Ácidos Carboxílicos-Nomenclatura-Propriedades-Reações-e-Aplicações

Q ue tipos de compostos são os produtos finais do metabolismo biológico Nós inalamos oxigênio e exalamos dióxido de carbo no um produto da oxidação de compostos orgânicos Capítulo 3 Os ácidos carboxílicos também são produtos importantes da bio química em condições de oxidação e são por isso encontrados em to dos os seres vivos Você provavelmente já encontrou garrafas de vinho que se transformou em vinagre o resultado da oxidação enzimática do etanol a ácido acético Os ácidos carboxílicos se caracterizam pela presença do grupo carbóxi um grupo funcional formado por uma uni dade hidróxi ligada a um carbono de carbonila Esse substituinte é es crito normalmente como COOH ou CO2H Ambas as representações serão usadas neste capítulo Os ácidos carboxílicos além de estarem muito dispersos na na tureza são também produtos químicos importantes na indústria O ácido acético por exemplo além de ser a estrutura mais importante na construção de moléculas biológicas complexas é um produto industrial produzido em grandes quantidades Podemos antecipar boa parte da química dos ácidos carboxílicos se olharmos sua estrutura como sendo a de derivados hidroxicarboni lados Assim o hidrogênio da hidroxila é ácido os dois oxigênios são básicos e nucleofílicos e o carbono da carbonila pode sofrer ataque nucleofílico Grupo carbóxi Eletrofílico Básico Ácido Veremos primeiro neste capítulo a nomenclatura dos ácidos carboxílicos e depois algumas de suas características físicas e espectrométricas A seguir examinaremos a acidez e a basicidade duas propriedades muito influenciadas pela interação entre o grupo carbonila que atrai elétrons e o grupo hidróxi Na sequência veremos métodos de preparação do grupo carbóxi e sua reativi dade As reações dos ácidos carboxílicos correspondem a um novo mecanismo de substituição a adiçãoeliminação responsável pela substituição do grupo hidróxi por outros nucleófilos como halogenetos alcóxidos e amidas A química dos derivados dos ácidos carboxílicos que resultam dessas transformações será objeto do Capítulo 20 Ácidos Carboxílicos C A P Í T U L O 19 O ácido carboxílico fexofenadina Allegra é um fármaco antiestamínico não sedativo muito vendido para o tratamento de sintomas de alergia Ele contém um centro quiral mas os enantiômeros são igualmente eficazes e por isso ele é vendido como um racemato O O N O O R S 872 Química Orgânica 191 Nomenclatura dos ácidos carboxílicos Como outros compostos orgânicos muitos ácidos carboxílicos têm nomes comuns frequentemen te usados na literatura Estes nomes indicam normalmente as fontes naturais de onde os ácidos foram primeiro isolados Tabela 191 O Chemical Abstracts utiliza os nomes dos dois ácidos mais simples os ácidos fórmico e acético A função carbóxi e os grupos funcionais de seus deri vados têm preferência sobre os outros grupos funcionais que já discutimos A ordem de prioridade dos grupos funcionais mais comuns é dada abaixo Em qualquer molécula que contenha mais de um grupo funcional o grupo de maior prioridade entra como um sufixo no nome e todos os demais substituintes como prefixos Assim por exemplo no nome de HOCH2CH2COCH2CHO uma molécula que contém as funções álcool cetona e al deído os primeiros dois grupos aparecem como prefixos hidróxi e oxo respectivamente enquanto o grupo aldeído tendo a maior prioridade aparece como sufixo al O nome do composto é 5hidróxi3oxopentanal Os alquenos e alquinos são exceções Eles estão abaixo das aminas na ordem de prioridade mas quando uma ligação dupla ou tripla é parte da cadeia ou anel principal de uma molécula inserimos eno ou ino imediatamente antes do sufixo do grupo funcional de maior prioridade Os seguintes exemplos de nomes de ácidos carboxílicos ilustram estes princípios Ordem de prioridade de grupos funcionais Ácido carboxílico Anidrido Éster Halogeneto de acila Amida Nitrila Aldeído Cetona Álcool Tiol Amina Aumento da prioridade no nome Tabela 191 Nomes e fontes naturais de ácidos carboxílicos Estrutura Nome IUPAC Nome comum Fonte natural Ácido metanoico Ácido fórmico a Da destilação destrutiva de formigas do latim formica formiga Ácido etanoico Ácido acético a Vinagre do latim acetum vinagre Ácido propanoico Ácido propiônico Laticínios do grego pion gordura Ácido butanoico Ácido butírico Manteiga em especial quando rançosa do latim butyrum manteiga Ácido pentanoico Ácido valérico Raiz de valeriana Ácido hexanoico Ácido caproico Odor de cabras do latim caper cabra aUsado pelo Chemical Abstracts No sistema IUPAC o nome dos ácidos carboxílicos simples é formado pela palavra ácido seguida pelo nome do alcano modificado pela terminação oico A numeração da cadeia do ácido alcanoico se inicia no carbono do grupo carbóxi e prossegue pela cadeia mais longa que inclui o grupo CO2H Ácido R2bromopropanoico Ácido αbromopropanoico Ácido propenoico Ácido acrílico Ácido 2R3Sdimetilpentanoico Ácido αRβSdimetilvalérico Quando houver uma escolha a cadeia principal deve incluir outros grupos funcionais Os ácidos cíclicos saturados são nomeados como ácidos cicloalcano carboxílicos Os ácidos aromáticos são os ácidos benzoicos Nestes compostos o número 1 é dado ao átomo de carbono ligado ao grupo carbóxi Ácido 5etil6heptenoico Melhor do que ácido 5etenilnonanoico Ácido 4etil5oxohexanoico Ácido 1bromo2clorociclopentanocarboxílico Ácido 2hidróxibenzoico Ácido ohidróxibenzoico ácido salicílico O ácido 2hidroxibenzoico salicílico é conhecido há mais de 2000 anos como analgésico contra a dor na medicina popular A substância pode ser encontrada na casca do salgueiro do latim salix salgueiro O éster acético do ácido salicílico é conhecido como aspirina Destaque Químico 222 Os ácidos dicarboxílicos simples são conhecidos como ácidos alcanodioicos Ácido etanodioico Ácido oxálico Ácido propanodioico Ácido malônico Ácido butanodioico Ácido succínico Ácido pentanodioico Ácido glutárico Ácido hexanodioico Ácido adípico Ácido cis2butenodioico Ácido maleico ou Ácido trans2butenodioico Ácido fumárico Seus nomes comuns também provêm das fontes naturais O ácido butanodioico succínico por exemplo foi descoberto em um destilado do âmbar do latim succinum âmbar e o ácido trans2butenodioico fumárico é encontrado na planta Fumaria que era queimada para afastar os maus espíritos do latim fumus fumaça Os seres humanos sabem desde a préhistória que mastigar raspas da casca do salgueiro alivia a dor EXERCÍCIO 191 Dê os nomes ou as estruturas se for o caso dos seguintes compostos a b c d Ácido 22dibromohexanodioico e Ácido 4hidróxipentanoico f Ácido 411dimetiletilbenzoico EM RESUMO a nomenclatura sistemática dos ácidos carboxílicos é baseada na cadeia do ácido alcanoico Os derivados cíclicos são chamados de ácidos cicloalcano carboxílicos e os ácidos aromáticos são conhecidos como ácidos benzoicos Os sistemas dicarboxílicos são chamados de ácidos alcanodioicos 192 Propriedades físicas e estruturais dos ácidos carboxílicos Qual é a estrutura de um ácido carboxílico típico Quais são as propriedades físicas que caracterizam os ácidos carboxílicos Responderemos a estas perguntas nesta seção começando pela estrutura do ácido fórmico Veremos que os ácidos carboxílicos existem principalmente como dímeros em ligação hidrogênio Figura 191 Estrutura molecular do ácido fórmico Ele é plano com um arranjo em torno do carbono da carbonila muito parecido com um triângulo equilátero O ácido fórmico é plano A Figura 191 mostra a estrutura molecular do ácido fórmico A molécula é aproximadamente plana como era de se esperar de um formaldeído hidroxilado e a carbonila é aproximadamente trigonal compare a estrutura do metanol Figura 81 com a do acetaldeído Figura 172 Essas características estruturais são comuns aos demais ácidos carboxílicos O grupo carbóxi é polar e forma dímeros em ligação hidrogênio O grupo carbóxi é bastante polar devido à ligação dupla da carbonila e ao grupo hidróxi que é capaz de formar ligações hidrogênio com outras moléculas polarizáveis como os álcoois a água e outros ácidos Não é surpreendente portanto que os ácidos carboxílicos menores até o ácido butanoico sejam completamente solúveis em água Puros e até mesmo em solução muito diluída em solventes apróticos os ácidos carboxílicos existem em grande concentração como dímeros em ligação hidrogênio A energia de cada interação O H O varia entre 6 e 8 kcal mol1 25 a 34 kJ mol1 Os ácidos carboxílicos formam dímeros facilmente Ácido E3metil2hexenoico A Tabela 192 mostra que os ácidos carboxílicos têm pontos de ebulição e de fusão relativamente altos porque eles podem formar ligações hidrogênio nos estados líquido e sólido Os ácidos carboxílicos especialmente os de baixo peso molecular e alta volatilidade têm odor forte A presença do ácido butanoico por exemplo contribui para o forte perfume caracte Tabela 192 Pontos de fusão e de ebulição de derivados funcionalizados de alcanos com cadeias de vários comprimentos Derivado Ponto de fusão C Ponto de ebulição C CH4 1825 1617 CH3Cl 977 242 CH3OH 978 650 HCHO 920 210 HCOOH 84 1006 CH3CH3 1833 886 CH3CH2Cl 1364 123 CH3CH2OH 1147 785 CH3CHO 120 208 CH3COOH 167 1182 CH3CH2CH3 1877 421 CH3CH2CH2Cl 1228 466 CH3CH2CH2OH 1265 974 CH3COCH3 950 565 CH3CH2CHO 810 488 CH3CH2COOH 208 1418 rístico de muitos queijos O ácido E3metil2hexenoico é o principal responsável pelo odor do suor humano EM RESUMO o grupo carbóxi é plano e a carbonila é polarizável Os ácidos carboxílicos existem como dímeros em ligação hidrogênio e têm pontos de fusão e ebulição relativamente altos 193 Espectrometrias de RMN e IV de ácidos carboxílicos A ligação dupla polarizável e o grupo hidróxi também afetam os espectros dos ácidos carboxílicos Veremos nesta seção como as técnicas de RMN e IV são usadas para caracterizar o grupo carbóxi Também mostraremos como os ácidos carboxílicos se fragmentam na espectrometria de massas O hidrogênio e o carbono do grupo carbóxi são desblindados Como nos aldeídos e cetonas os hidrogênios ligados ao carbono vizinho do grupo carbonila são ligeiramente desblindados no espectro de 1HRMN O efeito diminui rapidamente quando a distância do hidrogênio ao grupo funcional aumenta O próton do grupo hidróxi entra em ressonância em campo baixo δ 1013 ppm Como no espectro de RMN de álcoois seu deslocamento químico varia fortemente com a concentração o solvente e a temperatura devido à capacidade do grupo OH de participar de ligações hidrogênio fortes A Figura 192 mostra o espectro de 1HRMN do ácido pentanoico Os deslocamentos químicos dos ácidos carboxílicos na 13CRMN são semelhantes aos dos aldeídos e cetonas O átomos de carbono próximos do grupo carbonila são moderadamente desblindados e o carbono da carbonila absorve normalmente em campo baixo Contudo a desblindagem é menor porque a polarização positiva do carbono do grupo carbóxi é reduzida pela presença do grupo OH Figura 192 Espectro de 1HRMN do ácido pentanoico em 300 MHz A escala foi expandida até 20 ppm para incluir o sinal do hidrogênio do ácido em δ 1175 ppm Os hidrogênios de metileno em C2 absorvem no campo imediatamente mais alto como um triplete em δ 235 ppm J 7 Hz seguido por um quinteto e um sexteto respectivamente devidos aos dois grupos metileno seguintes O grupo metila aparece como um triplete distorcido em campo mais alto δ 092 ppm J 6 Hz Deslocamentos químicos típicos de 13CRMN dos ácidos alcanoicos Podese entender melhor esta atenuação usando as formas de ressonância Lembrese da Seção 172 em que vimos que os aldeídos e cetonas são descritos por duas estruturas A estrutura de Lewis dipolar indica a polarização da ligação CO Ainda que a contribuição dessa forma seja menor devido à ausência de octeto no carbono ela explica a desblindagem do carbono da carbonila Nos ácidos carboxílicos a forma dipolar correspondente contribui menos ainda para o híbrido de ressonância o oxigênio do grupo hidróxi pode doar um par de elétrons para formar uma terceira estrutura em que os dois oxigênios e o carbono possuem octetos completos A quantidade de carga positiva no carbono da carbonila e em consequência a desblindagem são bastante reduzidas As mudanças na distribuição da densidade eletrônica ao redor da função carbonila quando se passa da acetona ao ácido acético são mostradas nos respectivos mapas de potencial eletrostático A forte polarização positiva em azul do carbono da carbonila na cetona reduzse no ácido em verde EXERCÍCIO 192 Trabalhando com os conceitos dedução da estrutura de ácidos carboxílicos a partir de dados de RMN Um ácido carboxílico de mau cheiro tem pe 164 C e deu os seguintes dados de RMN 1HRMN δ 100 t J 74 Hz 3 H 165 sexteto J 75 Hz 2 H 231 t J 74 Hz 2 H e 1168 s 1 H ppm 13CRMN δ 134 185 363 e 1796 ppm Proponha uma estrutura para ele Estratégia Um bom ponto de partida é o espectro de 13CRMN porque ele confirma a presença de um carbono de carboxila e dá o número de carbonos da molécula O espectro de 1HRMN expande esta informação pelo número de sinais logo pelo número de hidrogênios diferentes pela integração a abundância relativa de cada tipo de hidrogênio e pelo desdobramento spinspin o número de vizinhos equivalentes do hidrogênio responsável por aquele sinal Solução O espectro de 13CRMN mostra um total de quatro sinais um dos quais em δ 1796 ppm é devido ao carbono da carboxila Isso deixa três outros sinais todos na região do carbono saturado Seção 109 Um deles δ 363 ppm está ligeiramente desblindado em relação aos outros dois e corresponde ao carbono próximo da carboxila Podemos identificar no espectro de 1HRMN o hidrogênio da carboxila em δ 1168 ppm além de três outros sinais Novamente todos aparecem na região saturada Tabela 102 com um deles ligeiramente desblindado em relação aos outros dois e provavelmente ligado ao carbono próximo da carboxila Os valores de integração dos sinais de hidrogênio mostram as razões relativas ao próton da carboxila como sendo 322 A absorção de campo mais alto em δ 100 ppm corresponde a 3 H e deve corresponder a um grupo metila O sinal em δ 231 ppm que suspeitamos que esteja relativamente desblindado pelo grupo carboxila corresponde a 2 H sugerindo a presença de um grupo CH2COOH A análise do desdobramento dos sinais sugere que o grupo metila um triplete tem dois hidrogênios no carbono vizinho indicando a presença de um grupo CH3CH2 Além disso o sinal em δ 231 ppm também é um triplete aumentando a estrutura sugerida acima para CH2CH2COOH Juntando todas essas informações temos a solução CH3CH2CH2COOH ácido butanoico ou butírico que tem cheiro de manteiga rançosa Podemos confirmar esta solução olhando a multiplicidade do sinal de 1HRMN do fragmento CH2 ligado a CH3 de um lado e a CH2 do outro CH3CH2CH2COOH Supondo que as constantes de acoplamento são parecidas nas duas direções a regra N 1 prevê um sexteto como observado EXERCÍCIO 193 Tente você Determine a estrutura de um ácido carboxílico na base dos seguintes dados de RMN 1HRMN δ 120 d J 75 Hz 6 H 258 septo J 75 Hz 1 H e 1217 s 1 H ppm 13CRMN δ 187 338 e 1840 ppm Cuidado o espectro de 13CRMN mostra apenas o número de carbonos diferentes da molécula Sugestão a presença de um sinal com integração igual a 6 H no espectro de 1HRMN é importante Um carbono não pode estar ligado a seis hidrogênios O grupo carbóxi tem duas bandas importantes no IV O grupo carbóxi é formado por uma carbonila com um substituinte hidróxi Assim as deformações axiais características podem ser observadas no espectro de infravermelho A ligação OH dá origem a uma banda muito larga em 25003300 cm1 em comprimento de onda abaixo do observado em álcoois principalmente devido à forte ligação hidrogênio A Figura 193 mostra o espectro do ácido propanoico no infravermelho Figura 193 Espectro de IV do ácido propanoico ṽOH 3000 cm1 ṽCO 1715 cm1 As bandas