Aula 13 - Derivados de ácidos carboxílicos

Carlos Roberto Oliveira Souto

Humberto Conrado Duarte

Química da VidaD I S C I P L I N A

Derivados de ácidos carboxílicos

Autores

aula

13

Governo Federal

Presidente da RepúblicaLuiz Inácio Lula da Silva

Ministro da EducaçãoFernando Haddad

Secretário de Educação a Distância – SEEDRonaldo Motta

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

ReitorJosé Ivonildo do Rêgo

Vice-ReitorNilsen Carvalho Fernandes de Oliveira Filho

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Secretaria de Educação a Distância- SEDIS

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IlustradoraCarolina Costa

Editoração de ImagensAdauto HarleyCarolina Costa

DiagramadoresBruno de Souza Melo

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Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

Divisão de Serviços Técnicos

Catalogação da publicação na Fonte. UFRN/Biblioteca Central “Zila Mamede”

Souto, Carlos Roberto Oliveira.

Química da vida / Carlos Roberto Oliveira Souto, Humberto Conrado Duarte.

– Natal, RN, : EDUFRN, 2006.

372p. : il

1. Química orgânica. 2. Química da vida. 3. Compostos de carbono. I. Duarte, Humberto Conrado.

II. Título.

ISBN 978-85-7273-332-8 CDU 547RN/UF/BCZM 2006/84 CDD 661.8

1

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3

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Aula 13 Química da Vida 1

Apresentação

erivados de ácidos carboxílicos representam compostos de grande importância metabólica e constituem, em grande parte, sistemas orgânicos naturais. Diferentemente de aulas anteriores em que você estudava a estrutura, a nomenclatura

e as propriedades físicas de uma classe de compostos, nesta você estudará uma família de sete membros: haletos de ácido, anidridos de ácido, ésteres, tioésteres, amidas, imidas e nitrilas. A aprendizagem da aula anterior é fundamental para a compreensão desta.

D

Objetivos

Identificar compostos derivados de ácidos carboxílicos.

Escrever a nomenclatura oficial desses derivados a partir da estrutura e vice-versa.

Prever suas propriedades físicas e explicar diferenças entre esses derivados.

Compreender a importância biológica e industrial dos derivados de ácidos.

O

RO

O

RCl

O

RC NR

Nitrila

N

O

R

R

RS

O

RR

O

OR

R

O

RN

O

R

R

Cloreto de ácido Anidrido AmidaTioésterÉster Imida

= grupo Y

C

Y

OC

Y

O

C

Y

O Comprimento (Aº)Grupo Y

Cl 1,79

OCH3 1,36

NH2 1,36

Aula 13 Química da Vida2

A família dos derivados de ácidos

Derivados de ácidos são compostos que apresentam o grupo acila com um heteroátomo de grupo diferente do hidroxílico, que chamaremos de Y.

Esta família é apresentada a seguir.

Vamos destacar que a nitrila, embora não apresentando o grupo acila, é considerada como derivado de ácido, porque pode ser obtida de uma amida e, ainda, por hidrólise, éconvertida a ácido carboxílico.

Estrutura dos derivados de ácidos

Nos derivados de ácidos, o heteroátomo do grupo Y conjuga seu par de elétrons não ligantes com a carbonila. Confira as formas canônicas para um derivado de ácido genérico:

Essa conjugação confere caráter de dupla à ligação entre o átomo de carbono e o heteroátomo do grupo Y; determina o seu comprimento, a densidade eletrônica sobre a carbonila e, conseqüentemente, a eletrofilia e a basicidade desta. Se mais intensa a conjugação, mais curta a ligação, maior o caráter de dupla, menor a deficiência eletrônica sobre o átomo de carbono, menor sua eletrofilia, maior a basicidade da carbonila. Determina também a acidez do carbono , a acidez das imidas e a polaridade da função. A representação a seguir sinaliza essas propriedades em uma estrutura genérica.

C C

Y

O

HB

(base)

A+

ácido de Lewisou H+

(nucleófilo)Nu

C O C S

bom entrosamento entrosamento deficiente

R

O

R O

O

R

O

R O

O

R

O

R O

O

R

O

RO

O

R

O

RO

O


Por último, os cloretos de acila apresentam o menor nível de conjugação, tanto pela eletronegatividade do halogênio quanto pela dificuldade de entrosamento entre os orbitais C 2p – Cl 3p devido aos seus diferentes tamanhos.

Nos anidridos, a conjugação é ainda menor, apesar do heteroátomo ligado à carbonila ser também o oxigênio. Isso porque o par de elétrons livres desse oxigênio é compartilhado com duas carbonilas e, assim, nenhuma mantém uma conjugação efetiva com o mesmo, diferentemente dos ésteres, nos quais o átomo de oxigênio alcoxílico mantém dedicação exclusiva à única carbonila. Confira a seguir a ressonância para anidridos.

A conjugação é determinada por dois fatores. Primeiro, pela eletronegatividade do heteroátomo em Y, que define sua capacidade de compartilhar o par de elétrons e de suportar a carga positiva. Segundo, pela extensão do entrosamento com o orbital C2 p.

Da série de derivados, as amidas apresentam o maior nível de conjugação por ser o átomo de nitrogênio o segundo de menor eletronegatividade dentre os grupos Y e apresentar entrosamento perfeito do seu orbital 2p com o semelhante do carbono. Nos ésteres, a conjugação é menor do que nas amidas porque o átomo de oxigênio tem maior eletronegatividade, apesar do, igualmente perfeito, entrosamento entre os orbitais O2p e C2p. Nos tioésteres, a conjugação é menor que nos ésteres, apesar do átomo de enxofre ser o heteroátomo de menor eletronegatividade dentre os do grupo Y, porque o entrosamento do orbital 3p do enxofre e o 2p do carbono não é perfeito, devido à diferença de tamanhos entre eles, conforme a representação seguinte.

