perda de

nitrogênio a partir da α-diazocetona (53) e rearranjo a cetenos

muito reativo (54).

C CH

R

O

N N+- - N2

C CH

R

O

O C C

R

H..

(53) (55) (54)

178

Os cetenos reagem facilmente com quaisquer

nucleófilos presentes no sistema, por exemplo, H2O. A reação

pode ser por fotólise, termólise ou por tratamento com óxido de

prata. Nos casos de fotólise e termólise, forma-se um carbeno

intermediário (55). Na reação catalisa pela prata, a perda de

nitrogênio e a migração de R podem ser simultâneas. No caso

em que R é C4H9C(Me)Ph, demonstrou-se que migra com

retenção de configuração.

A obtenção de diazocetonas (53) ocorre por reação de

diazometano, CH2N2, com cloretos de acila, seguindo-se com,

um rearranjo de Wolff na presença de água, constitui parte do

processo Arndt-Eistert, por meio do qual um ácido pode ser

convertido no seu homólogo.

Além da água, outros nucleófilos como amoníaco ou

álcool podem ser adicionados à ligação C=C do ceteno para

formar amida ou éster.

O rearranjo de Wolff é muito semelhante com a reação

de Hofmann, em que a migração ocorre para um átomo de

nitrogênio deficiente de elétron para formar o intermediário,

isocianato RN=C=O.

CÁTIONS DIAZÔNIOS

A nitrosação de aminas primárias, RNH2 com nitrito de

sódio e ácido diluído conduz à formação de cátions diazônios

(56).

RC

O

OH SOCl2 R C

O

ClCH2N2 R C

O

CHN2

- N2

Ag2ORCH C O

OH2R CH

H

C O

OH(53) (54)

+

+

+ ++

+

-

N

H

R

H

N O

X

: N

H

R

H

N O N

H

R N O

NR N OH

NR N

NR N

R N N(1) + H

(2) - H2O

- H+

(56)

X

+

179

O verdadeiro agente nitrosante não é HNO2, e sim o

anidrido N2O3 (X=ONO) obtido por 2 mols de HNO2.

+2HNO2 ONO NO H2O

Com aminas alifáticas simples, o cátion diazônio inicial

(56) decompõe-se de modo extremamente rápido para dar íons

carbônio que são mais reativos do que os obtidos por outros

processos de fissão, por exemplo, RBr→R+Br-.

A instabilidade de cátions diazônio alifáticos, na

ausência de uma estrutura estabilizada, é devida em grande

parte à eficácia de N2 como grupo de saída, já em cátions

diazônios aromáticos, a estabilidade é fornecida pelo sistema

de orbitais π do anel aromático.

-++N N

+N N

As aminas primárias aromáticas são bases/nucleófilos

mais fracos do que as alifáticas (devido à interação do par

eletrônico do N com o sistema de orbitais π do anel aromático),

portanto é necessário um agente nitrosante muito poderoso,

sendo a reação feita em meio com acidez elevada. Permanece

uma concentração no equilíbrio suficiente de ArNH2 não

protonada, mas a concentração é suficientemente baixa para

impedir que a amina ainda não diazotada sofra uma reação de

acoplamento com ArN2+ formado. Os cloretos, sulfatos, nitratos,

etc., de diazônio aromáticos são relativamente estáveis em

solução aquosa à temperatura ambiente ou mais baixa, mas

não são facilmente isoladas sem decomposição. Os

fluoroboratos, ArN2+BF4

-, são mais estáveis e podem ser

isolados no estado sólido. A termólise do sólido seco é um

método preparativo de fluorarenos.

-++ArN2 BF4 Ar F N2 BF3∆

+

180

Os substituintes no núcleo aromático têm um efeito

acentuado na estabilidade de ArN2+, e os que são doadores de

elétron têm efeito estabilizador.

-+N NMe2N

+N NMe2N

.. +

A nitrosação também ocorre em aminas secundárias,

mas para na etapa N-nitroso, R2N–N=O. As aminas alifáticas

terciárias são inicialmente convertidas no cátion

nitrosotrialquilamônio, R3N+–N=O, mas este sofre facilmente

ruptura da ligação C–N para dar produtos bastante complexos.

Com aminas terciárias aromáticas, ArNR2, a nitrosação pode

ocorrer, não no N, mas na posição para ativada do anel para

dar um composto C nitroso.

R2N N O

MIGRAÇÃO PARA NITROGÊNIO DEFICIENTE DE ELÉTRON

Os rearranjos, até aqui considerados, todos têm uma

característica comum, a migração de um grupo alquila ou arila,

com seu par eletrônico para um átomo de carbono, íon

carbônio ou não, deficiente de elétron. O átomo de nitrogênio

deficiente de elétron, exemplo, R2N+ (íon nitrônio) ou RN

(nitreno), e a migração de grupo alquila ou arila para esses

centros também acontece como com o carbono em:

+R3C R2 C

..

..e

Reações de Hofmann, Curtius, Lossen e Schmidt

A característica comum destas reações é a presença no

composto, de um bom grupo de partida que facilita o rearranjo.

181

Os mecanismos (para derivados de ácidos carboxílicos) são

semelhantes, e são mostrados a seguir.

A conversão de uma amida (57) numa amina (58), com

menos um átomo de carbono, por ação de hipobromito alcalino,

na reação de Hofmann.

O intermediário da reação é o isocianato (61),

equivalente ao ceteno na reação de Wolff, nas condições

reacionais, adiciona-se água para dar o ácido carbânico (62)

instável, que descarboxila para dar a amina (58). Por controle

cuidadoso das condições reacionais, é possível isolar a N-

bromoamida (59), o seu ânion (60) e o isocianato (61) como

intermediários. Por esse motivo, o mecanismo reacional

sugerido é bem provável. A etapa determinante da velocidade

é a perda de Br- a partir de (60), a questão é, se esta perda é

síncrona com a migração de R, ou se forma um carbonilnitreno

intermediário, RCON, que depois sofre rearranjo. O mecanismo

síncrono é apoiado pelo fato de que o rearranjo de ArCONH2

ser acelerado quando Ar contém substituintes doadores de

elétrons (rearranjo do tipo pinacol/pinacolona) e por que a

formação de ácidos hidroxâmicos, RCONHOH nunca foram

detectados. Experiências cruzadas não conduzem a produtos

cruzados, o rearranjo é estritamente intramolecular, e observa-

se ainda que quando R é quiral, como no C6H5MeCH, migra

sem alteração de sua configuração.

C O

R

NH2

C O

R

NHBr

C O

R

NH

Br

R N C O

R N C O

+-

C O

OH

N

H

RHCO3CH3 NH2

(58)

(59) (60)

(61)(62)

(57)

BrO OH

OH H2O

- -

-

+-

182

Há um grupo de reações relacionadas com a reação de

Hofmann, e em que todas elas envolvem a formação de um

isocianato (61) por rearranjo de um intermediário análogo a

(60).

A reação de Lossen envolve a ação de uma base sobre

derivados O-acilados (63) de ácidos hidroxâmicos, RCONHOH,

e R’CO2- como o grupo de saída do intermediário (64), em

comparação com Br- de (60).

C O

NH

R

OCOR'

C O

NH

R

OCOR'

CH3 N C O

C O

NH

R

NH2

C O

OH

R

HN3

NaNO2

HCl

C O

N

R

N N

OH-

-

- +

(63) (64)

(61)

(65)

(66)

(67)

A reação também ocorre com os ácidos hidroxâmicos,

mas não com a mesma facilidade com que ocorre para os seus

derivados O-acilados que R’CO2- é um melhor grupo de saída

do que o OH. A natureza síncrona do rearranjo é comprovada

pelo fato de que não só a reação é facilitada por substituintes

doadores de elétrons em R (Hofmann), mas também por

substituintes retiradores de elétrons em R’, isto é, ambos estão

envolvidos na etapa determinante da velocidade da reação.

As reações de Curtius e de Schmidt envolvem ambas N2

como grupo de saída da azida intermediaria (67), e aqui

novamente a migração de R ocorre num processo síncrono. A

azida pode ser obtida quer por nitrosação de uma hidrazina

183

ácida (65), reação de Curtius, quer pela reação de ácido

hidrazóico, HN3, com um ácido carboxílico (66), reação de

Schmidt.

Rearranjos de Beckman

O rearranjo de Beckman é uma transformação

catalisada por ácido para a conversão de cetoximas em amidas

N substituídas.

RR’C = NOH � R’CONHR ou RCONHR’

A reação é catalisada por uma grande variedade de

reagentes ácidos como: H2SO4, SO3, SOCl2, P2O5, BF3, etc., e

ocorre não só com cetoximas, mas também com os seus O-

ésteres. O uso do ácido polifosfórico como catalisador faz com

que ocorra rearranjo em muitas aldóximas. A característica

deste rearranjo, quanto ao grupo migrante é o arranjo

estereoquímico dos grupos R e R’ que determina qual deles é

que migra. Verifica-se, quase sem exceção, que o grupo que

migra C�N é o grupo R anti em relação ao grupo OH. A

reação é altemente estereoespecífica.

C

N

R'R

OH

C

N

R'OH

R

C

N

R'O

R H

(i.e. somente R'CONHR)ácido

Como, claramente demonstrado que é o grupo R anti

que migra nos rearranjos de Beckmann, a estrutura da amida

formada é usada para estabelecer a configuração da oxima

inicial. Assim, verificou-se que (68) só dá a benzamida N-metil

substituída (71), enquanto que (69) dá unicamente a

acetanilida aril substituída (72).

C

N

MeAr

OH

Ar C

O

NHMeC

N

MeAr

OH

Me C

O

NHAr

(68) (69)(71) (72)

184

O rearranjo se processa segundo o mecanismo:

Protonando o grupo –HO formando (73a), seguida

por perda de água para dar (74), enquanto que com cloretos de

ácidos, PCl5, etc., se forma o éster intermediário (73b); que

elimina o ânion –OCl, um bom grupo de saída, formando (74).

Na série em que XO– é CH3CO2- < ClCH2CO2

- < PhSO3-, a

ionização é a etapa determinante da velocidade no rearranjo,

também é sugerido pela observação de que a velocidade de

reação aumenta à medida que aumenta a polaridade do

solvente.

A perda do grupo de saída e a migração de R’ são

síncronizadas na conversão de (73) em (74), mostrando que o

rearranjo é intramalecular de elevada estereosseletividade.

Quando R’ é quiral, PhCHMe retém a sua configuração durante

a migração. Isto também reflete em maior estabilidade do íon

carbônio intermediário, RC+=NR’ (74) do que a do ânion

nitrônio, RR’C=N+, que seria obtido se a perda do grupo de

saída precedesse a migração de R’.

O rearranjo de Beckmann tem aplicação industrial na

síntese do polímero têxtil Nylon-6 a partir da oxima da

ciclohexanona via a amida cíclica (caprolactama).

N

R

R'

OH H+

PCl5 ou SOCl2

N

R

R'

+OH2

N

R

R'

OCl

R C N R'+

R C N R'+

N

R

O+

R'

H

H

N

R

O R'H

NH

R

O R'

- H+

(75) (76) (77)

(73a)

(73b)

(74)

-H2O

-OCl

185

OH OH O N

OH

H2/Ni Cu

250oC

NH2OH

N

OH

H+

OH2+

N

H2O

OH

BASE

∆NH NH

O

CAPROLACTAMA POLIAMIDA, NYLON 6

C+N

O

N

N OH N

MIGRAÇÃO PARA OXIGÊNIO ELÉTRON DEFICIENTE

É razoável prever que também ocorram rearranjos

semelhantes em que o término da migração seja para um

átomo de oxigênio deficiente de elétron.

Oxidação Baeyer-Villiger

A oxidação de cetonas com peróxido de hidrogênio ou

com um peroxi-ácido, RCO2OH, resulta na sua conversão em

ésteres.

R O

R

R'CO3H

OR

OR

As cetonas cíclicas são convertidas em lactonas (ésteres

cíclicos).

O

H2O2

O O

Reação geral:

A reação ocorre segundo o mecanismo em duas etapas:

186

Etapa 1. A adição do peroxido ácido ao grupo carbonila

da cetona. Esta etapa é analoga à adição nucleofílica com

formação de gemdiol e hemiacetal.

Etapa 2. A quebra heterolítica da ligação O–O do

peróxido éster é a etapa determinante e é sincronizada com a

migração do grupo R que migra com o par de elétrons.

Rearranjos de hidroperóxido

Um rearranjo semelhante ocorre durante a

decomposição catalisada por ácido de hidroperóxidos, RO-OH,

em que R é um átomo de carbono secundário ou terciário que

estão ligados grupos alquila ou arila. Exemplo, a decomposição

do hidroperóxido, obtida através da oxidação e pelo ar do

cumeno (metilenobenzeno), é utilizada para preparar fenol e

acetona.

187

O2 O-OHH+

O-OH 2+

O

+

+

OH2O

-H+

O OH

OHOH3O

+OH

+

O

A perda do grupo de saída (H2O) e a migração de Ph

para o átomo de oxigênio deficiente de elétron resultante são

processos síncronizados. A adição de água ao íon carbônico

forma o hemicetal, que é facilmente hidrolisado nas condições

reacionais para gerar fenol e acetona. É possível que a

capacidade migratória superior do Ph seja resultante da

migração via um estado de transição em ponte.

Ph

O

Me

Me

OH 2+

δ+

δ+δ+

δ+

Neste exemplo, considerou-se fissão heterolítica de

ligação peróxido, −O:O− → −O Oө−, em solventes polares; em

condições apropriadas, também pode ocorrer fissão homolítica

para gerar radicais,−O:O− → −O· ·O−.

188

6o ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO

1. a) Qual dos compostos abaixo, reage com o cátion diazônio (PhN2)? b) Qual o produto obtido do diazoacoplamento ou copulação azoica?

2. Proponha estruturas para os compostos de G a I. 3. a) Mostre porque a nitração do naftaleno ocorre exclusivamente na posição α. b) Que produto você espera da mononitração do α-naftol? E do β-naftol? 4. Calcule pela equação de Hammett (log K / K0 = ρσ), a constante de velocidade de oxidação do m-trifluormetilbenzaldeído em solução aquosa de KMnO4. Sabendo-se que, para a oxidação de aldeídos aromáticos o ρ é 1,80, para o meta Ph-CF3; o valor de σ é –0,43 e a constante de velocidade de oxidação do benzaldeído é 0,90. 5. Calcule o percentual de isômeros orto, meta e para na cloração do tolueno, sabendo-se que as ativações (os PRF,s) das posições orto, meta e para são, respectivamente, 600, 5 e 870. E que o tolueno é 3,7.102 vezes mais reativo que o benzeno na reação de cloração. 6. A etilação do clorobenzeno pela reação de Friedel-Crafts (CH3CH2Br / GaBr3) se processa a uma velocidade 0,21 vezes àquela da etilação do benzeno nas mesmas condições. A distribuição dos isômeros é: 42,4% de orto, 15,9% de meta e 41,9% de para. Com esses dados calcule o fator de velocidade parcial.

NMe Me

Me Me

NMeMe

I II

OH

OH

H2SO4

60-65 C0G H I

HNO3/H2SO4 H3O+/H2O

(C6H5NO2 )( C6H5NS2O10 )(C6H8S2O8 )

189

7. Observe a reação:

De acordo com a reação acima, partindo do benzeno e do cloreto de ácido apropriado, indique a síntese de cada composto: a) hexilbenzeno b) isobutilbenzeno c) difenilmetano d) antrona

+ O

O

O

O

OH

O

O

OH

SOCl2

( 80%>95%)Cl O

AlCl3

88%

AlCl3

20%

O

ZnHg/HCl

(refluxo, 90oC )

α-tetralona

H H

Oantrona

190

191

UNIDADE VII - ADIÇÃO ELETRÓFILA E NUCLEÓFILA A

C=C E C=O

O par de elétrons na orbital π está mais difuso e menos

ligado aos núcleos de carbono; é mais facilmente polarizável

do que o par da ligação σ, conduzindo à reatividade

característica destes compostos insaturados. Os elétrons π são

características às ligações duplas carbono-carbono, e

protegem a molécula do ataque por reagentes nucleófilos. As

reações mais características do sistema são iniciadas por

espécies deficientes de elétrons, tais como X+ e X. (os radicais

podem ser considerados espécies deficientes de elétron dado

que necessitam de um elétron adicional para formar uma

ligação), cátions induzindo fissão heterolítica, e radicais fissão

homolítica da ligação π. Verifica-se que a primeira predomina

normalmente em solventes polares, e a última em solventes

não polares, especialmente na presença de luz.

ADIÇÃO DE HALOGÊNIOS

A descoloração de bromo, em solução de CCl4, é um

dos testes de insaturação entre as reações de adição de

alcenos. Normalmente ocorre rapidamente na ausência de

catalisadores externos.

Se a adição de bromo for realizada na presença de

nucleófilos externos Y: ou Y- (Cl-, NO3-, H2O), então o 1,2-

dibromo (3) é formado, e os produtos nos quais um átomo de

192

bromo e um átomo ou grupo Y são adicionados à ligação dupla

(4).

Este fato é nitidamente incompatível com o mecanismo

numa etapa única, em que não pode ocorrer ataque por Y-.

Para alcenos simples, como o trans 2-buteno (5), a

adição dos dois átomos de bromo se faz por lados opostos do

alceno planar, a adição é ANTI.

O produto é o dibromo meso simétrico (6), enquanto que

se a adição fosse SIN (adição de mabos os átomos de bromo

pelo mesmo lado) daria origem a um dibromo (±) racêmico (7).

Verifica-se na prática com (5) e com outros alcenos

acíclicos simples, que a adição é quase completamente

estereosseletiva, ≈100% adição ANTI. Este resultado também é

incompatível com um mecanismo numa só etapa, dado que os

átomos numa molécula de bromo estão excessivamente

próximos um do outro para poderem adicionar,

simultaneamente, de modo ANTI.

193

Estas observações são explicáveis por um mecanismo

em que um dos extremos de uma molécula de bromo fica

polarizado positivamente através da repulsão eletrônica pelos

elétrons π do alceno, formando, assim, um complexo π (8). Esta

quebra então para formar um íon bromônio cíclico (9), uma

forma canônica alternativa do íon carbônio (10). A adição

ocorre pelo ataque nucleofílico do Br- (ou Y-) a um dos átomos

de carbono que originou a ligação dupla pelo lado oposto do

íon bromônio Br+ volumoso, para dar o dibromo meso (6).

Íons bromônios intermediários tais como (9), explicam a

elevada estereosseletividade da adição (ANTI) frequentemente

observada com alcenos acíclicos simples.

A cloraçao não é tão estéreosseletiva quanto a

bromação, mas tende a seguir o mesmo padrão. A formação

do íon halônio é mais dificultada, devido a menor

polarizabilidade do cloro. Também se pode prever que as

características estruturais que conduzem a estabilização

específica de íons carbônio, devem igualmente conduzir a uma

menor estereosseletividade ANTI, isto observa-se com, por

exemplo, trans 1-fenilpropeno (11).

194

A possível formação de um íon carbônio (12), resulta

numa estereoespecificidade ANTI muito menor (70%) do que

com trans but- 2-eno (5, ≈100% ANTI), onde não é possível a

deslocalização. Verifica-se também que o aumento de

polaridade do solvente e da sua capacidade de solvatação de

íons estabiliza o íon carbônio intermediário, relativamente ao

íon bromônio, com consequente decréscimo de

estereosseletividade ANTI. Assim, verifica-se que a adição de

bromo a 1,2-difeniletileno (estilbeno) é 90-100% ANTI em

solventes de constante dielétrica baixa, mas só ≈50% ANTI

num solvente com ε = 35.

EFEITO DE SUBSTITUINTES NA VELOCIDADE DE ADIÇÃO

O intermediário na reação de bromação, se é um íon

bromônio ou um íon carbônio, é certamente carregado

positivamente. Sua formação, o intermediário, é determinante

da velocidade, e o estado de transição que o procede, é

estabilizado por substituintes doadores de elétrons (13) que

acelerem a velocidade da adição eletrofílica.