associadas a estas deformações axiais são largas devido à formação de ligações hidrogênio Os espectros de massas dos ácidos carboxílicos mostram três modos de fragmentação Os espectros de massas dos ácidos carboxílicos mostram normalmente íons moleculares razoavelmente fracos porque sua fragmentação é muito fácil e ocorre de várias maneiras Como os aldeídos e cetonas observase a quebra α e o rearranjo de McLafferty Além disso a quebra da ligação C3C4 ocorre juntamente com a migração de um hidrogênio α para o oxigênio devido à formação de um carbocátion estabilizado por ressonância Fragmentação no espectro de massas dos ácidos carboxílicos A Figura 194 mostra o espectro de massas do ácido butanoico EXERCÍCIO 194 A Figura 195 mostra o espectro de massas do ácido pentanoico Identifique os picos que resultam dos três modos de quebra ilustrados anteriormente Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos 879 Abundância relativa 100 50 0 0 20 40 60 mz MS OH 60 CH3CH2CH2COOH OH CH2 CH 73 88 M 100 50 0 0 20 40 60 80 100 120 mz MS CH3CH2CH2CH2COOH 102 M Figura 194 Espectro de massas do ácido butanoico O íon molecular e os picos resultantes dos modos de quebra descritos no texto estão identificados Figura 195 Espectro de massas do ácido pentanoico Veja o Exercício 194 Note a baixa intensidade relativa do pico do íon molecular EM RESUMO os sinais de RMN dos ácidos carboxílicos mostram o hidrogênio de OH e o carbono da carbonila muito desblindados bem como núcleos moderadamente desblindados próximos do grupo funcional O espectro de infravermelho mostra bandas características em 25003300 cm1 OH e 1710 cm1 CO Os espectros de massas dos ácidos carboxílicos refletem três modos característicos de fragmentação 194 Caráter ácido e caráter básico dos ácidos carboxílicos Como os álcoois Seção 83 os ácidos carboxílicos têm caráter ácido e básico A desprotonação gera facilmente o íon carboxilato A protonação é mais difícil Os ácidos carboxílicos são ácidos relativamente fortes O hidrogênio ácido dos ácidos carboxílicos e dos álcoois é nos dois casos o do grupo OH porém os valores de pK a dos ácidos carboxílicos são muito menores do que os dos álcoois Química Orgânica Os ácidos carboxílicos dissociamse facilmente O O RCOOH H2O RCOO HOH2 Íon carboxilato K a 104105 pK a 45 Por que os ácidos carboxílicos se dissociam mais do que os álcoois A diferença estrutural é que o grupo hidróxi do ácido carboxílico está ligado ao grupo carbonila cuja polarização positiva retira elétrons fortemente por efeito indutivo Além disso o íon carboxilato é estabilizado por ressonância de forma análoga ao que ocorre na formação do íon enolato por desprotonação do carbono α de aldeídos e cetonas Seção 181 Ressonância nos íons carboxilato e enolato B base Íon carboxilato B RCOH BH RCO RCO RCO pK a 45 Íon enolato B RC CH2R BH RCCHR RCCHR RCCHR pK a 1921 Ao contrário dos enolatos porém duas das três formas de ressonância do íon carboxilato são equivalentes Seção 15 Como resultado os íons carboxilato são simétricos com ligações carbonooxigênio iguais 126 Å entre as ligações duplas carbonooxigênio típicas 120 Å e simples 134 Å dos ácidos correspondentes veja a Figura 191 O mapa de potencial eletrostático do íon acetato na margem mostra a distribuição igual da carga negativa em vermelho sobre os dois oxigênios Íon acetato Os substituintes que retiram elétrons aumentam a acidez dos ácidos carboxílicos Vimos Seção 83 que o efeito indutivo de grupos retiradores de elétrons próximos da função hidroxila aumenta a acidez dos álcoois O mesmo acontece com os ácidos A Tabela 193 dá os pK a de alguns ácidos carboxílicos Observe que a presença de dois ou três substituintes deste tipo no carbono α pode resultar em ácidos carboxílicos quase tão ácidos quanto os ácidos inorgânicos minerais EXERCÍCIO 195 Ordene em cada conjunto abaixo os compostos por ordem decrescente de acidez a CH3CH2COOH Br CH3CHCOOH CH3CBr2COOH b CH3CHCH2COOH Br CH3CHCH2COOH c COOH F COOH COOH F Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos Tabela 193 pK a de vários ácidos carboxílicos e de outros ácidos Composto pK a Composto pK a Ácidos alcanoicos Ácidos dioicos HCOOH 355 HOCCCOOH 127 419 CH3COOH 476 HOOCCH2COOH 283 569 ClCH2COOH 282 HOOCCH2CH2COOH 420 561 Cl2CHCOOH 126 HOOCCH24COOH 435 541 Cl3CCOOH 063 Outros ácidos F3CCOOH 023 H3PO4 215 primeiro pK a CH3CH2CH2COOH 482 HNO3 14 CH3CH2CHClCOOH 248 H2SO4 30 primeiro pK a CH3CHClCH2COOH 406 HCl 80 ClCH2CH2CH2COOH 452 H2O 157 Ácidos benzoicos CH3OH 155 4CH3C6H4COOH 436 C6H5COOH 420 4ClC6H4COOH 398 Os ácidos dioicos têm dois pK a um para cada grupo CO2H Nos ácidos etanodioico oxálico e propanodioico malônico o primeiro pK a é reduzido pelo efeito indutivo do segundo grupo carbóxi que retira elétrons Nos ácidos dioicos superiores os dois pK a têm valor próximo ao dos monoácidos A acidez relativamente alta dos ácidos carboxílicos significa que os carboxilatos correspondentes são facilmente obtidos pelo tratamento do ácido com uma base como NaOH Na2CO3 ou NaHCO3 Os nomes destes sais são formados pela eliminação da palavra ácido e a troca da terminação ico do ácido por ato a preposição de e o nome do metal Assim HCOONa é o formato de sódio CH3COOLi o acetato de lítio e assim por diante Os carboxilatos são muito mais solúveis em água do que os ácidos porque o ânion é muito polar e facilmente solvatado Formação de carboxilatos CH3 CH3 NaOH H2O CH3CH2CH2COOH CH3 CH3 44Dimetilpentanoico Ácido 44dimetilpentanoico Pouco solúvel em água CH3CH2CH2COONa 44Dimetilpentanoato de sódio Sal muito solúvel em água HOH Os ácidos carboxílicos podem ser protonados no oxigênio da carbonila Como ocorre com os álcoois que reagem com ácidos fortes para dar íons alquiloxônio Seções 83 e 92 os pares de elétrons livres dos oxigênios do grupo carboxila também podem em princípio ser protonados O oxigênio da carbonila é o átomo protonado Por quê A protonação do oxigênio da carbonila dá uma espécie cuja carga positiva está deslocalizada por ressonância A alternativa a protonação do oxigênio de OH não leva a espécies estabilizadas por ressonância veja também o Exercício 29 Protonaçao de um ácido carboxílico Observe que a protonação é muito difícil como se pode ver pela alta acidez do ácido conjugado pKa 6 Veremos contudo que ela é importante em muitas das reações dos ácidos carboxílicos e de seus derivados EXERCÍCIO 196 O pKa da acetona protonada é 72 e o do ácido acético protonado é 61 Explique EM RESUMO os ácidos carboxílicos são ácidos porque o carbono da carbonila é polarizado e atrai fortemente os elétrons e a desprotonação forma ânions estabilizados por ressonância Substituintes que atraem elétrons aumentam a acidez Este efeito decai rapidamente com o aumento da distância entre o substituinte e o grupo carboxila A protonação é difícil mas ocorre no oxigênio da carbonila para dar um cátion estabilizado por ressonância 195 Sínteses dos ácidos carboxílicos na indústria Os ácidos carboxílicos são reagentes úteis e importantes precursores em sínteses Os dois ácidos mais simples são produzidos industrialmente em grande escala O ácido fórmico é usado no curtimento do couro e na preparação da borracha de látex Ele é sintetizado eficientemente pela reação de hidróxido de sódio em pó com monóxido de carbono sob pressão A reação é uma adição nucleofílica seguida de protonação Síntese do ácido fórmico NaOH CO 150C 100 psi HCOONa H₂COOH Existem três métodos importantes de preparação do ácido acético a oxidação do eteno via acetaldeído Seção 1216 a oxidação do butano com ar e a carbonilação do metanol Os mecanismos destas reações são complexos Ácido acético por oxidação do eteno CH₂CH₂ O₂ H₂O catalisadores PdCl₂ e CuCl₂ Processo Wacker CH₃CHO O₂ catalisador Co³ CH₃COOH Ácido acético por oxidação do butano CH₃CH₂CH₂CH₃ O₂ catalisador Co³ 1520 atm 180C CH₃COOH Ácido acético por carbonilação do metanol CH₃OH CO catalisador Rh³ I₂ 3040 atm 180C Processo Monsanto CH₃COOH A demanda anual global do ácido acético excede 65 milhões de toneladas 65 10⁹ kg Ele é usado na produção de monômeros para a polimerização como o 2metilpropanoato de metila 883 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos metacrilato de metila Tabela 123 bem como de produtos farmacêuticos corantes e pesticidas Dentre os ácidos dicarboxílicos produzidos em grande escala são importantes o ácido hexanodio ico adípico usado na produção do náilon veja o Destaque Químico 214 e o ácido 14benzeno dicarboxílico tereftálico Os ésteres deste último são polimerizados com diois e transformados em folhas plásticas filmes e garrafas para bebidas 196 Métodos de síntese de ácidos carboxílicos Vimos nas Seções 86 e 174 a oxidação de álcoois primários e aldeídos a ácidos carboxílicos por CrVI em água Apresentamos agora dois novos reagentes para este fim É possível também chegar a ácidos carboxílicos pela adição de um átomo de carbono a um halogenoalcano Isso pode ser feito pela carbonilação de reagentes organometálicos ou pela preparação e hidrólise de nitrilas A oxidação de álcoois primários e aldeídos leva a ácidos carboxílicos Os álcoois primários se oxidam a aldeídos que por sua vez são oxidados facilmente a ácidos carboxílicos Ácidos carboxílicos por oxidação Oxidação Oxidação Além de CrO3 em água podese usar também KMnO4 e ácido nítrico HNO3 para este fim Como é um dos oxidantes fortes mais baratos o ácido nítrico é normalmente escolhido nas prepa rações em grande escala e em aplicações industriais 3Cloropropanal Ácido 3cloropropanoico EXERCÍCIO 197 Dê os produtos da oxidação de a pentanal b 16hexanodiol c 4hidróximetilciclohexanocar baldeído com ácido nítrico Os compostos organometálicos reagem com dióxido de carbono para dar ácidos carboxílicos Da mesma forma como atacam os aldeídos e cetonas os reagentes organometálicos também rea gem com o dióxido de carbono geralmente na forma sólida conhecida como gelo seco O produto da reação de carbonilação é um carboxilato que se transforma em ácido carboxílico por protonação com ácido diluído Carbonilação de organometálicos Ácido 14benze nodicarboxílico Ácido tereftálico O tereftalato de polietileno é o Dacron usado no coração arti ficial de Jarvik Na forma de um filme fino é o Mylar Lembrese de que um reagente organometálico é normalmente formado a partir de um halogenoalcano RX Mg RMgX A carbonilação de um reagente organometálico portanto permite a transformação em duas etapas de RX em RCOOH isto é em um ácido carboxílico com um carbono a mais Assim por exemplo Cl MgCl CH₃CH₂CHCH₃ Mg THF CH₃CH₂CHCH₃ 1 CO₂ 2 H H₂O CH₃CH₂CHCH₃ 86 2Clorobutano Ácido 2metilbutanoico As nitrilas sofrem hidrólise a ácidos carboxílicos Um outro método de conversão de um halogenoalcano em um ácido carboxílico com um carbono a mais é a preparação e hidrólise de nitrilas RCN Lembrese Seção 62 de que o íon cianeto CN é um bom nucleófilo que pode ser usado na síntese de nitrilas via reações SN2 A hidrólise a quente da nitrila em meio ácido ou básico leva ao ácido carboxílico e amônia ou íon amônio Ácidos carboxílicos a partir de halogenoalcanos via nitrilas RX ¹CN X RCN 1 HO 2 H H₂O NH₃ ou NH₄ RCOOH O mecanismo desta reação será descrito em detalhes na Seção 208 Quando o substrato contiver grupos sensíveis aos reagentes organometálicos como grupos hidróxi carbonila e nitro é preferível sintetizar os ácidos carboxílicos pela hidrólise de nitrilas e não pela síntese de Grignard NO₂ CH₂CN H₂SO₄ H₂O 15 min NO₂ CH₂COOH 4Nitrofenil 4nitrofenil etanonitrila acético EXERCÍCIO 198 Trabalhando com os conceitos ácidos carboxílicos a partir de halogenoalcanos Sugira uma metodologia para executar a conversão dada abaixo Pode ser necessário usar muitas etapas Br O HOOC O H Estratégia Antes de começar examine as duas estruturas cuidadosamente Note que a moléculaalvo tem um carbono a mais que precisa ser adicionado Os dois últimos métodos apresentados anteriormente são opções possíveis mas não podem ser aplicados diretamente ao composto de partida A função carbonila impede a formação dos reagentes organometálicos e também reage com o íon cianeto Examinemos as duas opções Sabemos da Seção 1711 que a adição do íon cianeto a um aldeído ou cetona é reversível e pode ser evitada em meio básico Seria possível então deslocar o íon brometo com cianeto e depois usar a hidrólise alcalina Observe entretanto que o bromo está ligado a um carbono terciário isto é o deslocamento SN2 não funciona ocorreria eliminação Seção 78 Contudo os reagentes organometálicos podem ser preparados a partir de praticamente todos os tipos de compostos halogenados incluindo os halogenoalcanos terciários desde que se evite a interferência de outros grupos funcionais Isso permite alcançar nosso objetivo 885 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos EXERCÍCIO 199 Tente você Use equações químicas para mostrar como converter cada um dos seguintes compostos halogenados em ácidos carboxílicos com um carbono a mais Se mais de um método pode ser usado com eficácia descreva todos eles Se não for este o caso explique as razões de sua escolha a 1cloropropano b iodociclopentano c ácido 4bromobutanoico Sugestão veja as Seções 87 e 89 d cloroeteno Sugestão veja a Seção 139 e bromociclopropano Sugestão veja o Problema 60 do Capítulo 6 A hidrólise do grupo nitrila a uma cianoidrina realizada pela adição de HCN a um aldeído ou cetona Seção 1711 é uma metodologia geral de preparação de ácidos 2hidróxicarboxílicos com propriedades antissépticas Benzaldeído 2Fenil2hidróxi etanonitrila Mandelonitrila Ácido 2fenil2 hidróxiacético Ácido mandélico EXERCÍCIO 1910 Proponha diferentes metodologias para as sínteses abaixo mais de uma etapa serão necessárias Cuidado preste atenção à estereoquímica EM RESUMO muitos reagentes oxidam álcoois primários e aldeídos a ácidos carboxílicos Um halogenoalcano pode ser transformado em um ácido carboxílico com mais um carbono por con versão em um regente organometálico e carbonilação ou por deslocamento do íon halogeneto por cianeto e hidrólise da nitrila formada Solução Proteja o grupo aldeído de modo a permitir a formação e o uso de um reagente de Grignard forme o acetal cíclico usando 12etanodiol e catálise ácida Siga a sequência dada anteriormente prepare o reagente de Grignard e adicione CO2 O tratamento com ácido diluído converte o íon carboxilato em ácido por protonação e hidrolisa o acetal cíclico regenerando a função aldeído 197 Substituição no carbono do grupo carbóxi o mecanismo de adiçãoeliminação O grupo carbonila dos ácidos carboxílicos mostra reatividade semelhante à dos aldeídos e cetonas ele sofre ataque por nucleófilos no carbono e eletrófi los no oxigênio Entretanto a presença do grupo OH de carbóxi na estrutura adiciona outra dimensão à função química dos ácidos carboxílicos como nos álcoois este OH pode ser convertido em um grupo de saída Seção 92 Em consequência após a adição nucleofílica ao grupo carbonila o grupo de saída pode separarse resultando em um processo de substituição e um novo composto carbonilado Esta seção mostra esse processo e os mecanismos gerais pelos quais ele ocorre O carbono de carbonila é atacado por nucleófilos Como aprendemos em nosso estudo dos aldeídos e cetonas os carbonos das carbonilas são eletrófilicos e podem ser atacados por nucleófilos Este tipo de reatividade é observado nos ácidos carboxílicos e nos derivados de ácidos carboxílicos substâncias que têm a fórmula geral RCOL L é o grupo de saída Derivado de ácido carboxílico Derivados de ácidos carboxílicos O O O O O RCX RCOCR RCOR RCNR₂ halogeneta anidrido éster amida de acila Em contraste com os produtos de adição dos aldeídos e cetonas Seções 175 a 177 o intermediário formado pelo ataque de um nucleófi lo ao carbono da carboxila pode se decompor por elimina ção de um grupo de saída