R´ CO

O HOH R´ R´ C

O

O R´

OH H+ácido mineral

ou enzima+

ácido álcooléster

carboxilato

alquila

HO

O

O

OH

O

O

OO

O

HO

O

O

O

Formiato de etila

(rum)

Butirato de etila

(abacaxi)

Formiatode isobutila Salicilato de metila

(gaultéria)

Acetato de octila

(laranja)

Butirato de pentila

(abricó)(framboesa)

Etanoatode metila(Acetatode metila)

(2E,4E)-Hexa-2,4-dienoato de2-propenila Benzoato de fenila

Butanoato de vinila(Butirato de vinila)

Metanoatode etila

(Formiatode etila)

HO

O

O

O O

O

O

O

O

O

exo -Biciclo[2.2.2]octano-2-carboxilato de fenila

O

O

Fenil-etanoato de benzila

O

O

Benzoato de benzila

O

O

endo -Biciclo[2.2.1]hept-5 -eno-2-

carboxiato de etila

O O

Cicloexanocarboxilatode ciclopentila

O

O

Fenil-etanoato de fenila

O

O


Nomenclatura dos ésteresÉsteres são considerados sais de alquila ou arila. Por isso, a nomenclatura destes é

composta do nome do carboxilato (veja a aula 12 – Ácidos carboxílicos) correspondente, da preposição “de” e do nome do grupo alquila ou arila.

Ésteres

Ésteres são derivados de ácidos nos quais um grupo alcóxi substitui o grupo hidroxila. São preparados, dentre outros métodos, pela reação entre um ácido carboxílico e um álcool, com a eliminação de uma molécula de água.

A maioria dos ésteres de baixo peso molecular é constituída por líquidos de cheiro agradável. As fragrâncias das frutas e das flores são geralmente conseqüência da presença de ésteres voláteis, apesar de a contribuição de aldeídos, cetonas, álcoois e hidrocarbonetos ser também importante. Alguns ésteres comuns de odores característicos são ilustrados a seguir.

Atividade 1

C CH3

O

OCCH3

O

O C OCH2CH2CCH3 O

O

CH3

O

O C C H 3

OC O

O

CH2 CHCH3 CH CH CH3CH3

a

c d

b

O

OO H

H

OO O HH

H+

+hidroxiácido

lactona

O O O OOO

Oxetano Tetraidrofurano Tetraidropirano Oxepano OxocanoOxirano


Represente as estruturas do ácido e do álcool dos quais cada éster a seguir é derivado.

Ésteres cíclicos são denominados lactonas e considerados derivados de um ácido hidroxicarboxílico pela perda intramolecular de água.

Tais compostos são preferencialmente nomeados como oxaeterociclos-2-ona. Para aplicar essa sistemática, torna-se necessário o conhecimento dos nomes dos oxaeterociclos, como os exemplos a seguir.

Outra sistemática consiste em nomear esses compostos como derivados dos hidroxiácidos correspondentes, substituindo-se a terminação -óico do nome sistemático do ácido, por -olactona. A posição do grupo hidroxila original é indicada entre -o e lactona.

O

O

O

O

O

O

O

O

Oxetan-2-onaPropano-3-lactona

4-Etil-oxetan-2-onaPentano-3-lactona

((Z)-4-Propenyl)-oxetan-2-ona (Z)

-Hex-4-eno-3-lactona

3-Propil-oxetan-2-ona - 2-Propil

-propano-3-lactona

O

O

Propano-3-lactonaOxetan-2-ona

O

O

Pentano-3-lactona4-Etil-oxetan-2-ona

O

O

(Z)-Hex-4-eno-3-lactona((Z)-4-Propenil)-oxetan-2-ona

5-Metil-diidro-furan-2-ona 5-Etil-3H-furan-2-ona 6-Metil-tetraidro-piran-2-ona Piran-2-ona-Penta-2

O

O O

O

O

O

-Valerolactona -Metil- -caprolactona -Metil- -valerolactona


Os nomes comuns das lactonas, usados mais freqüentemente do que os oficiais, são formados pela substituição do sufixo -ico do nome trivial do ácido por -olactona. Uma letra grega designa o átomo de carbono que mantém o de oxigênio fechando o anel.

Observe os nomes das lactonas a seguir aplicando as orientações dadas.

Ésteres e sua importância para a vida

Lipídeos são substâncias que podem ser extraídas de células e tecidos com solventes orgânicos apolares. Por incluírem muitos compostos com variedade de grupos funcionais, essa grande família é dividida em duas classes principais: lipídeos complexos e lipídeos simples.

Os lipídeos simples representam os esteróides, prostaglandinas e terpenos. Embora sejam moléculas estruturalmente complexas, não são hidrolisáveis a compostos mais simples. Os lipídeos complexos representam os glicerídeos e as ceras, que são hidrolisáveis a constituintes mais simples.

Glicerídeos são ésteres de ácidos graxos com o glicerol, chamados triacilgliceróis,triglicerídeos ou triglicérides, pois os três grupos hidroxila do glicerol são esterificados. São comumente classificados como gorduras, se sólidos, e como óleos, se líquidos à temperatura ambiente. O estado físico é determinado pela presença ou ausência de insaturações nas

Trioleina pf -4ºC

CH2

CH O

O

O

O

O

O

C

C

C

CH2

CH2

CH O

O

O

O

O

O

C

C

C

CH2

Trioleina pf 72ºC

C

O

OR’ R’’

cera R´ R´´

CH3(CH2)24 CH3(CH2)29

CH3(CH2)26 CH3(CH2)33

abelhacarnaúba


cadeias dos grupos acila dos ácidos graxos originais. Um triglicerídeo derivado de ácidos graxos saturados tem pf superior porque se empacota mais facilmente do que aqueles com cadeias dobradas pelas insaturações. Por exemplo, enquanto a triestearina funde-se a 72oC por ser uma gordura totalmente saturada, a trioleina funde-se a -4oC, com o mesmo número de átomos de carbono, mas com três duplas ligações C=C. Veja as representações que seguem.

