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30/11/2008
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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOUNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIACENTRO DE CIÊNCIAS NATURAIS E EXATAS
DISCIPLINA DE MECANISMOS DE REAÇÕES ORGÂNICAS
Santa Maria, novembro de 2008.
REAÇÕES DE ADIÇÃO NUCLEOFÍLICA NA CARBONILA
2
Reações de Substituição Nucleofílica Aromática
1. Introdução
2. Estrutura
3. Reatividade
4. Reações
4.1.1. Adição Simples
4.1.2. Adição Eliminação
4.1.3. Substituição
4.2. Reações de Nucleófilos de Carbono
4.1. Reações de Nucleófilos Heteroatômicos
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2
3
Referências Bibliográficas
1. Solomons, T. W. G.; Fryhle, C. B. Organic Chemistry, John Wiley & Sons Inc., Hoboken, 2008.
2. Clayden, J. Organic Chemistry, Oxford University Press Inc., New York, 2001.
3. Costa, P., et al ; Substâncias Carboniladas e Derivados; Série Química Orgânica; Bookman; Porto Alegre; 2003.
4. Carey and Sundberg, Advanced Organic ChemistryParte A Structure and Mechanisms; Parte B; Reactionsand Synthesis, kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2001.
4
1.Introdução
Aspirina™ 1899Felix Hoffmann
Salicina-Isolada em 1829 a partir da casca do chorão Salgueiro
Adição Nucleofílica na Carbonila
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3
5
Adição Nucleofílica na Carbonila
6
Adição Nucleofílica na Carbonila
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4
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COX 1
8
O mecanismo de ação passa pelo ataque nucleofílico da Serina-530 na carbonila do éster do AAS
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9
HN
H
O COX
COX
OH
O
HO
O
OH3C
HN
H
O COX
COX
O
O
CH3
O
HO
HO
Mecanismo da Acetilação da COX
1010
1.Estrutura
Adição Nucleofílica na Carbonila
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11
1.Estrutura
A polarização e a possibilidade de estruturas de ressonância explicam a reatividade de compostos carbonílicos com Nu e E.
O
R++ --
Híbrido de ressonância
R
R
O....
::
R
R
O
R
R
O....
....
A B C
Adição Nucleofílica na Carbonila
12
Reatividade
• Adição nucleofílica
• Enolização
• Ativação
C O
R
H
R
Nu:
H+
B:
Adição Nucleofílica na Carbonila
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1313
• Ativação• Ativação: Teoria Da Ligação de Valência
OH
R R
OH
R R
Carbonila Protonada
O
R R
O
R R
Carbonila Neutra
14
3- Reatividade de compostos carbonílicos na adição nucleofílica
- Ativação da carbonila pela transferência de próton;
- A reatividade da espécie nucleofílica;
- A estabilidade do intermediário tetraédrico.
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15
Reatividade dos compostos carbonílicosamplificada em meio ácido
16
Adição Nucleofílica na Carbonila
Intermediário Tetraédrico
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9
17
EM TERMOS GERAIS SÃO TRÊS POSSIBILIDADESDO MECANISMO DE ADIÇÃO
→ Adição catalisada por ácido, protonação seguida do ataque nucleofílico
18
EM TERMOS GERAIS SÃO TRÊS POSSIBILIDADESDO MECANISMO DE ADIÇÃO
→Adição nucleofílica seguida de protonação
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19
EM TERMOS GERAIS SÃO TRÊS POSSIBILIDADESDO MECANISMO DE ADIÇÃO
→Ao mesmo tempo que um nucleófilo ataca um H+ é transferido
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DIAGRAMA TRIDIMENSIONAL PARA ENERGIA POTENCIAL
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2121
OR
R R R
O
OR
RNu
Nu
Nu
• Mecanismo de Adição– A influência dos substituintes
• Efeito estérico
Adição Nucleofílica na Carbonila
2222
– Relativa reatividade: Aldeídos versus Cetonas
• Aldeídos são geralmente mais reativosque cetonas
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23
b-Efeito eletrônico: hiperconjugação
2.2- Eletrofilicidade global
R Cl
O
H H
O
H3C
O
H> > >
R OR'
O
H3C CH3
O
R NH2
O> >
H H
O
H3C H
O
H3C CH3
O
> >
Adição Nucleofílica na Carbonila