O resultado é a substituição do grupo de saída pelo nucleófi lo por um processo chamado adiçãoeliminação A substituição no grupo carbonila ocorre por adiçãoeliminação O grupo carbonila é trigonal e tem hibridação sp² Como vimos nas reações de alquenos e benzenos Capítulos 12 e 15 os mecanismos de substituição associados com os átomos de carbono saturado tetraédrico e com hibridação sp³ não ocorrem nos sistemas planos insaturados e trigona is A planaridade faz com que a substituição com inversão do tipo SN2 seja difícil geometricamente e os átomos de carbono sp² formam carbocátions pouco estáveis desfavorecendo SN1 A substituição por adiçãoeliminação combina dois processos mecanísticos simples A adição de um nucleófi lo a um grupo carbonila é uma reação que conhecemos bem A eliminação é o inverso mecanístico do processo de adição O mecanismo do tipo 4a da Seção 22 pode ser usado como ilustração desses processos Direção diretaadição X δA Bδ X A B Direção inversaeliminação X A B X A B Quando o sítio de ataque átomo A já contém um grupo de saída em potencial Y então as duas etapas podem ocorrer uma após a outra levando à substituição de X por Y Mecanismo geral da sequência adiçãoeliminação Y Y Eliminação X Adição de X Y X A B X A B A B Y Como este esquema geral mostra as duas etapas da sequência adiçãoeliminação podem ser reversíveis O esquema a seguir mostra como a adiçãoeliminação se aplica a um derivado de ácido carboxílico A espécie intermediária que se forma tem ao contrário dos reagentes e produtos um carbono tetraédrico e é por isso chamada de intermediário tetraédrico Substituição nucleofílica via adiçãoeliminação A substituição por adiçãoeliminação é o mecanismo mais importante de formação de derivados de ácidos carboxílicos e de sua interconversão ou seja RCL RCL Veremos no restante desta seção e nas seções seguintes a preparação destes derivados a partir de ácidos carboxílicos Exploraremos no Capítulo 20 suas propriedades e sua química A adiçãoeliminação é catalisada por ácidos e bases As reações de adiçãoeliminação podem ser obtidas em condições ácidas ou básicas Vimos como as adições de nucleófilos a aldeídos e cetonas Seções 175 a 179 Tabela 174 sofrem catálise básica ou ácida O mesmo acontece na adição de nucleófilos aos derivados de ácidos carboxílicos As eliminações a partir do intermediário tetraédrico são catalisadas de modo semelhante Lembrese de que o processo é mecanisticamente o inverso da adição e portanto os mesmos efeitos catalíticos são observados Vejamos em detalhe o papel da base e do ácido Todos os nucleófilos são bases de Lewis Entretanto um nucleófilo com um próton que pode ser removido NuH pode ser desprotonado por uma base forte representada por B para dar o nucleófilo com carga negativa e mais forte Nu que é a espécie atacante Etapa 1 A adiçãoeliminação ocorre Etapa 2 e a base pode ser regenerada Etapa 3 o que a torna um catalisador de todo o processo Nucleófilos típicos em sequências como esta incluem a água e os álcoois que dão por desprotonação íons hidróxi e alcóxi respectivamente Mecanismo de adiçãoeliminação catalisado por base Etapa 1 Desprotonação do NuH Etapa 2 Adiçãoeliminação Etapa 3 Regeneração do catalisador 888 Química Orgânica Nos casos em que o nucleófilo já é uma base forte a catálise é desnecessária e o mecanismo com pleto reduzse à Etapa 2 As reações de adiçãoeliminação também são catalisadas por ácidos O ácido funciona de duas maneiras Primeiramente protona o oxigênio da carbonila Etapa 1 ativando o grupo car bonila para o ataque nucleofílico Seção 175 Depois a protonação de L Etapa 2 faz com que ele se torne um melhor grupo de saída lembrese das Seções 67 e 92 Mecanismo da adiçãoeliminação catalisada por ácido Etapa 1 Protonação Etapa 2 Adiçãoeliminação Etapa 3 Desprotonação e regeneração do catalisador próton A substituição em ácidos carboxílicos é inibida por grupos de saída ruins e pelo próton Podemos aplicar o processo geral de adiçãoeliminação na conversão de ácidos carboxílicos em seus derivados É preciso entretanto superar dois problemas O primeiro é que o íon hidróxido é um grupo de saída ruim Seção 67 Além disso o próton do grupo carboxila é ácido e muitos nucleófilos são bases Seção 68 Por isso o ataque nucleofílico desejado reação a na equação abaixo pode sofrer a interferência de uma reação ácidobase reação b Quando o nucleófilo é muito básico um alcóxido por exemplo a formação do carboxilato é praticamente irreversível e a adição nucleofílica à carbonila tornase muito difícil Reações competitivas entre um ácido carboxílico e um nucleófilo Intermediário tetraédrico Íon carboxilato Adição nucleofílica reversível caminho a Reação ácidobase reversível caminho b Por outro lado quando o nucleófilo é menos básico especialmente em meio ácido a forma ção do carboxilato é reversível e permite a adição competitiva de nucleófílos e finalmente leva à substituição via adiçãoeliminação Um exemplo típico é a esterificação de ácidos carboxílicos Seção 94 em que um álcool reage com um ácido carboxílico para formar éster e água O nu Esterificação cleófilo é o álcool que é uma base fraca e o meio é ácido o suficiente para protonar o oxigênio da carbonila ativandoo para a adição nucleofílica e também a hidroxila do grupo carboxila convertendoa em água um melhor grupo de saída Catálise ácida na esterificação Etapa 1 A protonação do grupo carboxila ativao para a adição de um álcool ROH Etapa 2 O intermediário tetraédrico formase por adição de ROH e perda de H Etapa 3 A protonação do oxigênio de um grupo OH tornao um melhor grupo de saída Veremos nas próximas seções em detalhes esta e outras substituições no grupo carboxila EXERCÍCIO 1911 Escreva em detalhes a etapa 2 da sequência acima EM RESUMO o ataque nucleofílico no carbono da carbonila dos derivados de ácidos carboxílicos é uma etapa essencial da substituição por adiçãoeliminação Observase catálise ácida ou básica No caso dos ácidos carboxílicos o processo é dificultado pela presença de um grupo de saída ruim hidróxido e pela desprotonação competitiva do ácido pelo nucleófilo agindo como base A adição pode ocorrer com nucleófilos menos básicos 198 Derivados dos ácidos carboxílicos halogenetos de acila e anidridos Começaremos a estudar nesta seção como preparar os derivados de ácidos carboxílicos A substituição do grupo hidroxila de RCOOH por um halogeneto leva aos halogenetos de acila A substituição por alcanoato RCOO leva aos anidridos de ácidos carboxílicos ou simplesmente anidridos Os dois processos requerem a transformação do grupo hidróxi em um melhor grupo de saída Os halogenetos de acila são preparados com o auxílio de derivados inorgânicos dos ácidos carboxílicos A conversão de ácidos carboxílicos em halogenetos de acila utiliza os mesmos reagentes SOCl2 e PBr3 empregados na síntese de halogenoalcanos a partir de álcoois Seção 94 O problema em ambos os casos é o mesmo transformar um grupo de saída ruim OH em outro melhor 890 Química Orgânica Síntese de halogenetos de acila Ácido butanoico Cloreto de butanoíla refluxo Estas reações não funcionam com o ácido fórmico HCOOH porque o cloreto de formila HCOCl e o brometo de formila HCOBr não são estáveis Veja o Exercício 1533 Estas transformações começam com a conversão do ácido carboxílico em um derivado inor gânico em que o substituinte do carbono da carbonila é um bom grupo de saída é um grupo é um grupo de saída ruim de saída ruim é um bom grupo de saída é um bom grupo de saída REAÇÃO EXERCÍCIO 1912 Trabalhando com os conceitos formação do clorossulfito de acila Proponha um mecanismo para a reação do SOCl2 com um ácido carboxílico para dar o derivado inor gânico um clorossulfito de acila mostrado acima Estratégia É tentador usar neste problema as mesmas etapas que utilizamos na conversão de um álcool no cloros sulfito de alquila por reação com SOCl2 Seção 94 o deslocamento do cloreto do enxofre pelo grupo hidroxila do álcool A aplicação direta deste mecanismo a um ácido carboxílico porém provavelmente não está correta Vimos na Seção 195 que a protonação de um ácido carboxílico ocorre no oxigênio da carbonila não no oxigênio da hidroxila A razão é evidente a protonação do oxigênio da carbonila dá um intermediário estabilizado por ressonância o que não acontece com o oxigênio da hidroxila O mesmo pode ser dito da reação de um ácido carboxílico com qualquer eletrófilo como o enxofre do SOCl2 ou o fósforo do PBr3 891 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos EXERCÍCIO 1913 Tente você Proponha um mecanismo para a reação do PBr3 com um ácido carboxílico para dar o derivado inorgâ nico um dibromofosfito de acila mostrado acima do Exercício 1912 A reação prossegue via adiçãoeliminação catalisada por ácido Mecanismo de formação do cloreto de acila via cloreto de tionila Etapa 1 Adição Intermediário tetraédrico Etapa 2 Eliminação O mecanismo da formação do brometo de acila com tribrometo de fósforo PBr3 é semelhan te veja a Seção 94 Os ácidos combinamse com os halogenetos de acila para dar anidridos A eletronegatividade dos halogênios nos halogenetos de acila ativa a função carbonila para o ataque de nucleófilos mesmo os fracos Capítulo 20 O tratamento de halogenetos de acila com ácidos carboxílicos por exemplo leva aos anidridos de ácidos carboxílicos anidridos MECANISMO Anidrido de ácido carboxílico Solução É mais provável que a transformação em questão siga este caminho Esta reação converte o oxigênio da carbonila e não o da hidroxila em um grupo de saída De nosso conhecimento esse mecanismo específico não foi testado experimentalmente Nós o esta mos apresentando como um exemplo de hipótese mecanística proposta para um conjunto de espécies reativas com base em observações experimentais de espécies semelhantes 892 Química Orgânica Ácido butanoico Cloreto de butanoíla Anidrido butanoico Como o nome indica os anidridos de ácidos carboxílicos derivamse formalmente dos ácidos carboxílicos por eliminação de água Embora a desidratação dos ácidos carboxílicos não seja um método geral para a síntese de anidridos é possível preparar anidridos cíclicos por aquecimento de ácidos dicarboxílicos Esta reação só é eficiente se o anel formado tiver cinco ou seis átomos Formação de anidridos cíclicos Ácido butanodioico Ácido succínico Anidrido butanodioico Anidrido succínico Como os halogênios nos halogenetos de acila e o substituinte RCO2 nos anidridos são bons grupos de saída e porque eles ativam a carbonila adjacente estes derivados de ácidos carboxílicos são úteis na preparação de outros compostos Voltaremos a este tópico nas Seções 202 e 203 EXERCÍCIO 1914 Sugira dois métodos de preparação dos compostos abaixo a partir de ácidos carboxílicos ou seus derivados EXERCÍCIO 1915 Proponha um mecanismo para a formação a quente do anidrido butanodioico a partir do ácido buta nodioico EM RESUMO o grupo hidróxi em COOH pode ser substituído por halogênio com os mesmos rea gentes utilizados na conversão de álcoois em halogenoalcanos SOCl2 e PBr3 Os halogenetos de acila resultantes são suficientemente reativos para serem atacados por ácidos carboxílicos para gerar os anidridos de ácidos carboxílicos anidridos Os anidridos cíclicos podem formarse por desidratação a quente de ácidos dicarboxílicos 199 Derivados de ácidos carboxílicos ésteres Os ésteres têm a fórmula geral RCOR Como são amplamente distribuídos na natureza e têm muitas aplicações práticas eles são os derivados de ácidos carboxílicos mais importantes Veremos nesta seção a reação entre ácidos carboxílicos e álcoois catalisada por ácidos minerais que leva a ésteres Os ácidos carboxílicos reagem com os álcoois para gerar ésteres Quando se mistura um ácido carboxílico e um álcool não ocorre reação A adição de um ácido mineral como o ácido sulfúrico ou o HCl em quantidades catalíticas entretanto provoca a reação com formação de éster e água Seção 94 Este método de formação de ésteres foi primeiro descrito pelo legendário químico alemão Emil Fischer e seu colaborador Arthur Speier em 1895 Ele é chamado de esterificação de FischerSpeier ou mais comumente de esterificação de Fischer A esterificação não é muito exotérmica ΔH é normalmente próximo de zero A variação de entropia também é pequena logo ΔG 0 e K 1 Como o equilíbrio pode ser deslocado na direção da formação de éster Uma das maneiras de fazer isso é usar excesso dos reagentes de partida A outra é remover do meio da reação o éster ou a água que se formam Na prática as esterificações são muitas vezes feitas usandose o álcool como solvente EXERCÍCIO 1916 Dê os produtos da reação catalisada por ácido entre os compostos de cada par a seguir a Metanol ácido pentanoico b ácido fórmico 1pentanol c ciclohexanol ácido benzoico e ácido 2bromoacético 3metil2butanol O oposto da esterificação é a hidrólise do éster Esta reação é conduzida nas mesmas condições da esterificação porém deslocase o equilíbrio com excesso de água misturada com um solvente adequado 894 Química Orgânica EXERCÍCIO 1917 Dê os produtos da hidrólise catalisada por ácido de cada um dos seguintes ésteres A esterificação ocorre por adiçãoeliminação catalisada por ácidos O catalisador ácido é importante no mecanismo de formação dos ésteres O ácido faz com que a carbonila sofra ataque nucleofílico pelo álcool metanol neste exemplo Etapa 2 e o grupo hidro xila saia como água etapa 3 Nós já predizemos este mecanismo Seção 197 Nesta seção ele é apresentado em detalhes Mecanismo da esterificação catalisada por ácido Etapa 1 Protonação do grupo carboxila Etapa 2 Ataque do metanol Intermediário tetraédrico Ponto crítico pode retornar aos regentes ou seguir para os produtos Etapa 3 Eliminação de água MECANISMO A N I M A Ç Ã O MECANISMO ANIMADO Esterificação 895 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos A protonação do oxigênio forma inicialmente um carbocátion deslocalizado Etapa 1 que torna a carbonila suscetível ao ataque nucleofílico pelo metanol A perda do próton do aduto leva ao intermediário tetraédrico Etapa 2 Esta espécie é muito importante porque ela pode reagir de duas maneiras na presença de ácidos minerais Ela pode eliminar metanol por exemplo pelo caminho inverso das Etapas 1 e 2 Este processo se inicia pela protonação do oxigênio do grupo metóxi e forma novamente o ácido carboxílico A segunda possibilidade é a protonação do oxigê nio de um dos grupos hidróxi levando à eliminação de água e formação do éster Etapa 3 Como todas estas etapas são reversíveis a adição de álcool em excesso ou a remoção de água favorecem a esterificação ao deslocar os equilíbrios nas Etapas 2 e 3 respectivamente A hidrólise do éster segue a sequência inversa e é favorecida em água EXERCÍCIO 1918 Dê o mecanismo de esterificação de um ácido carboxílico RCOOH com metanol cujo oxigênio do ál cool é marcado com o isótopo 18O CH3 18OH Onde aparecerá o oxigênio marcado na água ou no éster Os hidroxiácidos podem sofrer esterificação intramolecular para dar lactonas O tratamento de ácidos hidroxicarboxílicos com quantidades catalíticas de ácido mineral pode le var à formação de ésteres cíclicos ou lactonas Este processo é uma esterificação intramolecular favorecida quando o anel tem cinco ou seis átomos Ao contrário da esterificação intermolecular o equilíbrio é favorecido pela entropia e portanto particularmente fácil a água é eliminada do material inicial Formação de lactonas Uma lactona EXERCÍCIO 1919 Trabahando com os conceitos um mecanismo em várias etapas Use mecanismos para explicar o seguinte resultado Estratégia O composto inicial é um hemiacetal com um anel de cinco átomos Como vimos na Seção 177 a estrutura do composto é razoavelmente está vel Na presença de ácidos ou bases em água estes hemiacetais existem em equilíbrio com os isômeros hidroxicarbonilados de cadeia