A maioria dos triglicerídeos derivados de mamíferos é gordura, como sebo e banha. Embora essas gorduras sejam sólidas à temperatura ambiente, o calor corporal do organismo vivo as mantém fluidas permitindo que circulem. Em plantas e animais de sangue frio, triglicerídeos são geralmente óleos, tais como óleo de milho, de amendoim ou de peixe. Um peixe requer óleo ao invés de gordura porque esta se solidificaria na água fria.

Ceras são ésteres de ácidos graxos com álcoois também de longa cadeia. Ocorrem largamente na natureza e servem a numerosos propósitos em plantas e animais. A cera de abelha é na realidade uma mistura, incluindo hidrocarbonetos e álcoois que as abelhas utilizam para formar a colméia. A carnaúba, uma das riquezas da nossa amada terra, tem uma mistura de ceras de massas molares muito altas, com o grupo acila apresentando entre 18 e 30 átomos de carbono e o grupo alcoxila, entre 30 e 34. Formando uma película protetora nas superfícies das folhas e caules, servem de fator de proteção contra agentes externos e evitam a evaporação excessiva de água em ambientes com longos períodos de estiagem e com baixa umidade relativa. Ceras são utilizadas na fabricação de produtos farmacêuticos, de cosméticos, de filmes plásticos e fotográficos. Participam também na composição de revestimentos, impermeabilizantes, lubrificantes, vernizes, entre outros.

Outros lipídeos estreitamente relacionados aos óleos e gorduras são os fosfoglicerídeos,derivados do ácido fosfatídico. Consistem de um glicerol esterificado com dois ácidos graxos e um ácido fosfórico, apresentando-se como ânions no pH do meio celular. Quando o resíduo do ácido fosfórico é esterificado com o grupo polar etanolamina, a molécula é classificada como uma Cefalina, e quando isso acontece com colina, classifica-se como uma Lecitina.

O

O

O

O

OP

O

O

O

NH 3

+

N+

H

PO

O

O

OO

O

O

O

Ácido fosfatídico(forma ionizada)

Cefalinaresíduo glicerol

Lecitina(quando este for o grupo polar)

resíduoacil graxo

O

OHO

(S)-Metopreno


Cefalinas e lecitinas são largamente encontradas em plantas e animais. Pela semelhança com os sabões, formam micelas e outras agregações. Uma agregação extremante importante é a bicamada lipídica, parte das membranas celulares que restringe o fluxo de água e substâncias dissolvidas.

Uma interessante aplicação de ésteres sintéticos em controle biológico é dada pelo (S)-metopreno no combate a pulgas, um desagradável problema para donos de animais de estimação. A aplicação de inseticida elimina os insetos adultos, mas os numerosos

ovos permanecem intactos para eclodirem logo após. Uma alternativa mais efetiva são os chamados reguladores de crescimento, designados para interferir em uma fase muito específica do desenvolvimento da pulga. (S)-Metopreno é um análogo sintético do hormônio juvenil do inseto. Durante a transição normal do estágio de larva para crisálidas, os

níveis de hormônio juvenil decrescem dramaticamente. Quando os insetos são expostos ao (S)-metopreno, entretanto, níveis do hormônio juvenil permanecem elevados, impedindo o desenvolvimento das crisálidas. Adicionalmente, o metopreno é absorvido no ovário da pulga fêmea adulta e interrompe o desenvolvimento de ovos antes de serem postos.

Ésteres são largamente utilizados como solventes na indústria. Acetato de etila é particularmente um bom solvente para uma variedade de compostos, é de toxicidade baixa e podemos encontrá-lo em produtos domésticos como limpadores, polidores, colas e pulverizadores de revestimentos.

Lactonas naturais

Lactonas são comuns entre os produtos naturais. O ácido L-ascórbico, ou vitamina C,é necessário na dieta humana para evitar o escorbuto. Em soluções ácidas, predomina como uma lactona. Eritromicina é um membro do grupo de antibióticos macrólidos,lactonas de anel grande, que inibem a síntese protéica detendo o crescimento e desenvolvimento de bactérias.

Atividade 2

eritromicinaÁcido L-ascórbico (vitamina C)

HOH3C

HO

OHHO

OOCH2CH3

OO

HH

H

açúcar

açúcar

CH3

CH3

H

H

H

H CH3 H3CH3C

COOH

C

CC O

CH2OH

O

H OH

OH

OH

OHHO

HO

HOH

H

H

H+

CH2OH

O O O O OO

OO H H

Coumarina(erva doce)

emboloramento

Dicoumarol

O O

H

O

Warfarin(anticoagulante sintético)


Em 1933, um fazendeiro no estado de Wisconsin, EUA, deparou-se com um grave problema de mortandade em seu rebanho bovino por hemorragia através de pequenos cortes e rachaduras na pele, quando alimentava-o com fardos mofados de ervas forrageiras. Depois de seis anos de estudos, foi isolado o Dicoumarol, que retarda ou previne a coagulação sangüínea, por interferir a atividade da vitamina K. Em pouco tempo após essa descoberta, o Dicoumarol tornou-se largamente empregado no tratamento de vítimas de ataques cardíacos e outros riscos relacionados a coágulos. Dicoumarol é um derivado da Coumarina, uma lactona que dá à erva-doce seu agradável aroma. A Coumarina que não interfere na coagulação sangüínea é convertida a Dicoumarol quando a erva é mofada.

Represente as fórmulas estruturais e escreva os nomes para os ésteres com a fórmula molecular C4H8O2.