O aumento de velocidade observada provém da doação

de elétrons por introdução dos grupos alquila e é menor do que

se esperava, devido ao aumento do impedimento estéreo no

195

estado de transição. Um grupo fenilo também aumenta

consideravelmente a velocidade da adição eletrofílica (4 x 103),

devido à estabilização que pode ocorrer no intermediário (15),

e no estado de transição.

Orientação da adição

Quando um eletrófilo é adicionado a um alceno não-

simétrico, por exemplo, propeno, qual é orientação da adição?

Uma reação é escrita como regiosseletiva se na adição a um

alceno não simétrico houver a predominância de um dos

possíveis produtos de adição, e é regioespecífica se for

formado exclusivamente um produto. Estas reações são

regioespecíficas. Seguem a regra de Markownikov.

Na adição de ácidos hologenídricos, verifica-se que a

ordem de velocidades é: HF < HCl < HBr < HI, que é a ordem

da força ácida. A adição do próton ao alceno é o passo

determinante da velocidade, seguindo-se o ataque pelo

nucleófilo rápido por X-. Em solventes não-polares o próton é,

sem dúvida, fornecido por HX, mas em solventes polares,

especialmente nos hidroxílicos, é fornecido pelo seu ácido

conjugado H3O+ em H2O.

Para a reação do propeno com HX, forma um

intermediário como um íon carbônio e é a estabilidade relativa

de possíveis íons carbônio (17 que 18) determina a orientação

da adição, na reação de adição de HBr ao propeno (16) em

condições polares.

196

Os íons carbônio secundários são mais estáveis do que

os primários, assim como os estados de transição que os

precedem, (18) será formado de preferência a (17), e o único

produto de adição obtido é o 2-bromopropano (19). A adição,

em que o halogênio (ou o agrupamento mais negativo de

qualquer outro aduto assimétrico) fica ligado ao mais

substituído dos dois átomos de carbono do alceno, é conhecida

como adição de Markownikov.

Essa regiosseltividade ocorre, porque a formação de um

carbocátion intermediário apresenta a seguinte ordem de

estabilidade: +CH2CH2R < CH3

+CHR < CH3+CHAr < CH3

+CR2 <

CH3+CAr2

A orientação da adição eletrofílica a 1-haloalceno (20) é

controlada pelos pares eletrônicos no Bromo.

O íon corbônio (22) é estabilizado em relação a (21), e

por isso é formado preferencialmente o 1,1-dibromoetano (23)

como único produto. A velocidade da adição é controlada pelo

efeito indutivo negativo do átomo de halogênio. A reação de

197

adição de HBr ao bromoeteno (20) é cerca de 30 vezes mais

lenta do que o eteno, e (22) é menos estável, e sua formação é

mais lenta do que (24).

OUTRAS REAÇÕES DE ADIÇÃO

Outros derivados halogenados

Os compostos inter-halogenados adicionam a alcenos

como os halogênios, tendo sido observada a seguinte ordem

de reatividade, BrCl > Br2 > ICl > IBr > I2.

A adição é iniciada pela extremidade polarizada

positivamente da molécula assimétrica, e daí resulta

provavelmente um íon halônio intermediário, cíclico. Com um

alceno assimétrico, o 2-metilpropeno (25), a distribuição de

carga no intermediário será assimétrica, o carbono mais

alquilado será mais positivo (26) e será atacado pelo haleto

nucleofílico residual. Deste modo, determinará a orientação

(Markownikov) da adição (27).

Os ácidos hipohalogenoso, HOδ-–Brδ+ (água de bromo),

adicionam-se de modo semelhante, sendo o átomo de bromo o

eletrófilo, formando a 1,2-bromo-hidrina (29) que é obtida por

competição de Br- e H2O pelo íon bromônio intermediário inicial

(28).

198

Hidratação

A hidratação de um alceno, catalisada por ácido, é o

inverso da desidratação de álcois a alcenos, catalisada por

ácido (mecanismo de reação E1).

A formação do íon carbônio intermediário (30), via

complexo π inicial, é determinante da velocidade, e a adição é

como Markownikov e a estereosseletividade é ANTI, mas

depende do alceno e das condições reacioanais.

A hidratação anti-Markownikov de alcenos pode

ocorrer por adição de B2H6 (hidroboração), seguida de

oxidação do trialquilborano resultante (31) com H2O2 alcalino.

O diborano é gerado (in situ, ou separadamente, a partir

de NaBH4 e Et2O-, BF3

-), tal como o BH3, com solvente etéreo

usado na reação. BH3 é um ácido de Lewis e adiciona-se ao

átomo de carbono menos substituído do alceno (adição anti-

Markownikov), sendo a adição global completada por

transferência de hidreto para o átomo de carbono adjacente,

polarizado positivamente.

É provável que (33) tenha algum caráter cíclico na a

adição de BH3, e a estereosseletividade é SIN. O RBH2

formado reage depois com o alceno para dar o trialquilborano,

R3B (31). A oxidação com H2O2 resulta na ruptura da ligação

C__B para dar o álcool (32). A hidratação é anti-Markownikov,

com estereosseletividade SIN.

199

Íons carbônios

A protonação de alcenos origina íons carbônios, na

ausência de outros nucleófilos eficazes (H2O), estes íons

reagem como eletrófilos frente a alcenos não protonados como

o 2-metilpropeno (34).

O cátion (35) reage com uma segunda molécula de 2-

metilpropeno (34) para dar o novo cátion (36), este, pode

perder um próton para dar o alceno (37), ou, adicionar uma

terceira molécula de alceno para dar o cátion (38), e assim

sucessivamente.

O 2-metilpropeno pode ser tratado de modo a continuar

o processo para dar altos polímeros, polimerização catiônica,

mas a maior parte dos alcenos simples não vai além de

estruturas di- ou tri-monoméricas. Os principais alcenos

monoméricos usados em larga escala são o 2-metilpropeno

(borracha butílica) e éteres vinílicos, ROCH=CH2 (adesivos). A

polimerização catiônica é frequentemente iniciada por ácidos

de Lewis, como o BF3, mais uma fonte de prótons iniciail, como

co-catalisador, que pode ser traços de H2O, nestas condições a

polarização ocorre facilmente a temperaturas baixas e é, em

geral, muito rápida. Muitos outros alcenos são polimerizados

por um mecanismo induzido por radicais.

Hidroxilação

Os reagentes que adicionam dois grupos OH aos

alcenos, como o tetróxido de ósmio, OsO4, adiciona de modo a

formar ésteres ósmicos cíclicos (40), que podem sofrer rápida

200

clivagem hidrolítica das suas ligações Os__O para dar o 1,2-diol

(41).

O cis but-2-eno (39) forma o 1,2-diol meso (41), a

hidroxilação tem estereosseletividade SIN, por causa da

ruptura Os–O, um éster cíclico cis (40). A desvantagem desta

reação é o custo e a toxicidade do OsO4. Este problema pode

ser resolvido se for usado só em quantidades catalíticas, mas

em associação com H2O2, que re-oxida o ácido ósmico

formado, (HO)2OsO2, a OsO4.

O permanganato alcalino MnO4- é outro reagente usado

na hidroxilação de alceno formando a adição com

estereosseletividade SIN, reage via ésteres permagânicos

cíclicos (cis), assemelhando-se ao ósmio. A desvantagem de

usar o MnO4- para a hidroxilação, é que o 1,2-diol resultante

(41) é muito susceptível à nova oxidação pelo permanganato.

Os peroxi-ácidos, RCO.OOH, também oxidam os

alcenos trans but-2-eno (42), por adição de um átomo de

oxigênio, através da ligação dupla para formar um epóxido

(43).

Os epóxidos, embora não carregados, são semelhantes

aos íons bromônio cíclicos intermediários, mas, ao contrário

deles, são estáveis e podem ser facilmente isolados. Reagem

201

frente a um nucleófilo, em condições de catálise ácida ou

básica, formando o 1,2-diol. Em qualquer caso, o ataque pelo

nucleófilo num átomo de carbono será pelo lado oposto à ponte

de oxigênio em (43), resultando em inversão de configuração.

O ataque ocorre em um dos dois átomos de carbono

possíveis de (43) e (44) e, em cada caso, conduzirá ao mesmo

produto o meso 1,2-diol (45). Comparando a configuração de

(45) com a do alceno original (43) o e ocorrendo a hidroxilação,

esta aconteceu com estereosseletividade ANTI. Dependendo

da escolha do reagente, a hidroxilação de alcenos pode formar

produtos SIN ou ANTI.

Hidrogenação

A adição de hidrogênio a compostos insaturados pode

ocorrer pela adição direta de hidrogênio catálisada por metais,

como Ni, Pt, Pd, Ru, Rh, catálise heterogênia.

O catalisador é usado em pequena quantidade em

relação aos outros reagentes. O catalisador adsorve fortemente

o alceno, e dessorvem imediatamente o alcano resultante,

ficando livres para nova adsorção de alceno.

A hidrogenação ocorre com estereoespecificidade SIN,

predominante.

202

Os alcinos podem muitas vezes ser reduzidos a alcenos,

utilizando-se o catalisador de Lindlar [Pd sobre CaCO3,

parcialmente envenenado com Pb(OAc)2]. Aqui, também se

observa estereosseletividade SIN, apesar de conduzir a um cis-

alceno mais obstruído e termodinamicamente menos estável

(52).

ADIÇÃO NUCLEÓFILA

A substituição de grupos retiradores de elétrons no

carbono da dupla ligação faz com que a adição nucleofílica se

torne possível na adição a alcenos. Observa-se que a ordem

parcial de eficiência é, CHO > COR > CO2R > CN > NO2, mas

SOR, SO2R e F atuam também do mesmo modo. Tais

substituintes reagem reduzindo a densidade eletrônica π nos

átomos de carbono do alceno, facilitando assim a aproximação

de um nucleófilo, Y-, deslocalizando a carga negativa no

carbânion intermediário resultante, (47) e (48). Esta

deslocalização é geralmente mais eficaz quando envolve

deslocalização mesomérica (47), em vez de apenas efeito

indutivo negativo (48).

203

A orientação da adição de um aduto assimétrico, HY ou

XY, a um alceno substituído assimétrico será definida pela

formação preferencial do carbânion mais estabilizado. A adição

nucleofílica também ocorre com alcinos convenientes e

geralmente mais facilmente do que com os alcenos

correspondentes.

Cianoetilação

Dentre as reações importantes, em síntese, ocorrem

com o eteno com um substituinte ciano (acrilonitrila, 49). O

ataque de Y- ou Y: ao átomo de carbono não substituído,

seguida por abstração de um próton do solvente, conduz à

ligação de um grupo 2-cianoetila ao nucleófilo inicial.

O processo é então referido como cianoetilação. A

reação é frequentemente realizada na presença de base, de

modo a converter HY no nucleófilo poderoso Y-. A utilidade

sintética da cianoetilação reside na incorporação de uma

unidade de três carbonos, em que o grupo ciano terminal pode

ser modificado por redução, hidrólise, etc., podendo ser

utilizado em operações de síntese subsequentes.

Reações de Michael

Quando o nucleófilo que ataca o alceno substituído é um

carbânion, o processo é conhecido como reação de Michael, e

a sua utilidade em síntese reside no fato de ser um método

geral para a formação de ligações carbono-carbono (50).

204

A reação é favorecida por uma variedade de bases, em

quantidades catalíticas, que geram uma concentração no

equilíbrio do carbânion (51) que é reversível, sendo a etapa

determinante da velocidade a formação da ligação carbono-

carbono, a reação do carbânion (51) com o alceno (50). A sua

utilidade geral em síntese provém da grande variedade de

alcenos substituídos e de carbânions que podem ser

empregados, principalmente provenientes de CH2(CO2Et)2,

MeCOCH2CO2Et, NCCH2CO2Et, RCH2NO2, etc.

ADIÇÃO NUCLEOFÍLICA A CARBONILA (C=O)

Os compostos carbonílicos têm momentos dipolares (µ)

porque o átomo de oxigênio da carbonila (C=O) é mais

eletronegativo do que o átomo de carbono.

O efeito indutivo C→O que atua na ligação σ, que une

os dois átomos, afeta também os elétrons π mais facilmente

polarizáveis, de tal modo que o grupo carbonila é melhor

representado pela estrutura híbrida.

A ligação C=O, devido à sua natureza bipolar, pode ser

atacado inicialmente pelo eletrófilo X+ ou X (ácido ou ácido de

Lewis) no oxigênio ou pelo ataque nucleofílico de Y- ou Y no

carbono.

205

A protonação aumentará nitidamente o caráter positivo

do átomo de carbono carbonílico,

C O

R

R'

C OH

R

R'

C OH

R

R'

H+

+ +

e facilitará assim o ataque pelo nucleófilo no átomo de carbono.

Uma ativação semelhante, embora menos pronunciada, ocorre

por ligações de hidrogênio entre o átomo de oxigênio da

carbonila e um ácido, ou até mesmo um solvente hidroxílico.

Na ausência deste tipo de ativação, os nucleófilos

fracos, H2O, podem reagir apenas muito lentamente, mas os

fortes, –CN, não necessitam daquela ativação para que a

reação ocorra. As adições também podem ser catalisadas por

base, a qual converte o nucleófilo fraco HY no Y- mais forte,

HCN + base → –CN. Enquanto que os ácidos podem ativar o

átomo de carbono carbonílico para o ataque nucleofílico e

simultaneamente podem reduzir a concentração do nucleófilo, –

CN + HA → HCN + A+, RNH2 + HA → RNH3+ + A-. Assim, as

reações de adição nucleofílica a compostos carbonílicos

ocorrem em um pH ótimo.

ESTRUTURA E REATIVIDADE

Nas adições nucleofílicas simples, em que a etapa

determinante da velocidade é o ataque por Y-, o caráter

positivo do átomo de carbono carbonílico é reduzido ao passar-

se do material de partida para o estado de transição.

R2C O R2C O

Y

R2C O

Y

R2C OH

Yδ

δ δ δ δ-+ -

-

+Y+

HY --Y -

206

Os grupos substituintes (R) doadores elétrons diminuem

a velocidade de adição enquanto que os grupos substituintes

(R) retiradores de elétrons aumentam, o que é evidenciado

pela seguinte sequência:

Os grupos R em que o grupo C=O está conjugado com

C=C ou com um anel benzênico, também apresentam reações

de adição mais lentas do que os seus análogos saturados, por

causa da estabilização, através de deslocalização:

Nos exemplos referidos, as velocidades de reação

relativas podem ser influenciadas por efeitos estereoquímicos e

eletrônicos.

Em geral, esses fatores influenciam na velocidade da

reação (k), na posição do equilíbrio (K), isto por que o estado

de transição para reações de adição simples se assemelha

muito mais ao aduto do que ao próprio composto carbonílico

original. Assim, verifica-se que os valores de K para a formação

de cianidrina refletem a influência tanto de fatores

estereoquímicos como eletrônicos.

Reagentes Constante de equilíbrio (K) CH3CHO Muito grande p-NO2C6H4CHO 1420 C6H5CHO 210 p-CH3OC6H4CHO 32 CH3COCH2CH3 38

207

C6H5COCH3 0,8 C6H5COC6H5 Muito pequeno

Cetonas extremamente impedidas, como Me3CCOCMe3,

não reagem, exceto, com nucleófilos muito pequenos e

altamente reativos.

REAÇÕES DE ADIÇÃO SIMPLES A ALDEÍDOS E CETONAS

Hidratação

Muitos compostos carbonílicos sofrem hidratação

reversível em solução aquosa,

sendo os valores de K a 20° C para H2C=O, MeHC=O e

Me2C=O de 2, 1,4 e 2 x 10-3, respectivamente, esta sequência

reflete a ação progressiva do efeito doador de elétron

crescente. A reversibilidade da hidratação reflete-se no fato de

H2C=O podem ser destilado a partir de uma solução aquosa. A

reação em presença de H218O demonstrou que com Me2C=O

se estabelece um equilíbrio dinâmico, embora a concentração

do hidrato no meio seja muito reduzida.

Em pH 7, praticamente não há incorporação de 18O na

cetona, mas na presença de traços de ácido ou de base, a

incorporação é extremamente rápida. O fato de um composto

carbonílico se encontrar hidratado não influenciará as adições

nucleófilas que são irreversíveis, mas pode influenciar a

posição de equilíbrio em reações de adição reversíveis, e

208

também a velocidade da reação, já que a concentração real de

composto carbonílico livre [R2C=O] é naturalmente reduzida.

Verifica-se que a hidratação é suscetível quer de catálise

ácida geral, quer de catálise básica geral. A etapa determinante

da velocidade da reação envolve ou a protonação do composto

carbonílico, ou conversão de H2O no –OH mais nucleófilo .

O H2CO hidrata facilmente a pH 7, o átomo de carbono

carbonílico é positivo para sofrer ataque por H2O, mas este

composto hidrata muito mais rapidamente a pH 4 ou 11.

Os substituintes doadores de elétrons inibem a formação

de hidratos, mas os substituintes retiradores de elétrons

favorecem a hidratação. Assim, para a hidratação de Cl3CCHO

com K igual a 3,7 x 104, e este aldeído (tricloroetanal, cloral)

forma de fato um hidrato cristalino que pode ser isolado. Os

átomos de cloro fortemente elétron retiradores desestabilizam o

composto carbonílico inicial, mas não o hidrato formado.

209

Para que o hidrato reverta ao composto carbonílico

inicial, tem que perder –OH ou H2O, o que é dificultado pela

presença dos grupos elétron retiradores. Os grupos carbonila

são eficientes na estabilização de hidratos, por ligações de

hidrogênio, e por ação de efeitos elétron retiradores, como a

difenilpropanotriona que cristaliza em água na forma de hidrato.

Outro exemplo de um hidrato fácil de isolar é o hidrato

obtido a partir de ciclopropanona, devido a diminuição da

tensão angular das ligações ao passar-se (C–C–C de 60°,

comparado com o valor normal de 120°) para o hidrato (C–C–C

de 60°, comparado com o valor normal de 109°).

Adição de álcoois – formação de acetal e hemiacetal

Em síntese orgânica, por vezes acontece que um dos

reagentes contém grupos funcionais incompatíveis com as

condições de reação. Assim, faz-se necessário introduzir

grupos protetores, fáceis de introduzir e que mantêm-se

inalterados quando necessário e fáceis de remover. Estes

grupos protetores são conhecidos como acetais ou hemiacetal.

Muitas das reações de adição nucleofílica a aldeídos e

cetonas com alcoóis, em condições de catálise ácida, implicam

na transformação do produto inicial em um hemiacetal. O

produto da reação, no entanto, quando a reação é feita com um

mol de aldeído e dois mols de álcool, forma diéteres geminal

conhecido como acetais.

210

As reações globais ocorrem em duas etapas. O

hemiacetal é formado na primeira etapa por adição nucleofílica

do álcool ao grupo carbonila. O mecanismo de formação

hemiacetal é exatamente análogo ao de hidratação catalisada

por ácido, de aldeídos e cetonas.

Sob as condições ácidas a formação do hemiacetal é

convertida para um acetal por meio de um intermediário,

carbocátion.

O carbocátion é estabilizado pela deslocalização de

elétrons do oxigênio, uma forma de ressonância

particularmente estável, ambos carbono e oxigênio têm octetos

de elétrons.

A adição nucleofílica no carbocátion intermediário por

uma molécula de álcool leva a um acetal.

211

A formação acetal é reversível em ácido. Um equilíbrio é

estabelecido entre os reagentes, ou seja, o composto

carbonílico e do álcool, e o produto acetal. A posição de

equilíbrio é favorável para a formação de acetal da maioria dos

aldeídos, especialmente quando o álcool em excesso está

presente na reação como solvente. Para a maioria das reações

com cetonas, a posição de equilíbrio é desfavorável, e os

acetais são formados mais facilmente em presença de dióis,

por exemplo, a reação de uma cetona com o 1,2-etanodiol para

formar acetais cíclicos.