aberta A estrutura resultante tem três grupos funcionais uma carbonila de aldeído uma hidroxila de álcool e uma carboxila de ácido carboxílico 896 Química Orgânica EXERCÍCIO 1920 Tente você Se o composto inicial do Exercício 1919 estivesse marcado com o isótopo 18O no átomo de oxigênio do anel onde estaria esse oxigênio no produto EM RESUMO na pre sen ça de áci dos minera is como c atali sadores os ácidos carbox ílicos reagem c om os álc oois para f ormar éstere s A reaç ão é pouc o exotérmica e o eq ui lí brio pode s er de sloc a do em ambas as dir eçõ es pelo controle das condiç ões de rea ção A hi dr ól ise do éster é o inverso da reação de formação do ést er O me ca ni smo de esterificação envolv e a adiç ão catalisada por ác ido do álc ool ao gru po carbon ila seguid a pela desidr atação também catali sada por ác ido A fo rmação intramolecular de ésteres leva às lactonas favorecidas em sistemas com cinco ou seis átomos 1910 Derivados de áci dos carbox ílicos amid as Como vimos Seção 179 as ami nas também são ca pazes de ata car a funç ão carbon ila No c aso de ácidos carbox ílicos o prod ut o é uma am ida de áci do carboxílico ou simplesmente amida a últi ma classe import ante de der iva dos dos ác idos carbox ílicos O mecanismo ainda é a adição eliminação porém ocorrem complicações devido ao caráter ácidobase dos reagentes As aminas reagem com os ácidos carboxílicos como bases e como nucleófilos O nitrogênio está à esquerda do oxigênio na Tabela Periódica Por isso as aminas Capítulo 21 são bases e nucleófilos melhores do que os álcoois Seção 68 Para sintetizar as amidas de ácidos carboxílicos é necessário portanto voltar ao problema discutido na Seção 197 a interferência de reações ácidobase em competição De fato a exposição de um ácido carboxílico a uma amina leva inicialmente a um carboxilato de amônio O íon carboxilato com carga negativa é bastante resistente ao ataque nucleofílico Sais de amônio dos ácidos carboxílicos Amônia Um carboxilato de amônio Amida de ácido carboxílico amida Solução A reação intramolecular do grupo hidróxi com a função ácido carboxílico forma o éster cíclico indicado uma lactona Completamos a solução do exercício escrevendo o mecanismo etapa por etapa Intermediário tetraédrico produto Não confunda o nome das amidas dos ácidos carboxílicos com os dos sais alcalinos das aminas também chamados de amidas exemplo amida de lítio LiNH2 897 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos Note que a formação do sal ainda que favorável é reversível Sob aquecimento ocorre lentamente a reação termodinamicamente favorável entre o ácido e a amina Como estes dois reagentes são removidos do equilíbrio a formação do sal é completamente revertida Neste segundo modo de reação o nitrogênio age como nucleófilo e ataca o carbono da carbonila Formase a amida na sequência das etapas de adiçãoeliminação Embora seja conveniente este método é afetado pelas temperaturas elevadas necessárias para reverter a formação do carboxilato de amônio Portanto procedimentos melhores usam derivados ativados dos ácidos carboxílicos como os halogenetos de acila Capítulo 20 Formação de amida a partir de uma amina e um ácido carboxílico NNDimetilbutanamida Mecanismo de formação de amidas Intermediários tetraédricos Uma amida Transferência de próton desprotonação em N e protonação em O No mecanismo mostrado a etapa de eliminação parte de um intermediário tetraédrico zwitteri ônico Entretanto o predomínio dessa espécie depende muito do pH Assim uma possibilidade de eliminação da água de uma espécie neutra está mostrada na margem A formação da amida é reversível portanto seu tratamento com ácidos ou bases a quente regenera o ácido carboxílico e a amina Os ácidos dicarboxílicos reagem com aminas para formar imidas Os ácidos dicarboxílicos podem reagir duas vezes com o nitrogênio da amônia ou de uma amina primária Esta sequência dá origem às imidas os análogos nitrogenados dos anidridos cíclicos veja a p 892 Ácido butanodioico Butanimida Succinimida Lembrese do uso de Nhalogenobutanimidas nas halogenações Seção 142 Os aminoácidos ciclizamse para dar lactamas Como os ácidos hidroxicarboxílicos alguns aminoácidos ciclizamse com formação de amidas cíclicas chamadas de lactamas Seção 206 REAÇÃO MECANISMO Método alternativo de formação de amida 898 Química Orgânica Uma lactama A classe dos antibióticos a que pertence a penicilina deriva sua atividade biológica da presença da função lactama veja o Destaque Químico 202 As lactamas são os análogos nitrogenados das lactonas Seção 199 EXERCÍCIO 1921 Proponha um mecanismo detalhado para a formação da butanimida a partir do ácido butanodioico e da amônia EM RESUMO as aminas reagem com os ácidos carboxílicos para dar amidas por um processo de adiçãoeliminação que começa com o ataque nucleofílico da amina ao carbono do grupo carbo xila A formação da amida é dificultada pela desprotonação reversível do ácido carboxílico pela amina para dar um sal de amônio 1911 Redução dos ácidos carboxílicos por hidreto de alumínio e lítio O hidreto de alumínio e lítio é capaz de reduzir diretamente os ácidos carboxílicos aos álcoois primários respectivos recuperados após lavagem com ácido diluído Redução de um ácido carboxílico Exemplo Embora o mecanismo exato desta transformação não seja completamente entendido já está claro que o hidreto age inicialmente como uma base com formação do sal de lítio do ácido carboxílico e gás hi drogênio Os carboxilatos são geralmente resistentes ao ataque de nucleófilos Ainda assim a despeito da carga negativa o hidreto de alumínio e lítio é tão reativo que é capaz de doar dois hidretos à função carbonila do carboxilato possivelmente com a assistência do alumínio na margem veja também a Seção 86 O produto desta sequência é um alcóxido simples que forma o álcool por protonação EXERCÍCIO 1922 Proponha sínteses para B a partir de A Adições duplas de hidreto ao íon carboxilato 899 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos EM RESUMO a reatividade do hidreto de alumínio e lítio como nucleófilo é suficientemente forte para reduzir os carboxilatos a álcoois primários 1912 A Bromação no átomo vizinho do grupo carbóxi a reação de HellVolhardZelinsky Como os aldeídos e cetonas os ácidos alcanoicos podem ser bromados no carbono a quando expostos ao Br2 A adição de traços de PBr3 é necessária para iniciar a reação Por ser muito corrosivo é difícil trabalhar com PBr3 sendo preferível gerálo no frasco da reação in situ Isso é feito pela adição aos reagentes de pequena quantidade de fósforo vermelho que forma PBr3 instantaneamente por contato com bromo Reação de HellVolhardZelinsky Ácido 2bromopentanoico traços de P O brometo de acila formado na reação de PBr3 com o ácido carboxílico Seção 198 sofre enolização rápida catalisada por ácido O enol é então bromado com formação do brometo de 2bromoacila Este derivado sofre então uma reação de troca com o ácido que não reagiu para dar ácido bromídrico e outra molécula de brometo de acila que por sua vez retorna ao ciclo da reação Mecanismo da reação de HellVolhardZelinsky Etapa 1 Formação do brometo de acila Brometo de acila Etapa 2 Enolização Enol Etapa 3 Bromação Etapa 4 Troca Volta para a etapa 2 REAÇÃO MECANISMO Professor Carl M Hell 18481926 Universidade de Stuttgart Alemanha Professor Jacob Volhard 1834 1910 Universidade de Halle Alemanha e Professor Nicolai D Zelinsky 18611953 Universidade de Mos cou Rússia 900 Química Orgânica EXERCÍCIO 1923 Proponha mecanismos detalhados para as Etapas 2 e 3 da reação de HellVolhardZelinsky Sugestão reveja as Seções 182 para a Etapa 2 e 183 para a Etapa 3 O ácido bromocarboxílico formado na reação de HellVolhardZelinsky pode ser convertido em outros derivados de ácidos substituídos na posição 2 O tratamento com base em água por exemplo leva a 2hidroxiácidos e com aminas a aaminoácidos Capítulo 26 Um exemplo da síntese de aminoácidos é a preparação do ácido 2aminohexanoico racêmico a norleucina um aminoácido natural mas raro mostrado abaixo Ácido hexanoico Ácido 2bromohexanoico Ácido 2aminohexanoico Norleucina traços de EM RESUMO os ácidos carboxílicos são bromados em C2 na presença de traços de fósforo ou de tribrometo de fósforo a reação de HellVolhardZelinsky A transformação ocorre via brometos de 2bromoacila 1913 Atividade biológica dos ácidos carboxílicos Considerandose a variedade de reações que os ácidos carboxílicos sofrem não é difícil reconhe cer sua importância como intermediários em sínteses de laboratório e em sistemas biológicos Teremos nesta seção uma visão rápida da enorme diversidade estrutural e funcional dos ácidos carboxílicos naturais A discussão dos aminoácidos será feita no Capítulo 26 Como se pode ver na Tabela 191 mesmo os ácidos carboxílicos menores são abundantes na natureza O ácido fórmico não está presente só nas formigas onde funciona com feromônio de alarme mas também em plantas Assim por exemplo uma das razões da ardência na pele humana após o contato com urtigas é o depósito de ácido fórmico nos cortes provocados pelas agulhas da superfície das folhas O ácido acético formase na oxidação enzimática do etanol produzido por fermentação Cha mamos de vinagre a solução diluída de ácido acético em água 4 a 12 gerada em cidras vinhos e extratos de malte Em 1864 Louis Pasteur mostrou o envolvimento de bactérias na etapa de oxidação deste processo que é conhecido há muito tempo Os ácidos graxos são derivados do acoplamento do ácido acético O ácido acético tem várias atividades biológicas Ele funciona como feromônio de defesa em algumas formigas e escorpiões e é também a molécula precursora mais usada na biossíntese dos compostos orgânicos naturais conhecidos O pirofosfato de 3metil3butenila um precursor crucial na síntese de terpenos Seção 1410 por exemplo é feito pela conversão enzimática de três moléculas de CH3COOH em um intermediário chamado de ácido mevalônico Reações sub sequentes transformam o sistema em uma unidade de cinco carbonos o isopreno Enzimas Enzimas Ácido mevalônico Pirofosfato de 3metil3butenila Um processo conceitualmente mais direto de acoplamento múltiplo é a biossíntese de ácidos graxos O nome desta classe de compostos deriva de sua fonte as gorduras naturais que são ésteres de ácidos carboxílicos de cadeia longa veja a Seção 204 A hidrólise ou saponificação 901 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos assim chamada porque os sais correspondentes formam sabões do latim sapo sabão veja o Destaque Químico 191 das gorduras leva aos ácidos graxos Os mais importantes dentre eles têm de 12 a 22 átomos de carbono e podem ter ligações duplas cis Ácidos graxos Ácido hexadecanoico ácido palmítico Ácido cis9octadecanoico ácido oleico De acordo com sua biossíntese os ácidos graxos têm cadeias com número par de carbonos Um experimento muito elegante demonstrou que o acoplamento linear ocorre de maneira regular Quando o ácido acético marcado com carbono radioativo 14C foi adicionado à dieta de vários organismos os ácidos graxos resultantes estavam marcados de forma ordenada a cada dois carbonos Organismo Ácido hexadecanoico palmítico marcado O mecanismo de formação da cadeia é bastante complexo mas o esquema abaixo dá uma ideia geral do processo Um participante importante é o grupo mercapto de um composto biológi co de transporte importante chamado de coenzima A abreviado como HSCoA Figura 196 O grupo mercapto ligase ao ácido acético e forma um tioéster chamado de acetilCoA A carboxi lação transforma parte deste tioéster em malonilCoA Os dois grupos acila então transferemse para duas moléculas da proteína transportadora de acila O acoplamento ocorre com perda de CO2 para dar um tioéster de 3oxobutanoíla Acoplamento de unidades de ácido acético Etapa 1 Formação do éster tiólico Ácido acético Coenzima A Acetil coenzima A Etapa 2 Carboxilação AcetilCoAcarboxilase MalonilCoA REAÇÃO MECANISMO Grupo mercapto Fragmento 2aminoetanotiol Fragmento ácido pantotênico Fragmento adenosinadifosfato ADP Figura 196 Estrutura da coenzima A Para esta discussão a parte importante é a função mercapto Por conveniência a molécula é abreviada como HSCoA 902 Química Orgânica Etapa 3 Transferência de grupos malonila e acetila proteína proteína proteína proteína Proteína transportadora de acila Proteína transportadora de acila Etapa 4 Acoplamento proteína proteína Um tioéster 3oxobutanoico proteína DESTAQUE QUÍMICO 191 Sabões de carboxilatos de cadeia longa Os sais de potássio e de sódio de ácidos carboxílicos de cadeia longa se agregam em água como aglomerados esféricos conhecidos como micelas Nestes agregados as cadeias alquila hidrofóbicas Seção 82 dos ácidos se juntam devido à atração promovida pelas forças de London Seção 26 e à tendência em reduzir a exposição à água Como se vê acima da Figura as cabeças polares dos grupos car boxilato solvatados formam uma camada esférica que circunda um interior apolar Cauda hidrofóbica Cabeça polar Água Como estes carboxilatos formam filmes na superfície da água eles agem como sabões Os grupos polares ligamse à água e as cadeias apolares se agrupam formando uma camada hidrofóbica Isso reduz a tensão superficial da água permitindo que ela permeie os tecidos e dá origem à espuma típica dos sabões A lavagem é acompanhada pela dissolução de substâncias normalmente insolúveis em água óleos e gorduras no interior apolar das micelas Um problema com os sabões de carboxilatos é que eles precipitam na presença de íons da água dura Mg² e Ca² Os detergentes baseados em alcanossulfonatos RSO3 Na e alquilsulfatos ROSO3 Na não têm este problema porém causavam poluição em lagos e córregos porque as ramificações das cadeias alquila tornavam não biodegradáveis as primeiras gerações destes detergentes Os microorganismos normalmente associados ao tratamento de esgotos só são capazes de metabolizar cadeias lineares A recente introdução de máquinas de lavar que economizam água e energia estimularam a necessidade de detergentes de alta solubilidade e poder de limpeza porém com baixo poder espumante Novos sulfonatos com ligações do tipo éter foram desenvolvidos para suprir esta demanda Certos esteroides ácidos da bile com propriedades surfactantes ou de detergente como o ácido cólico Seção 47 são encontrados no canal da bile Estas substâncias depositamse na parte superior do trato intestinal onde emulsificam as gorduras insolúveis em água através da formação de micelas As enzimas hidrolíticas podem então digerir as moléculas dispersas de gordura Ácido cólico Micrografias feitas do colar de uma camisa de algodão puro em um microscópio eletrônico de varredura antes à esquerda e depois da lavagem à direita Antes da lavagem as tramas e subtramas estão cobertas por sujeira e escamas de pele Aumentado 70 vezes O ácido araquidônico é um ácido graxo de importância biológica Alguns ácidos graxos insaturados de ocorrência natural sofrem transformações que levam a várias estruturas menos comuns Uma destas é o ácido araquidônico o precursor de muitas substâncias químicas importantes de nosso organismo como por exemplo as prostaglandinas Destaque Químico 111 as tromboxanas as prostaciclinas e os leucotrienos Ácido araquidônico Leucotrieno B4 Fator quimiotático potente provoca a migração de células Prostaglandina F2α Induz o trabalho de parto aborto e menstruação Células vermelhas do sangue humano eritrócitos e plateletes ativados trombócitos em azul presos em uma fibrina em amarelo de um coágulo sanguíneo Tromboxana A2 Contrai os músculos lisos provoca agregação plaquetária no sangue Sal de sódio da prostaciclina I2 O mais potente inibidor natural da agregação plaquetária Vasodilatador usado em operações de pontes de safena e em pacientes de transplante de rins Aspirina Estes compostos têm atividades biológicas