S

O

O

S

S

O

S

O

S

O

S

O

Hexanotioato de S-etil(S-Hexanoato de etila)

Hexanotioato de O-etila(O-Hexanoato de etila)

Tiobenzoato de S-fenila(S-Benzoato de fenila)

Ciclopentano-carbotioato

de S-isopropilaTioacetato deS-cicloexila

Tiopropionatode S-etila

OP

ONS

H

O

NH

O OO

HP O O

O

O O

O O

N

H H HH

HPO

O

O

H

N

NN

NH3

+

C

O

C H 3

Coenzima A

acetil


Importância de tioésteres para a vida

Organismos vivos necessitam de reagentes acilantes de reatividade moderada e que sejam resistentes à hidrólise nas condições celulares. Tioésteres não sofrem hidrólise facilmente, mas são reagentes acilantes seletivos excelentes para os organismos. A Acetil-coenzima A representa o precursor fundamental nos processos biossintéticos de anabolismo e desempenha papel fundamental no catabolismo.

Tioésteres

Tioésteres são considerados derivados de um ácido carboxílico e um tiol, também chamados tiol ésteres para enfatizar que de fato são derivados de tóis.

Nomenclatura dos tioésteres

O nome de um tioéster acrescenta o sufixo -tioato ao nome do hidrocarboneto correspondente à cadeia mais longa que contenha a função, seguido da preposição “de” e do nome do grupo alquila ou arila ligado a um dos heteroátomos. As possibilidades dos grupos alquila ou arila serem ligados tanto ao enxofre como ao oxigênio são explicitadas pelos prefixos S- e O-, respectivamente. A nomenclatura comum emprega o prefixo tio- ao nome do éster, como tioformiato, tiocaetato. Alternativamente, usam-se as letras S e O para especificar o átomo a que estão ligados os grupos alquila ou arila antes do nome do éster, diferenciando entre os tioésteres com C=O e C=S. Os tioésteres com C=O são os mais importantes.

R´ CO

O HR´ C

O

O

OH H

NH3

+R

NH2 RNH R

R CO

+ +

ácido amina sal

aquecimento

N

R´

RCR

O

RC

N

O

R´

RH

+

N

R´

RCR

OH

RC

N

O

R´

R

H


Amidas são compostos considerados como derivados de reações entre um ácido carboxílico e amônia ou uma amina, formando um sal carboxilato de amônio que sob aquecimento superior a 100 °C perde água.

Amidas

Amidas, diferentemente das aminas, são fracamente básicas. Na realidade, o grupo amida é considerado neutro. Um ácido forte e concentrado é requerido para protonar uma amida e a protonação ocorre no átomo de oxigênio carbonílico ao invés de no nitrogênio. Essa falta de basicidade pode ser explicada pela deslocalização do par de elétrons do átomo de nitrogênio pelo grupo carbonila, conforme as estruturas a seguir.

A conjugação do átomo de nitrogênio com o grupo carbonílico confere caráter de dupla à ligação estabelecendo o denominado plano amida, por manter no plano os átomos do grupo carbonila, de nitrogênio e os outros três que a estes se ligam.

Uma amida da forma R–CONH2 é chamada amida primária por haver somente um átomo de carbono ligado ao nitrogênio. Uma amida com um grupo substituinte no nitrogênio (R–CONHR´) é chamada amida secundária ou amida N-substituída. Amidas com dois grupos substituintes são chamadas amidas terciárias ou N,N-dissubstituídas.

Nomenclatura das amidas

A nomenclatura de uma amida substitui o sufixo -óico do ácido correspondente por -amida, suprimindo-se a palavra ácido. Os substituintes do nitrogênio são listados em ordem alfabética precedidos da letra N com hífen.

N

O

Metanamida

N-Metil-etanamida

N-Etil-N-metil-butanamida

N-isopropil-N-((E) - propenil)-(E)-but-2-enamida

N-Ciclopentil-cicloexanocarboxamida

N-Butil-N-propil-benzamida

N-((E)-buta-1,3-dienil)-N-etil ciclopenta-2,

4- dienocarboxamida

N-Benzil-N-fenil-benzamida

H N

O

H

H

N

O

H ON

N

O

N

O

N

O

H

N

O

NH

NH NH 2

C HC HC H N C HN C HNH 2 C H C N C H

O

C O

O

C NH

O

C NH

O

C H C

O

C NH

O

C H 2 C NH

O

C NH

O

C

O

NH

NH NH 2

OH

BradiquininaLigação peptídica

NHO

NNH

O

NNH

O

N

Lidocaína (Xilocaína) Etidocaína Mepivacaína


Algumas amidas desempenham um precioso papel medicinal como anestésicos locais. A lidocaína foi introduzida em 1948 e ainda é amplamente empregada. É comercializada na forma de sal cloreto sob o nome de xilocaína. A etidocaína é comparável à lidocaína, mas sua ação analgésica prolonga-se três vezes mais. A mepivacaína tem ação analgésica mais rápida e duradoura do que a lidocaína.

Importância das amidas para a vidaAmidas têm uma importância central para nossas vidas como ligações peptídicas, unindo

aminoácidos nas cadeias polipeptídicas das proteínas – as moléculas orgânicas mais abundantes nos animais e que desempenham papéis vitais em todos os aspectos da função e estrutura celular. Essas ligações são formadas na mais importante das reações dos aminoácidos, em que o grupo carboxílico de um condensa-se com o amino de outro. Um número elevado dessas combinações em uma cadeia contínua forma um polipetídeo. Observe a bradiquinina, a seguir, um hormônio humano que atua no controle da pressão sangüínea, ilustrando um oligapeptídeo,termo empregado para moléculas contendo de 4 a 10 resíduos de aminoácidos. Veja que os tracejados estão indicando as ligações amida, oito delas unindo nove resíduos.

