capítulo 4 - Catálise

Catálise por ácidos, bases e íons metálicos

catálise por acidos e bases de Lewis

Catálise por ácidos, bases e íons metálicos

Velocidade da transferência de prótons

B + H A B H A B H A + AHB(1) (2) (3)

Mecanismo

1) A formação de uma ligação de hidrogênio entre a base B– e o ácido HA controlada por difusão 2) A transferência do proton, levando à formação de uma nova ligação de hidrogênio. 3) Dissociação do produto controlada por difusão.

- Transferência do proton para N, O, S é rápida; - Transferência de proton para o carbono (C) é lenta; -Transferência de proton de H3O+ para N ou O é controlada por

- difusão k-1 1011 l.mol-1.s-1

AH + H2Ok1

k -1

A + H3O

A formação de ligação de hidrogênio entre um doador de proton e um receptor de proton é a etapa determinante da velocidade : essa etapa é mais lenta do que a transferência do proton ! Tipicamente quando um proton está ligado e sendo transferido a átomos de oxigenio e nitrogênio, e carga negativa fica localizada num átomo.

Entretanto, difusão de H+ em água é mais rápido do que a adifusão de outros íons:

HO+

H

H O

H

H A H

O

H

H O

H

H A

H

O H O

H

H A

H

O H O

H

HA

acid:

base:base

ácido

Transferência de Proton para\do carbono de ácidos/bases

H3C

C H2

N

O

O

H3C

C N

O

OH

H3C

C N

O

OH

+ H2Ok1

k -1

+ H3O+

k1 = 4x10-8 l.mol-1.s-1, processos lentos devido: - Ausência da formação de ligação de hidrogênio antes da transferência do proton - Baixa acidez dos átomos de hidrogênio.

k-1 = 16 l.mol-1.s-1, e também menor velocidade de difusão, pois: - Com a protonação ha redistribuição de carga com concomitante alteração na solvatação.

H3C

O

H H

O

CH3 H3C

O O

CH3

H

H3C

O O

CH3

H

H

107

4x104

1010

107

1 2 3

1 2: carbono ácido, k1 e k-1 relativamente pequeno 2 3: oxigênio ácido, k1 e k-1 relativamente grande (formação da ligação de H)

Outro exemplo:

Influência do pH na velocidade da reação

A hidrólise dos ésteres é catalisada por ácidos e bases:

pH

log

k ob

s

7.0

Catálise ácida

Catálise básica

outro exemplo: mutarotação da glicose:

pH

log

k ob

s

7.0

O

HOHO

OH

HOH2CH

HO

O

HOHO

OH

HOH2CH

HO

O

HOHO

OH

HOH2C

HO

O

HOHO

OH

HOH2C

HO

O

HOHO

O

HOH2C

HOH

OH

O

HOHO

O

HOH2C

HO

acid catalysed

uncatalysed

+ H2O

base catalysed

Catalise ácida

Catalise básica

Sem catalise

outro exemplo: formação de iminas

pH

log

k ob

s

4.5

pH ótimo- 4.5

R NH2 + H+ R NH3+

nucleophile inactive

C O + H+ C OH

active

R NH2 C OH+ RH2N C OH

RHN C OH2HN CN C

RR

Inclinação do gráfico de log kobs vs. pH é comumente próximo a 1: Linearmente dependente da [H+] ou [OH-]

nucleófilo inativo

ativo

Dois mecanismos para catálise ácida

Catálise ácida específica: - Um proton é transferido ao substrato num pré equilíbrio rápido; subsequentemente, o substrato protonado reage fornecendo o produto ou produtos na etapa determinante de velocidade:

Catálise ácida geral: - Transferência de próton transfer occure lentamente , na etapa determinante da velocidade da reação; subsequentemente, o substrato protonado reage rapidamente formando o produto.:

Catálise específica ácido/base

Normalmente ocorre para elementos eletronegativos (O, N), onde a transferência de protons é rápida:

A segunda etapa é determinante de velocidade e pode ser mono ou bimolecular:

Velocidade de reação:

][A

[E][HA]Kk=][EHk=ν -1

+

1 [HA]

]][AO[H=K

-+

3

asince

Pode ser escrito ]O[E][Hk'=]O[E][HK

Kk=ν +

3

+

3

a

1

Portanto a velocidade só depende do pH, e não do [HA] !!