muito relevantes Algumas das prostaglandinas por exemplo são responsáveis pela inflamação dos tecidos associada com a artrite reumatoide A aspirina um salicilato Destaque Químico 222 é capaz de combater os sintomas desta doença porque inibe a conversão do ácido araquidônico em prostaglandinas No início da década de 1990 a asma que atinge cerca de 15 milhões de americanos foi reconhecida como uma doença inflamatória crônica Pesquisas recentes mostraram que os leucotrienos são mediadores da inflamação das vias respiratórias e que as tromboxanas contribuem para a constrição dos brônquios Estas descobertas levaram ao uso de antiinflamatórios os corticosteroides Seção 47 por exemplo como agentes antiasmáticos porque eles são capazes de bloquear a biossíntese do ácido araquidônico EXERCÍCIO 1924 Identifique a cadeia do ácido araquidônico nos quatro derivados dados anteriormente 905 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos A natureza também produz ácidos carboxílicos policíclicos complexos Muitos produtos naturais ativos com substituintes carboxila em estruturas policíclicas complexas têm potencial fisiológico que é atribuído a outros grupos de átomos da molécula Nestes compos tos a função do grupo carboxila pode aumentar a solubilidade em água através da formação de sal transportar íons ou permitir a agregação micelar Dois exemplos são o ácido giberélico um promotor do crescimento de plantas manufaturado por fermentação e o ácido lisérgico o produto principal da hidrólise de extratos de um fungo esporão do centeio que parasita gramíneas in cluindo o centeio Muitos derivados do ácido lisérgico têm atividade psicomimética Há registros da Idade Média de milhares de pessoas que ao consumir pão de centeio contaminado experimen taram os efeitos característicos destes compostos alucinações convulsões delírio epilepsia e morte A dietilamida do ácido lisérgico LSD é um dos mais poderosos alucinógenos conhecidos A dose oral efetiva para humanos é de cerca de 005 mg apenas DESTAQUE QUÍMICO 192 Os ácidos graxos trans e sua saúde Mais de 90 das ligações duplas dos ácidos graxos insaturados na turais têm a configuração cis e contribuem para a menor temperatura de fusão dos óleos vegetais em comparação com as gorduras satura das Seção 113 A hidrogenação catalítica de óleos vegetais produz a margarina sólida Todavia este processo não hidrogena todas as ligações duplas Como vimos no Exercício 122 uma quantidade apreciável das ligações cis é levada à configuração trans e se mantém assim no produto final sólido A margarina sintética dura em barra de uma determinada marca americana por exemplo contém cerca de 18 de ácidos graxos saturados AGS e 23 de ácidos graxos trans AGT As margarinas macias cuja exposição à hidrogenação cata lítica é menos severa do que a das margarinas duras contêm mais ou menos o mesmo nível de AGS mas muito menos 510 AGT Para comparação observe que a manteiga natural contém 5060 de AGS e apenas 35 de AGT Quais são as consequências para a saúde dos AGT na dieta hu mana Suspeitavase há algum tempo que os AGT não são meta bolizados no organismo da mesma forma que os isômeros cis Nas décadas de 1960 e 1970 a suspeita foi confirmada por estudos que mostraram que os AGT dos alimentos afetam muito o metabolismo dos lipídeos Talvez a descoberta mais alarmante foi a de que os AGT se acumulam nas membranas celulares aumentam os níveis de lipo proteínas de baixa densidade LDL popular e imprecisamente co nhecidos como colesterol ruim na corrente sanguínea e reduzem as lipoproteínas de alta densidade HDL conhecido como coleste rol bom veja o Destaque Químico 42 Estudos realizados na década de 1990 mostraram que uma die ta rica em AGT aumenta os riscos de câncer de mama e doenças do coração Acreditase hoje que os efeitos causados pelos AGT na saúde são ainda maiores que os dos AGS Embora os AGT sejam um componente pouco importante das dietas alimentares saudáveis os óleos parcialmente hidrogenados e portanto ricos em AGT usa dos em alimentos cozidos comercializados e as gorduras vegetais 18 AGT usadas em frituras em restaurantes tornam o conteúdo de bolos biscoitos e de outros produtos de pastelarias bem como de batatas fritas e outras fast foods alarmantemente alto Em 2005 a Associação Americana de Cardiologia American Heart Associa tion AHA aconselhava limitar o consumo máximo de gorduras a não mais do que 30 do total de calorias consumidas e o total de gorduras trans e saturadas a menos de 10 Em 2006 a AHA passou a recomendar o limite de AGT a menos de 1 das calorias totais Uma refeição de fast foods típica pode exceder de muitos múltiplos esse limite Como resultado a Administração de Comida e Drogas dos Estados Unidos Food and Drug Administration FDA passou a exigir a partir de 2006 que todos os alimentos industrializados pas sassem a divulgar o conteúdo de TGA Desde então muitas comu nidades americanas incluindo grandes cidades como Nova York e Filadélfia e todo o estado da Califórnia passaram a proibir o uso de óleos contendo gorduras parcialmente hidrogenadas com alta percentagem de TGA nos restaurantes A pressão pública tornouse tão intensa que no final de 2008 as cadeias de fast foods mais importantes já tinham passado a usar óleos com baixas ou nenhuma percentagem de TGA em todos os seus produtos As novas batatas fritas agora sem ácidos graxos trans DESTAQUE QUÍMICO 193 Plásticos fibras e energia de hidroxiésteres derivados da biomassa A primeira década do século XXI assistiu a grandes desenvolvimentos no uso variado de materiais naturais que não são derivados do petróleo As fibras sintéticas para a manufatura de tecidos são quase que inteiramente derivadas do petróleo Poliésteres alternativos como o poliácido lático Ingeo podem ser feitos a partir de vegetais inicialmente milho porém eventualmente do amido que pode ser extraído de resíduos vegetais talos palha etc Estimase que a preparação desses poliésteres usa menos dois terços de combustível fóssil do que outras manufaturas convencionais de fibras e o processo emite 8090 menos gases de estufa Vestidos de Ingeo feito de fibras obtidas do milho chegam ao mundo da moda O persistente problema do descarte do lixo plástico convencional cresce cada vez mais porque muitos depósitos estão alcançando seu limite de capacidade de armazenamento destas substâncias altamente resistentes à degradação Seção 1215 Os plásticos biodegradáveis são uma opção para a confecção de itens não reutilizáveis como bolsas filmes e garrafas Um exemplo de material desenvolvido recentemente e já comercializado é o poliβhidróxibutiratocoβhidróxivalerato PHBV um copolímero dos ácidos 3hidróxibutanoico e 3hidróxipentanoico em que os monômeros ligamse por funções éster Os poliésteres PHBV são produzidos pela fermentação bacteriana de misturas que contêm os ácidos acético e propanoico As propriedades dos copolímeros PHBV variam de acordo com a proporção entre os dois hidroxicíados é mais flexível com maior proporção do ácido de cinco átomos de carbono e mais rígida com maior proporção do ácido de quatro átomos de carbono O PHBV é estável em temperaturas inferiores a 140C mas se degrada completamente em pequenas moléculas inocuas em seis meses quando exposto a microrganismos em solos em adubos ou na água Uma aplicação do PHBV é na liberação controlada de fármacos o polímero encapsula uma substância farmacêutica que deve ser liberada apenas após a degradação da cápsula Quando o PHBV é usado para aplicações médicas ele se degrada pela hidrólise do éster aos hidroxicíados originais que são produtos naturais do metabolismo humano e são inofensivos De interesse a longo prazo é o anúncio feito em 2008 do desenvolvimento de uma grama geneticamente modificada switchgrass que produz uma quantidade significativa de poliésteres derivados de ácidos polihidroxialcanoicos PHA nas paredes celulares O polímero PHA pode ser usado diretamente na manufatura de um plástico biodegradável Mirel e os resíduos vegetais podem ser uma fonte em potencial de energia de biomassa Garrafas plásticas biodegradáveis poderão transformar este monte em adubo PLA Ingeo PHBV R CH3 CH2CH3 PHA Mirel ácido giberélico ácido lisérgico EM RESUMO os vários ácidos carboxílicos de ocorrência natural são diferentes na estrutura e na função A condensação de várias unidades de acetila dá origem aos ácidos graxos não ramificados Esses ácidos graxos por sua vez se convertem em numerosas substâncias que têm várias atividades biológicas com frequência úteis em medicina A IDEIA GERAL O grupo funcional dos ácidos carboxílicos combina o grupo carbonila dos aldeídos e cetonas com o grupo hidroxila dos álcoois O grupo carbonila aumenta a acidez do hidrogênio do grupo hidroxila e este grupo permite as reações de substituição no carbono da carbonila via adiçãoeliminação As reações de substituição levam à formação de derivados de ácidos carboxílicos conhecidos como halogenetos anidridos ésteres e amidas Estes derivados são compostos importantes para a síntese de várias outras classes de compostos Veremos no próximo capítulo a grande versatilidade destes derivados que os torna importantes no laboratório de química e em incontáveis processos bioquímicos da natureza Ao terminarmos a apresentação da química do grupo carbonila a única classe importante de compostos simples que falta discutir é a das aminas Capítulo 21 Os cinco capítulos finais do livro tratam de compostos que têm vários grupos funcionais com ênfase nos que têm importância em sínteses e na bioquímica PROBLEMAS DE INTEGRAÇÃO 1925 Proponha um mecanismo para a troca entre um brometo de acila e um ácido carboxílico observada na Etapa 4 da reação de HellVolhardZelinsky SOLUÇÃO Primeiro temos de considerar as alterações que ocorreram e então como elas ocorreram Os dois compostos iniciais trocaram o Br e o OH ligados aos carbonos das carbonilas Como o tema principal do capítulo é a adiçãoeliminação nas reações de substituição na carbonila vamos procurar um caminho lógico que permita esse processo O brometo de αbromoacila tem um átomo de carbono da carbonila fortemente eletrofílico δ devido ao efeito de retirada de elétrons dos dois átomos de bromo Este brometo de acila é portanto um bom candidato a ser atacado pelo átomo mais nucleofílico dos dois compostos o oxigênio da carbonila do ácido carboxílico Lembrese de que este é o sítio mais favorável para o ataque de eletrófilos porque resulta em uma espécie estabilizada por ressonância A eliminação do íon brometo deste intermediário tetraédrico dá um anidrido protonado Uma nova adição de brometo agora no grupo carbonila ativado do anidrido dá um novo intermediário tetraédrico Neste ponto a sequência de troca pode ser completada pela eliminação do ácido carboxílico Este processo pode ser visto como sendo o deslocamento de um oxigênio para outro usando um estado de transição de seis átomos semelhante aos que vimos em várias outras ocasiões Esta etapa leva diretamente à formação das moléculas de produto um ácido αbromocarboxílico e um brometo de acila substituído no carbono α 1926 Lactonas com anéis maiores do que seis átomos podem ser sintetizadas se a tensão do anel e as interações transanelares forem reduzidas veja as Seções 42 a 45 e 96 Uma das mais importantes fragrâncias comerciais é uma dilactona o brassilato de etileno Sua síntese ilustrada abaixo começa com a reação catalisada por ácido do ácido tridecanodioico com o 12etanodiol para dar a substância A C15H28O5 Nas condições de síntese o produto A convertese em um polímero abaixo à esquerda O aquecimento forte decompõe o polímero para dar novamente a substância A Em um processo mais lento A transformase no macrociclo final abaixo à direita que é destilado da mistura de reação o que desloca o equilíbrio em seu favor a Sugira uma estrutura para o composto A SOLUÇÃO Que informações temos sobre este composto Conhecemos sua fórmula molecular e as estruturas de seu precursor imediato e de dois de seus produtos É possível chegar à solução usando qualquer uma destas informações O polímero por exemplo é formado por unidades do monômero um éster o brassilato de etilenoglicol sem o grupo OH do grupo carboxila à esquerda e o H do grupo hidroxila à direita A fórmula desta unidade monomérica é C15H26O4 isto é o composto A menos uma molécula de água Se escrevermos sua estrutura e adicionarmos os elementos de uma molécula de água que faltam teremos A o monoéster mostrado abaixo Usemos outro procedimento As fórmulas moleculares dos dois compostos iniciais somadas dão C15H30O6 isto é A H2O A é portanto o produto da reação de combinação do ácido brassílico com o etilenoglicol com liberação de uma molécula de água exatamente como se observa em uma esterificação b Proponha um mecanismo para as reações que interconvertem a estrutura A o polímero e o macrociclo SOLUÇÃO Ambas as reações são exemplos de esterificação A polimerização se inicia com a formação de um éster entre o grupo hidroxila de uma molécula de A e o grupo carboxila de outra Seguimos o mecanismo de adiçãoeliminação Seção 199 e catálise ácida como especificado na equação original Lembrese de que as 909 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos respostas dos problemas de mecanismos devem usar apenas as espécies químicas especificadas na reação A sequência de etapas do mecanismo é adaptada diretamente dos exemplos do texto 1 protonação da carbo nila atacada 2 adição nucleofílica de um oxigênio de hidroxila para dar um intermediário tetraédrico 3 protonação de um grupo hidroxila do intermediário para formar um bom grupo de saída 4 eliminação de água e 5 perda de próton do oxigênio para dar o produto final Intermediário tetraédrico O produto deste processo é um dímero A repetição da esterificação em cada extremidade do produto leva eventualmente ao poliéster observado na reação Sob aquecimento forte as mesmas etapas ocorrem no sen tido contrário convertendo o polímero no monoéster A E o mecanismo da formação da lactona macrocíclica O processo deve envolver o ataque intramolecular para formar o anel compare as Seções 96 e 177 Podemos escrever exatamente a mesma sequência de eta pas da esterificação usando porém o grupo hidroxila de uma das extremidades de A para atacar o carbono do grupo carboxila da outra extremidade A síntese de lactonas macrocíclicas é um tópico de considerável interesse para a indústria farmacêutica porque elas são a estrutura básica de muitos compostos de valor medicinal Os exemplos incluem a eritromicina A um antibiótico macrolídeo Destaque Químico 202 e o tacrolimus FK506 um poderoso imunossupressor que é uma grande promessa de controle da rejeição no transplante de órgãos em pacientes humanos Novas reações 1 Acidez de ácidos carboxílicos Seção 194 Formação de sal Também com Na2CO3 NaHCO3 2 Basicidade de ácidos carboxílicos Seção 194 Preparação de ácidos carboxílicos 3 Oxidação de álcoois primários e aldeídos Seção 196 4 Carbonação de reagentes organometálicos Seção 196 RMgX CO2 THF RCOOMgX H H2O RCOOH RLi CO2 THF RCOOLi H H2O RCOOH 5 Hidrólise de nitrilas Seção 196 RCN H2O Δ H ou HO RCOOH NH3 ou NH4 Reações de ácidos carboxílicos 6 Ataque nucleofílico no grupo carbonila Seção 197 Adiçãoeliminação catalisada por base O RCL Nu O RCL O RCNu L Adição Eliminação Nu L Grupo de saída Intermediário tetraédrico Adiçãoeliminação catalisada por ácido O RCL H O RCL NuH H RCL OH NuH OH O RCNu O H H HL Eliminação RCL Nu Nu H Intermediário tetraédrico Derivados de ácidos carboxílicos 7 Halogenetos de acila Seção 198 RCOOH SOCl2 RCCl SO2 HCl Cloreto de acila 3 RCOOH PBr3 3 RCBr H3PO3 Brometo de acila 8 Anidridos anidridos carboxílicos Seção 198 RCOOH RCCl RCOCR HCl Anidrido Anidridos cíclicos COOH CH2n COOH Δ H2O CH2n O O C Melhor para sistemas de cinco ou seis átomos 9 Ésteres de