N

O

H

função amida

24810

O

O NH

NH

n

O

NO H

H

H NO

H

O HHH

+

NO H+

aminoácido lactama lactima

HN N

H HNN

H N H

Aziridina PirrolidinaAzetidina Piperidina Azepana


A resistência da ligação amida é demonstrada pelas propriedades do poli(p-fenileno-tereftalimida), conhecido como Kevlar e utilizado em coletes à prova de balas. Vinte camadas desse tecido têm a capacidade de parar o projétil de uma arma 9 mm. A planaridade do anel aromático e a restrição de rotação na ligação amida, devido à conjugação do par de elétrons isolados do nitrogênio com a carbonila, resultam em uma dureza dezesseis vezes maior do que a do náilon (veja aula 12).

LactamasAmidas cíclicas são chamadas lactamas, (preste

atenção para não confundir com lactonas!).São compostos que podem ser considerados derivados de aminoácidos pela perda intramolecular de água com o grupo amino substituindo o hidroxila. Formas tautoméricas de lactamas são chamadas lactimas.

Nomenclatura das lactamasTais compostos são preferencialmente nomeados de azaeterociclos-2-ona.

Para aplicar essa sistemática, torna-se necessário o conhecimento dos nomes dos azaeterociclos, como os exemplos seguintes.

No reino vegetal, amidas atuam também como defensivos químicos contra insetos predatórios. Das folhas da planta medicinal Spilanthes mauritana, do Quênia, foi isolada a N-isobutilamida de um ácido graxo tetrainsaturado, que em uma concentração de 10-5 mg/mL causa 100% de mortalidade em larvas do Aedes egypt, o inseto vetor da febre amarela e da dengue que tem ameaçado a população nesses últimos anos. Conheça sua estrutura, apresentada a seguir.

HN

O

N

O

HN

O

HN

O

HN

O

NH

O

5-Etil-1,3-diidro-pirrol-2-onaHex-3-eno-4-lactama

1-Butil-5-etil-pirrolidin-2-onaN-Butil-4-hexano-4-lactama

4-Etil-azetidin-2-onaPentano-3-lactama

4-Propenil-azetidin-2-onaHex-4-eno-3-lactama

5-Metil-piperidin-2-ona4-Metil-pentano-

5-lactama

3-Propil-aziridin-2-onaPentano-2-lactama

HN

O

-caprolactama

NH

O

-caprolactama

HN

O

-caprolactama

N H

O

-caprolactama

ON

S

OO

NHO

K+

Penicilina Gpenicilinasdiferem neste grupo

anel -lactama K+

O O

O

NHO

N

S

O O

C H3

S

Cefalosporina

Cefalosporinasdiferem nestes grupos


A nomenclatura que considera esses compostos como derivados dos aminoácidos correspondentes substitui a terminação -óico do nome sistemático do ácido ou -ico do nome trivial por -olactama. A posição do grupo amino original é indicada entre -o e lactama.

As duas sistemáticas de nomenclatura estão aplicadas nos exemplos a seguir.

O nome comum das lactamas baseia-se no do ácido correspondente cujo sufixo -icoé substituído por -olactama. Uma letra grega indica o átomo de carbono que mantém o de nitrogênio fechando o anel. Confira alguns exemplos.

Importância das lactamas para a vida

As penicilinas foram descobertas em 1928 pelo bacteriologista escocês Sir Alexander Fleming, no mofo Penicillium notatum. A característica notável comum a todas as penicilinas é um anel -lactama fundido a um anel tiazolidíno de cinco membros.

Atividade 3

ON

S

OO

NHO

R

K+–

–K

+

NHO

NH

S

OO

NHO

R

NH 2

Penicilina Penicilina

enzima ativa enzima aciladae desativada


Escreva as fórmulas estruturais e os nomes oficiais das amidas isoméricas com a fórmula molecular C4H9NO.

Logo após a introdução das penicilinas, surgiram bactérias resistentes. Esforços resultaram no desenvolvimento de ampicilina, meticilina e amoxicilina. Cefalosporina isolada primeiramente do fungo Cephalosporium acremonium apresentou um espectro mais amplo e eficiente contra bactérias resistentes à penicilina.

A atividade como agente antibacteriano das penicilinas deve-se ao anel -lactama,altamente tensionado, que através de um mecanismo comum combina-se com um grupo amino da enzima da bactéria invasora, inibindo-a e impedindo a biossíntese de uma parte vital das paredes celulares. Veja uma representação a seguir.

Imidas

midas apresentam dois grupos acila ligados a um nitrogênio. A nomenclatura considera a imida uma amida N-acilada. O grupo acila de menor prioridade é citado como substituinte, com substituição do sufixo oficial -óico por -oil ou do comum -ico por

-il do nome do ácido correspondente. Havendo substituinte no nitrogênio, este também é citado como N-substituinte, em ordem alfabética. Para imidas cíclicas, o nome oficial é baseado nos azaeterociclos-dionas correspondentes e o comum basea-se no nome do ácido dicarboxílico relacionado pela substituição do sufixo -ico por -imida.

I

N

OO

H

N

OO

H

N

OO

N H

O

O

N H

O

O

N

OO

H

N

OO

H

N-Acetil-acetamida N-Propionil-benzamidaN-Acetil-N-etil-acetamida

Pirrolidina-2,5-diona(Succinimida)

Isoindol-1,3-diona(Ftalimida)

(E)-N-Hexanoil-hex-3-enamida

N-Hexanoil-benzamida

C NR C NH2R

OH

+

C O HR

OH+

OHH2O, ou

NH 3, aqtoPOCl3

acetonitrila propino

C N HH3CC NH3C


itrilas são compostos que apresentam o grupo ciano –C N. Embora não apresentem o grupo carbonila, são classificadas como derivados de ácidos porque são convertidas a estes por hidrólise e podem ser obtidas pela desidratação de

amidas primárias. Você pode observar essas relações através da seqüência:

Nitrilas

Ambos os átomos de carbono e de nitrogênio têm hibridação sp em uma estrutura linear com 180° entre o grupo substituinte e o átomo de nitrogênio. A estrutura de uma nitrila assemelha-se à de um alquino terminal, exceto pelo fato de que o átomo de nitrogênio tem um par de elétrons isolados ao invés de um próton acetilênico. Veja a seguir as representações estruturais comparando a acetonitrila e o propino.