O fato de a reação se dar com o diol, mas não com

álcool simples, é devido o valor de ∆S para diol ser mais

favorável do que o álcool mais simples, que envolve um

decréscimo no número de moléculas ao passar de reagente

para produto.

Adição de tióis

Os compostos carbonílicos reagem com tióis, RSH, para

formar hemitioacetais e tioacetais, mais fácil do que reagem

com álcool, isto reflete a maior nucleofilicidade do enxofre em

comparação com oxigênio. Como os acetais, os tioacetais

oferecem proteção para o grupo C=O, já que são relativamente

estáveis a ácidos diluídos, e decompoem-se rápido por ação de

HgCl2/CdCO3. Sofrem também dessulfurização com: hidrogênio

212

e níquel como catalisador, úteis no processo de síntese para a

conversão indireta de C=O→CH2.

R2C OR'SH

R2C(SR')2

H2/NiR2CH2

Esta é uma conversão geralmente difícil de

efetuar de modo direto.

Adição de cianeto de hidrogênio

A adição de HCN deve envolver um carbânion. Trata-se

de uma reação de interesse em síntese orgânica e seu

mecanismo estabelecido (Lapworth, 1903). O HCN não é um

nucleófilo poderoso para atacar C=O, e a reação deve ser feita

em catálise básica de modo que HCN seja convertido em –CN

mais nucleofílico, com a seguinte lei de velocidade.

Velocidade = k[R2C=O][-CN]

A adição de –CN é reversível, e o equilíbrio tende a

deslocar-se no sentido dos reagentes, se estiver presente um

doador de prótons; este desloca o equilíbrio para a direita, já

que o equilíbrio que envolve a cianidrina é geralmente mais

favorável do que o que envolve o ânion.

O ataque por –CN é lento (determinante da velocidade),

ao passo que a transferência de próton de HCN ou de um

solvente prótico, H2O, é rápida.

A reação é reversível, o problema é a toxicidade do HCN

que tem afinidade pelo Fe(III) inibindo a cadeia de transporte

da mitocôndria, na etapa mediada pela enzima citocromo

oxidase. Dessa forma, cessam a respiração mitocondrial e a

produção de energia pelas células, levando a morte. Daí há

213

outras alternativas para produzir cianidrinas, via bissulfito

(somente para aldeídos) e via cianeto de trimetilsilila.

Adição de bissulfito

A adição do íon bissulfito ocorre com aldeídos,

metilcetonas e cetonas cíclicas, formando adutos cristalinos.

Os sais de ácidos sulfônicos formados refletem numa maior

nucleofilicidade do enxofre em relação ao oxigênio. O nucleófilo

que reage é o SO32-, e não HSO3

-, (HO- + HSO3- H2 + SO3

2-).

O ânion atacante está presente na solução, o SO32-, é

um nucleófilo poderoso e não requer ativação (por protonação)

do grupo carbonilo, não sendo necessária catálise ácida ou

básica.

Adição de íons hidreto

Os grupos carbonilos podem ser reduzidos

cataliticamente tal como o são as ligações carbono-carbono

insaturadas. No entanto, normalmente é mais difícil efetuar a

redução catalítica de grupo C=O do que os grupos, C=C, C≡C,

C=N ou C≡N. A maioria dos compostos carbonílicos são

reduzidos por reagentes de boro ou alumínio por transferência

de hidretos. Essas reduções seletivas podem, no entanto, ser

efetuadas com diversos hidretos metálicos, geralmente

complexos.

Adição de complexos de íons hidreto com metais

O hidreto de lítio e alumínio, Li+AlH4-, é entre os

complexos um dos mais potentes, que reduz o grupo C=O em

aldeídos, cetonas, ácidos, ésteres e amidas a CH2OH nos

214

primeiros, e CH2 nas amidas, deixando intacta qualquer ligação

C=C ou C≡C que também esteja presente no composto (as

ligações C=C conjugadas com C=O são, por vezes, afetadas).

O verdadeiro agente redutor atua como um poderoso doador

de íon hidreto, H-, a redução não pode ser efetuada em

solventes próticos, H2O, ROH, dado que então haveria uma

abstração de próton preferencial. Os éteres, em grande número

dos quais Li+AlH4- é solúvel, são por isso vulgarmente utilizados

como solventes.

O AlH4- nucleófilo doa H-, de modo irreversível, ao átomo

de carbono carbonílico, e o AlH3 residual complexa então com

o seu átomo de oxigênio para formar o ânion, que forma o

complexo

e AlH4-, única espécie de fato envolvida na doação de

hidreto. O complexo é convertido no produto, o álcool, por

tratamento com um solvente prótico.

Reação de Meerwein-Ponndorf

Esta reação é um exemplo clássico de redução de

cetonas, com Al(OCHMe2)3 em propan-2-ol, pela transferência

de hidreto do carbono para um átomo de carbono carbonílico,

de modo reversível, estabelecendo-se um equilíbrio.

A propanona é o constituinte do sistema com o

ponto de ebulição mais baixo, o equilíbrio é deslocado, para a

direita por destilação contínua da propanona, removendo-a do

sistema. É utilizado um excesso de propano-2-ol, que troca

215

com o alcóxido misto de alumínio produzido, libertando o

produto de redução desejado R2CHOH, onde o átomo de

hidrogênio é obtido por transferência de hidreto do carbono no

estado de transição.

Reações de Cannizzaro

Esta reação envolve a transferência de hidreto de uma

molécula de aldeído sem átomos de hidrogênio em posição α,

como HCHO, R3CCHO, ArCHO, para uma segunda molécula

quer do mesmo aldeído, quer para uma molécula de um

aldeído diferente (reação de Cannizzaro cruzada). A reação

requer a presença de bases fortes e com, por exemplo,

PhCHO, segue a lei de velocidade, Velocidade = k[PhCHO]2[-

OH].

A reação apresenta o seguinte mecanismo:

A adição rápida e reversível de –OH a PhCHO dá

origem ao grupo doador do hidreto, pela transferência, lenta e

determinante da velocidade, de hidreto para o átomo de

carbono carbonílico de uma segunda molécula de PhCHO. A

reação é completada por uma troca rápida de próton para dar o

par estável, com o equilíbrio deslocado para a direita. Ocorre

uma oxidação/redução mútua de duas moléculas do aldeído

para dar uma molécula do ânion carboxilato e do álcool

primário.

Adição de elétrons

Os átomos dos metais mais eletropositivos, Na, K, Li,

etc., podem em determinadas condições, produzir elétrons

solvatados.

216

Estes elétrons podem atuar como nucleófilos e

adicionar-se a átomos de carbono carbonílicos C=O, para dar

um ânion radicalar, como um par iônico com o cátion metálico,

M+.

A propanona é facilmente convertida por magnésio em

2,3-dimetilbutan-1,2-diol, chamado pinacol:

Reações de adição/eliminação

As reações de adições nucleofílicas a C=O, em que o

nucleófilo adicionado carrega um próton ácido, tornam possível

uma eliminação subsequente, o resultado é uma substituição.

Os exemplos mais comuns observam-se com os

derivados de NH3, como HONH2, NH2COCNHNH2, PhNHNH2,

etc., usados para converter compostos carbonílicos líquidos em

derivados sólidos.

Derivados de NH3

A reação a pH 7

entre o ânion piruvato e

hidroxilamina, NH2OH,

para formar a oxima,

ocorre via formação de um intermediário:

217

Aumentando a acidez da mistura reacional diminui a

velocidade adição (desaparecimento da absorção de CO)

porque a hidroxilamina NH2OH é convertida em HN+H2OH, que

não é nucleofílico, mas aumenta a velocidade à qual aparece a

absorção de C=N, devido a catálise ácida da desidratação.

Estas observações são compatíveis com um mecanismo

reacional da seguinte forma.

Nucleófilos fortes tais como NH2OH (Y=OH) não

requerem catálise para a adição inicial a C=O, mas outros mais

fracos, como PhNHNH2 (Y=PhNH) e NH2CONHNH2

(Y=NHCONH2), frequentemente requerem catálise ácida para

ativar o grupo C=O. Dependendo do pH da reação, a etapa de

adição inicial ou a etapa de desidratação é determinante da

velocidade da reação. A pH neutro ou alcalino geralmente é a

desidratação, que é etapa lenta, determinante da velocidade,

enquanto que a pH mais ácidos, a etapa lenta e determinante

da velocidade, é a adição inicial do nucleófilo. Assim, para a

formação de uma oxima a partir de propanona, Me2CO, pH

ótimo é 4,5.

Adição de carbono nucleofílico

As reações adição de carbono nucleofílico serão

consideradas um grupo que resultam na formação de ligações

carbono-carbono, que têm utilidade e importância nas reações

em síntese orgânica.

218

Reagentes de Gringnard

A estrutura do reagentes de Grignard, RMgX, depende

da natureza de R e também do solvente em que o reagente é

dissolvido. O reagente de Grignard reage como fonte de

carbono polarizado negativamente, como δ-RMgXδ+. A

complexação do átomo de Mg do reagente de Grignard com o

átomo de oxigênio carbonílico, em alguns casos, estão

envolvidas duas moléculas de RMgX na reação de adição, via

um estado de transição cíclico como:

A segunda molécula de RMgX, como um catalisador

ácido de Lewis, aumenta a polarização positiva do átomo de

carbono carbonílico através da complexação com oxigênio.

Os reagentes de Grignard que apresentam átomos de H

no carbono β (RCH2CH2MgX) tendem a reduzir C=O → CHOH,

formando alceno (durante o processo é uma transferência de

H, em vez de transferência de RCH2CH2).

As cetonas estereoquimicamente impedidas, contendo

átomos de H nos seus carbonos α, tendem a ser convertidas

nos seus enóis, sendo o reagente de Grignard RMgX perdido

no processo sob a forma de RH.

219

Íons acetilênicos

Os acetilenos, RC≡CH e HC≡CH, são ácidos e podem

ser convertidos, por bases fortes, como -NH2, em amoníaco,

em ânions correspondentes, que são mais nucleofílicos do que –CN. Assim podem adicionar-se a C=O, e a reação tem

utilidade em síntese pelo fato de a ligação C≡≡≡≡C presente poder

sofrer redução ao alceno por H2 com o catalisador de Lindlar.

Reações aldólicos

Nestas reações, o carbânion, obtido pela base (-OH) por

retirar um hidrogênio α de uma molécula de um composto

carbonílico, adiciona-se ao átomo de carbono carbonílico de

outra molécula para dar um composto β-hidroxicarbonílico.

Com etanal, CH3CHO, o produto é o 3-hidroxibutanal, um aldol:

No caso de CH3CHO, verifica-se que o equilíbrio se

encontra deslocado para a direita, a favor do aldol. A reação

direta da etapa (2) é muito mais rápida do que a reação inversa

da etapa (1), ambas competindo entre si pelo carbânion.

Em condições ácidas ocorre desidratação, e a reação é

denominada condensação aldólica.

As reações aldólicas cruzadas, em que ambos os

aldeídos têm átomos de H em posição α, podem resultar numa

220

mistura de quatro produtos diferentes. N as reações aldólicas

cruzadas de um aldeído que não tem α-H, só pode reagir

aceitando carbânion, como a condensação de Claisen-Schmidt

de aldeídos aromáticos com aldeídos alifáticos simples ou

cetonas (geralmente metil cetonas), em presença de 10% KOH

aquoso (a desidratação ocorrre, nestas condições, depois da

adição de carbânion).

Os substituintes doadores de elétrons em aromáticos

tornam a reação mais lenta, o p-MeOC6H4CHO reage com uma

velocidade que é cerca de 1/7 da velocidade de reação de

C6H5CHO. É claro que a autocondensação do aldeído alifático

é uma reação competitiva nestas condições, mas a reação de

Cannizzaro de ArCHO é uma reação tão lenta que não chega a

poder competir significativamente.

As reações aldólicas ocorrem com compostos

dicarbonílicos apropriados, intramoleculares e com ciclizações.

Reação de Perkin

Nesta reação, o carbânion é obtido por remoção de um

próton de átomo α-H de uma molécula de um andrido de ácido

e reage com uma carbonila de um aldeído aromático. Os

produtos obtidos são ácidos α,β-insaturados, como na síntese

de ácido 3-fenilpropenóico (ácido cinâmico)

221

Nas condições reacionais (excesso de anidrido como

solvente a ~140 °C), ocorre a desidratação do aduto inicial,

com formação do anidrido misto. Colacando a mistura reacional

em água, ocorre a hidrólise do anidrido misto aos ácidos

correspondentes, PhCH=CHCO2H + MeCO2H.

Reações de Knoevenagel e de Stobbe

Este tipo de adições envolve carbânions provenientes de

uma variedade de compostos do tipo CH2XY, mas

particularmente aqueles em que X e/ou Y são grupos CO2R,

CH2(CO2Et)2, na presença de bases orgânicas como

catalisadores. Na maioria das reações, o aldol intermediário é

desidratado ao produto α,β-insaturado, o éster. Os carbânions,

derivados de ésteres do ácido 1,4-butanodióico (ácido

succínico, CH2CO2Et)2), e aldeídos ou cetonas, com íons

alcóxido como bases catalisadoras é conhecida como

condensação de Stobbe. Um mecanismo reacional sugerido,

envolve um intermediário cíclico, uma lactona, que pode ser

isolada.

222

Condensação de Claisen de ésteres

Esta reação envolve carbânions derivados de ésteres,

que são adicionados a átomos de carbono carbonílico de outra

molécula de éster. O início, da reação é semelhante, à

condensação aldólica.

No entanto, uma diferença significativa em relação à

reação aldólica simples é que o aduto inicial, que possui agora

um bom grupo de saída (OEt), perde –OEt para dar um β-ceto-

éster, 3-cetobutanona de etila (acetoacetato de etila). Este é

finalmente convertido por ação de uma base (-OEt) no seu

carbânion estabilazado (deslocalização).

As reações de Claisen cruzadas com dois ésteres

diferentes, cada um deles com átomos de H em posição α,

223

formam quatro produtos possíveis. Mas as reações de Claisen

cruzadas quando um dos dois ésteres não tem átomos α-H,

HCO2Et, ArCO2Et, (CO2Et)2, etc., reagem como aceitador de

carbânions. Estas espécies são, boas aceitadoras de

carbânions e não ocorre a reação de autocondensação. O

OC2H5

benzoato deetila (aceptor)

H3C C

O

OC2H5

acetato de etila(doador)

NaF/THF

H3O+

O

OC2H5

O

β-ceto-éster

As reações de Claisen intramoleculares, em que ambos

os grupos CO2Et são parte da mesma molécula, são chamadas

ciclizações de Dieckmann. Ocorre em condições simples, com

formação de ânions de β-ceto-ésteres cíclicos com 5, 6 ou 7

átomos com EtO2C(CH2)nCO2Et em que n = 4 – 6.

Reação de Wittig

Esta é uma reação útil para transformar C = O em C = C.

Esta reação envolve a adição de um ilídio de fosfônio,

(Ph3P=CRR’), que no seu estado fundamental, tem cargas de

sinais opostos em átomos adjacentes, a um aldeído ou a uma

cetona. o ilídio é um carbânion envolvendo também um

heteroátomo. Estas espécies são formadas pela reação de um

haleto de alquila, RR′CHX, com trifenil-fosfina Ph3P, para

formar um sal de fosfônio, que perde um próton ao reagir com

uma base muito forte, PhLi.

224

A adição do reagente de Wittig a C=O, segue o

mecanismo seguinte:

A etapa (1) pode, ou não, ser um equilíbrio, a etapa (1)

ou as etapas (2) e (3) podem ser determinantes da velocidade,

e a etapa (2) pode de fato ser concertada, em alguns casos

isolados, foi possível isolar o zwitterion intermediário.

Dependendo das condições reacionais, pode gerar olefinas cis

ou trans.

Estereosseletividade em reações de adição a carbonilos

As reações de adição nucleofílica de HY a C=O, ocorre

com formação de produtos idênticos, devido à possibilidade de

rotação livre em torno das ligações C─O.

A adição de HY a RR′C=O introduz um centro quiral no

aduto, mas o produto será sempre a forma (±), o racemato,

porque o ataque nucleofílico incial por cima do plano de (a) ou

por baixo (b), do composto carbonílico planar é igual.

225

Quando R ou R′ é quiral, as duas faces do composto

carbonílico não são equivalentes, e a adição por cima e por

baixo não é igual. Quando a reação é reversível, haverá maior

proporção do produto termodinamicamente mais. Para reações

essencialmente irreversíveis, com RMgX, LiAlH4, etc., o

produto que se forma mais rapidamente é provavelmente

aquele que predomina (controle cinético), das duas

possibilidades é possível prever, a partir de regra de Cram, que

uma cetona reagirá na conformação em que o O do grupo C=O

é anti em relação ao mais volumoso dos três substituintes do

átomo de carbono α. O ataque nucleofílico preferencial de

R′MgBr será pelo lado menos impedido do átomo de carbono

carbonílico em (a). Isto pode observar-se com mais facilidade,

recorrendo a fórmulas de projeção de Newman.

A reação ocorre preferencialmente via o estado de

transição menos impedido (de menor energia), e a razão x/y

aumenta à medida que aumenta a diferença de tamanho entre

M e S e à medida que aumenta o tamanho de R′ em R′MgBr.

As letras S, M e L são as iniciais das palavras inglesas: short,

226

medium e large, indicando os grupos: pequeno, médio e

grande.

Reações catalisadas por ácido

É difícil efetuar o ataque ao carbono carbonílico de

RCO2H, com nucleófilos do tipo geral Y-, porque estes

nucleófilos abstraem um próton, e o RCO2 resultante não é

suscetível ao ataque nucleófilo. Os nucleófilos mais fracos da

forma YH e ROH não apresentam esta limitação, mas as suas

reações com o átomo de carbono carbonílico, RCO2H, são

lentas. O caráter eltrofílico da carbonila pode ser aumentado

por protonação, via catálise ácida, por exemplo, na reação de

esterificação.

A protonação do átomo de oxigênio do ácido na reação

direta (esterificação), e do éster na reação inversa (hidrólise). A

catálise ácida também tem efeito sobre a perda do grupo de

saída, mais fácil perder H2O ou EtOH do que perder –OH ou –

OEt na reação de esterificação. O equilíbrio pode normalmente

ser deslocado no sentido pretendido, utilizando-se para tal um

excesso de ROH (ou de H2O para a hidrólise). Este mecanismo

é conhecido como AAC2 (catalise ácida, com quebra acil-

oxigênio, bimolecular). Nestas condições, a reação de R′OH

com RCO2R′′ resulta em transesterificação, sendo a posição do

equilíbrio determinada pelas proporções relativas de R′OH e

227

R′′OH. Os anidridos de ácidos e as amidas sofrem hidrólise

catalisada por ácido de modo muito semelhante aos ésteres.

ADIÇÃO A C≡N

A ligação C≡N apresenta uma semelhança com C=O e

pode reagir de modo semelhante a um certo número de

reações de adição nucleofílica análogas.

Os reagentes de Grignard regem com as nitrilas

formando sais de cetiminas que podem ser hidrolisadas em

meio ácido para formar cetona.

A adição de H2O (hidrólise) pode ser catalisada por

ácidos e por bases.

O produto inicial é uma amida, mas esta sofre hidrólise

fácil catalisada por ácidos ou por bases, e o produto da reação

é, muitas vezes, o ácido carboxílico, RCO2H, ou o seu ânion.

7o ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO

1. Compare o momento de dipolo do formaldeído e da acetona. 2. Justifique os valores de k (constante de velocidade) na formação de cianidrinas. Escreva as reações químicas:

228

Composto K (cte de velocidade) CH3CHO Muito grande p-NO2C6H4CHO 1420 C6H5CHO 210 p-MeOC6H4CHO 32 CH3COCH2CH3 38 C6H5COCH3 08 C6H5COC6H5 Muito pequeno

3. Qual a influência do pH na hidratação da acetona? Escreva as reações químicas em pH 4,7 e 11. 4. Escreva as interações intramoleculares que estabilizam o cloral hidratado e a ninidrina (revelador específico de aminoácidos).