ácidos carboxílicos Ésteres Seção 199 Esterificação catalisada por ácido RCO2H ROH H K1 RCOR H2O Ésters cíclicos lactonas CH2OH CH2n COOH H K CH2n O H2O O C Lactona K 1 para anéis com cinco ou seis átomos 10 Amidas de ácidos carboxílicos Amidas Seção 1910 RCOOH RNH2 RCOO RNH3 Δ RCNHR H2O Imidas CH2n COOH RNH2 Δ CH2n NR 2 H2O O C O Amidas cíclicas lactamas CH2NH2 CH2n COOH Δ CH2n NH H2O NH O C Lactama 11 Redução com hidreto de alumínio e lítio Seção 1911 1 LiAlH4CH2CH22O 2 H H2O RCOOH RCH2OH 12 Bromação reação de HellVolhardZelinsky Seção 1912 RCH2COOH Br2 traços de P Br RCHCOOH Conceitos importantes 1 Os ácidos carboxílicos são nomeados como ácidos alcanoicos O carbono da carbonila recebe o número 1 na maior cadeia que incorpora o grupo carbóxi Os ácidos dicarboxílicos são chamados de ácidos alcano dioxicos Os sistemas cíclicos e aromáticos são chamados de ácidos cicloalcanocarboxílicos e ácidos benzoicos respectivamente Nestes sistemas o carbono do anel ligado ao grupo carbóxi recebe o número 1 2 O grupo carboxila é aproximadamente trigonal plano Exceto em soluções muito diluídas os ácidos carboxílicos formam dímeros por ligação hidrogênio 3 O deslocamento químico de hidrogênio do próton dos ácidos carboxílicos é variável mas é relativamente alto δ1013 ppm devido às ligações hidrogênio O carbono da carbonila também é relativamente desblindado mas não tanto como em aldeídos e cetonas devido à contribuição de ressonância do grupo hidróxi A função carboxila têm duas bandas importantes no infravermelho uma em cerca de 1710 cm1 devido a CO e outra muito larga entre 2500 e 3300 cm1 devido ao grupo OH 4 O grupo carbonila de ácidos carboxílicos sofre a adição de nucleófilos e dá um intermediário tetraé drico instável que se decompõe por eliminação do grupo hidróxi para dar um derivado de ácido carboxílico 5 O hidreto de alumínio e lítio é um nucleófilo suficientemente forte para se adicionar ao grupo carbonila dos carboxilatos Este processo permite a redução dos ácidos carboxílicos a álcoois primários Problemas 27 Nomeie pelo sistema IUPAC ou pelo do Chemical Abstracts ou desenhe a estrutura dos seguintes compostos a b c d e f g h Ácido oorselínico Ácido ftálico i Ácido 4aminobutanoico também conhecido como GABA essencial na bioquímica do cérebro j ácido meso23dimetilbutanodioico k ácido 2oxopropanoico ácido pirúvico l ácido trans2formilciclohexanocarboxílico m ácido Z3fenil2butenoico n ácido 18naftalenodicarboxílico 28 Nomeie cada um dos seguintes compostos pelo sistema IUPAC ou pelo do Chemical Abstracts Preste atenção à ordem de precedência dos grupos funcionais a b c d 29 Coloque o grupo de moléculas abaixo na ordem decrescente dos pontos de ebulição e das solubilidades em água Explique suas respostas 30 Coloque na ordem decrescente de acidez as moléculas de cada grupo de compostos orgânicos a CH3CH2CO2H CH3CCH2OH CH3CH2CH2OH b BrCH2CO2H ClCH2CO2H FCH2CO2H c CH3CHCH2CO2H ClCH2CH2CH2CO2H CH3CH2CHCO2H d CF3CO2H CBr3CO2H CH33CCO2H e COOH O2N COOH O2N COOH CH3O COOH 31 Proponha uma estrutura para um composto que tem os seguintes dados espectroscópicos O íon molecular no espectro de massas aparece em mz 116 IV ṽ 1710 s e 3000 s largo cm1 1HRMN δ 094 t J 70 Hz 6 H 159 m 4 H 236 quin J 70 Hz 1 H e 1204 s largo 1 H ppm 13CRMN 117 247 487 e 1830 ppm Preparação de ácidos carboxílicos Número da seção O RCOR H ou OH H2O Outro produto ROH 85 199 201 204 RCH2OH K2Cr2O7 H H2O 86 196 O RCH Oxidante ie CrO3 KMnO4 Ag Cu2 H2O2 HNO3 O2Rh3 Br2 1714 195 196 244 249 RMgBr CO2 196 RCN H ou OH H2O 196 208 262 O R OH 201 202 201 203 201 206 265 222 245 266 H ou OH H2O O RCCl H ou OH H2O O RCOCR H ou OH H2O Δ O R RCN H ou OH H2O Δ R R Produto COOH KMnO4 OH Δ R Produtos HCOH RCH HIO4 H2O O OH HC CR H Outro produto CH3 H2 PdC RCOCH2 915 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos Reações de ácidos carboxílicos Número da seção ou ou Substrato Substrato Substrato Substrato 916 Química Orgânica 32 a Um composto desconhecido A tem fórmula C7H12O2 e espectro de infravermelho A página 917 A que classe de compostos esta substância pertence b Use os outros espectros RMNB página 917 e F página 919 IVD E e F páginas 918919 além das informações espectrométricas e químicas da sequên cia de reações para determinar a estrutura do composto A e das substâncias desconhecidas B a F Seções importantes de capítulos anteriores são citadas mas não as veja antes de tentar resolver o problema c Outro composto desconhecido G tem fórmula C8H14O4 e espectros de RMN e IV identificados como G página 920 Proponha uma estrutura para esta molécula d O composto G pode ser facilmente sinteti zado a partir de B Proponha uma sequência eficiente para isso e Proponha uma sequência totalmente diferente da de b para a conversão de C em A f Por fim construa um esquema de síntese que seja o inverso do mostrado em b isto é a conversão de A em B Seção 127 CRMN CRMN 221 245 1262 ppm 244 259 355 695 ppm 238 265 404 2085 ppm CRMN HRMN HRMN IV de D IV de E IV de F Seção 86 Seção 1712 Seção 128 Seção 86 acetona 33 Dê os produtos das reações abaixo 34 Quando os ácidos 14dicarboxílicos e 15dicarboxílicos como o ácido butanodioico succínico Seção 198 são tratados com SOCl2 ou PBr3 na tentativa de preparar halogenetos de dialcanoíla obtêmse os anidridos cíclicos respectivos Explique usando mecanismos 35 Revisão de reações Sem consultar o Mapa de Reações da p 914 sugira reagentes que convertam cada um dos seguintes reagentes de partida em ácido hexanoico a hexanal b hexanoato de metila c 1bromopentano d 1hexanol e hexanonitrila 36 Revisão de reações II Sem consultar o Mapa de Reações da p 915 sugira reagentes que convertam o ácido hexanoico em cada um dos seguintes compostos a 1hexanol b anidrido hexanoico c cloreto de hexanoíla d ácido 2bromohexanoico e hexanamida 37 Dê os reagentes adequados para as transformações abaixo Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos 917 0 100 IR 3040 1704 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 600 cm1 Transmitancia Número de ondas IV de A 1HRMN 4 H 2 H 4 H 568 566 564 20 18 16 55 50 45 40 35 30 25 20 15 Espectro de 1HRMN em 300 MHz ppm δ B CH3 NHCH3 CH3 N CH3 O g 0 100 IR 1715 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 600 cm1 Transmitancia Número de ondas IV de D 0 100 IR 3072 1649 888 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 600 cm1 Transmitancia Número de ondas IV de E 38 Para cada um dos ácidos carboxílicos dados abaixo proponha sínteses que empreguem pelo menos uma reação em que há formação de uma ligação carbonocarbono OH CH3CH2CH2CH2CH2CH2CO2H a b c CH3CHCH2CO2H H3CCCO2H CH3 1HRMN 2 H 5 H 4 H 2 H CH34Si Espectro de 1HRMN em 300 MHz ppm δ F 100 Transmittância 3328 1035 0 IR 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 600 cm1 Número de ondas IV de F 39 a Proponha um mecanismo para a esterificação do ácido propanoico com etanol marcado com 18O Mostre o destino do 18O b A hidrólise com água marcada com 18O H2 18O catalisada por ácido de um éster não marcado leva à incorporação de 18O em ambos os oxigênios do ácido carboxílico final Explique este fato usando mecanismos Sugestão lembrese de que todas as etapas do mecanismo são reversíveis 1HRMN 6 H 4 H 4 H CH34Si Espectro de 1HRMN em 300 MH ppm δ G 100 Transmittância 1742 0 IR 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 600 cm1 Número de ondas IV de G 40 Dê os produtos da reação do ácido propanoico com cada um dos reagentes abaixo a SOCl2 b PBr3 c CH3CH2COBr piridina d CH32CHOH HCl e CH2NH2 f Produto de e aquecido fortemente g LiAlH4 depois H H2O h Br2 P 41 Dê os produtos da reação do ácido ciclopentanocarboxílico com cada um dos reagentes do Problema 40 42 DESAFIO Quando metilcetonas são tratadas com um halogênio na presença de uma base os três átomos do carbono de metila são substituídos para dar uma cetona substituída com CX3 Este produto não é estável nas condições básicas e reage com hidróxido para formar no fim o ácido carboxílico na forma da base conjugada e uma molécula de CX3H que tem o nome comum de halofórmio clorofórmio bromofórmio e iodofórmio para X Cl Br I respectivamente Por exemplo O RCCBr3 OH O RCO HCBr3 Proponha uma série de etapas mecanísticas para converter a tribromocetona em carboxilato Qual é o grupo de saída Por que você acha que essa espécie pode agir como um grupo de saída neste processo 43 Interprete os picos marcados no espectro de massas do ácido 2metilhexanoico EMH EMH MS 100 50 0 74 87 130 45 mz Abundância relativa CH3CH2CH2CH2CHCOOH CH3 44 Sugira um método de preparação do ácido hexanoico a partir do ácido pentanoico 45 Indique os reagentes e as condições de reação que permitem a conversão eficiente do ácido 2metilbutanoico a no cloreto de acila respectivo b no éster de metila respectivo c o éster de 2butila respectivo d o anidrido e a Nmetilamida f CH3CH2CHCH2OH g CH3CH2CCO2H CH3 46 O tratamento do ácido 4pentenoico margem com Br2 na presença de base diluída em água fornece um composto não ácido de fórmula C4H7BrO2 a Sugira uma estrutura para este composto e um mecanismo para sua formação b Será que você pode encontrar um segundo isômero cuja produção é também mecanisticamente razoável c Discuta os fatos que contribuem para determinar qual dos dois é o produto principal da reação Sugestão reveja a Seção 126 47 Mostre como a reação de HellVolhardZelinsky pode ser usada na síntese de cada um dos compostos abaixo partindo em cada caso de um ácido monocarboxílico simples Escreva um mecanismo detalhado para todas as reações de uma das sínteses a CH3CH2CHCO2H NH2 b CHCO2H CO2H c OH OH O d HO2CCH2SSCH2CO2H e CH3CH22NCH2CO2H f C6H53PCHCO2H Br CH3 O Ácido 4pentenoico 48 A reação de HellVolhardZelisnky produz apenas ácidos bromocarboxílicos Porém procedimentos modificados tornaram possível converter cloretos de acila nos derivados αcloro e αbromo pela reação com Nclorobutanimida e Nbromobutanimida Nclorosuccinimida e Nbromosuccinimida NCS e NBS Seção 142 respectivamente A reação com I2 fornece cloretos de αiodoacila Sugira um mecanismo para um desses processos 49 Como a acidez da acetamida se compara com a do ácido acético E com a da acetona Quais são os prótons mais ácidos da acetamida Qual é a posição esperada para a protonação da acetamida por um ácido muito forte 50 A tentativa de oxidação do 14butanodiol com CrO3 resulta na formação de quantidade significativa de γbutirolactona Explique usando mecanismos 51 Siga o mecanismo geral da Seção 197 e escreva mecanismos detalhados para cada uma das seguintes reações de substituição Nota estas transformações serão tratadas no Capítulo 20 porém tente resolvêlas sem consultálo a b 52 Sugira estruturas para os produtos da sequência de síntese abaixo 53 As reações SN2 de carboxilatos simples com halogenoalcanos Seção 85 em água geralmente não dão ésteres em bons rendimentos a Explique b A reação de 1iodobutano com acetato de sódio dá o éster em excelente rendimento se feita em ácido acético como mostramos Por que o ácido acético é um solvente melhor para este processo do que a água c A reação do 1iodobutano com o dodecanoato de sódio dá um resultado surpreendentemente bom em água muito melhor do que a reação com acetato de sódio veja a equação abaixo Explique Sugestão o dodecanoato de sódio é um sabão e forma micelas em água Veja o Destaque Químico 191 923 Capítulo 19 Ácidos Carboxílicos 54 DESAFIO Os iridoides são uma classe de monoterpenos com várias e potentes atividades biológicas Eles incluem inseticidas agentes de defesa contra insetos predadores e atraentes de animais A se quência de reações abaixo é uma síntese da neonepetalactona uma das nepetalactonas os constituintes primários da gataria ervadosgatos Use a informação dada para deduzir as estruturas que faltam incluindo a da neonepetalactona IV Base Diciclohexilborano THF IV IV IV Neonepetalactona e e e muito larga IV e muito forte e 55 DESAFIO Proponha dois mecanismos possíveis para a reação seguinte Sugestão verifique os possí veis sítios de protonação da molécula e as consequências mecanísticas de cada um deles Proponha um experimento que use a marcação isotópica para distinguir entre seus dois mecanismos 56 Proponha uma síntese curta para o ácido 2butinoico CH3CqCCO2H começando com o propino Su gestão reveja as Seções 132 e 135 57 Os anéis benzeno de muitos compostos naturais são preparados por uma sequência bioquímica seme lhante à da biossíntese dos ácidos graxos Unidades acetila são acopladas mas as funções cetona não são reduzidas O resultado é um tioéster policetido que forma anéis por condensação de aldol intramolecular proteína Tioéster policetido O ácido oorselínico veja a estrutura no Problema 27g é um derivado do ácido salicílico cuja bios síntese parte do tioéster policetido Explique como isso acontece A hidrólise do tioéster para formar o ácido carboxílico livre é a última etapa Trabalho em grupo 58 Vimos na Seção 199 que os 4hidroxiácidos e os 5hidroxiácidos podem sofrer esterificação intra molecular catalisada por ácido para dar lactonas em bom rendimento Examinem os dois exemplos de lactonização dados abaixo Dividam a análise das sequências da reação entre o grupo Proponham mecanismos razoáveis para explicar a formação dos produtos Dois diasteroisômeros Isômeros cis e trans Note a estereoquímica Juntemse novamente para discutir os mecanismos propostos 924 Química Orgânica Problemas préprofissionais 59 Qual o nome IUPAC de cada composto mostrado a Ácido E3metil2hexenoico b Ácido Z3metil2hexenoico P H3C C C H CO2H CH3CH2CH2 i f i f c Ácido E3metil3hexenoico d Ácido Z3metil3hexenoico 60 Selecione o ácido que tem o maior Ka isto é o menor pKa 61 O ácido cuja estrutura é mostrada na margem é mais bem preparado por uma destas sequências Qual Benzeno éter tratamento com Q uando os sistemas orgânicos complexos naturais evo luíram na natureza eles se formaram com frequência pela reação entre as carbonilas de grupos carbóxi e os heteroátomos de álcoois aminas ou tiois As etapas dos me canismos dos processos de adiçãoeliminação que vimos no Capítulo 19 têm energias de ativação relativamente baixas para a interconversão dos diversos derivados de ácidos car boxílicos e muitos deles têm papel importante em biologia Capítulo 26 Para os químicos estes compostos também são muito úteis como veremos neste capítulo em que trata mos da química de quatro tipos importantes de derivados de ácidos carboxílicos os halogenetos os anidridos os ésteres e as aminas que têm um substituinte L que funciona como grupo de saída em reações de substituição Já conhecemos o deslocamento do halogeneto em por um grupo carbóxi com formação de anidrido Derivados de ácidos carboxílicos Começaremos pela comparação da estrutura propriedades e reatividades relativas dos deri vados de ácidos carboxílicos Veremos depois as reações químicas de cada tipo de composto Os halogenetos e anidridos são úteis na síntese de outros compostos carbonilados Os ésteres e ami das são muito importantes na natureza Os ésteres por exemplo incluem compostos responsáveis pelo sabor ceras gorduras e óleos Dentre as aminas estão a ureia e a penicilina As alcanonitri las RCqN também serão tratadas aqui porque têm reatividade semelhante Derivados de Ácidos Carboxílicos C A P Í T U L O 20 A resistência da ligação amida é demonstrada amplamente pelas propriedades da polip fenilenotereftalamida conhecida comercialmente como Kevlar que é usada em coletes à prova de balas e proteção do corpo Desenvolvido pela química da DuPont Stephanie Kwolek o Kevlar é 20 vezes mais resistente do que o nylon o polímero anteriormente usado nestas aplicações Suas propriedades derivamse da planaridade de seus anéis benzeno combinada com a rotação restrita das ligações amida Seção 206 Milhares de policiais devem suas vidas a este