N

C NC NCH3 C NC N

(3E,5Z)-Hepta-3,5-dienonitrila

C NNH2

3-Amino-propanonitrila( -Aminopropionitrila)(Isobutironitrila)

2-Metil-propanonitrilaEtanonitrila(Acetonitrila)

Pentanonitrila(Valeronitrila)

C N

CNC N

C N

Cicloexanocarbonitrila Biciclo[2.2.1]heptano-7-carbonitrila

Naftaleno-2-carbonitrilaCiclopenta-2,4-dienocarbonitrila

C NO

O H C N

O

O

Ácido 4-ciano-butanóico(Ácido -ciano-butírico)

3-Ciano-pentanoato de etila( -Ciano-valerato de etila)


E nos casos em que o grupo nitrila encontra-se na presença de outra função de maior prioridade, como substituinte recebe o prefixo -ciano.

Embora a nitrila tenha um par de elétrons isolados sobre o átomo de nitrogênio, sua basicidade é reduzida. Uma nitrila típica apresenta pKb em torno de 24, requerendo uma solução concentrada de ácido mineral para sua protonação. Essa basicidade reduzida é explicada pelo fato de que o par de elétrons isolados está em um orbital híbrido sp, ou seja, com 50% de caráter s, mais interno e, portanto, sujeito a uma atração mais intensa do núcleo atômico.

Nomenclatura das nitrilas

A nomenclatura oficial das nitrilas cita o nome do hidrocarboneto correspondente à cadeia carbônica acrescido do sufixo -nitrila. A nomenclatura comum é baseada no nome do ácido correspondente com o sufixo -ico substituído por -onitrila.

Quando a função nitrila é ligada diretamente a um sistema cíclico, ao nome do hidrocarboneto correspondente é acrescentado o sufixo -carbonitrila.

R

O

O H R

O

OH R

O

OR

OH O H

H O H+

+

O

O

O

O

O OH

O

O

O

H O H

O O

Anidrido etanóico(Anidrido acético)

Anidrido etanóico propanóico(Anidrido acético propiônico)

Anidrido benzóico metanóico(Anidrido benzóico fórmico)

Anidrido metanóico(Anidrido fórmico)

O

O

O

Anidrido 1,2-benzenodicarboxílico(Anidrido ftálico) ouIsobenzofurano-1,3-diona

O

O

O

Anidrido 2-butenodióico(Anidrido maleico) ouFurano-2,5-diona


Nomenclatura dos anidridos

A nomenclatura dos anidridos, tanto a oficial como a comum, substitui a palavra “ácido” por “anidrido” e cita, em ordem alfabética, os nomes dos dois ácidos correspondentes dos grupos acila. O anidrido é classificado como simples quando relacionado a um ácido e como misto quando a dois ácidos diferentes.

Anidridos

palavra “anidrido” deriva de anidro, sem água. São compostos considerados derivados de ácidos carboxílicos pela condensação de duas moléculas destes e a perda de água. A adição de água a um anidrido regenera duas moléculas de ácido

carboxílico conforme representa a equação a seguir.

A

No caso de anidridos cíclicos, seus nomes podem ser derivados de ácidos dicarboxílicos ou de oxaeterociclos, como:

Atividade 4

O

O

O

Cantaridina

O H

O

O H

O

OOO H

O

O

O

Aspirina

Ácido salicílico

NH2

O H

NHO

O H

O

OO

Acetaminofenop-Hidróxi-anilina


Importância dos anidridos

Como os anidridos apresentam reatividade para com moléculas nucleofílicas, a ocorrência deles nos sistemas biológicos é rara.

Um exemplo a ser citado é o do inseto chamado de besouro da bolha, que secretacantaridina, um poderoso anidrido vesicante. Esmagar um desses besouros entre os dedos provoca uma severo empolamento da pele. Quando cavalos se alimentam de feno contendo o besouro, freqüentemente, morrem de gastroenterite e falência renal devido ao envenenamento pela cantaridina.

Anidridos por serem compostos altamente reativos são importantes no laboratório e na indústria na preparação de ésteres e amidas. O anidrido acético é um insumo Industrial importante, produzido em grandes quantidades, primariamente para síntese de plásticos, fibras e fármacos. Com freqüência, é usado na preparação de acetatos a partir de álcoois e de acetamidas a partir de aminas. Os analgésicos acetaminofeno e aspirina, por exemplo, são preparados pelas reações do anidrido acético com a p-hidróxi-anilina e o ácido o-hidróxi-benzóico (salicílico), respectivamente, conforme representado a seguir.

Escreva as formas de ressonância para o anidrido etanóico metanóico e para a N-benzil-N-fenil-etanamida.