5. Mostre a reação de formação de: a) acetal b) hemi-acetal c) tio acetal d) hemi-tio acetais 6. Justifique a resistência de hidrólise dos acetais em meio alcalino. Como os tioacetais são decompostos? 7. Fazer a hidrólise de um éster: a) Catalisada por um ácido. b) Catalisada por um base. c) Qual das duas reações é irreversível? d) Fazer a hidrólise ácida de um éster de um álcool terciário. e) Fazer a hidrólise da etanonitrila até ácido carboxílico. 8. O ácido mandélico {C6H5CH(OH)CO2H} pode ser isolado do óleo de amêndoas amargas, e é usado na medicina no tratamento de infeções urinárias. Sugira uma síntese em duas etapas, a partir do benzaldeído. 9. Fazer a adição do reagente de Grignard, seguindo o modelo de cram: a) C6H5(Me)CHCHO + MeMgI � X + Y X/Y = 2:1 b) C6H5(Et)CHCHO + MeMgI � X + Y X/Y = 2,5:1 c) C6H5(Me)CHCHO + C6H5MgI � X + Y X/Y > 4:1 10. Um composto A reage com brometo de metilmagnésio para fornecer, após hidrólise, o composto B. A oxidação de B com ácido crômico fornece C (C5H10O), o qual forma um produto cristalino pela reação com 2,4-dinitrofenilidrazina, e dá teste de iodofórmito positivo. Dê as estruturas possíveis de A até C, e as equações das reações mecionadas.

229

11. Escreva as etapas da síntese do repelente “6-12” (2-etilexano-1,3-diol) a partir do butanal. Mostre o mecanismo da etapa de condensação aldólica da síntese.

12. As etapas finais da síntese dos constituintes de dois anticoncepcionais orais, noretinodrel (utilizado no Enovid) e noretindrona (utilizado no norlutin), são mostradas abaixo. Para cada etapa, coloque o reagente necessário e diga que tipo de reação geral está ocorrendo.

noretidrona(Norlutin)

noretinodrel(Enovid)

+

HOC CH

O

HOC CH

O

D

O

O

HOC

C

O

O

BA

O

O

OHOH

O

230

231

UNIDADE VIII - REAÇÃO DE ELIMINAÇÃO

Ocoore também eliminações de átomos ou grupos de

átomos ligados a átomos do carbono diferentes, e as

eliminações no mesmo átomo (eliminações 1,1 ou eliminações-

α), eliminações em átomos mais afastados do que 1,2, são as

eliminações 1,5 e 1,6 conduzindo a ciclizações.

REAÇÕES DE ELIMINAÇÃO 1,2, ELIMINAÇÃO-β.

Nas reações de eliminação 1,2 envolvendo átomos de

carbono, o átomo que perde Y é o carbono-1 (α), e o que perde

H é o carbono-2 (β).

A reação de eliminação, induzida por base, de ácido

hologenídrico de haletos de alquila, para a obtenção de

alcenos, a mais comum é a reação de eliminação de brometos,

Outras eliminações β

Desidratação de alcoóis catalisada por ácido,

Degradação de Hofmann de hidróxidos de alquilamônio

quartenários.

232

Contudo, conhecem-se muitas outras espécies Y: ou Y-

como grupos de saída, como: SR2, SO2R, OSO2Ar, etc.

Há três mecanismos diferentes para as eliminações-1,2,

diferindo entre si pelo instante em que ocorre a quebra das

ligações H–C e C–Y. Esta quebra pode ser (a) simultânea, um

mecanismo numa só etapa, através de um único ET, e que é

designado mecanismo E2 (Eliminação bimolecular), semelhante

ao mecanismo da SN2.

As ligações H–C e C–Y podem sofrer quebra

separadamente num processo, em duas etapas. Se a ligação

C–Y for a primeira a romper-se, forma um íon carbônio como

intermediário,

Este mecanismo é E1 (Eliminação unimolecular),

semelhante ao mecanismo SN1 e os íons carbônio

intermediários para SN1 e E1 são idênticos.

Quando a ligação H–C quebra primeiro, há um processo

em duas etapas envolvendo um carbânion intermediário.

Este mecanismo é E1cB (eliminação da base

conjugada). Dentre os três tipos de mecanismos descritos,

E1cB é o mais raro, e E2 o mais comum. E os três mecanismos

são discutidos separadamente a seguir.

233

MECANISMO E1

Se a formação do íon carbônio é lenta e determinante da

velocidade (k2>k-1), a lei de velocidade observada, para o

brometo MeCH2CMe2Br, é: Velocidade = k[MeCH2CMe2Br].

A reação de eliminação é completada pela remoção

rápida de um próton por uma molécula de solvente, neste caso

EtOH, com formação do alceno.

Os fatores que promovem a eliminação unimolecular

(E1) são semelhantes àqueles que promovem SN1. Se um

grupo alquila no substrato forma um íon carbônio relativamente

estável, na presença de um bom meio ionizante e solvatante de

íons mais facilmente ocorre a eliminação. Reatividade de

eliminação E1 ao longo da série.

Primário < Secundário < Terciário

A menor estabilidade relativa dos íons carbônio

resultantes, com os haletos primários dificilmente sofrem

eliminação E1. A ramificação no átomo de carbono β favorece

a eliminação E1. Nas reações E1, o fator de controle na

orientação da eliminação (Saytzev), quando se pode formar

mais do que um alceno por perda de diferentes prótons β de

um íon carbônio intermediário.

Na reação acima o produto de eliminação (1) contém

82% do produto. Contudo, pode formar outros alcenos,

provenientes de rearranjo do íon carbônio intermediário inicial,

antes da perda do próton.

234

Mecanismo E1cB

No mecanismo E1cB, ocorre a formação do íon

carbânion intermediário, rápida e reversível, e se a perda

subsequente do grupo de saída Y- for lenta e determinante da

velocidade, k-1 > k2, esta reação obedecerá então à lei de

velocidade, e fica cineticamente indistinguível do mecanismo

concertado, E2, com lei de velocidade igual a velocidade =

k[RY][B]. Nesse caso, ocorre troca isotópica entre o substrato

inicial e o solvente, e isso acontece durante a formação rápida

e reversível do carbânion sendo possível distingui-los, fato que

não pode ocorrer no mecanismo E2, concertado, de etapa

única.

No PhCH2CH2Br, o grupo Ph no átomo de carbono β

promove a acidez nos átomos β-H, porque estabiliza o

carbânion por deslocalização.

Quando a reação é feita com –OEt em EtOD, o produto

da reação, o alceno, não contém deutério, se o produto fosse

formado por eliminação a partir do reagente inicial deuterado.

Este caso potencialmente favorável não ocorre por um

mecanismo E1cB da forma descrita anteriormente. Aqui a

velocidade de k2>>k-1, a formação de carbânion irreversível,

onde a velocidade da reação depende da concentração do íon

carbânion formado.

235

As reações que ocorrem por este mecanismo

carbâniônico são raras e são favorecidas quando no reagente

tem grupos substituintes reatiradores de elétrons como na

reação do X2CHCF3 em meio básico.

O composto, X2CHCF3, com: (a) átomos de halogênio

eletronegativos no átomo de carbono β para tornar o β-H mais

ácido, (b) estabilização do carbânion através da atração de

elétrons pelos átomos de halogênio no átomo de carbono do

carbânion, e (c) um grupo de saída ruim, F, favorece o

mecanismo E1cB. Outra característica estrutural que favorece

E1cB é (d) um substituinte positivamente carregado no átomo

de carbono α, contribuindo também para a acidez dos átomos

β-H

Mecanismo E2

O mecanismo de eliminação E2 é um mecanismo

concertado, numa só etapa então não sofre rearranjo.

A reação de eliminação de HX, induzida por base, do

haleto RCH2CH2X, tem a lei de velocidade igual a Velocidade =

k[RCH2CH2X][B].

Como B é muitas vezes tanto um nucleófilo como uma

base, a eliminação é acompanhada frequentemente pela

substituição nucleófila concertada numa só etapa (SN2).

A ruptura da ligação C–H na etapa determinante da

velocidade, como requer um mecanismo concertado, é dada

pela observação de um efeito isotópico cinético primário

quando H é substituído por D no carbono β.

236

Um dos fatores que afeta a velocidade das reações E2 é

a força da base usada. Assim, verifica-se que: -NH2 > -OR > -

OH.

O solvente exerce influência sobre o grupo saída Y: ou

Y-, via ligação de hidrogênio ou de solvatação no ET. Para um

substrato com uma dada estrutura, variando Y, quanto melhor

for o grupo de saída, mais rápida é a reação. Os melhores

grupos de saída são os ânions (bases conjugadas) dos ácidos

fortes HY, e a sua capacidade como grupos de saída pode ser

relacionada em parte com a força relativa de HY, por exemplo,

o p-MeC6H4SO3- (tosilato) é um grupo de saída muito melhor

do que –OH.

As características estruturais do substrato que

favorecem a eliminação E2 são aquelas que servem para

estabilizar o alceno formado (R2C=CR2 > R2C=CHR >

R2C=CH2 > RCH=CHR > RCH=CH2 > H2C=CH2) ou o ET que

o precede. Tais características incluem aumento da

substituição com grupos alquilo em ambos os átomos de

carbono α e β (formando alcenos de estabilidade

termodinâmica crescente) ou a introdução de um grupo fenilo

que possa entrar em conjugação com a ligação dupla em

desenvolvimento.

Estereosseletividade em E2

A eliminação em moléculas acíclicas pode ocorrer numa

das duas conformações limite, a anti ou a syn.

Há uma vantagem na eliminação com conformação em

que o H, Cβ, Cα e Y estão no mesmo plano das orbitais p em Cβ

e Cα, quando H+ e Y- saem, se tornam paralelas entre si, com

uma sobreposição máxima na formação da ligação π. Será

237

energeticamente favorável para uma base B que ataca nesse

plano comum. Estabelecendo a preferência da eliminação a

partir de uma conformação planar, põe-se a questão de qual

delas, syn ou anti, é mais fovorável em relação à outra.

Deste modo, dois fatores justificam a preferência pela

eliminação antiperiplanar:

(a) o par eletrônico formado em Cβ por perda de H+

próximo do Cα pelo lado oposto do grupo de saída do par

eletrônico com Y-;

(b) a eliminação ocorre na conformação em estrela de

menor energia (anti), em lugar de ocorrer na conformação

eclipsada de maior energia (syn).

Assim a eliminação E2, tem uma conformação

preferencial de eliminação Anti (lado oposto).

Quando os Cβ e Cα são quirais, a eliminação a partir das

suas conformações forma produtos diferentes, o alceno cis ou

trans. Assim, conhecendo a configuração do diastereômero

original, e estabelecendo a configuração do(s) isômero(s)

geométrico(s) que se forma(m), podemos estabelecer o grau

de estereosseletividade do processo de eliminação.

Nos casos acíclicos mais simples, verifica-se que a

eliminação Anti é preferencial.

Em compostos cíclicos a conformação da eliminação

pode ser determinada pela rigidez relativa da estrutura cíclica.

Um experimento compara as velocidades da eliminação

dos isómeros cis e trans do brometo de 4-terc-butilciclohexil.

238

Embora o produto da reação seja o alceno

estereoisômero 4-terc-butyiciclohexeno, as velocidades de

reação são muito diferentes. O isômero cis reage mais de 500

vezes mais rápido do que o trans. A diferença nas velocidades

de reação é devido ao grau de desenvolvimento da ligação π

no estado de transição E2. A sobreposição de orbitais π exige

que sejam paralelos, a formação da ligação pi é formada mais

facilmente quando os quatro átomos H–C–C–X estão no

mesmo plano, no estado de transição. As duas conformações

que permitam esta relação são denominadas syn periplanar e

anti periplanar.

Assim, para uma série de eliminações em anéis de

diferentes dimensões, foram observados os seguintes graus de

estereosseletividade.

Tamanho

do ciclo

% da

eliminação syn

239

Cilcobutil 90

Ciclopentil 46

Ciclohexil 3

Cilcoheptil 37

Orientação em E2: Saytzev versus Hofmann

Em substratos que possuem átomos de hidrogênio β

alternativos disponíveis, é possível obter mais do que um

alceno por eliminação, onde existem duas possibilidades.

CH3CH2CHYCH3 + KOH � CH3CH=CHCH3 +

CH3CH2=CH2

Saytzev Y = Br 81% 19%

Hofmann Y = +SMe2 26% 74%

Hofmann Y = +NMe3 5% 95%

Para ajudar a prever qual o alceno mais provável,

existem duas regras empíricas que podem ser resumidas do

modo seguinte: (a) Hofmann (Y=+NMe3) afirmou que o alceno

predominante será o que tem o menor número de substituintes

alquil nos carbonos da ligação dupla; (b) Satzev (Y=Br) afirmou

que o alceno que predomina é aquele com maior número de

substituintes alquil nos carbonos da ligação dupla. Ambas a

generalizações são válidas, ficando claro que a composição da

mistura de alcenos obtida por eliminação é influenciada por Y.

Se a ligação C–Y sofrer ruptura com relativa facilidade,

então, a medida que a base atacante começar a quebrar a

ligação H–Cβ, a ligação C–Y também começará a romper. A

ligação dupla começa, assim, a formar-se cedo no processo

global, com o ET, com acentuado caráter de ligação dupla e

será, pois, estabilizado por quaisquer características que

estabilizem o alceno resultante. Uma destas características é a

substituição por grupos alquil nos carbonos da ligação dupla:

240

quanto mais substituído for um alceno, normalmente mais

estável ele é. O que isto significa é que a base atacante

tenderá a remover preferencialmente o β-H que conduzirá ao

ET mais estável (semelhante a um alceno) e este forma o

alceno resultante mais estável, trata-se de uma eliminação de

Saytzev. É isto que sucede em quando Y = Br. A preferência é

pela eliminação do tipo Saytzev no mecanismo E1.

Se a ligação C–Y for mais difícil de quebrar, então a

remoção de um β-H pela base atacante ocorrerá muito antes

da ligação C–Y começar a sofrer ruptura, tendência esta que

pode ser reforçada pela presença de uma carga positiva em Y.

O ET terá agora um caráter menos semelhante ao alceno, e

mais semelhante a carbânion; será por isso estabilizado por

quaisquer fatores que estabilizem carbânions, com estabilidade

relativa de carbânions na sequência seguinte: primário >

secundário > terciário. A base atacante tenderá a remover

preferencialmente o β-H que conduzir ao ET mais estável

semelhante a carbânion, que, por sua vez, resultará na

formação do alceno menos substituído. Trata-se de uma

eliminação de Hofmann.

Eliminação versus substituição

As reações de eliminação E1 são normalmente

acompanhadas por reações de substituição SN1, ambas têm

um intermediário comum, um íon carbônio, ainda que este seja

convertido em produtos de eliminação ou de substituição via

ET diferentes, numa etapa rápida, não determinante da

velocidade.

A eliminação E2 é acompanhada muitas vezes por

substituição SN2, embora, neste caso, os processos

concertados paralelos envolvam mecanismos inteiramente

independentes. Assim, considerando a eliminação via

241

substituição, há de fato três fatores principais a considerar: (a)

fatores que influenciam a razão de produtos E1/SN1, (b) fatores

que influenciam a razão de produtos E2/SN2, e (c) fatores que

influenciam mudanças de mecanismo, E1/SN1 → E2/SN2 ou

vice-versa.

Assim, podemos resumir nos quadros um ou outro

mecanismo de reação (E1/ SN1 ou E2/SN2), ou substiruição

versus eliminação.

Quadro 1. Eliminação E1 versus Eliminação E2

Aspecto E1 E2 Molecularidade Unimolecular Bimolecular Cinética 1ª Ordem 2ª Ordem Substrato Terc > Sec >

Prim Terc > Sec >Prim

Rearranjo Possível Não Efeito isotópico de H Nâo Sim Efeito elem. grande Tamanho

Sim Sim

Conc. da Base Independe Depende

Quadro 2. Eliminação versus Substituição.

Condições Eliminação Substituição Base forte e volumosa Favorecida Desfavorecida Temperatura Alta Baixa

Natureza do substrato Terc > Sec > Prim

SN1 – Terc > Sec > Prim SN2 – Prim > Sec >Terc

As reações de eliminação E1 ou E2 são favorecidas

relativamente à substituição pelo aumento da temperatura,

porque a eliminação conduz a um aumento do número de

partículas, enquanto que na substituição isso não acontece. A

eliminação tem assim um termo entropico mais favorável, e

como este (∆S‡) é multiplicado por T na relação da energia livre

de ativação, (∆G‡ = ∆H‡ - T ∆S‡), aumentará à medida que a

temperatura aumenta, compensando progressivamente um

termo ∆H‡ menos favorável.

242

8o ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO

1. O cloreto de neomentila (I), por eliminação E2, transforma-se numa mistura de 25% de 2-menteno (II) e 75% de 3-menteno (III). Em contraste, porém, o cloreto de mentila, diastereômero do cloreto de neomentila (IV), converte-se, por eliminação E2, exclusivamente no menos estável 2-menteno. Como se explica esta diferença de comportamento?

2. Predizer os produtos de eliminação da reação dos seguintes compostos com bases. 3. Explique o seguinte: Reage103 vezes mais lentamente que qualquer outro isômero.

(I)

R= isopropil

CH3

RCl

CH3

R

CH3

R

CH3

R

Cl

(IV)(III)(II)

CH3CH2CH2C(CH3)2

Cl

N+

N+

a) b)

c) d)

CH3CH2CH2CHCH3

N(CH3)2+

CH3

H3CH

DH

OTs

t-BuOK +a)

b)Cl

ClCl

Cl

ClCl

OH-Cl

Cl

ClCl

H

H3C

CH3

H

H

H3C

CH3

H

243

4. Explique os resultados obtidos nas duas reações de eliminação mostradas abaixo. Baseie sua resposta em seus conhecimentos de análise conformacional relativos ao ciclo-hexano. 5. Nas reações de eliminação, mostre, apresentando exemplos, quando há predomínio da olefina de Hoffmanm e quando há predomínio da olefina de Saytzev. 6. As reações de eliminação 1,1 (alfa) são raras. Mostre este tipo de eliminação na preparação do ciclopropano, halogenado.

7. Descreva as reações de Cope e de Chugaev e dê exemplos. Qual a vantagem destas reações pirolíticas? 8. Se as reações de eliminação e substituição são competitivas, indique as condições que favorecem cada uma destas reações.

9. Explique a regra de Bredt.

Br Br

t-BuOK t-BuOK

fácil difícil

244

245

UNIDADE IX - CARBÂNIONS

A acidez relativa de carbonos ácidos tais como em R3C

– H, a velocidade à qual o próton é transferido para a base

pode ser lenta de modo a constituir um fator limitante, e a

acidez de R3C – H é assim controlada cinteticamente e não

termodinamicamente.

Há outros métodos de gerar carbânions, além da

remoção do próton. A formação do carbânion é importante,

dada a sua participação numa grande variedade de reações

em síntese, muita das quais de grande interesse por resultarem

na formação de ligações carbono-carbono.

Formação de carbânions

O método mais comum para a formação de carbânions

é por remoção de um átomo ou grupo X de um carbono,

deixando X o seu par de eletrôns de ligação.

O grupo de saída mais comum é X = H, onde um próton

é removido, R3C – X � R3C–, embora se conheçam também

outros grupos de saída, como o Cl no cloreto de trifenilmetilo.

A tendência de alcanos perderem um próton e formar

carbânions, como o CH4 foi calculado um valor de pKa de ≅ 43,

em comparação com 4,76 para MeCO2H. Os métodos normais

para determinação do pKa não funcionam, numa escala de

acidez tão baixa, e estas determinações foram feitas a partir de

medidas no equilíbrio.