material capaz de parar a bala de uma arma de calibre 9 mm que viaja a cerca de 400 m por segundo 926 Química Orgânica 201 Reatividades relativas estruturas e espectros dos derivados de ácidos carboxílicos Os derivados de ácidos carboxílicos sofrem reações de substituição com nucleófilos como a água compostos organometálicos e hidretos na sequência de adiçãoeliminação catalisada por ácido ou por base que já nos é familiar Seção 197 Adiçãoeliminação em derivados de ácidos carboxílicos Intermediário tetraédrico As reatividades relativas dos substratos seguem a ordem halogenetos de acila os mais reati vos seguidos pelos anidridos depois os ésteres e por fim as amidas as menos reativas Reatividade relativa dos derivados de ácidos carboxílicos em reações de adiçãoeliminação nucleofílica com água Halogeneto de acila Anidrido Éster Amida Rápido Lento Muito lento necessita de catalisador e aquecimento Extremamente lento necessita de catalisador e aquecimento prolongado Aumento da reatividade A ordem de reatividade depende diretamente da estrutura de L isto é o quanto ele é bom como grupo de saída e que efeito tem sobre a função carbonila Este efeito pode ser entendido analisan do como as várias formas de ressonância AC contribuem para a estrutura do derivado de ácido carboxílico No desenho B tem uma contribuição pouco importante porque a estrutura tem seis elétrons em um átomo de C Usamos essas formas somente para enfatizar a polaridade da função carbonila Isso nos deixa com A e a alternativa dipolar C A será sempre mais importante porque não há separação de carga Seção 15 A questão é como C ajuda a estabilizar o grupo funcional por deslocalização dos pares de elétrons do substituinte L pelo oxigênio da carbonila Ressonância nos derivados de ácidos carboxílicos Não é octeto pouco importante 927 Capítulo 20 Derivados de Ácidos Carboxílicos A resposta está na eletronegatividade de L A diminuição da eletronegatividade aumenta a con tribuição de C Como vimos na Seção 67 a redução da eletronegatividade também vai levar à redução da capacidade de saída do grupo e à redução da acidez do ácido conjugado Diminuição da eletronegatividade Diminuição da capacidade de saída do grupo Diminuição da acidez do ácido conjugado HL Aumento da contribuição da forma C por ressonância Assim a contribuição da forma de ressonância dipolar é mais importante quando L é NR2 porque o nitrogênio é o átomo menos eletronegativo da série Consequentemente as amidas são os derivados de ácidos carboxílicos menos reativos Nos ésteres a contribuição da forma de ressonância C é menos importante porque o oxigênio é mais eletronegativo do que o nitrogênio A ressonância no entanto é mais importante veja também a Seção 161 e embora os ésteres sejam mais reativos do que as amidas eles ainda são razoavelmente resistentes ao ataque nucleofílico Por outro lado os anidridos são mais reativos do que os ésteres porque o par de elétrons livres do oxigênio central dos anidridos é partilhado pelos dois grupos carbonila o que diminui a estabilização por ressonância forma C Por fim os halogenetos de acila são os mais reativos por duas razões eletronegatividade relativa F Cl Tabela 12 e entrosamento ruim entre os orbitais p dos halogênios Cl Br I Seção 16 lobo 2p do carbono da carbonila com os relativamente pequenos O mapa de potencial eletros tático na margem mostra dois exemplos extremos o cloreto de acetila e a acetamida No cloreto de acetila o carbono da carbonila tem carga positiva maior em azul do que na acetamida em verde Além disso a doação de elétrons pelo grupo L Cl versus NH2 é mais efetiva na amida como se pode ver pela carga negativa maior no oxigênio da carbonila em vermelho EXERCÍCIO 201 Trabalhando com os conceitos reatividade relativa dos derivados de ácidos carboxílicos O fosgênio o cloroformato de fenilmetila o dicarbonato de bis11dimetiletila o dicarbonato de dimetila e a ureia são derivados do ácido carbônico H2CO3 formado pela dissolução de CO2 em água Coloque estes compostos na ordem decrescente de reatividade frente às reações de adiçãoeliminação nucleofílicas Fosgênio Cloroformato de fenilmetila Bicarbonato de bis11dimetiletila Carbonato de dimetila Ureia Estratégia Como o ácido carbônico todos estes compostos têm substituintes que contêm heteroátomos O N ou halogênio nos dois lados do carbono da carbonila Os argumentos utilizados anteriormente para explicar a reatividade relativa dos derivados de ácidos carboxílicos também se aplicam Solução O efeito dos substituintes de cada lado do carbono da carbonila pode ser considerado aditivo em primeira aproximação A única diferença é que o efeito do segundo substituinte sobre a carbonila reduzse porque dois grupos têm de competir pela ressonância com a ligação p de CPO Assim o fosgênio que tem halogênios dos dois lados pode ser considerado um halogeneto de acila em dobro e é o mais reativo A reatividade decresce na ordem em que os compostos foram apresentados O cloroformato é metade halogenetometade éster ambas as carbonilas do dicarbamato são metade anidridometade éster o carbonato é éster em dobro e a ureia uma amida em dobro é a menos reativa Cloreto de acetila Acetamida EXERCÍCIO 202 Tente você Onde você colocaria os compostos abaixo na sequência de reatividade do Exercício 201 Sugestão leve em conta os efeitos estéricos Quanto maior for a ressonância mais curta será a ligação CL A importância da ressonância pode ser observada diretamente nas estruturas dos derivados de ácidos carboxílicos Na progressão de halogenetos de acila a ésteres e amidas a ligação CL tornase progressivamente mais curta devido ao aumento do caráter de ligação dupla Tabela 201 O espectro de RMN de amidas mostra que a rotação em torno desta ligação tornase restrita A NNdimetilformamida por exemplo na temperatura normal tem dois singletos para os grupos metila porque a rotação em torno da ligação CN é lenta na escala de tempo da RMN As evidências apontam para um considerável entrosamento π entre o par de elétrons livres do nitrogênio e o carbono da carbonila em consequência do aumento da importância da ressonância dipolar nas amidas A barreira de rotação é de cerca de 21 kcal mol1 88 kJ mol1 Observe que estas observações não estão de acordo com a estrutura da amônia mostrada na Figura 120 Seção 18 A amônia e as aminas simples como veremos na Seção 212 tem geometria coerente com a hibridação sp3 para reduzir a repulsão entre os pares de elétrons Ao contrário o par de elétrons livres do nitrogênio de uma amida fica em um orbital p para permitir o entrosamento π com o orbital p do átomo de carbono da carbonila Em consequência o átomo de nitrogênio da amida tem geometria trigonal plana e hibridação sp2 A estabilização em razão do entrosamento π na forma planar suplanta a preferência normal pelo arranjo tetraédrico dos pares de elétrons Veremos na Seção 264 que a planaridade do nitrogênio das amidas é o determinante mais importante da estrutura e portanto da função de peptídeos e proteínas EXERCÍCIO 203 O grupo metila produz dois singletos em δ 202 e 210 ppm no espectro de 1HRMN da 1acetil2fenilhidrazina na margem obtido na temperatura normal O espectro obtido em 100C tem apenas um sinal nesta região Explique Tabela 201 Comparação dos comprimentos da ligação CL em RCL com as distâncias RL simples Tabela 202 Frequências de deformação axial da carbonila em derivados de ácidos carboxílicos comparável ao encontrado nos anidridos de ácidos carboxílicos mais alta do que a dos ésteres e mais baixa do que a dos halogenetos tudo coerente com o grau de deslocalização por ressonância nos ácidos carboxílicos Além das bandas de infravermelho dos grupos carbonila as amidas mostram bandas provenientes da deformação axial das ligações NH Na região de 3100 a 3400 cm1 as amidas com duas ligações NH mostram duas bandas e as que têm uma única ligação NH uma banda veja a Seção 203 Os sinais de 13CRMN dos carbonos de carbonila dos derivados dos ácidos carboxílicos são menos sensíveis às diferenças de polaridade e são observados na região de 170 ppm Deslocamento químico na 13CRMN do carbono da carbonila em derivados de ácidos carboxílicos Como em outros compostos carbonilados os espectros de massas dos derivados de ácidos carboxílicos mostram tipicamente picos de quebra α e de rearranjo de McLafferty EXERCÍCIO 204 O espectro de massas do pentanoato de metila peso molecular 116 mostra picos de fragmentação em mz 85 74 e 57 Explique esses picos Os derivados de ácidos carboxílicos são básicos e ácidos A importância da ressonância nos ácidos carboxílicos também pode ser vista por sua basicidade protonação do oxigênio da carbonila e sua acidez formação de enolato A protonação requer o uso de ácidos fortes mas tornase mais fácil quando a capacidade de doação de elétrons do grupo L aumenta A protonação é importante nas reações de adiçãoeliminação nucleofílica catalisadas por ácido Química Orgânica Protonação de um derivado de ácido carboxílico EXERCÍCIO 205 O oxigênio do cloreto de acetila é muito menos básico do que o da acetamida Explique usando estruturas de ressonância Pela mesma razão a acidez do hidrogênio do carbono vizinho do grupo carbonila aumenta ao longo da série A acidez de uma cetona está entre a de um cloreto de acila e a de um éster Comparação entre a acidez dos hidrogênios α de derivados de ácidos carboxílicos e os da acetona EXERCÍCIO 206 Dê um exemplo de uma reação do Capítulo 19 que use a acidez relativa dos hidrogênios α dos halogenetos de acila EM RESUMO a eletronegatividade relativamente alta e o tamanho de L em RCL determina a importância da ressonância com o par de elétrons livres e a reatividade relativa dos derivados de ácidos carboxílicos frente às reações de adiçãoeliminação nucleofílicas Este efeito manifestase na estrutura e na espectroscopia destes compostos bem como na acidez do hidrogênio α e na basicidade relativa do oxigênio da carbonila 202 Química de halogenetos de acila Os halogenetos de acila RCX são nomeados segundo os ácidos alcanoicos de que derivam Os halogenetos dos ácidos cicloalcanocarboxílicos são chamados de halogenetos de cicloalcanocarbonila Os halogenetos de acila sofrem reações de adiçãoeliminação nucleofílica nas quais outros nucleófilos substituem o grupo de saída halogeneto Esses compostos são tão reativos que a catálise não é normalmente necessária Reações de adiçãoeliminação de halogenetos de alcanoíla Capítulo 20 Derivados de Ácidos Carboxílicos Figura 201 Reações de adiçãoeliminação nucleofílica de halogenetos de acila A Figura 201 lista vários reagentes nucleofílicos e os produtos correspondentes Esta reatividade variada torna os halogenetos de acila intermediários úteis em sínteses Veremos cada uma destas transformações exceto a formação de anidridos que foi discutida na Seção 198 Os exemplos se restringem aos cloretos de acila que são mais fáceis de manipular mas estas transformações se aplicam em geral aos outros halogenetos de acila Hidrólise de cloretos de acila a ácidos carboxílicos Os cloretos de acila reagem com água com frequência violentamente para formar ácidos carboxílicos e cloreto de hidrogênio Esta transformação é um exemplo simples de adiçãoeliminação e é representativa das reações dessa classe de compostos REAÇÃO MECANISMO Os álcoois convertem os cloretos de acila em ésteres A reação análoga dos cloretos de acila com os álcoois é um método muito eficiente de produção de ésteres Costumase adicionar aos reagentes bases como hidróxidos de um metal alcalino piridina ou aminas terciárias para neutralizar o HCl que se forma Como os cloretos de acila são facilmente obtidos a partir de ácidos carboxílicos Seção 198 a sequência RCOOH RCOCl RCOOR é um bom método de esterificação Em condições neutras ou básicas esta metodologia evita o problema do equilíbrio na reação de formação de ésteres catalisadas por ácido Esterificação de Fischer Seção 199 932 Química Orgânica Síntese de ésteres a partir de ácidos carboxílicos via cloretos de acila base Cloreto de acetila 1Propanol Acetato de propila Cloreto de trietilamônio veja o Problema 35 EXERCÍCIO 207 Você aprendeu que o 2metil2propanol álcool tercbutílico sofre desidratação na presença de ácido Seção 92 Sugira uma síntese do acetato de 11dimetiletila acetato de tercbutila na margem a partir do ácido acético Evite condições que poderiam levar à desidratação do álcool As aminas convertem os cloretos de acila em amidas As aminas secundárias e primárias bem como a amônia convertem os cloretos de acila em ami das Como se pode ver no primeiro exemplo abaixo uma solução de amônia em água funciona bem na síntese de amidas simples O NH3 é um nucleófilo muito mais forte do que a água e tem preferência na reação com o derivado carbonilado Como na formação de ésteres o HCl que se forma é neutralizado pela adição de base que pode ser excesso da amina Cloreto de benzoíla Cloreto de propenoíla Nmetilpropenamida Benzamida Excesso Benzeno Amidas a partir de halogenetos de acila O mecanismo desta transformação é também adiçãoeliminação que se inicia pelo ataque do nitrogênio nucleofílico da amina ao carbono da carbonila Mecanismo de formação de amida a partir de cloretos de acila Intermediário tetraédrico Observe que na última etapa o nitrogênio tem de eliminar um próton para dar a amida Em con sequência as aminas terciárias que não têm hidrogênios ligados ao nitrogênio não podem formar Acetato de 11dimetiletila acetato de tercbutila REAÇÃO MECANISMO 933 Capítulo 20 Derivados de Ácidos Carboxílicos amidas Em vez disto elas convertem os halogenetos de acila em sais de acilamônio Nestas es pécies o nitrogênio não tem um par de elétrons livres para estabilizar a função carbonila por res sonância Ao contrário a carga positiva ativa o carbono da carbonila para o ataque nucleofílico Em consequência os sais de acilamônio têm reatividade semelhante à dos halogenetos de acila Uma consequência útil deste comportamento é que a acilação de outras funções pode ser feita na presença de substituintes amino terciários Acetilação de um tercaminoálcool Intermediário reativo sal de acilamônio EXERCÍCIO 208 Algumas preparações de amidas a partir de halogenetos de acila requerem aminas primárias ou secun dárias muito caras para serem usadas como base para neutralizar o halogeneto de hidrogênio Sugira uma solução para este problema Os reagentes organometálicos convertem os cloretos de acila em cetonas Os reagentes organometálicos RLi e RMgX atacam o grupo carbonila de cloretos de acila para produzir as cetonas correspondentes Essas cetonas no entanto são atacadas por reagentes relativa mente não seletivos como os organolítios RLi e os reagentes de Grignard RMgX para dar álcoois veja a Seção 88 A melhor maneira de obter as cetonas é usar os diorganocupratos Seção 1810 que são muito mais seletivos do que RLi ou RMgX e não reagem com as cetonas produzidas Formação de uma cetona a partir de um halogeneto de acila A redução de cloretos de acila dá aldeídos É possível converter os cloretos de acila em aldeídos por redução com hidretos Nesta trasforma ção ocorre também um problema de seletividade O borohidreto de sódio e o hidreto de alumínio e lítio convertem os aldeídos em álcoois Para impedir isto costumase modificar o LiAlH4 fa zendo que ele reaja primeiramente com três moléculas de 2metil2propanol álcool tercbutílico veja a Seção 86 Este tratamento neutraliza três dos quatro hidretos reativos deixando um hidre to que é nucleofílico o suficiente para atacar o cloreto de alcanoíla mas não o aldeído Redução com hidreto de alumínio e lítio modificado Preparação do reagente Hidreto de tritercbutóxialumínio e lítio 934 Química Orgânica Redução Éter como solvente Redução de um halogeneto de acila a um aldeído Cloreto de 2butenoíla 2Butenal EXERCÍCIO 209 Prepare