Cl

O

Cl

OCl

O

O

Br

OO

Br

OO

O

Cl

O

Cl

O

Cloreto de benzoilaCloreto de (2E,4Z)-Hexa-2,4-dienoila

Cloreto de (2E,4E)-4-acetil-hepta-2,4-dienoila

Brometo de (2E,4Z)-6-Oxo-hexa-2,4-dienoila

Brometo de (2E,5E)-4-formil-7-oxo-nona-2,5,8-trienoila

Cloreto de etanoila(Cloreto de acetila)

Cloreto de butanoila(Cloreto de butirila)

C

O

O

N

NH2

O

O

CN

O H

NH 2

O

O

2-Ciano-benzoato de etila 2-Formil-cicloexanocarboxamida2-Hidroxi-pentanonitrila

2-Formil-cicloexanocarboxamida

C

O

O

N

O O

Cl

OO

O

NHO

H

O

O

O

O

H

3-Ciano-benzoato de etila

2-Clorocarbonil-ciclopentanocarboxilato de propila

Ácido 3-Acetilamino-naftaleno-2-carboxílico

Ácido 4-cicloexanocarboniloxi-cicloexanocarboxílico


aletos de acila apresentam um halogênio ligado ao grupo acila, sendo mais comuns os cloretos. Esses derivados não são encontrados nos sistemas biológicos nem livremente na natureza. Pela alta reatividade, têm importância destacada como

reagentes para conversões a outros derivados.

A nomenclatura oficial substitui o sufixo -óico do ácido correspondente por -oila,enquanto a comum troca -ico por -ila. A palavra “ácido” é substituída pelo nome do ânion haleto seguido da preposição “de”.

Haletos de ácidos

H

Nomenclatura decompostos multifuncionais

Ao nomear compostos multifuncionais, você deve observar a ordem de prioridade:

ácido éster amida nitrila aldeído cetona álcool amina alqueno alquino.

amidas primáriasamidas N-metil

amidas N,N-dmetil

cloretode ácido

nitrilas

ácidos

álcooisprimários

ésteresmetilicos

n-alcanos

Massa Molar

300

200

100

-100

20 60 100 140 180

0

pont

o de

ebu

lição

(ºC)


Propriedades físicas dos derivados de ácidos carboxílicos

Ponto de ebulição

Analise o diagrama seguinte que apresenta os pontos de ebulição em função da massa molar para derivados de ácidos, ácidos e alcanos. Note que ésteres e cloretos de ácido têm pontos de ebulição próximos aos dos alcanos lineares. Embora esses derivados tenham uma carbonila altamente polar, a contribuição desta torna-se proporcionalmente menor com o aumento da cadeia. As moléculas de ácidos carboxílicos sendo firmemente unidas pelas fortes ligações hidrogênio e formando dímeros estáveis, comporta-se como moléculas de massa molar duplicada, com ponto de ebulição elevado.

Nitrilas também apresentam pontos de ebulição mais elevados que ésteres, cloretos de ácidos e até mesmo que álcoois! Como você explica tal fato, se as nitrilas não formam ligação hidrogênio pela ausência de ligação N–H, enquanto os álcoois a formam? Esse fato evidencia que as moléculas das nitrilas sofrem forte atração intermolecular, superior à ligação hidrogênio. E a explicação é uma associação dipolar muito forte entre os grupos ciano, devido à polaridade elevada da tripla ligação C N. Repare que o efeito dipolar decresce com o aumento da cadeia.

Sua atenção deve estar voltada para as amidas. Elas apresentam os mais elevados pontos de ebulição dentre todas as funções. E entre elas há diferenças notáveis, as primárias com valores mais elevados e as terciárias com valores mais reduzidos.

Pense sobre a razão da existência dessas diferenças entre as amidas antes de continuar a leitura. Procure representar as formas de ressonância para uma amida primária a fim de encontrar as justificativas.

Você deve ter concluído que as amidas apresentam uma natureza fortemente polar devido à conjugação do par de elétrons do nitrogênio com o grupo carbonila. Como conseqüência, há polaridade aumentada tanto na ligação N–H quanto na carbonila. Obviamente, as ligações hidrogênio serão muito fortes. Confira a representação a seguir.

NR

R

R

O

NR

R

R

OR N

O

H

HN

H

HR

O

naturezafortementepolar

atração dipolo-dipolo

NH

H

R

O

NH

H

R

O

N HH

RO

ligação hidrogênio

CH3CH2

H

CN

O

H

pf 79°C

CH3

CH3

CN

O

H

pf 28°C

CH3

HC

N

O

CH3

pf - 61°C


Os ésteres não podem formar ligações hidrogênio entre suas moléculas e, por essa razão, têm pontos de ebulição que não são muito superiores aos de hidrocarbonetos de massa molar equivalente. Entretanto, seus átomos de oxigênio podem formar ligações hidrogênio com a água. Como resultado, os ésteres têm solubilidades em água comparáveis às dos álcoois com o mesmo número de átomos de carbono.

Você também deve considerar a ausência de ligação N–H nas amidas terciárias e a conseqüente impossibilidade de ligação hidrogênio. Apesar disso, elas têm pontos de ebulição superiores aos dos ácidos, que formam fortes ligações hidrogênio. Veja que o dipolo é tão acentuado numa amida que a atração dipolo-dipolo, representada anteriormente, é superior à força de ligação hidrogênio dos ácidos carboxílicos.

A força da ligação hidrogênio nas amidas é bem visualizada através dos pontos de fusão de amidas isoméricas, como você pode conferir na ilustração seguinte. Observe que a amida secundária tem um ponto de fusão maior em 89oC que o da amida terciária, que não forma ligação hidrogênio. Por outro lado, seu ponto de fusão é menor em 50oC do que o da amida primária, que tem duas ligações N–H.

Atividade 5

1

2


Solubilidade

Os derivados de ácidos são solúveis nos solventes orgânicos comuns, tais como álcoois, éteres, alcanos clorados e hidrocarbonetos aromáticos. Haletos de acila e anidridos não podem ser manipulados em solventes nucleofílicos tais como água e álcoois, porque reagem com estes. Ésteres, amidas e nitrilas com até cinco átomos de carbono são relativamente solúveis em água, pelas suas polaridades e habilidades em formar ligações hidrogênio com esta.