Exemplo de catálise ácida específica hidrólise de acetais mec A1

OCH3

OCH3

H

H+

H2O

O

H

+ 2 CH3OH

x x

x

x x

x kobs

[H+]

kobs é diretamente proporcional a [H+]; Adição de mais ácido (tampão) em pH constante não altera o kobs. Transferência de Proton não participa da etapa determinante de velocidade portanto o O mecanismo pode ser:

kobs [ClCH2COOH/ ClCH2COO-] (2:1)

x x x x x x

Exemplo de uma reação que sofre catálise ácida específica mec A2 Hidrólise do acetato de etila:

Catálise básica específica

Exemplo: reação retro-aldol de I:

H3C CH3

O OHCH3

H3C

O

CH3

base2

I

x x

x

x x

x kobs

[OH-]

kobs é diretamente proporcional a [OH-]. Adição de mais base (tampão) pH constante não afeta o kobs; [OH-] é a única base na equação de velocidade.

Portanto o mecanismo de reação provavelmente é:

Equação da reação:

k[II]=dt

d[acetone]

2

1=ν

][I][B

[II][HB]=K - [HB]

][I][BK=[II]

-

Há um equilíbrio ácido-base em água B + H2OKb

HB + OH

][B

][HB][OH=K -

-

Breescrevendo

b

--

K

][OH=

[HB]

][B

assim ][I][OHk'=][I][OHK

kK=

[HB]

][I][BkK=k[II]=ν --

B

-somente [OH-] ocorre na equação de velocidade

Catálise ácida\ base geral

A transferência de proton é a etapa determinante da velocidade da reação. Exemplo: hidrólise de orto ésteres:

A reação é estudada numa série de soluções tampão (m-NO2-Ph-OH/m-NO2-Ph-O–): velocidade de reação aumenta com o aumento da concentração do tampão mesmo se o o pH se mantem constante

= k1 [H+] [H2O][III] +k2 [ HA1] [H2O] [III] + k3 [HA2] [H2O][III] + …. k(m-NO2-Ph-OH)·[m-NO2-Ph-OH]· [H2O] [III]

H3C OC2H5

OC2H5

OC2H5

H+

H3C

O

OC2H5

III

+ H2O + 2 C2H5OH

[tampão]

{k(H3O+)[H3O+] + k(H2O)[H2O]}[III]

k(tampão)

Catálise acido/base geral: A velocidade da reação depende de todas as espécies ácidos\bases presentes em solução Catálise ácida geral: kobs = S ki[HAi] Catálise base geral: kobs = S ki[Bi]

Exemplo de catálise basica geral:

H3C CH3

O O

H Br

Br2

H3C CH3

O O

BrBrbase

A reação depende da concentração do tampão a pH constante . Há também a contribuição do OH- e H2O.

[ClCH2COO-/ClCH2COOH]

kobs

Resumindo: Catálise específica acido/base :

= k’[S][H3O+] ou = k’[S][OH–]

Catálise geral ácido/base :

= kx[H3O+] [S], + ky[H2O] [S], + kz[HA] [S], + …….= S[HAi][S], ou com bases: = S[Bi][S]. Quando kx[H3O+] ou kx[OH–] são grandes, as contribuições de outros acidos/bases são negligênciaveis e a cinética se assemelha a catálise ácido/base. Portanto catálise ácido/base geral normalmente ocorre somente perto do pH neutro.

Relação entre um catalisador ácido geral e relação de Brønsted

A eficiência de um catalisador ácido geral depende da força do ácido (= relação de Brønsted):

log kHA = a log KHA + a constante

kHA = constante de velocidade da etapa catalítica KHA = constante de dissociação do ácido HA

a =coeficiente de Brønsted (normamente 0< a <1) indica sensibilidade da etapa catalítica a alterações da força ado ácido HA (pKa)

Exemplo:

OCH3

H

+ HAslow

OCH3

H

H

+ A

H2O

fast

H2O OCH3

fast

HO OCH3

fast

O

- CH3OH

Gráfico log kHA versus log KHA, inclinação = a

a Indica em que extensão proton é transferido do ácido ao substrato no estado de transição: a = 1: toda alteração na força do ácido afeta a catálise. O proton é (quase) completamente transferido ao substrato no estado de transição. a = 0:A nreação é insensível as alterações da força do ácido. Todos os ácidos são catalisadores bons (log kHA = constante). O proton é dificilmente transferido no estado de transição da reação. a= 0.5: No estado de transição o proton é transferido a meio caminho entre o anion do ácido A– e o substrato : A–····H+····S, ET simétrico

Há uma relação de Brønsted para catálise básica geral :

log kB = -b log KHB+ + a constante

O coeficiente b tem o mesmo significado que a para a catálise ácida geral

Catálise com íons Metálicos

Papel da catálise de metais: • como “super ácido”: comparável a H+ porém mais forte • Como molde: íons metalicos são capazes de coordenar aa mais de 2 ligantes e podem portante aproximar moléculas • Como catalisador redox : muitos íons metálicos podem aceitar ou doar eletrons alterando o estado redox

Catalise Super ácida

Características: Introduz carga positiva no substrato, tornando-o mais sucetível ao ataque nucleofílico. Troca dos íons metálicos é rápida (105-109 s-1), porém mais lenta do que H+ (1011 s-1)

Catálise de íons metálicos na clivagem C-C Descarboxilação do oxalosuccinato pela desidrogenase isocitrato

O

O

O

O

O

O

OMn2+ enzyme

a

b

- CO2

O

O

O

O

OMn2+

a

b

H+O

O

O

O

OMn2+

a

b

enzyme enzyme

Mn2+ aceita a carga negativa que se forma (“electron sink”); M3+ como Al3+ são bons, M+ assim Na+, K+ (e H+!) são menos eficientes. Outros substratos:

O

COOH

oxaloacetic acid 3-ketoglutaric acid

COOH

O

O

O

Mn2+ O O

Mn2+

-ambos COO- e C=O são necessários Para ligação no Mn2+ - Clivagem do grupo COO- na posição b

Catálise de íons metálicos nas adições a ligações C=O(N)

OCu

H2N

OCH3R H

2+

OH OCu

H2N

R H

2+

OH

OCH3

H+

- CH3OH

hydrolysisproducts

Íons Cu2+ são muito eficientes para a hidrólise de ésteres de a-amino ácidos :

São menos eficientes na hidrólise de amidas devido a ligação mais forte entre o metal e o substrato (= estabilização do estado fundamental):

NH2

Mn+

H2N

O

amino acidamide

E

Coordenada da reação

amida

ester

Sem catálise

catalisada

Produtos de hidrólise

Amino ácido/ amida

Catálise por íons metálicos na hidrólise de ésteres de fosfatos e anidridos

Hidrólise de ésteres de fosfato (ex. Fosfato de acetila) o anidridos (ex. ATP)é sempre catalisada por íons metálicos normalmente Mg2+:

H3C

O

OP

O

O

O

Mg

H3C

O

O

MgO

POO

H2OH2PO4 + CH3COO

fast

2+

2+

O papel dos íons metálicos são dois: -Neutralização das cargas negativas do substrato e possibilitar a aproximação do nucleófilo; -Estabilização do grupo - de saida -(neutralização da carga)

P

O

Mg

O

PO

O O

OO

PO O

OAd

P

O

Mg

O

PO

HO O

OO

PO O

OAd

H2OH2PO4

ATP ADP

2+ 2+

Sumario da catálise por metais ou super ácidos

• Polarização das ligações particularmente C=O

• Aceitar a carga negativa (“electron sink”)

• Neutralização da carga negativa no substrato facilitando a aproximação do nucleófilo nucleophile

• Estabilização do grupo de saida. (redução da carga)

Ions metálicos como molde : epoxidação de Sharpless

R3

R1

CH2OH

R2R2 R1

CH2OHR3

O

OOH

COOEt

COOEtHO

HO

CH2Cl2, -20°

,, Ti(Oi Pr)4

Mecanismo proposto por E.J. Corey:

A B

Sumario: vantagens dos íons metálicos em relação a H+

• Maior carga (M2+, M3+)

• Ativos em pH neutro

• Coordenação com vários é possivel (efeito molde , template )

• Muitos íons tem propriedades redox