24
O
Br
O
H
O
CH3
O
OEt
O
N
Brometo de Benzoíla Aldeído Benzóico Acetofenona Benzoato de Etila N,N-Dimetilbenzamida
Reatividade adição nucleofílica
Adição Nucleofílica na Carbonila
Reatividade de diferentes compostos carbonílicos
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25
• Acidez do Hα– Equilíbrio cetoenólico
25
R1
R2
HH
O
R1
R2
OH
H
Forma Cetônica Forma Enólica
Adição Nucleofílica na Carbonila
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Acidez de hidrogênios -carbonilas
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2727
• Acidez do Hα– Equilíbrio cetoenólico
R1 R2
O OH
Adição Nucleofílica na Carbonila
2828
Equilíbrio ceto-enólico
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29
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Acidez do Hα– Formação de enolatos
R1R2
O
H
+ B: R1R2
O
R1R2
O
Formas canônicas em enolatos, carga negativa localizada no Oxigênio
+ BH
30
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição Nu x Formação de Enolatos
– Competitividade
– Escolha do reagente; + Nu do que básico, ou vice-versa, promove reação
quimiosseletiva.
C OR
HR
Nu:
B:
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3131
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Aspectos Estereoquímicos da Adição• Faces proquirais
• Se R1 e R2 não apresentarem quiralidade o grupo carbonila é
enantiotópico
O
R2
R1
si
reO
HH
MeMe
OH
HH
MeMe
OH
HH
MeMe
CN
CN
(ataque pela face Si)
(ataque pela face Re)
3232
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Aspectos Estereoquímicos da Adição
O
R2
R1
OHR2
R1 Nu
Faces Proquirais Enantiotópicas
Nu/H+*
O
R
R
OHR
RNu
Faces HomotópicasNão há formação de centro estereogênico
Nu/H+
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3333
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Aspectos Estereoquímicos da Adição– Faces Diasterotópicas
O
R1
R3R2
R4
OH
R3R2
R4 +NuR1
OH
R3R2
R4R1
Nu
NuH+
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Reações de Adição Nu a Carbonila
• Adição de Nu Heteroatômicos
• Adição de Nu de Carbono
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição de Nu Heteroatômicos– Adição simples
• Adição de Água• Adição de Álcoois
– Adição – Eliminação• Adição de aminas• Adição de hidroxilamina• Adição de Hidrazina• Adição de semicarbazidas
– Substituição• Hidrólise de ésteres• Aminólise de ésteres• Hidrólise de amidas
35
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição simples• Adição de água: Formação hidratos
O
RR
OH
R R
O OHH2O
R R
HO OH+ OH
Catálise Básica
36
O
RR
HXOH
RR
H2O
R R
HO OH2
R R
HO OH+ HX
Catálise Ácida
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição simples– Adição de água: Formação hidratos
Composto carbonílico
K(em água,25ºC)
CH2O 2,28 x 103
CH3CHO 1,06(CH3)3CCHO 0,23
CF3CHO 2,9 x 104
C6H5CHO 8 x 10-3
CH3COCH3 1,4 x 10-3
C6H5COCH3 9,3 x 10-6
FCH2COCH3 0,11CF3COCF3 1,2 x 106 37
38
Hidratação→K depende de R1 e R2→ K << 1 : cetonas e aldeídos aromáticos → K ~ > 1: aldeídos alifáticos
→ K : R1 R2 grupos volumosos e grupos + I/+ M (estabilização da carbonila) → K: R1 , R2 grupos -I/-M (desestabilização da carbonila)
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição simples• Adição de Álcoois: Formação de acetais
O
R1 R2+ ROH H
R1 R2
HO OR
Hemiacetal
RO
R1 R2
H
R1 R2
O ORH
R
R1 R2
RO ORROH
Acetal
39
40
R1
R''O
R2
OR'
HR1
R''O
R2
OR'
H
R1
OR''
R2
HOR'
R1
OR''
R2H2O
R1
R''O
R2
OH
H
R1
R''O
R2
OHH
R1
R''O
R2
OHH
R1
OH
R2 R1
O
R2
H
Hidrólise de Acetais em Meio Ácido
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41
Adição – Eliminação
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição – Eliminação– Adição de aminas: formação e hidrólise de
iminas e enaminas
R1R2
O
HRNH2
RRNH
R1R2
R1R2
NN
H
R R
HEnamina Imina
H2O + + H2O
42
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• Adição de aminas primárias e secundárias
Aldeídos e cetonas reagem com aminas primárias (amônia) para formar iminas.