246

Parte-se do princípio de que quando mais forte for um

ácido, RH, maior será a sua proporção na forma RM

relativamente a RI. A determinação da constante de equilíbrio

K permite uma determinação da acidez relativa de RH e R’H e,

por escolha conveniente de pares, pode subir-se na escala de

pKa até ser possível uma comparação direta com um composto

RH cujo pKa tenha sido determinado por outros meios.

Assim , encontra-se para Ph3C-H um valor de pKa de um

ácido muito mais forte do que CH4, e o carbanion Ph3C-Na+

pode ser obtido por ação do amideto de sódio, -NH2Na+, em

amoníaco.

O carbânion, Ph3C-, pode ser obtido por ação de sódio

metálico sobre Ph3C-H em solvente inerte, e a solução de

trifenilmetilo de sódio resultante é usada como uma base

orgânica muito forte com capacidade de capturar próton do

carbanion. Os alcenos são ácidos ligeiramente mais fortes do

que os alcanos –CH2=CH2 tem um valor de pka 37, mas os

alcinos são mais ácidos, tendo HC≡CH um valor de pKa de 25.

O carbânion HC≡C- (ou RC≡C-) pode ser gerado a partir do

hidrocarboneto, por ação de –NH2 em amoníaco; estes anions

acetilênicos são de importância sintética.

A introdução de grupos substituintes retiradores de

elétrons aumenta a acidez dos átomos de hidrogênio no

carbono. Assim, a formação de um carbânion instável, -CCl3,

por ação de bases fortes em clorofórmio, encontrando-se para

HCF3 e HC(CF3)3 os valores de pKa de ≅ 28 e 11,

respectivamente. O efeito com substituintes que podem

deslocalizar uma carga negativa e exercem também um efeito

indutivo negativo é ainda mais acentuado, e os valores de pKa

de CH3CN, CH3COCH3 e CH3NO2 são, respectivamente, 25, 20

247

e 10,2. Com CH3NO2, o carbânion correspondente –CH2NO2

pode ser obtido por ação de –OEt em EtOH, ou mesmo de –OH

em H2O, em pequenas concentrações do carbânion em

solução aquosa, nos compostos carbonílicos menos ácidos,

permitindo que ocorra a reação aldólica.

Estabilidade de carbânions

As características estruturais em R–H que favorecem a

remoção de H por bases, e fatores que servem para estabilizar

o carbânion resultante, R-, ambos os efeitos resultantes de um

mesmo fator. Os fatores principais que servem para estabilizar

carbânions são: (a) aumento do caráter s no carbono do

carbânion, (b) efeitos indutivos negativos, (c) conjugação do

par de eletrôns isolado do carbanion com uma ligação múltipla,

e (d) através de aromização.

O efeito de (a) observa-se no aumento da acidez dos

átomos de hidrogênio na sequência: CH3-CH3 < CH2=CH2 <

HC≡CH, refletindo no aumento de caráter s do orbital híbrido

envolvido na ligação σ do H, sp3 < sp2 < sp1. Os orbitais s estão

mais próximos do núcleo, isto facilita a saída do átomo H sem o

seu par de elétrons, tornando–o ácido, estabilizando o

carbânion formado.

O efeito de (b) é observado em HCF3 (pKa = 28) e

HC(CF3)3 (pKa = 11), onde a alteração em relação a CH4 (pKa ≅

43) resulta do efeito indutivo negativo do átomo de flúor, que

torna o átomo H mais ácido, e estabiliza os carbanios

formados, -CF3 e –C(CF3)3, por atração de elétrons. O efeito é

mais acentuado em HC(CF3)3, onde estão envolvidos nove

átomos de flúor, em comparação com apenas três em HCF3,

apesar de não estarem, neste caso, atuando diretamente no

átomo de carbono do carbânion. O mesmo efeito ocorre na

formação de –CCl3 a partir de HCCl3, onde ocorre efeito

indutivo negativo semelhante. Este efeito é provavelmente

248

menos eficaz com Cl do que com o F mais eletronegativo, mas

a deficiência pode ser superada em parte pela deslocalização

do par eletrônico do carbânion para as orbitais d livres do cloro,

elemento do segundo período, o que evidentemente não é

possível para o flúor, elemento do primeiro período.

A influência desestabilizadora do efeito indutivo negativo

de grupos alquila, observa-se na seguinte sequência de

estabilidade de carbânions:

CH3- > RCH2

- > R2CH- > R3C-

Esta sequência é exatamente inversa à da estabilidades

observada para os íons carbônions.

O efeito de (c) é uma característica estabilizadora mais

comum, com CH2–CN, (CH3)2–C=O, CH2–NO2, CH3–CO2Et,

etc..

O efeito indutivo negativo, em cada caso, aumenta a

acidez dos átomos de H no átomo de carbono incipiente, mas a

estabilização do carbânion formado por deslocalização tem

maior significado. Em geral, o NO2 é o mais forte. O efeito

acentuado da introdução de mais um desses grupos no átomo

de carbono observa-se pelos valores de pKa; assim, CH(CN)3 e

CH(NO2)3 são ácidos tão fortes em água como HCl, HNO3, etc.

O grupo carboxilato no CH3–CO2Et é menos eficaz na

estabilização do carbânion do que o grupo C=O em aldeídos e

cetonas simples, como se pode observar pela sequência de

249

valores de pKa: CH2(CO2Et)2 = 13,3; MeCOCH2CO2Et = 10,7 e

CH2(COMe)2 = 8,8, resultante da capacidade de conjugação

doadora de elétron dos elétrons do par isolado no átomo de

oxigênio do grupo OEt.

Com elementos do segundo período, qualquer efeito

indutivo pode ser complementada pela deslocalização, através

do uso das orbitais d livres para acomodar o par elétron do

átomo de carbono do carbânion, isto acontece com o enxofre

num substituinte ArSO2 e também com o fósforo em, R3P+.

O efeito de (d) é observado no ciclopentadieno, que

apresenta um valor de pKa de 16, enquanto que para o alceno

simples esse valor é de pKa ≅ 37. Isto deve-se ao fato de o

carbânion formado, o ânion ciclopentadienilo, ser um sistema

eletrônico 6p deslocalizado, um sistema de Huckel 4n + 2 onde

n = 1. Os 6 elétrons preenchem três orbitais moleculares π

estabilizados, como o benzeno, e o ânion apresenta assim

estabilização quase-aromática; e estabilizado por

aromatização.

A sua aromaticidade não pode ser testada por

substituição eletrofílica, porque o ataque por X+ conduziria

simplesmente à combinação direta com o ânion. Porém, o

caráter verdadeiro (uma reação de Friedel Grafts) demonstra-

se na notável série de compostos neutros extremamente

estáveis obtidos a partir de ciclopentadienilo, chamados

metalocenos, ferroceno, no qual o metal está ligado por

250

ligações π numa espécie de “sandwish” molecular entre as

duas estruturas de ciclopentadienilo.

Também é possível adicionar dois elétrons ao

ciclooctatetraeno, não planar e não aromático por tratamento

com potássio, formando o sal cristalino e que pode ser isolado

como o diânion ciclooctatetraenilo.

O diânion é um sistema de elétrons p de Hückel 4n + 2

(n = 2) e apresenta uma estabilidade quase-aromática a

estabilização por aromatização ocorre no carbânion

duplamente carregado .

Estereoquímica de carbânions

Um carbanion simples do tipo R3C-, com o par eletrôns

não compartilhado ocupando o quarto orbital sp3, tem

configuração piramidal (sp3).

Ocorre interconversão rápida na sua imagem num

espelho, que não podem ser resolvidas nos seus

enantiomeros, dada a sua interconversão extremamente

rápida, não ocorre retenção de configuração nos grupos

RR’R’’C em reações em que estão envolvidos carbânions

intermediários.

251

Em compostos organometálicos da forma RR’R’’C-M, as

ligações de todas as espécies, desde a ligação essencialmente

covalente até à iônica, RR’R’’C-M+, e pela ligação covalente-

polar em RR’R’’Cδ-Mδ+. Nas reações destes compostos

observa-se retenção, racemização e inversão de configuração.

O resultado para cada caso particular depende não só do

substituinte alquila, mas também do metal e particularmente do

solvente. Mesmo com os exemplos mais iônicos, parece pouco

provável que se trate de um carbânion simples, na reação do

Etil com [PhCOCHMe]-M+, as velocidades relativas, em

condições análogas, diferem na ordem de ≅ 104 para M = Li,

Na e K.

Carbânions com substituintes suscetíveis de

deslocalização conjugada do par de eletrôns são planares

(sp2), de modo a permitir a sobreposição orbital máxima da

orbital p com as do substituinte.

Quando características estruturais ou estereoquímicas

impedem este alinhamento, pode não ocorrer a estabilização.

Assim, enquanto a pentan-2,4-diona, com um valor de pKa de

8,8 e a ciclohexan-1,3-diona são ambas muito solúveis em

NaOH aquoso (embora não sejam em água) e dão cor

vermelha com solução de FeCl3, o biciclo[2,2,2]octan-2,6-diona

comporta-se de modo totalmente oposto.

252

O átomo de H rodeado pelos dois grupos C=O no

biciclo[2,2,2]octan-2,6-diona dificilmente exibe caráter mais

ácido do que o correspondente H no hidrocarboneto análogo. O

comportamento diferente provém do fato do orbital que contém

o par eletrônico no carbânion formado estar num plano

virtualmente perpendicular ao que contém os orbitais p dos

átomos de carbono carbonílicos, não ocorrendo estabilização

no carbânion, que por isso não se forma.

REAÇÕES DOS CARBÂNIONS

Os carbânions podem ocorrer na maior parte das

reações de adição, eliminação, substituição, rearranjo, dentre

outras. Muitas reações já foram abordadas, como reação de

Dieckmann, reação aldólica, eliminação E1cB, rearranjo do

ácido benzílico, reação de Michael, etc.. Será agora

considerada uma seleção de reações em que participam

carbanions; muitas delas têm utilidade sintética especial, visto

resultarem na formação de ligações carbono-carbono.

Reação de adição

Um grande grupo de reações em que os carbânions

adicionam ao grupo C=O, incluindo exemplos de adição

intramolecular de carbânion como a reação aldólica, a reação

de Dieckmann, o rearranjo do ácido benzílico, e reações de

adições ao sistema C=C–C=O, a reação de Michael.

253

Reação de adição - carbonação

Uma reação de carbânions interessante e de utilidade

sintética, envolve compostos organometálicos atuando como

fontes de carbono negativo, é a adição ao eletrófilo muito fraco

CO2, para formar o correspondente ânion carboxilato é a

carbonação.

Esta reação ocorre com ãnions alquilas, arilas ou

acetiletos de metais, incluindo os reagentes de Grignard. É

frequentemente realizada por adição de uma solução do

composto organometálico num solvente inerte em um grande

excesso de CO2, é um método útil para a preparação de ácidos

acetilênicos. A reação de Kolbe-Schmidt é outro exemplo de

carbonação do carbânion.

A retenção de configuração num carbânion no carbono

da dupla de um alceno, foi demonstrada na reação do trans-2-

bromo but-2-eno com lítio, com formação do produto, o trans-2-

acetato de lítio but-2-eno.

O rendimento do produto é cerca de 75%, enquanto que

o do seu isômero geométrico é menor que 5%.

254

Reação de eliminação

As reações de eliminação, que ocorrem pelo mecanismo

E1cB, os intermediários envolvidos, são exemplos de

carbânions, por exemplo.

Reação de eliminação - descarboxilação

A perda de CO2 de ânions carboxilatos envolve como

intermediário um carbânion que adquire um próton do solvente

ou de outra fonte.

A perda de CO2 é normalmente limitante da velocidade,

Velocidade = K[RCO2-]

e a captura do próton é rápida. A descarboxilação é favorecida

por substituintes retiradores de elétrons em R que possam

estabilizar o carbânion intermediário por deslocalização da sua

carga negativa, o que é evidenciado pela descarboxilação

muito mais fácil do ânion carboxilato nitrossubstituído do que a

do próprio Me2CHCO2-.

255

REAÇÃO DE SUBSTITUIÇÃO

Os carbãnions, ou espécies semelhantes, estão

envolvidos nas diversas reações de substituição, como

intermediários, ou como nucleófilos reagentes. As reações de

susbistiuição mais importantes são:

Reações de Reimer-Tiemann

Esta reação envolve um carbanion arílico com

deslocalização (íon fenóxido) e com –CCl3, proveniente da

reação de bases fortes sobre HCCl3, embora o –CCl3 seja uma

espécie transitória, decompondo-se em CCl2, um eletrófilo

altamente deficiente em elétrons que reage com o anel

aromático.

O produto formado é o o-hidroxi benzalldeído

(saliçaldeído), mais uma pequena quantidade do isômero p

(para).

Reações de Kolbe-Schmidt

A reação de Kolbe-Schmidt, é análoga a anterior,

envolve CO2 como eletrófilo no ataque sobre íon fenóxido de

sódio.

O produto é o-hidroxibenzoato de sódio (salicilato),

obtendo-se pequenos vestígios do isômero para, mas se a

reação for feita com fenóxido de potássio, o sal do ácido para

passa a ser o produto majoritário.

256

O ataque orto proferencial com fenóxido de sódio

poderia resultar da estabilização do ET, através da quelação

pelo Na+ no par iônico,

O cátion K+ é maior e por isso o ataque na posição para

se torna mais favorável.

Rearranjo

Os rearranjos envolvendo carbânions, nos quais o grupo

migrante se desloca para o átomo de carbono do carbânion

sem o par de elétrons, são menos comuns do que os que

envolvem íons carbônio (carbocátion), em que o grupo

migrante transporta consigo um par de elétrons. Contudo,

conhecem-se deslocamentos-1,2 de grupos arila ligados a

átomos de carbono, por ação de sódio metálico sobre o cloreto

do Ph3C–CH2Cl.

O produto é um carbânion de sódio, mas a protonação e

carbonação originam os produtos rearranjados,

respectivamente.

Contudo, com Li em lugar de Na, é possível formar o

carbânion de lítio sem rearranjo, correspondente, observado

257

pelos produtos da sua protonação e carbonação. A tendência

para o rearranjo em reações de Ph3C–CH2Cl com metais, ou

derivados metálicos, diminui na ordem seguinte, decrescente

do caráter iônico da ligação carbono-metal.

K ≈ Na > Li > Mg

Os deslocamentos-1,2 simples de carbono aquil para o

carbono com caráter carbaniônico. Os grupos podem migrar de

um átomo diferente do carbono como, N e S, para um átomo

carbaniônico, trata-se do rearranjo de Stevens.

São necessárias bases muito fortes, PhLi, para remover

um próton da espécie positivamente carregada como o

(Me)2N+–CH2Ph, a menos que esteja presente um substituinte

retirador de elétrons, como C=O, em Me(PhCH2)S+–CH2COPh.

Verifica-se que PhCH2 migra preferencialmente em relação a

Me.

Éteres Benzílicos e alílicos, sofrem o rearranjo de Wittig.

Os rearranjos de carbânions induzidos por base que

envolvem uma eliminação-1,3 para formar uma ciclopropanona

intermediária, trata-se do rearranjo de Favorskii de 1-(α)-

halocetonas (PhHCCOCH2Cl).

258

A ciclopropanona intermediária sofre adição

subsequente de –OH, seguida de abertura do anel para dar o

mais estável dos dois carbânions.

Oxidação

Os carbânions podem, em determinado condições, ser

oxidados, por exemplo, o ânion trifenilmetila é lentamente

oxidado pelo ar.

O radical resultante (Ph3C.) pode ser reduzido,

retornando a carbânion, por agitação com amálgama de sódio.

Halogenação de cetonas

A reação ocorre via carbânion como intermediários e

ocorre com os hidrogênios mais ácidos.

A reação de bromação da acetona na presença de base

aquosa obedece à lei de velocidade, que é independente da

concentração de bromo [Br2].

Velocidade = k[MeCOMe][-OH]

A terceira halogenação é mais fácil, e o produto normal

de halogenação catalisada por base com o RCH2COCX3. Em

CX3 temos um bom grupo de saída, e a adição de base ao

grupo C=O da cetona resulta na quebra da ligação C–C.

259

O CX3 é um bom grupo de saída e devido ao efeito

indutivo negativo dos três átomos de halogênio, o que ativa o

átomo de carbono carbonílico em RCH2COCX3 para o ataque

nucleofílico, também estabiliza o carbânion que sai –CX3. O

produto final é anion carboxilato e o halofórmio, e o processo

global, RCH2COCH3 � RCH2CO2- + HCX3, é conhecido como

reação do halofórmio. Tem sido utilizada como teste

diagnóstico para metilcetonas, usando I2 e base aquosa, dado

que o CHI3 resultante (‘iodofórmio’) é amarelo, de cheiro

característico e insolúvel no meio reacional.

260

261

UNIDADE X- RADICAIS

Mas, também pode ocorrer fissão homolítica, gerando

espécies que possuem um elétron não emparelhado,

chamados de radicais.

As reações que envolvem radicais ocorrem

frequentemente em fase gasosa. A combustão de qualquer

composto orgânico é quase sempre uma reação por radicais, e

a quebra oxidativa de alcanos em máquinas de combustão

interna é a reação química que se dá em maior escala.

As reações radicalares podem ocorrer em solução, em

solventes não polares ou catalisadas pela luz ou na

decomposição simultânea de substâncias conhecidas

produzindo radicais, por exemplo, os peróxidos orgânicos. Os

radicais, formados em solução, são menos seletivos ao ataque

a outras espécies, ou em posições alternativas na mesma

espécie do que os íons carbônio e carbânions.

As reações com radicais, uma vez iniciadas, procedem

com grande rapidez, devido as reações serem em cadeia e

com pouca exigência energética, como na halogenação de

alcanos

Neste caso, o radical obtido, Br., gera outro, R., na

reação com o substrato neutro, R–H. Este radical reage por

sua vez com uma molécula neutra Br2, gerando Br. mais uma

vez. O ciclo continua sem a necessidade de geração posterior

de Br. fotoquimicamente.

262

FORMAÇÃO DE RADICAIS

Há varias maneiras de gerar radicais a partir de

moléculas neutras; as mais importantes são (a) fotólise, (b)

termólise, e (c) reação redox por íons inorgânicos, metais ou

eletrólitos, que envolvem a transferência de um elétron.

Fotólise

A capacidade de uma molécula absorver radiação na

região do ultravioleta ou visível, como a acetona, na fase de

vapor, é decomposta pela luz com comprimento de onda de

320 nm. Isto acontece porque os compostos carbonilicos têm

uma banda de absorção nesta região.

A decomposição fotoquímica origina o par de radicais

inicial, decompondo-se para formar outro radical metilo e a

espécie CO estável. Outras espécies que sofrem fotólise rápida

são os hipocloritos de alquila RO–Cl e nitrilos RO–NO,

podendo ambos ser usados para obtenção de radicais alcóxi

A quebra por homólise fotolítica é muito útil em

moléculas de halogênios para formar átomos radicalares, que

podem iniciar a halogenação de alcanos ou adição de alcenos.

As duas vantagens de fotólise sobre a termólise

(pirólise) para a geração de radicais são: (a) a possibilidade de

quebrar ligações fortes que não quebram facilmente, ou nem

quebram as temperaturas razoáveis, como nos azoalcanos; e

(b) a transferência para a molécula de uma dada quantidade de

energia, de modo que este é um método específico de efetuar

263

a homólise, forma reações mais limpas que a pirólise

(termólise), que forma reações laterais.

Termólise

Baseia-se na fragilidade, facilidade de fissão térmica, da

ligação carbono-metal, por exemplo, Pb-R. Os radicais são

gerados em solução em solventes inertes, ou através da

termólise de ligações fracas, com energia de dissociação < 165

kJ e ocorre na fase de vapor.