Ésteres, amidas terciárias e nitrilas são utilizados freqüentemente como solventes para reações orgânicas, porque proporcionam um meio reacional polar sem os grupos O–H ou N–H, e não atuam como doadores de prótons nem como nucleófilos. Acetato de etila, com o ponto de ebulição a 770C, é particularmente útil por sua conveniente facilidade de remoção do meio reacional por evaporação. Acetonitrila, dimetilformamida (DMF) e dimetilacetamida (DMA) são solventes altamente polares e solvatam íons quase tão bem quanto a água. Esses três solventes são miscíveis com a água e são freqüentemente usados em misturas com ela.

Os pontos de fusão e ebulição da acetamida (pf 82,3 oC, pe 221,2 oC) são superiores aos da N,N-Dimetil-acetamida (pf -20,0 oC, pe 165,0 oC). Justifique essas diferenças.

Ácido acético tem ponto de ebulição a 118 oC, mas seu éster metílico tem a 57 oC, mesmo com um peso molecular superior. Justifique essa diferença.

sua

resp

osta1.

2.

N

O

O

N

O

O

N

O

O

Na+ + H 2O

Ftalimidainsolúvel em água sal solúvel em água

N

O

O

H + NaOHpK a= 8,3

pKa~ 30

CCH2

CH3

O

HCCH2

Cl

O

H

CCH2

O

O

H CH3

CCH2

N

O

H

CH3

CH3

{

pKa~ 25 pKa

~ 20 pKa~ 16


Acidez das amidas e imidas

os derivados de ácidos, apenas as amidas primárias e secundárias apresentam átomo de hidrogênio ligado diretamente ao heteroátomo do grupo Y. Valores de pKa para amidas variam entre 15 e 17, o que significa que a acidez é comparável à

dos álcoois. Amidas não demonstram evidência de acidez em solução aquosa, isto é, amidas insolúveis não reagem com soluções aquosas de NaOH para formarem sais hidrossolúveis.

Imidas são consideravelmente mais ácidas que amidas e, prontamente, dissolvem-se em NaOH aquoso 5% formando sais solúveis. A acidez das imidas é justificada pelo efeito indutivo elétron-aceptor de dois grupos carbonila adjacentes e combinado com a estabilização do ânion imido pela deslocalização da carga negativa sobre os dois átomos de oxigênio das carbonilas, conforme representado a seguir.

D

Acidez dos hidrogênios de derivados de ácidos é uma excelente forma de se observar o efeito indutivo elétron-aceptor da carbonila. Tal efeito é definido pelo grupo Y, através do compartilhamento de elétrons com a carbonila. Quanto maior a capacidade do grupo Y de compartilhar elétrons com a carbonila, menor a deficiência eletrônica sobre o carbono e menor a acidez. Compare os valores de pKa a seguir.

Veja que as amidas terciárias têm a menor acidez no carbono , porque o nitrogênio é o heteroátomo que melhor compartilha elétrons com a carbonila. Já o cloreto de ácido tem a maior acidez, porque cloro é o heteroátomo com resistência ao compartilhamento de elétrons e à maior deficiência no entrosamento dos orbitais C2p – Cl 3p.

Enquanto nas amidas terciárias a acidez do hidrogênio do carbono tem pKa ~ 30, nas secundárias e primárias, a ligação N–H tem pKa ~ 17.

Resumo

1

2


Nesta aula, estudamos que derivados de ácido carboxílicos são os compostos que apresentam o grupo acila com um heteroátomo diferente do oxigênio hidroxílico; nos haletos de acila, é um halogênio, comumente o cloro; e os anidridos de ácidoapresentam dois grupos acila ligados a um oxigênio. Vimos que os ésteres têm os grupos -alcóxi ou -fenóxi substituindo a hidroxila e os ésteres cíclicos são chamados lactonas; os tioésteres são os análogos dos ésteres apresentando um átomo de enxofre, em substituição a um dos oxigênios; a amida apresenta um átomo de nitrogênio, sendo classificada como primária, secundária ou terciária em função de substituintes no nitrogênio; as lactamas são amidas cíclicas; as imidas apresentam dois grupos acila ligados a um nitrogênio; e, por fim, a nitrila é a função considerada como derivada de uma amida primária por desidratação, com uma tripla ligação C N. Estudamos também que os ésteres têm pontos de ebulição mais baixos que os dos ácidos, porque não formam ligação hidrogênio; os cloretos de ácido e anidridos têm pontos de ebulição nos mesmos intervalos que os éteres; as amidas têm pontos de ebulição superiores aos ácidos, sendo que dentre as amidas, as terciárias têm os menores pontos de ebulição porque não formam ligação hidrogênio. Vimos, ainda, que os ésteres, as amidas e as nitrilas com até cinco átomos de carbono são relativamente solúveis em água, porém, anidridos e haletos de acila reagem com a água e que os valores de pKa para amidas primárias e secundárias variam entre 15 e 17, comparáveis aos álcoois e as imidas, com valores pKa variando entre 8 e 10, dissolvem-se em NaOH aquoso formando sais.

Auto-avaliaçãoForneça as estruturas de todos os compostos referentes às fórmulas moleculares seguintes:

a) amidas C3H7NO b) ésteres C5H10O2

Represente as fórmulas estruturais dos seguintes compostos.

a) Benzonitrila

b) Cloreto de octanoila

c) 3-Metil-hexanoato de isopropila

d) Dodecamida

3

4


e)Oxalato de dietila

f) Anidrido butanóico

g) cis-1,2-cicloexanodicarboxilato de dietila

h) (Z)-Pent-2-enoato de etila

Quando o ácido 4-hidróxi-butanóico é tratado com um catalisador ácido, ele forma uma lactona e libera água. Represente a fórmula estrutural dessa lactona.

O que significam os termos: triacilglicerol misto e cera? Ilustre-os com estruturas.

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Anotações


Anotações


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Aula 13 - Derivados de ácidos carboxílicos