Eles reagem com aminas secundárias para formar enaminas.
43
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição de aminas. Catálise ácida:
R1 R2
OH
H
RNH2
R1 R2OHN
HHR
R1 R2OH2NH
R
R1 R2
N
H
H R
R1 R2
N
H
R H
R1 R2
N
H
R
R1 R2
N
H
R
Imina Z Imina E44
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– Enaminas• Reações com aminas 2as
4545
Adição de aminas Secundárias.
Reatividade de Aldeídos versusIminas
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Reações de derivados de aminas primárias
R1 R2O
H
RNHNH2
H2N NHNH2
O
NH2OHR1 R2
N
HR1 R2
N
H
R1
R2
NH
OH
H2O +
NHH2N
O+ H2O
+ H2O
Semicarbazonas
Oximas
NHR
Hidrazonas
47
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Substituição– Hidrólise de ésteres
O
O
H3OOH
OH
O
O
O
HOHO+ +
V= k [H3O+] [éster]48
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Substituição– Hidrólise de ésteres: catálise ácida
O
O
+ H3O+ O
OH
O
OH
+ H2O
O
OH
OHH
O
OH
OH HOH
O
49
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Substituição– Hidrólise de ésteres: catálise básica
G
O
O
OH
G
O
O
OH
G
OH
O
OG
O
O
HO+ +
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Substituição–Preparação de amidas
O
R OR1 + R2NH2 R2H2N R
O OR1
R2HN R
HO OR1
R2HN R
O OR1 O
R2HN R
51
Adição Nucleofílica na Carbonila
• Substituição–Hidrólise de amidas
O
R NH2
+ OH
O
R O+ NH3
Meio básico
O
R NH2
+ H3O
O
R OH+ NH4
Meio ácido
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição de Nu de Carbono
–Adição de cianeto
–Adição de organometálicos
–Adição de ilídeos de Fósforo
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição de Cianeto:– Formação de cianoidrinas e α-aminonitrilas
O
R RHCN
R R
HO CN
R R
HO CO2H
R R
HO NH2
B - Hidróxiaminas ou B- aminoálcool
a - hidróxiácidos
hidrólise redução
a - hidróxinitrilaou cianoidrina
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição de Organometálicos:– Formação de álcoois e aminas
• Onde os mais usados em síntese orgânica: RMgX e RLi
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição de Organometálicos:– Formação de álcoois e aminas
• Onde os mais usados em síntese orgânica: RMgX e RLi
O
R1 R2+ R : MgX
O
R1 R2
MgR
X
R1 R2
R OMgX H3O+
R1 R2
R OH
N
R1 R2+ R : MgX
R1 R2
R NHR3R3
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Mecanismo para reação de Organolítios
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição de ilídeos de fósforo:– Reação de Wittig (1954)→ obtenção de
olefinas para fins acadêmicos e industriais a partir de cetonas e
aldeídos.– Anteriormente o procedimento seguia 2 etapas: adição Nu e posterior eliminação, no entanto a etapa de eliminação não é
regiosseletiva.– A reação de Witting produz olefinas de
forma regiosseletiva. (Prêmio Nobel 1979)
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição de ilídeos de fósforo:O
1. CH3MgBr2. H3O+
OHCH3
- H2O
CH2 CH3
+
Reação de WittingO
Ph3P CH2
CH2
+Ph3P O+
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição de ilídeos de fósforo:–Formação das fosforanas
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Adição Nucleofílica na Carbonila
• Adição de ilídeos de fósforo:–Um mecanismo proposto
Ph3P CH2
O
R R
Ph3P CH2
CO
R
R
Ph3P CH2
CO
R
R
R R
CH2
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Betaína Oxofosfetana
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