Tais ligações envolvem frequentemente átomos

diferentes do carbono, e a maior fonte de radicais em solução é

a termólise de peróxidos (O2) adequados e compostos azo

(N2).

A formação de radicais através da fissão da ligação

carbono-carbono é observada na indução do radical a 600° de

alcanos de cadeias longas. Os radicais introduzidos

inicialmente no sistema atuam capturando um átomo de

hidrogênio do grupo CH2 da cadeia, o radical não-terminal de

cadeia mais longa sofre fissão β em relação ao átomo de

carbono radicalar para originar um alceno de peso molecular

inferior mais um radical, que mantém a reação em cadeia.

O termino da reação por interação radical/radical não

ocorre em extensão significativa, até a concentração do alcano

de cadeia longa cair num nível mais baixo.

Reações redoxi

As reações redoxi envolvem transferência de um elétron

na geração do radical e envolve íons metálicos do tipo Fe2+

264

/Fe3+ e Cu+/Cu2+. Os íons Cu+ aceleram a decomposição de

peróxidos de acilo, como o (ArCO2)2.

Este é um método útil para gerar o radical ArCO2.,

porque na termólise de (ArCO2)2 a decomposição pode formar

os radicais Ar. + CO2.. O Cu+ reage com conversão de sais de

diazônio, ArN2+Cl-, a ArCl + N2 (reação de Sandmeyer, onde

Ar. se forma, como intermediário).

O Fe2+ é utilizado para catalisar reações de oxidação de

solução aquosa de peróxido de hidrogênio, para formar o

radical HO..

A mistura é conhecida como reagente de Fenton e o

agente oxidante efetivo no sistema é o radical hidroxilo (.OH).

Este é um bom captador de H, e também pode ser usado para

gerar um radical do tipo .CH2CMe2OH para preparar compostos

por dimerização.

A formação de um radical por um processo oxidativo

ocorre provavelmente na iniciação da auto-oxidação, que é

catalisada por um número de íons metálicos pesados

susceptíveis de transferência de um elétron.

Detecção de radicais

A alta reatividade química de radicais de vida curta é

aproveitada para ajudar na sua detecção através da

capacidade de originar espelhos metálicos. O fato da transição

265

de um elétron não emparelhado entre os níveis de energia de

um radical envolver menos energia que a transição de um par

de elétrons na molécula precursora, estável, significa que o

radical tende a absorver radiação de comprimentos de onda

superiores. Um número de radicais são corados e podem ser

detectados pela absorção de radiação em certos comprimentos

de onda. Esses radicais podem ser detectados pelo

desaparecimento rápido da cor em soluções contendo espécies

como o 1,1-N,N-difenil-2-N-picril-hidrazilo.

Forma e estabilização de radicais

Os radicais simples do tipo R3C., contêm um elétron

desemparelhado numa orbital p ou num orbital híbrido sp3 tem

forma piramidal.

A evidência física direta para CH3. provém do espectro

de ressonância de spin de elétron (e.s.r.) de 13CH3., A análise

das linhas, resultantes da interação entre o elétron

desemparelhado e o núcleo de 13C paramagnético, fornece

informação acerca do grau de caráter s do orbital que contém o

elétron desemparelhado.

Em 13CH3. parece ter um pouco ou nenhum, e o radical é

essencialmente planar; uma conclusão que é suportada pela

evidência encontrada nos espectros de UV e IV. O caráter s do

orbital semipreenchido aumenta ao longo da série.

CH3. < CH2F

. < CHF2. < CF3

.

266

No radical .CF3 essencialmente sp3, este radical é

piramidal. Os radicais .CH2OH e .CMe2OH não são planares.

Comparando a facilidade de formação e a reatividade de

radicais em ponte, como no bicilco[2,2,2]octil e biciclo

[2,2,1]hept-2-enil, com os seus equivalentes acíclicos, porque

os radicais alquilas exibem preferência pelo estado planar.

E contrariamente aos íons carbônios, no

bicilco[2,2,2]octil e biciclo [2,2,1]hept-2-enil, é fácil formar

radicais em posições em ponte.

Observa-se que a estabilidade relativa de radicais

alquilas simples segue a sequência seguinte.

R3C. > R2CH.> RCH2

. > CH3.

Esta reflete na facilidade relativa com a qual a ligação C-

H no precursor alcano sofre fissão homolítica, diminuição de

estabilização, por hiperconjugação ou outros fatores à medida

que se percorre a série. Há também uma diminuição da tensão

(quando R é grande) quando se passa do precursor de

hibridação sp3 para o radical hibridizado sp2, à medida que a

série é percorrida. Contudo, a diferença relativa na estabilidade

é muito menor do que com os íons carbônios correspondentes.

Os radicais do tipo alílico, RCH=CHCH2. e benzílico,

PhCHR, são mais estáveis e menos reativos que radicais

alquilo simples dada a deslocalização dos elétrons

desemparelhado sobre o sistema orbital π.

Ambos são essencialmente planares, hibridização sp2 no

átomo de carbono radicalar, e só nesta configuração a

267

sobreposição orbital p/π máxima é possível, com a

estabilização consequente.

A estabilidade de um radical aumenta à medida que

aumenta a extensão da deslocalização; o radical Ph2CH. é

mais estável que PhCH2. , e Ph3C

. é um radical bastante

estável.

A geometria de Ph3C. tem uma extensão de

deslocalização do elétron desemparelhado e com a

estabilização consequente. O átomo do carbono radical

encontra-se hibridizado em sp2 em Ph3C., em que as ligações

que o ligam aos três anéis benzênicos estão todas no mesmo

plano, mas a estabilização máxima só ocorre se os três

núcleos benzênicos estiverem coplares.

Nesta conformação o orbital p do átomo de carbono

central pode interagir ao máximo com o sistema de orbitais π

dos três anéis benzênicos.

Os radicais triarilmetil apresentam, por determinações

espectroscópicas e cristalográficas de raio X, uma forma em

hélice do Ph3C., onde os anéis benzênicos fazem um ângulo de

cerca de 30° com o plano médio comum. Embora ocorra

deslocalização em Ph3C. como o indicado pelo espectro de

E.S.R., ela não é máxima, e a sua extensão não é muito maior

em Ph3C. do que em Ph2CH. ou mesmo PhCH2

..

REAÇÕES DE RADICAIS

As reações de radicais podem ser classificadas de

acordo com o radical: (a) reações unimoleculares, exemplo,

fragmentação, rearranjo; (b) reações bimoleculares entre

268

radicais, exemplo, dimerização, disproporção; e (c) reações

bimoleculares entre radicais e moléculas, exemplo, adição,

substituição, abstração de um átomo.

ADIÇÃO

As adições a ligações dupla cabono-carbono, C=C, são

as reações mais importantes envolvendo radicais, entre elas, a

polimerização de adição, a adição de halogênios e de

hidrácidos.

Adição de Halogênios

A adição de halogênios a alcenos pode ocorrer via

radicais intermediários por solventes não polares (fase

gasosa); é favorecida pela luz solar ou radiação UV e pela

adição de precursores radicalares (iniciadores) como

catalisadores.

Adição de cloro ao tetracloroetano por catálise

fotoquímica envolve uma reação em cadeia.

Cada molécula de cloro, por fissão fotoquímica, originará

dois radicais de átomos de cloro, cada um dos quais é capaz

de iniciar uma reação em cadeia contínua. A cada quantum de

energia absorvida conduz, na verdade, à iniciação de duas

reações em cadeia. E isso é confirmado pela relação seguinte:

Os átomos de cloro são eletrófilos (eletronegativo, e o Cl.

atrairá rapidamente um elétron para completar o octeto) e

assim adiciona-se rapidamente à dupla ligação do tetracloro

etano para dar o radical pentacloroetano. Este, por sua vez,

pode retirar um átomo de cloro de uma segunda molécula para

formar o produto final de adição; o hexacloroetano, mais um

radical de cloro para continuar a reação em cadeia. Uma

269

reação em cadeia contínua muito rápida é iniciada por cada

átomo de cloro iniciador, gerado fotoquimicamente.

A cada quantum de energia absorvida leva à conversão

de várias centenas de moléculas de tetracloroetano em

hexacloroetano. Até ao final da reação, quando quase todo o

tetracloroetano e Cl2 foram consumidos, as concentrações do

radical pentacloroetano e de Cl. serão muito pequenas em

relação às dos materiais de partida; a colisão de um radical

com outro radical é mais frequente. A terminação da cadeia

ocorrerá principalmente através da colisão radical/radical que,

geralmente, envolve dois radicais de pentacloroetano formando

o decaclorobutano

A reação de adição radicalar é inibida pela presença do

oxigênio, porque a molécula de oxigênio tem dois elétrons

desemparelhados e comporta-se como um dirracal, ·O–O·.

Pode, contudo, combinar-se com radicais intermediários

altamente reativos na adição anterior, convertendo-os nos

radicais peróxido, RaO-O. muito menos reativos, incapazes de

continuar a cadeia é assim um inibidor eficiente. Que o

oxigênio reage largamente com radicais pentacloroetilo é

mostrado pela formação do tricloro de cloreto ácido, quando a

adição normal é inibida por oxigênio.

A sequência de reatividade para a adição homolítica dos

diferentes halogênios a alcenos é a mesma da adição eletrófila,

F2 > Cl2 > Br2 > I2.

270

A adição de cloro ou bromo ao benzeno, uma das

poucas reações de simples adição ao anel benzênico, ocorre

por mecanismo radicalar. A reação é catalisada pela luz e pela

adição de peróxidos e é retardada ou evitada pelos inibidores.

A adição de cloro procede da seguinte froma.

O produto é uma mistura de alguns dos oito isômeros

geométricos possíveis do hexaclorociclohexano. A reação não

ocorre na ausência de luz ou peróxidos, enquanto que na

presença de ácidos de Lewis a substituição eletrofílica ocorre

via adição/eliminação com radicais diferentes do Cl..

O ataque do radical de cloro ao metilbenzeno (tolueno) é

de preferência pela abstração de um hidrogênio pelo radical

(Cl.) conduzindo a substituição no grupo CH3, e à adição de

preferência ao anel. Devido a maior estabilidade do radical

benzil inicialmente formado (deslocalizado), PhCH2., em

relação ao radical hexadienil, no qual perde a estabilização

aromática do material de partida.

Adição de Ácido bromídrico

A adição de HBr a propeno, MeCH=CH2, em solventes

polares, forma o 2-bromopropano. Em presença de peróxido

271

(ou em outras condições que promovam a formação de

radicais), a adição ocorre via uma reação em cadeia rápida e

forma o 1-bromopropano, este é geralmente referido como o

efeito peróxido conduzindo a uma adição anti- Markownikov.

Esta orientação diferente da adição de HBr é devida ao fato de

no primeiro caso (polar) ser iniciada por H+ e ocorrer via o íon

carbônion (secundário) mais estável, enquanto no segundo

caso é iniciada pelo radical Br. e procede via o radical

(secundário) mais estável.

A iniciação é feita por Br. dado a abstração de hidrogênio

por RO. de HBr ser energeticamente mais favorável que a

abstração de bromo, para formar ROBr + H.. A adição de Br. ao

propeno (MeCH=CH2) forma o MeCH(Br)CH2. e não ocorre

com radicais secundários Me.CHCH2Br, por serem mais

estáveis que os primários.

O HBr é o único dos quatro haletos de hidrogênio que se

adiciona facilmente a alcenos pelo mecanismo radicalar. A

razão é dada pelos valores de ∆H em kJ mol -1, para as duas

etapas da reação em cadeia para a adição de HX a CH2=CH2,

por exemplo.

Hidrácidos Etapa 1, ∆H (kJ mol -1) Etapa 2, ∆H (kJ mol -1) 2X. + CH2 = CH2 XCH2CH2

. + HX H – F - 188 +155 H – CL -109 +21 H – Br -21 -46 H – I +29 -113

Para o HBr, as duas etapas da reação em cadeia são

exotérmicas; para HF, a segunda etapa é altamente

endotérmico, refletindo a força de ligação H–F e a dificuldade

da sua quebra; para HCl o segundo passo é endotérmico;

enquanto para HI é o primeiro passo que é endotérmico,

refletindo na energia liberada na formação da ligação C–I fraca

por quebra da ligação dupla C=C.

272

As reações adição de HBr em cadeia tendem a ser muito

rápidas. O processo de auto-oxidação do alceno pelo ar, gera

peróxido suficiente no alceno para iniciar a reação de adição

radicalar de HBr no alceno, e predominará o produto anti-

Markownikov. Se pretender o produto Markownikov, por

exemplo, MeCH(Br)CH3 do propeno, é necessário purificar

rigorosamente o alceno ou adicionar inibidores (fenóis,

quinonas, etc.) para remover quaisquer radicais, ou radicais

potenciais presentes. O controle da orientação da adição de

HBr, pode ser pela introdução de peróxidos (iniciadores de

radicais) ou inibidores de radicais na mistura reacional. Assim,

o alceno CH2=CHCH2Br, por exemplo, pode ser convertido em

1,2- ou 1,3-dibromopropano.

A baixas temperaturas ou pelo uso de concentração

elevada de HBr. A adição de HBr líquido a 80 °C ao cis-2-

bromobut-2-eno forma com elevada estereoespecificidade o

isômero TRANS.

Nestas mesmas condições a adicção radicalar de HBr

no trans-2-bromobut-2-eno, também ocorre adição ANTI quase

exclusiva de HBr com formação do trans-2,3-dibromobutano.

Em alcenos cíclicos, caso do ciclo-hexeno, a adição

radicalar ocorre com formação do isômero TRANS, em outros

alcenos a adição ocorre com preferência, mas não há

exclusividade do isômero TRANS.

273

OUTRAS ADIÇÕES

Radicais tiil, RS., podem ser obtidos pela abstração de

hidrogênio de RSH, e adiconar-se-ão rapidamente a alcenos

por uma reação em cadeia análoga à de HBr. Esta reação de

adição é usada para sintetizar sulfitos dialquilo, sendo que esta

reação é reversível.

Os cloretos de sulfenila, por exemplo, Cl3CSCl, também

podem ser usados como fontes de radicais tiil, mas aqui a

adição é iniciada por Cl. e o R’S. ligar-se-á ao outro átomo de

carbono da ligação dupla.

As ligações carbono-carbono podem ser formadas pela

adição, entre outras, de radicais halometil a alcenos. O .CX3

(X=Br, Cl) pode ser gerado pela ação de peróxidos em CX4 ou

por fotólise.

O CCl4 relativamente inerte se adiciona, porque os

valores de ∆H para ambos os passos da cadeia reacional são

exotérmicos: -75 e -17 kJ mol-1. O primeiro radical formado

pode, contudo, competir com .CCl3 na adição a RCH=CH2 de

modo a formarem-se polímeros de baixo peso molecular, sob

condições determinadas além do produto normal de adição.

Polimerização vinílica

A reação de polimerização vinílica é de grande

importância para preparar polímeros com inúmeras aplicações

industriais e comerciais. O mecanismo reacional é semelhante

274

as outras reações envolvendo radicais nas quais envolve três

etapas, (a) iniciação (b) propagação e (c) terminação.

a) Iniciação

Formação do iniciador a partir de peróxidos ou

compostos azoicos

b) Propagação

Normalmente muito rápida.

c) Terminação – reação entre os radicais

Os monômeros podem adsorver oxigênio do ar,

formando peróxido, cuja decomposição rápida pode efetuar a

auto-inicação de polimerização, é comum adicionar-se uma

pequena quantidade de inibidor, (quinona), para estabilizar o

monômero durante o armazenamento. Quando se pretende

efetuar a polimerização, deve-se adicionar radical iniciador

suficiente para saturar o inibidor antes de iniciar a

polimerização. A eficiência de alguns iniciadores pode ser

tão elevada que, após qualquer período de indução, todos os

radicais gerados conduzem a uma cadeia polimérica.

O crescimento de uma cadeia pode ser

interrompido pela colisão com o radical iniciador ou com outra

cadeia, ocorrendo dimerização. A captura de H pode ocorrer

pelo ataque de uma cadeia em crescimento num polímero

“morto” (que cessou de crescer), conduzindo a um ponto de

crescimento e por consequência, à ramificação.

275

A extensão com que ocorre a ramificação pode ter um

efeito nas propriedades físicas e mecânicas do polímero

resultante.

SUBSTITUIÇÃO

As reações e alguns casos obtêm-se um radical a partir

do substrato por perda, e este radical efetuará substituiição ou

adição em diversas espécies. Em alguns casos, contudo,

consegue-se a substituição direta por meio de

adição/substituição.

Halogenação

A substituição direta que ocorre no carbono e na

cloração, por exemplo, de alcanos consiste na abstração de H

de RH por Cl., seguido de abstração de Cl de Cl–Cl por R., os

dois passos alternando-se numa reação em cadeia muito

rápida.

O comprimento da cadeia, RH→RCl por Cl. produzido

por fotólise, é 106 para CH4, e a reação pode ser explosiva

quando exposta á luz solar. A cloração também pode ser

iniciada termoliticamente, mas não são necessárias

temperaturas elevadas para converter Cl2 → 2Cl., e a

velocidade de cloração de C2H6, no escuro a 120° não é

praticamente detectável. Torna-se extremamente rápida

quando adicionam-se resíduos de PbEt4, porque decompõem-

se em radicais etilo, atuando como iniciadores. A cloração de

alcanos simples, por este método é bastante útil para a

276

preparação de derivados monoclorados, porque o reagente

pode sofrer ataque facilmente pelo cloro altamente reativo,

obtendo-se misturas complexas.

A facilidade de ataque nos diferentes átomos de

hidrogênio num alcano aumenta na ordem do enfraquecimento

da ligação C–H , e no aumento de estabilidade do produto

radicalar.

H3C – H < H3C – R < H2C – R2 < HC – R3 Metano Primário

1 Secundário 4,4

Terciário 6,7

Esta diferença pode-se opor frequentemente ao número

relativo dos diferentes tipos de hidrogênio presentes; assim em

(CH3)3CH existem 9 átomos de hidrogênio primários acessíveis

para um átomo de hidrogênio terciário. Na cloração de

(CH3)3CH verifica-se que se formam produtos monoclorados na

razão de 65% de (CH3)2CHCH2Cl para 35% de (CH3)3CCl-. Se

a cloração ocorrer em solução, verifica-se que a distribuição do

produto depende da natureza do solvente e, particularmente,

da sua capacidade para complexar com Cl., estabiizando-o e

aumentando a sua seletividade.

A cloração, contrario à maior parte das reações de

halogenação radicalares, é influenciada pela presença no

substrato de substituinte polares; devido ao fato do radical Cl.,

cloro muito eletronegativo, atacar onde a densidade eletrônica

é elevada. A cloração pode ser inibida pela presença de grupos

receptores de elétrons, como se observa nas quantidades

relativas de substituição nos quatro átomos de carbono

diferentes do 1-clorobutano na cloração de iniciação

fotoquímica a 35°.

CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – Cl

25% 50%

17%

3%

277

A variação dos três grupos CH2 mostra a diminuição com

a distância do efeito indutivo negativo do Cl.. O grupo γ-(3-)CH2

comporta-se de modo análogo ao de CH3CH2CH3, enquanto

que o menor número encontrado para o grupo CH3 reflete a

maior dificuldade de quebra da ligação C–H em CH3 do que em

CH2.

Com o propeno, CH3CH=CH2, há a possibilidade da

adição do cloro à ligação dupla ou no grupo CH3. Em

temperaturas elevadas, 450°, a substiuição ocorre sem

qualquer adição. Isto resulta porque o radical alila é obtido por

subtração de H estabilizado por deslocalização, enquanto o

readical 1-cloropropano obtido na adição de Cl. não é

hibridizado, e a sua formação é reversível a altas temperaturas,

estando o equilíbrio deslocado para a esquerda.

No ciclohexeno ocorre cloração alílica análoga ao

propeno pelas mesmas razões.

Os valores de ∆H em kJ mol-1 para a substituição

radicalar para os hologênios para as duas etapas da reação em

cadeia de hologenação no CH4 são os seguintes:

Halogênios Etapa 1 (X. + H – CH3) ∆H (kJ mol-1)

Etapa 2 (CH3. + X2)

∆H (kJ mol-1)

F2 -134 -292 Cl2 -4 -96 Br2 +63 -88 I2 +138 -75

278

Os valores para a fluoração refletem na fraca ligação F–

F, e a força da ligação H–F. A fluoração ocorre via mecanismo

radicalar e não requer iniciação específica; é explosiva a não

ser em solução muito diluída. A bromação é mais lenta que a

cloração em condições comparáveis, porque a etapa 1,

abstração de H por Br., é endotérmica. Para a reação de

iodação de alcanos, a etapa 1 tem um valor de ∆H (kJ mol-1)

grande, reação endotérmica, de modo que não ocorre reação

com o radical I..

A reatividade mais baixa do Br. em relação ao Cl., quanto

à abstração de H significa que a bromação é muito mais

seletiva que a cloração. Visto que na reação de bromação do

(CH3)3CH, forma só o (CH3)3CBr.

H3C – R < H2C – R2 < HC – R3

Primário

1

Secundário

80

Terciário

1600

O efeito é mais pronunciado quando estão presentes

substituintes que podem estabilizar o radical inicial. Na série,

CH4, PhCH3, Ph2CH2 e Ph3CH, as velocidades relativas de

bromação diferem na ordem de 109, mas para a cloração, na

ordem de 103 , porém, a seletividade diminui com o aumento de

temperatura.

A halogenação de um alcano quiral RR’R”CH forma

normalmente um haleto racêmico, um resultado que não diz

nada a cerca da conformação preferencial do radical

intermediário RR’R”C., porque a racemização pode ocorrer com

uma estrutura planar ou uma estrutura piramidal de

interconversão rápida

Auto-oxidação

A auto-oxidação é a oxidação à baixa temperatura de

compostos orgânicos pelo O2, envolvendo uma reação

279

radicalar em cadeia. O passo inicial é normalmente a formação

de hidroperóxidos, RH→ ROOH, de forma que é na sua

globalidade uma substituição, embora a verdadeira via envolva

a abstração de H e adição de O2. Os hidroperóxidos formados

inicialmente sofrem frequentemente outras reções. A auto-

oxidação tem importância no endurecimento das tintas, onde

os ésteres insaturados dos óleos formam normalmente

hidroperóxidos, cuja decomposição é a RO. Inicia a

polimerização das moléculas insaturadas para formar um filme

superficial polimérico e protetor. Mas a auto-oxidação é

também responsável pelas alterações prejuciais,

particularmente em materiais com ligações insaturadas, por

exemplo, ranso nas gorduras e deteriorização ds borrachas. Na

realidade, a decomposição gradual de muitos compostos

orgânicos expostos ao ar e à luz é devido à auto-oxidação

fotosensível. A auto-oxidação pode ser iniciada por resíduos de

íons metálicos, assim como pela luz ou por iniciadores de

radicais comuns.

O mecanismo reacional mais importante é a cadeia com

um dos passos envolvendo a abstração de H.

Em certas condições o próprio hidroperóxido sofre

ruptura para formar radicais RO. + .OH que podem atuar como

iniciadores, e a auto-oxidação torna-se a autocatalítica. Os

radicais peróxi são normalmente de reatividade relativamente

baixa e são assim muito específicos relativamente às posições

de onde capturam os H. Assim, o C–H alílico e benzílico são

relativamente fáceis de ser atacados, dado as ligações C–H

serem um pouco mais fracas e os radicais resultantes ficarem

estabilizados por deslocalização, enquanto em alcanos simples

280

são geralmente unicamente os C–H terciários, por exemplo, a

posição alílica do hidroperóxido de cilco pent-2-eno e a posição

terciária do hidroperóxido do biciclo[4,4,0]-1-hidroperóxido.

A reatividade relativa, da captura de H por RO2. a 30 °C,

segue a seguinte ordem: PhCH3, Ph2CH2, e PhCH2CH=CH2.

Com alcenos, mais do que com alcanos, a auto-

oxidação pode envolver adição de RO. à dupla ligação ou a

subtração de H ligações C–H alílicas, benzílicas ou terciárias.

O efeito da presença de tais peróxidos nos alcenos na

orientação da adição HBr a estes já foi referida anteriormente.

Os éteres são menos propensos a auto-oxidação, ocorrendo o

ataque inicial na ligação α-, C–H ao átomo de hidrogênio para

dar um radical estabilizado; o hidroperóxido formado

inicialmente reage para dar peróxidos de dialquilo que são

altamente explosivos quando aquecidos. Os peróxidos

acumulados, no éter armazenado, devem ser decompostos

antes do seu uso, por lavagem com uma solução de um agente

redutor, por exemplo, FeSO4.

Substituição aromática

As reações podem ocorrer com espécies aromáticas

com radicais, assim como com os eletrófilos e nucleófilos, do

memso modo como acontece com necleofilos, a substituição

aromática homolítica ocorre por via mecanismo de

adição/eliminação.

281

A perda de um átomo de hidrogênio do radical

intermediário deslocalizado ciclohexadienilo forma o produto

substituído, não ocorre espontaneamente, mas requer a

intervenção de outro radical. A reação entre dois radicais, o

ciclohexadienilo e o H subtraído, é provavelmente rápida, e não

determina a velocidade e não se observa efeito isotópico

significativo, sendo o radical Ra. ao substrato aromático

determinante da velocidade da reação.

Quanto à reação de substituição, notam-se diferenças

marcantes entre o ataque eletrofílico e nucleofílico, quando se

toma em consideração o comportamento de derivados

benzênicos substituídos (C6H5Y). Assim o ataque homolítico a

C6H5Y é mais rápido do que C6H6, não interessa se Y é elétron

retirador ou elétron doador. O ataque preferencial ocorre

orto/para a Y. O elétron cedido pelo radical de ataque, do

intermediário, ciclohexadienilo, pode ser deslocalizado daí

também o intermediário formado por substituintes doadores ou

receptores elétrons.

Os valores de velocidade parcial abaixo em que: (a) o

ataque na posição meta a Y é mais rápido que o ataque ao

benzeno, e (b) o ataque é mais rápido na posição orto em

relação Y, a menos que Y seja tão volumoso que impeça a

aproximação do reagente, por exemplo, CMe3.

PhY orto meta para

PhOMe 5,60 1,23 2,31 PhNO2 5,50 0,86 4,90 PhMe 4,70 1,24 3,55 PhCl 3,90 1,65 2,12 PhBr 3,05 1,70 1,92

282

PhCMe3 0,70 1,64 1,81

Os dados anteriores referem-se à fenilação por Ph.

gerado a partir de (PhCO2)2.

Rearranjo

No que diz respeito a rearranjos, os radicais

assemelham-se muito mais que os carbânions do que os íons

carbônios. Assim, como acontece com carbânions,

desconhecem-se migrações 1,2 de alquilos de carbono para

carbono, assim como migrações 1,2 de hidrogênio, mas

conhecem-se algumas migrações 1,2 de arilos que envolvem

estado de transição em ponte estabilizado. Por exemplo, o

aldeído (RCHO) abaixo, sofre abstração de H do grupo CHO

pelo Me3CO. formando o radical acil, que perde rapidamente

CO para formar um novo radical. Esta pode, por sua vez, retirar

H de RCHO formando o hidrocarboneto, proveniente do radical

rearranjado.

O radical rearranjado é mais estável que o original, não

só por o primeiro ser terciário e o segundo primário, mas

também devido se encontrar estabilizado por deslocalização do

elétron não emparelhado no sistema orbital π do anel

benzênico e a migração do Me conduzir a um radical ainda

mais estabilizado, Ph2.CH2Me, refletindo numa vantagem

energética da migração via um E.T. deslocalizado. Quando não

283

existe grupo Ph, como em EtMe2CCH2. de EtMe2CCH2CHO,

não ocorre qualquer migração, e o produto final EtMe2CCH3.

As migrações dos radical aril não estão limitadas a

rearranjos carbono/ carbono como o observado pelo

comportamento de (Ph3CO)2 por aquecimento.

Esta reação também ocorre via um ET em ponte, devido

ao rearranjo gerar uma maior estabilidade do radical. Assim,

como as migrações 1,2 do radical aril, também ocorre

migrações semelhantes de grupos vinil, acil e acilóxi, ocorrendo

via estados de transição ou intermediários em ponte e também

migrações 1,2 de cloro, na qual, uma orbital d vazia do

halogênio é usada para acomodar o elétron desemparelhado

do intermediário em ponte.

Bi-radicais

A molécula de oxigênio, uma espécie paramagnética

com um elétron desemparelhado em cada átomo é um

birradical, pouco ativo. A excitação fotoquímica de um

antraceno a um birradical ou qualquer espécie afim pode

ocorrer na ausência de ar ou oxigênio; em lugar de um

peróxido trans-anelar, forma-se um fotodímero.

Os birradicais ocorrem como intermediários nas

reduções com Mg de cetonas a pinacóis e, como ânions

284

radicais, na condensação de aciloína dos ésteres. A termólise

de ciclopropano a propeno à 500 °C também envolve

intermediários birradicalares.

Para formar o birradical, a molécula de ciclopropano

torna-se vibracionalmente excitada por colisão com outra

molécula; a ligação C–C pode ser quebrada desde que a

energia extra não se perca rapidamente, por posterior colisão.

Existe uma força condutora aqui para migração 1,2 de

hidrogênio contrária ao que acontece em monorradicais, dada

a oportunidade do par de eletrônico formar ligação π (com

liberação de energia).

Os birradicais, com exceção da molécula de

oxigênio, são todos altamente instáveis, porém, existem

algumas espécies mais estáveis que mostram caráter

birradical. O hidrocarboneto abaixo existe, em solução como

um birradical.

Este comporta-se como Ph3C. existindo fora da solução

como um sólido incolor, provavelmente um polímero e não um

dímero como com Ph3C.. Os elétrons desemparelhados na

forma birradical não podem reagir uns com os outros para

formar uma espécie emparelhada, diamagnética, dado que tal

interação através do núcleo central benzênico requereria

formas m-quinoides que não podem existir, pois os elétrons

estão “isolados internamente”. Este isolamento interno nos

285

birradicais pode também provir de efeitos estereoquímicos e

não eletrônicos. Por exemplo, a espécie abaixo existe em

solução como birradical na extensão de 17%, estando em

equilíbrio com o polímero.

Aqui não existe qualquer impedimento eletrônico

formal à interação entre os elétrons, mas na realidade não

acontece, dado os átomos de cloro volumosos em posição orto

não permitirem aos anéis benzênicos adquirir uma

conformação coplanar, única posição onde ocorre

sobreposição significativa das orbitais p, requisito necessário

para o emparelhamento eletrônico.

10º ROTEIRO DE ESTUDO DIRIGIDO

1. Os processos reacionais que envolvem a quebra e a formação de uma ligação simétrica são chamados reações radicalares. Um radical é uma espécie química que contém um número ímpar de elétrons e assim tem um único elétron desemparelhado em um de seus orbitais. a) Uma característica de muitas reações de radicais é que, uma vez iniciadas, procedem com grande rapidez. Explique por que isso acontece baseando-se no mecanismo de halogenação radilar de alcanos. b) Existem radicais que são menos reativos, ou seja, apresentam uma maior estabilidade e, portanto, maior existência em condições normais. Cite exemplos de alguns desses compostos e explique a razão da sua estabilidade.

Formação de Radicais 2. As maneiras mais importantes de se gerar radicais a partir de moléculas neutras são através de: (a) fotólise; (b) termólise; e (c) reação redox. 3. Como ocorre a fotólise? Cite exemplos de compostos que podem sofrer decomposição fotolítica. Apresente o mecanismo. 4. Em que condições ocorre termólise? Mostre reações. 5. Quais as vantagens da fotólise sobre a termólise?

286

6. Mostre como acontece a reação de Sandmeyer, a formação do reagente de Fenton, e como se processa a síntese eletrolítica de Kolbe de hidrocarbonetos. Detecção de radicais Alguns radicais apresentam uma alta reatividade química, tendo por isso uma existência extremamente curta. Entretanto, existem testes químicos e análises instrumentais que tornam possível a sua detecção. 7. Como é feita essa detecção de radicais? Formação e estabilização de radicais

A estabilização relativa de radicais alquilo simples segue a seguinte seqüência:

Os radicais alílico e benzílico são mais estáveis e, portanto, menos reativos que esses radicais alquilo simples. 8. Justifique a ordem de estabilidade mostrada acima, e diga

por que os radicais alílico e benzílico são menos reativos.

9. O que são heterorradicais? Quais fatores influenciam na sua estabilidade relativa?

Reações de radicais As reações radicalares são classificadas em: (a) Reações unimoleculares (fragmentação, rearranjo) (b) Reações bimoleculares entre radicais (dimerização, disproporção) (c) Reações bimoleculares entre radicais e moléculas (adição, substituição, abstração de um átomo)

Adição: Halogêneos A adição de halogêneos a alcenos pode ocorrer via radicais intermediários. 10. Mostre o mecanismo de adição de cloro a tetracloroetano por catálise fotoquímica. De que forma ocorre a terminação desta reação em cadeia? Ácido bromídrico

Em presença de peróxidos, a adição de HBr a alcenos ocorre via uma reação em cadeia rápida, conhecida como efeito peróxido, conduzindo a uma adição anti-Markownikov.

287

11. A adição de HBr líquido a -80 °C ao cis-2-bromobut-2-eno procede com elevada estereoespecificidade trans, explique através de mecanismos por que isso acontece.

Polimerização vinílica 12. Discuta as etapas das reações envolvendo radicais baseado na reação de polimerização vinílica. Substituição: Halogenação A facilidade de ataque nos diferentes átomos de H num alcano aumenta na sequência:

13. Justifique essa ordem. Explique ainda por que a bromação radicalar é mais seletiva que a cloração. A halogenação radicalar por meio de outros reagentes é frequentemente de maior utilidade sintética do que a efetuada pelos próprios halogêneos. 14. Mostre o mecanismo de uma halogenação utilização N-bromo-succinimida. Auto-oxidação A auto-oxidação é a oxidação a baixas temperaturas de compostos orgânicos pelo O2, envolvendo uma reação radicalar em cadeia. O mecanismo reacional mais importante é a cadeia com dois passos envolvendo a abstração de H:

15. Os aldeídos são muito susceptíveis a auto-oxidação, sendo convertidos em ácido benzóico. Faça o mecanismo desta oxidação utilizando íons metálicos. Como a auto-oxidação de aldeídos e de outros compostos orgânicos pode ser inibida?

Substituição aromática O ataque a espécies aromáticas por radicais ocorre via adição/eliminação.

288

16. Mostre o mecanismo do ataque de .

Ph em espécies aromáticas. 17. A reação de Pschorr constitui uma arilação radicalar intramolecular. Como ela ocorre? Rearranjo 18. A adição fotocatalisda de HBr a CCl3CH = CH2 não produz o composto esperado CCl3CH2CH2Br, mas 100 % de CHCl2CHCl CH2Br. Justifique essa afirmação.

289

290

UNIDADE XI - REAÇÕES CONTROLADAS POR SIMETRIA

DE ORBITAIS

Introdução

Teoria dos orbitais moleculares

Equação de onda - fase

As ondas estacionárias geradas pelo dedilhar de um

violão são representadas na figura abaixo, Se observarmos a

corda horizontal da esquerda para a direita, veremos que o

deslocamento vertical, a amplitude da onda, aumenta num

sentido e passa por um máximo e decresce até zero, para

aumentar no sentido oposto.

Os pontos onde a amplitude é nula chamam-se de

nodos, e se encontram no plano nodal, perpendicular ao

plano do papel. Os deslocamentos para cima e para baixo

correspondem a fases opostas da onda. Para distinguir as

fases são atribuídos à amplitude sinais, positivos para cima e

negativo para baixo do plano nodal, de modo que se sobrepor

ondas de amplitude iguais mais de sinais opostos, cuja soma

das respectivas amplitudes positivo e negativa são nulas.

A equação diferencial que descreve a onda é uma

equação de onda, e a resolução desta equação dá a

amplitude,φ, como função e f(x), dá a distância, x, ao longo da

onda; esta função chama-se de função de onda.

291

As ondas correspondentes aos elétrons são descritas

por equações de mesma forma geral que as de ondas geradas

por uma corda vibrando, mas as funções de onda que são

soluções possíveis desta equação dão a amplitude,φ, que não

são representadas apenas em uma coordenada, mas em três

coordenadas necessárias para descrever o movimento em três

dimensões. Esta função de onda dos elétrons chamamos de

orbitais.

A onda do elétron pode ter nós, onde a amplitude é

zero. Em lado oposto de um nó, a amplitude tem sinais opostos

e encontra-se em fases opostas, e entre dois lobos de um

orbital p se encontra um plano nodal, perpendicular ao eixo do

orbital. Os dois lobos estão em fases opostas, indicados pelo

sinal positido e negativo, ou lobo achuriado ou não achuriado.

Estes sinais utilizados não têm nada a ver com carga

elétrica, o sinal matemático positivo ou negativo, já que não há

probilidade negativa de encontrar o elétron no orbital, indicam

apenas que os dois lobos apresentam fases opostas.

A combinação de orbitais atômicos para formar OM, só é

efetiva se:

a) Sobreporem mutuamente numa considerável extensão;

b) Forem de energia comparável;

c) Tiverem a mesma simetria relativamente ao eixo da ligação.

292

Com relação a configuração eletrônica das moléculas,

vamos exemplificar usando a molécula do etileno, onde no

estado fundamental só pode haver dois elétrons de spins

opostos em cada orbital, sendo os orbitais de mais baixa

energia preenchidos primeiro. Se houver vários orbitais de

mesma energia, cada um recebe um elétron antes de qualquer

um deles receber um par de elétrons.

Utilizaremos neste estudo apenas os elétrons de

ligações π que encontram-se em plano perpendicular aos

elétrons σ, por isso funcionam com um sistema independente.

Para os elétrons π do etileno, há dois orbitais

moleculares, visto existir duas combinações lineares de dois

orbitais p componentes. Onde tem o orbital ligante π e o orbital

não-ligante π*, conforme figura abaixo.

293

REAÇÕES ELETROCÍCLICAS

Sob a influência do calor ou da luz, um polietileno

conjugado pode sofrer isomerização e formar um composto

cíclico com uma ligação simples entre os carbonos terminais do

sistema conjugado inicial, por exemplo, o hex-1,3,5-trieno

forma o ciclo hex-1,3-dieno.

O processo oposto também ocorre, onde uma ligação

simples do composto cíclico rompe para formar um polieno de

cadeia aberta. Os ciclobutanos transformam-se em butadienos.

CH2 CH2

Estas interconversões chamam-se de reações

eletrocíclicas.

A interconversão entre o 3,4-dimetilciclobuteno em hexa-

2,4-dieno, onde o ciclobuteno existe na forma do isômero cis e

trans, e o hexa-2,4-dieno existe em três formas: cis,cis;

cis,trans e trans,trans.

294

O cis-ciclobuteno produz só um dos três isômeros e o

isômero trans forma um isômero diferente.

A reação de interconversão do ciclobuteno é, portanto,

completamente estéreosseletiva e completamente

estereoespecífica. A ciclização fotoquímica do isômero trans,

trans-dieno forma o ciclobuteno diferente daquele a partir do

qual ele se formou por abertura térmica do ciclo.

As reações eletrocíclicas, por consequência, são

completamente estereoespecíficas. A estereoquímica exata

dependede de:

a) O número de ligações duplas no polieno;

b) Ser a reação térmica ou fotoquímica.

A simetria de orbital justifica todos os fatos das reações

formarem um ou outro isômero, e a maioria dos exemplos de

reações conhecidas hoje em dia foram previstos por Woodward

e Hoffmann.

Reação térmica

A ciclização de trans,cis,trans-octa-2,4,6-trieno ocorre

termicamente formando apenas o cis-5,6-dimetilciclohexa-1,3-

dieno e fotoquimicamente forma só o isômero trans-5,6-

295

dimetilciclohexa-1,3-dieno; em ambos os casos, o equilíbrio

encontra-se quase totalmente deslocado no sentido da forma

cíclica. De fato, o grau de estereosseletividade é tão grande

que a ciclização térmica forma menos de 0,1% do isômero

trans, apesar de este ser termodinamicamente mais estável do

que cis.

Nas reações de ciclizações, dois elétrons π formam a

nova ligação σ do cicloalcano. Esses dois elétrons π

encontram-se no orbital molecular ocupado de mais alta

energia (HOMO), são os elétrons de valência da molécula, são

menos firmes em posição e os mais facilmente deslocáveis de

um lado para outro durante a reação.

Na reação de ciclização térmica de um butadieno

dissubstituido RCH=CH–CH=CHR, o orbital molecular ocupado

de mais alta energia de um dieno conjugado é ψ2. São os

elétrons neste orbital que vão formar a ligação que fecha o

ciclo. A formação de ligações requer sobreposição, neste caso,

sobreposição de lobos no C1 e C4 do dieno. E para ocorrer

sobreposição mútua dos lobos, tem que haver rotação em

torno de duas ligações: C1–C2 e C3–C4. Este movimento pode

ser co-rotatório ou disrotatório.

O movimento co-rotatório (giro no mesmo sentido)

resulta em sobreposição de orbitais com a mesma fase, uma

interação ligante formando a ligação de ciclização do

ciclobutadieno em que os dois grupos R ficarão cis, enquanto

296

que o movimento disrotatório (giro no sentido oposto) resulta

em orbitais de fases opostas, uma interação antiligante e

repulsiva.

O movimento co-rotatório forma a estereoquímica que

na realidade se observa para o butadieno dissubstituido abaixo.

Reação fotoquímica

Na reação de ciclização fotoquímica, a irradiação resulta

na promoção de um elétron à orbital do nível de energia mais

baixa, onde ψ2 hv

ψ3 e o LUMO (orbital molecular ocupado

de mais baixa energia) do estado fundamental (ψ2) torna-se

agora o HOMO (orbital molecular ocupado de mais alta

energia) do estado excitado ψ3.

Agora, em ψ3 a simetria relativa dos carbonos terminais

é oposta à que se verifica em ψ2 e o movimento disrotatório

que aproxima lobos da mesma fase, situação ligante, com

formação do isômero trans e com estereoquímica invertida.

297

Para a reação fotoquímica é interessante fazer o

contraponto entre este caso e o do 4-cis, 2-trans hexa-2,4-

dieno e o 4-trans, 2-trans hexa-2,4-dieno

Aqui observa-se exatamente as inter-relações

estereoquímicas opostas. O trans,trans-hexa-2,4-dieno está

termicamente associado ao trans-3,4-dimetilciclobuteno e

fotoquimicamente ao isômero cis-3,4-dimetilciclobuteno.

Regras de woodward-hofmann

Alternativamente, as condições reacionais

térmica/fotoquímica encontram-se sumarizadas nas

generalizações das Regras de Woodward-Hofmann.

298

Número de eletrone ππππ Reação Movimento 4n Térmica Co-rotatório 4n Fotoquímica Disrotatório 4n + 2 Térmica Disrotatório 4n + 2 Fotoquímica Co-rotatório

As reações eletrocíclicas têm importância considerável

em síntese, na formação de ligações carbono-carbono devido a

sua estereoespecificidade rígida, que é muito maior do que a

observada na grande maioria de outras reações não-

síncronizadas.

REAÇÕES DE CICLOADIÇÕES

Nas reações de cicloadições, estão geralmente

envolvidas dois componentes, e a possibilidade de ser posto

em prática um processo particular será determinada pelo fato

de poder haver sobreposição entre o HOMO de uma

componente e a LUMO do outro.

A reação de Diels-Alder, em que um dieno conjugado e

um alceno substituído, dienófilo, reagem para formar um

ciclohexeno, um exemplo de reação de cicloadição.

Esta reação envolvendo duas moléculas insaturadas se

combinam para formar um composto cíclico, criando novas

ligações σ a partir de elétrons π dos reagentes.

A reação de Diels-Alder é uma cicloadição [4 + 2],

implica em um sistema de 4 eletrons π e um sistema de dois

elétrons π, reagindo rigorosamente com estereoespecificidade

SIN, tanto em relação ao dieno como em relação ao dienófilo,

por que há duas combinações possíveis: sobreposição do

HOMO do butadieno (ψ2) com o LUMO do etileno (π*) e a

sobreposição do HOMO do etileno (π) com o LUMO do

299

butadieno (ψ3). Em qualquer dos casos, a sobreposição junta

lobos de mesma fase, e o fluxo de elétrons do HOMO para o

LUMO e forma-se a ligação.

A reação é favorecida por substituintes doadores de

elétrons no dieno e por substituintes retiradores de elétrons no

dienófilo, e na ausência destes últimos, a reação ocorre com

dificuldade ou nem chega a ocorrer. A presença de

substituintes, mesmo de heteroátomos, no sistema não afeta a

simetria das orbitais envolvidos.

Outro aspecto estereoquímico importante é que em

algumas reações de Diels-Alder há a possibilidade de dois

modos de adição alternativos: o exo e o endo, por exemplo,

com ciclopentadieno e anidrido maleico como dienófilo.

Neste caso, o aduto de Diels-Alder endo é formado mais

rapidamente, embora, o produto exo seja mais estável. Há uma

estabilização especial do estado de transição que conduz ao

produto endo, que não há no estado de transição que conduz

ao produto exo. Pode ocorrer estabilização adicional

(possibilitando um mecanismo reacional com menores

requisitos energéticos e portanto uma reação mais rápida)

através de interação orbital secundário. Esta envolve outros

300

orbitais apropriados no ciclopetadieno e os orbitais disponíveis

(além dos da ligação dupla carbono-carbono) no anidrido

maleico. Esta sobreposição secundária não pode ocorrer no

estado de transição para a adição exo pelo fato de os orbitais

relevantes se encontrarem afastados.

Uma ciclização do tipo [2 + 2] pode ocorrer via adição de

calor, mas não é uma reação concertada ou via fotoquímica,

reação concertada.

Na reação de dimerização térmica do etileno, uma

reação de ciclização térmica [2 + 2] implica na sobreposição do

HOMO, π, de uma molécula com o LUMO, π*, da outra. Mas o

π e π* são de simetria oposta e, portanto, lobos de fase oposta

que se aproximam um do outro. A interação é antiligante e

repulsiva, e a reação que ocorre não é concertada. A reação

não é permitida por simetria.

As ciclizações fotoquímicas [2 + 2] são permitida por

simetria. A sobreposição do HOMO, π*, de uma molécula

excitada com o LUMO, π*, da molécula no estado fundamental,

por exemplo, duas molécuas de etileno, uma no estado

fundamental e outra no estado excitado, a interação é ligante.

301

Em uma cicloadição, o sistema pi pode ser atacado de

duas maneiras distintas. Se o sistema pi é atacado na mesma

face, a reação é dita ser suprafacial. Se o sistema pi é

atacado em faces opostas, a reação é dita ser antarafacial

neste componente.

Nas reações de cicloadição [4 + 2], a estereoquímica

mostra que a reação é suprafacial. Na cicloadição térmica [2 +

2], pela simetria dos orbitais, pode ocorrer ataque suprafacial

relativamente a um componente e antarafacial ao outro. Neste

caso, o processo supra, antara é impossível por razões

geométricas.

Quando o anel ou o ciclo que vai ser formado for grande,

ambos os processos supra, supra e supra, antara são

geometricamente possíveis, a simetria de orbitais determina

não se a cicloadição ocorre, mas sim como ela ocorre, e são

determinadas pelas regras de Woodward-Hofmann para

cicloadição.

302

i + j Térmica Fotoquímica

4n Supra-antara Supra-supra Antara-supra Antara-antara

4n + 2 Supra-supra Supra-antara Antara-antara Antara-supra

As cicloadições são reversíveis. Estas ciclorreversões

(retroreação de Diels-Alder) seguem as mesmas regras de

simetria que as cicloadições, visto ocorrerem através do

mesmo estado de transição.

Rearranjos sigmatrópicos

São reações em que um substituinte com ligação σ

migra através de um sistema de elétrons π, pode ocorrer em

um alceno simples ou em um polieno. Os exemplos mais

simples envolvem a migração de uma ligação σ transportando

um átomo de hidrogênio.

Nas designações [1,3] e [1,5], o “3 e o 5” referem-se ao

número de ordem do átomo de carbono (terminal da migração)

para onde migra o grupo G. O número “1” não se refere so ao

ponto de partida da migração, apenas indica que tanto no

reagente como no produto da reação a ligação se efetua no

mesmo átomo do grupo migrante.

O rearranjo de Cope dos hexa-1,5-dienos, por exemplo,

é uma reação sigmatrópica [3,3], na qual ocorre uma mudança

na posição da ligação de G, onde aqui o próprio G é o

esqueleto π.

303

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

Hexa-1,5-dieno

Reaçãosigmatrópica [3,3]

1

2

3

1

2

3

No estado de transição de uma reação sigmatrópica, o

grupo migrante está ligado tanto ao ponto de partida da

migração como ao ponto de chegada, é a natureza deste

estado de transição das reações sigamtrópicas resultam da

sobreposição entre um orbital de um átomo ou radical (G) e um

orbital de um radical alílico (o esqueleto π).

No estado de transição, existe sobreposição entre o

HOMO de um componente o HOMO do outro, cada um deles

está ocupado por um só elétron, em conjunto eles fornecem um

par de elétrons.

O HOMO de um radical alílico depende do

número de carbonos no esqueleto π.

O grupo migrante passa de uma extremidade do radical alílico

para a outra e são os carbonos terminais que estão em causa,

e a simetria nestes carbonos terminais alterna quando se

passa de C3 para C5, C7, etc.. O HOMO do grupo migrante

depende da natureza do grupo.

Migração de hidrogênio

A migração de hidrogênio é o caso mais simples de

rearranjo sigmatrópico, e a estereoquímica desta transposição

pode ser suprafacial ou antarafacial.

304

No estado de transição, é necessária uma ligação de

três centros, o que implica na sobreposição entre um orbital s

do hidrogênio e lobos dos orbitais p dos dois carbonos

terminais. A natureza da transposição permitida, suprafacial ou

antarafacial, depende da simetria destes orbitais terminais, mas

a viabilidade de um rearranjo sigmatrópico não depende só da

simetria, mas também da geometria do sistema.

As transposições antara [1,3] e [1,5] devem ser

extremamente difícieis porque exigem uma forte torsão do

esqueleto π comprometendo a planaridade necessária à

deslocalização de elétrons.

As reações sigmatrópicas [1,3] e [1,5] são limitadas a

transposição supra. Uma transposição supra [1,3] de

hidrogênio é proibida por simetria, como o orbital s do

hidrogênio tem que sebrepor a lobos p de fase oposta, o

hidrogênio não pode ligar-se simultaneamente a ambos os

carbonos. A transposição supra [1,5] de hidrogênio é permitida

por simetria.

305

Em esqueletos π maiores, as transposições supra e

antara são possíveis do ponto de vista da geometria, e que a

estereoquimica depende simplesmente da simetria dos orbitais.

Uma transposição [1,7] de hidrogênio deve ser antara, e uma

transposição [1,9] de hidrogênio é supra. Para uma reação

fotoquímica as previsões são opostas as anteriormente

escritas.

Migração de carbono

A migração de carbono envolve duas espécies possíveis

de ligações ao grupo migrante. Uma delas é semelhante à que

acabamos de descrever para a migração do hidrogênio, ligação

de ambas as extremidades do esqueleto π ao mesmo lobo do

carbono, consoante com a simetria do esqueleto π, assim a

migração permitida por simetria pode ser suprafacial ou

antarafacial.

No caso do carbono, a estereoquimica no grupo

migrante ao formar a ligação através do mesmo lobo no

carbono significa fixação à mesma face do átomo, envolvendo

retenção de configuração no grupo migrante.

A outra espécie é a de se formar ligações com as duas

extremidades do esqueleto π através de diferentes lobos de um

orbital p. Estes lobos estão em faces opostas do carbono,

306

como numa reação de SN2, e produz inversão de configuração

no grupo migrante.

Para as migrações [1,3] e [1,5], a geometria constitui

impedimento à migração antarafacial, e a migração que ocorre

é a suprafacial, onde a migração [1,3] ocorrre com inversão de

configuração, e a migração [1,5] com retenção de configuração.

O rearranjo de Cope envolve uma transferência de

carbono para carbono no caso de 1,5-dienos.

No que se refere às reações termicas, que ocorre via

estado de transição de 6 membros, são as mais comuns. O

estado de transição cíclico de 6 membros na conformação de

cadeira é demonstrado pelo fato de a forma meso de formar

(99,7%) a forma cis,trans, dentre os três isômeros geométricos

possíveis (cis,cis; cis,trans e trans, trans) do produto formado.

Isto corresponde a uma transferência que é suprafacial em

ambas as ‘extremidades’ do sistema migrante.

O rearranjo de Claisen é uma transferência de oxigênio

para carbono em éteres alquil arílicos.

307

O rearranjo de Claisen é estritamente intramolecular e

apresenta um elevado valor negativo para ∆S, característico do

grau de ordenação requerido por um estado de transição

cíclico. Este último requisito é também evidenciado por

marcação com 14C, que indica que a posição do átomo 14C no

grupo alilo é ‘invertida’ durante a migração do reagente e o

produto.

A dienona intermediária, além de enolizar ao fenol, é

capaz de sofrer, ela própria, um rearranjo de Cope para dar

uma segunda dienona, cujo enol é o fenol p-substituído. A

enolização normalmente predomina, mas quando o éter alquil

arílicos tem substituintes em posição orto, a ‘o-enolização’ não

pode ocorrer e então só é obtido o p-fenol. Este produto não é

formado por migração direta do grupo alilo, mas sim por duas

transferências sucessivas, é sugerido pela “dupla inversão” da

posição do 14C que se observa no grupo alilo.

Finalmente, deve acentuar-se que quando, em qualquer

das reações eletrocílcicas, cicloadições ou rearranjos

sigmatrópicos, uma reação é como simetricamente proibida, se

aplica apenas no mecanismo concertado, pode acontecer

308

ainda que esteja disponível em um mecanismo não concertado,

energeticamente possível, envolvendo intermediários

zwiteriônicos ou birradicalares. Igualmente, a afirmação de que

uma reação é simetricamente permitida não garante

necessariamente que na prática ocorra facilmente; a geometria

requerida no estado de transição pode bem ser inibida pela

dimensão do anel, pela presença de determinados

substituintes, ou por outros motivos.

Nas reações eletrocíclicas, um anel é sempre quebrado

ou formado. Anéis podem, no curso da reação, ser formados

por cicloadição, mas a diferença com as reações eletrocíclicas

é que apenas uma ligação sigma nova é formada (ou

quebrada) entre as extremidades de um sistema único π

conjugado. Em uma cicloadição, duas ligações σ novas são

formadas (ou quebradas), em um rearranjo sigmatrópico uma

forma σ, enquanto a outra é quebrada.

O tipo de reaçôes periciclicas é caracterizada pelo

número de ligações σ formada ou quebrada.

Cicloadições Rearranjos sigmatrópico

Reações eletrocíclicas

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

Duas novas ligações σ são formadas

Uma nova ligação σ é formada como a outra quebrada

Uma nova ligação σ é formada

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

CH

Duas ligações σ são quebradas

Uma ligação σ é quebrada

∆σ = ±2 ∆σ = 0 ∆σ = ±1

Uma das reações elecrocíclicas mais simples ocorre

quando hexatrieno é aquecido a 500 ºC.

309

Numa reação pericíclica os elétrons giram em um anel

(você pode também girar as setas indo para o outro lado),

porque na reação eletrocíclica uma nova ligação σ é formada

finalizando um sistema π. A reação ocorre porque a ligação

sigma que é formada é mais forte que a ligação π que é

quebrada. O oposto é verdadeiro para a reação eletrocíclica

mostrada, limitando-se na tensão do anel de quatro membros,

significando que o inverso da reação, abertura do anel, é a

preferida.

310

Referências Bibliográficas

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WOTHERS, P. Organic Chemistry. New York: Oxford

University Press. 2001.

2. McMURRAY, J. Organic Chemistry. 6. ed. New York:

Brooks/Cole, 2005.

3. MORRISON, R. T.; BOYD, R. N. Química Orgânica. 14.

ed. Lisboa: Fundação Calouste Goulbenkian, 2005.

4. SYKES, P. A Guidebook to Mechanism in Organic

Chemistry, 6th. ed., Longman Scientific & Technical, Londres,

1991.

5. SOLOMONS, T. W. G. Organic Chemistry. 5. ed. New

York: John Wiley & Sons , 1992.

6. VOLLHARDT, K. P. C.; SCHORE N. E. Química

Orgânica: estrutura e função. 4 ed. Porto Alegre: Bookman,

2004

Revistas e periódicos

7. Boletim da Sociedade Brasileira de Química, SBQ – Instituto

de Química da USP. São Paulo.

8. Revista de Aditivos & Ingredientes – Insumos para Alimentos

e Bebidas São Paulo, Editora Insumo Ltda.

9. Ciência Hoje – Revista de Divulgação Científica da

Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência (SBPC). Rio

de Janeiro.

10. Química Nova na Escola - Revista da Sociedade Brasileira

de Química, SBQ, com uma periodicidade trimestral, propõe-se

a subsidiar o trabalho, a formação e a atualização da

comunidade do Ensino de Química brasileiro – Instituto de

Química da USP. São Paulo.

311

SITES PARA PESQUISA NA WEB

http://www.chemfinder.com/>

http://www.hazard.com/msds/>

http://webbook.nist.gov/>

http://www.epa.gov/>

http://www.capes.gov.br/portal de periodicos

312

Sobre os autores:

A Professora doutora Antônia Maria das Graças Lopes

Citó conclui o doutorado em Química pela Universidade

Estadual de Campinas em 1994. Atualmente é professora

associado II da Universidade Federal do Piauí. Publicou 17

artigos em periódicos especializados e 160 trabalhos em anais

de eventos científicos. Orientou 4 dissertações de mestrado,

além de ter orientado 29 projetos de iniciação científica na área

de Química/Farmácia. Recebeu 7 prêmios e/ou homenagens.

Entre 1997 e 2008 participou de 7 projetos de pesquisa.

Atualmente coordenada 1 projeto de pesquisa. Atua na área de

Química, com ênfase em Química de Produtos Naturais. Em

suas atividades profissionais interagiu com 110 colaboradores

em co-autorias de trabahlos científicos. Trabalha com ênfase

em: Óleos Essenciais, Própolis, Mel, Pólen, Atividade

Microbiana, Triterpenóides, Anarcadium Occidentale e LCC

(Líquido da Castanha de Caju).

O professor doutor Davi da Silva conclui a graduação

em Bacharel e Licenciatura em Química pela Fundação

Universidade Regional de Blumenau (FURB, 1999 e 2000),

mestrado em Química pela Universidade Federal de Santa

Catarina (UFSC, 2002) e doutorado em Química pela

Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC, 2006). Desde

fevereiro de 2008, está desenvolvendo projeto na área de

energia alternativa (biodiesel) na UFPI, com bolsa DCR -

CNPq/FAPEPI/UFPI. Atua nas áreas de Química dos Produtos

Naturais, Polímero e Energia Renovável. Orienta e/ou Co-

orienta alunos Iniciação Científica (UFPI) e Co-orienta dois

alunos do Programa de Doutorado da Rede Nordeste de

Biotecnologia (RENORBIO).