os seguintes compostos a partir do cloreto de butanoíla EM RESUMO os cloretos de acila são atacados por vários nucleófilos A reação leva a outros derivados de ácido carboxílico a cetonas e a aldeídos via adiçãoeliminação A reatividade dos cloretos de acila tornaos úteis em sínteses que envolvem a formação de outros compostos carbonilados 203 A reatividade dos anidridos Os anidridos de ácidos carboxílicos ou simplesmente anidridos são nomeados subs tituindose a palavra ácido por anidrido no nome do ácido carboxílico ou nomes no caso de anidridos mistos A regra também se aplica aos derivados cíclicos Anidrido 2butenodioico anidrido maleico Anidrido pentanodioico anidrido glutárico Anidrido acético As reações de anidridos com nucleófilos apesar de menos vigorosas são análogas às que vi mos para os halogenetos de acila O grupo de saída é o íon carboxilato no lugar do íon halogeneto Anidrido 12benzeno dicarboxílico anidrido ftálico Anidrido acético propanoico um anidrido misto 935 Capítulo 20 Derivados de Ácidos Carboxílicos Adiçãoeliminação nucleofílica de anidridos Intermediário tetraédrico Íon carboxilato bom grupo de saída Reações típicas de anidridos Anidrido acético Anidrido propanoico Propanoato de metila Ácido propanoico Ácido acético Hidrólise Alcoólise formação de éster Nas reações de adiçãoeliminação exceto na hidrólise o ácido carboxílico obtido como produto lateral não tem interesse e é removido pelo tratamento com uma solução de base diluída Nos anidridos cíclicos as reações levam à abertura do anel Abertura nucleofílica de anidridos cíclicos Anidrido butanodioico succínico veja o Problema 38 EXERCÍCIO 2010 O tratamento do anidrido butanodioico succínico com amônia em temperaturas elevadas leva a um composto de fórmula C4H5NO2 Qual é sua estrutura Sugestão consulte a Seção 1910 EXERCÍCIO 2011 Formule um mecanismo para a reação do anidrido acético com o metanol na presença de ácido sulfúrico Apesar da química de anidridos carboxílicos ser muito semelhante à dos halogenetos de acila os anidridos têm algumas vantagens práticas Os halogenetos de acila são tão reativos que dificilmente podem ser estocados por muito tempo sem que ocorra hidrólise pela reação com a umidade do ar Como resultado os químicos normalmente preparam os halogenetos de acila imediatamente antes do uso Os anidridos reagem com os nucleófilos com mais dificuldade e são mais estáveis Vários deles incluindo todos os exemplos desta seção são disponíveis comercial mente Isto faz os anidridos carboxílicos serem preferidos na preparação de muitos derivados de ácidos carboxílicos EM RESUMO como os halogenetos de acila os anidridos reagem com os nucleófilos O grupo de saída porém é um íon carboxilato Os anidridos cíclicos dão derivados de ácidos dicarboxílicos Química Orgânica 204 A química dos ésteres Como vimos na Seção 199 os ésteres RCOR são talvez a mais importante classe de derivados dos ácidos carboxílicos Eles estão espalhados pela natureza contribuindo principalmente para o sabor e o aroma agradável de muitas flores e frutas As propriedades químicas dos ésteres são típicas das carbonilas mas a reatividade é reduzida em relação aos halogenetos de acila e aos anidridos Esta seção inicia com a apresentação das regras de nomenclatura dos ésteres com vários exemplos de substâncias naturais Segue com a descrição das propriedades químicas dos ésteres com ênfase nas reações com nucleófilos Os ésteres são alcanatos de alquila Os ésteres são nomeados como alcanatos de alquila O grupo éster COR como um substituinte é chamado de alcoxicarbonila Os ésteres cíclicos são conhecidos como lactonas o nome comum Seção 199 O nome sistemático porém é oxa2cicloalcanona Seção 251 O nome comum é precedido pelos indicadores da posição de ligação α β γ δ etc e depende do tamanho do anel Lactonas Ésteres cíclicos Além de serem encontrados em plantas os ésteres também têm papel biológico importante nos animais Vimos na Seção 1217 muitos exemplos de ésteres que funcionam como feromônios de insetos Talvez o exemplo mais estranho destes ésteres seja o acetato de Z7dodecenila um dos componentes dos feromônios de muitas espécies de traças Descobriuse recentemente que este mesmo composto é o feromônio de acasalamento dos elefantes Quem disse que a natureza não tem senso de humor Descreveremos na Seção 205 algumas funções biológicas mais convencionais dos ésteres As lactonas ésteres cíclicos também são bem distribuídas na natureza A facilidade de obtenção da γvalerolactona a partir de fontes renováveis de plantas levoua a ser considerada seriamente como um biocombustível verde em potencial O Problema 46d descreve isso em detalhes EXERCÍCIO 2012 Dê nomes aos seguintes ésteres Na indústria os ésteres de baixo peso molecular como o acetato de etila pe 77ºC e o acetato de butila pe 127ºC são usados como solventes O butanoato de butila por exemplo substituiu o tricloroetano que ataca a camada de ozônio como solvente de limpeza na manufatura de componentes eletrônicos como os chips de computadores Os ésteres de peso molecular mais elevado e baixa volatilidade são usados como aditivos para aumentar a flexibilidade de polímeros plastificantes veja a Seção 1215 usados em tubos flexíveis por exemplo tubos de Tygon e canos de borracha e em tapeçaria Os ésteres se hidrolisam a ácidos carboxílicos o problema do grupo de saída Os ésteres sofrem substituição nucleofílica por adiçãoeliminação embora a reatividade seja reduzida em relação aos halogenetos de acila e anidridos Assim catalisadores ácidos ou básicos tornamse frequentemente necessários Os ésteres por exemplo transformamse em ácidos carboxílicos e álcoois na presença de excesso de água e ácido forte mas a reação requer aquecimento para alcançar uma velocidade razoável O mecanismo desta transformação é o inverso da esterificação catalisada por ácidos Seção 199 Como na esterificação o ácido tem dois propósitos ele protona o oxigênio da carbonila para tornar o éster mais reativo para o ataque nucleofílico e protona o oxigênio do grupo alcóxido do intermediário tetraédrico para tornálo um grupo de saída melhor EXERCÍCIO 2013 Trabalhando com os conceitos hidrólise do éster em ácidos Proponha um mecanismo para a hidrólise catalisada por ácido da γbutirolactona Estratégia Encontre a estrutura da γbutirolactona na página anterior Encontre o mecanismo geral de adiçãoeliminação em condições ácidas Seção 197 Use a γbutirolactona como ponto de partida naquele mecanismo e desenvolva a solução Solução Etapa por etapa Comece com a protonação do oxigênio da carbonila Continue com a adiçãoeliminação O nucleófilo é a água Use a protonação para fazer o oxigênio do anel tornarse um bom grupo de saída Quebre no intermediário tetraédrico a ligação entre o carbono da antiga carbonila e o oxigênio do anel Desprotone o oxigênio da carbonila O mecanismo está completo Você tem o produto Um casal de elefantes que não se importa com o fato de que eles se atraem usando o mesmo éster feromônio das traças 938 Química Orgânica As bases fortes também promovem a hidrólise de ésteres por adiçãoeliminação Seções 197 e 201 A base B converte a água um nucleófilo fraco em um íon hidróxido que tem carga negativa e é um nucleófilo melhor A hidrólise de ésteres é obtida com frequência usandose como base o íon hidróxido em quanti dades no mínimo estequiométricas Exemplo de hidrólise de éster com base diluída em água 3Metilbutanoato de metila Ácido 3metilbutanoico Mecanismo da hidrólise de éster mediada por base Etapa 1 Adiçãoeliminação Intermediário tetraédrico Metóxido grupo de saída ruim Etapa 2 Desprotonação Ácido carboxílico Metóxido base mais forte Íon carboxilato A reação ácidobase favorável da etapa 2 altera o equilíbrio da etapa 1 A hidrólise em meio básico saponificação veja a Seção 1913 difere da versão catalisada por ácido de várias maneiras Veja primeiro a adiçãoeliminação etapa 1 o intermediário tetraédri co pode voltar ao material de partida por eliminação de hidróxido ou pode ir até o produto por expulsão de metóxido Em ambos os casos o processo exige a perda de um grupo de saída ruim Hidróxido e metóxido são bases fortes e portanto grupos de saída ruins Seção 67 Como essas transformações podem ocorrer A resposta está na força da ligação CPO e na estabilidade associada aos compostos car bonilados O intermediário tetraédrico tem tanta energia que sua conversão em composto car bonilado é tipicamente exotérmica mesmo quando um grupo de saída ruim é expelido Além disto o processo mediado por base se beneficia da reação ácidobase muito favorável da etapa 2 a base forte metóxido tendo sido liberada na etapa de adiçãoeliminação desprotona rapi damente o ácido para dar o íon carboxilato Esta etapa é muito favorável e leva a sequência de hidrólise essencialmente até o fim O produto final o ácido carboxílico é obtido por tratamento com ácido diluído EXERCÍCIO 2014 Tente você Proponha um mecanismo para a hidrólise básica da gbutirolactona REAÇÃO MECANISMO Ocorre transesterificação com álcoois A reação dos ésteres com álcoois sofre catálise ácida ou básica A transformação é conhecida como transesterificação Ela permite a conversão direta de um éster em outro sem a produção do ácido livre Assim como a esterificação a transesterificação é uma reação reversível O equilíbrio é deslocado com o uso de um largo excesso do álcool empregado algumas vezes como solvente da reação Conversão de um éster de etila em um éster de metila Octadecanoato de etila Metanol solvente Octadecanoato de metila 90 Conversão de uma lactona em éster de cadeia aberta Conversão de uma lactona em éster de cadeia aberta γButirolactona 3Bromopropanol 4Hidróxibutanoato de 3bromopropila 80 Os mecanismos de transesterificação em meio ácido ou básico são semelhantes ao da hidrólise de ésteres a ácidos carboxílicos Assim a transesterificação começa com a protonação do oxigênio da carbonila seguida pelo ataque nucleofílico do álcool ao carbono da carbonila Em condições básicas o álcool é primeiramente desprotonado e o íon alcóxido resultante se adiciona à carbonila do éster EXERCÍCIO 2015 Proponha mecanismos para a transesterificação ácida e básica da γbutirolactona com o 3bromo1propanol As aminas transformam ésteres em amidas As aminas são mais nucleofílicas do que os álcoois e transformam os ésteres em amidas Não é necessário usar catalisadores porém é preciso temperatura alta Formação de amidas a partir de ésteres de metila Conversão não catalisada de um éster em amida 69 NDodecil9octadecenamida 940 Química Orgânica Os reagentes de Grignard convertem os ésteres em álcoois Os ésteres convertemse em álcoois pelo uso de dois equivalentes de reagente de Grignard Os ésteres comuns são transformados desta maneira em álcoois terciários e os formatos em álcoois secundários Álcoois a partir de ésteres e reagentes de Grignard Propanoato de etila Formato de metila Brometo de butilmagnésio 5Nonanol Brometo de propilmagnésio 4Etil4heptanol Dois grupos alquila derivados do reagente de Grignard A reação começa com a adição do reagente organometálico à carbonila que leva ao sal de magné sio de um hemiacetal Seção 177 Na temperatura normal a eliminação rápida produz uma ce tona ou o aldeído no caso de formatos como intermediário A carbonila do intermediário sofre a adição imediata de outro equivalente do reagente de Grignard lembrese da Seção 88 O tratamento subsequente com ácido diluído em água leva ao álcool Mecanismo da síntese de álcoois a partir de ésteres e reagentes de Grignard Éster Cetona a reação não pode ser interrompida nesta etapa Alcóxido Álcool produto final Intermediário tetraédrico Rápido Rápido EXERCÍCIO 2016 Proponha uma síntese do trifenilmetanol C6H53COH a partir de benzoato de metila na margem e bromobenzeno Os hidretos reduzem os ésteres a álcoois ou aldeídos A redução de ésteres a álcoois com LiAlH4 requer meio equivalente do hidreto porque somente dois hidrogênios são necessários por cada equivalente de éster REAÇÃO MECANISMO Benzoato de metila Redução de um éster a álcool 1 LiAlH4 05 equivalentes CH3CH22O 2 H H2O CH3CH2OH Agentes redutores mais brandos permitem que a reação pare no estágio do aldeído Um exemplo é o hidreto de bis2metilpropilalumínio hidreto de diisobutilalumínio em temperaturas baixas em tolueno Redução de um éster a aldeído 2Metilpropanoato de etila Hidreto de bis2metilpropilalumínio hidreto de diisobutilalumínio DIBAL 1 Tolueno 60ºC 2 H H2O CH2CH2OH 2Metilpropanal Os ésteres formam enolatos que podem ser alquilados A acidez dos hidrogênios α dos ésteres é suficientemente alta para que se formem enolatos de ésteres pelo tratamento com bases fortes em temperaturas baixas Os enolatos de ésteres reagem como os enolatos de cetonas e também sofrem alquilação Alquilação de um enolato de éster OCH2CH3 Íon enolato do acetato de etila O pKa 25 97 4Pentanoato de etila O pKa dos ésteres é cerca de 25 Os enolatos de ésteres portanto têm as reações laterais típicas de bases fortes processos E2 especialmente com halogenetos secundários terciários e βramificados e desprotonações A reação mais característica dos enolatos de ésteres é a condensação de Claisen em que o enolato ataca o carbono da carbonila de outro éster Este processo será considerado no Capítulo 23 EXERCÍCIO 2017 Dê os produtos da reação do ciclohexanocarboxilato de etila com os seguintes compostos ou nas seguintes condições seguida de tratamento com ácido diluído em água se necessário a H H2O b HO H2O c CH3O CH3OH d NH3 e 2 CH3MgBr f LiAlH4 g 1 LDA 2 CH3I EM RESUMO os ésteres são nomeados como alcanoatos de alquila Muitos deles são naturais e têm odor agradável Eles são menos reativos do que os halogenetos de alquila e anidridos e portanto as reações requerem frequentemente a presença de ácidos ou bases Os ésteres hidrolisamse ao ácido carboxílico ou carboxilato correspondente Eles reagem com álcoois um processo chamado de transesterificação Com aminas em temperaturas elevadas eles dão amidas Os reagentes de Grignard adicionamse duas vezes para dar álcoois terciários ou secundários no caso de formatos O hidreto de alumínio e lítio reduz os ésteres a álcoois Já o hidreto de bis2metilpropilalumínio hidreto de diisobutilalumínio permite que o processo pare no estágio de aldeído Com LDA é possível obter enolatos que podem por sua vez ser alquilados por eletrófilos 205 Os ésteres na natureza ceras gorduras óleos e lipídeos Os ésteres são componentes essenciais das células de todos os organismos vivos Veremos nesta seção alguns dos tipos mais comuns de ésteres naturais e daremos uma breve descrição de suas atividades biológicas As ceras são ésteres simples e as gorduras e óleos são mais complexos As ceras são ésteres de ácidos carboxílicos e álcoois de cadeia longa que formam camadas hidrofóbicas isolantes Seção 82 na pele e pelos de animais nas penas de pássaros e nas frutas e folhas de muitas plantas O espermacete e a cera de abelha são líquidos ou sólidos moles na temperatura normal usados como lubrificantes A lã de ovelha provê a cera de lã que ao ser purificada produz lanolina uma base de cosméticos amplamente usada As folhas de uma palmeira brasileira são a fonte da cera de carnaúba uma mistura resistente à água de vários ésteres sólidos A cera de carnaúba tem grande valor porque dá um lustro resistente Ela é usada em ceras de assoalho e de automóveis As gorduras e óleos são formados por triésteres de ácidos carboxílicos de cadeia longa como o 123propanotriol glicerol Seções 113 e 1913 e também são chamados de triglicerídeos Os ácidos carboxílicos das gorduras e óleos ácidos graxos não são normalmente ramificados e têm número par de átomos de carbono Quando as gorduras são insaturadas as ligações duplas são normalmente cis As gorduras são usadas como reserva biológica estocada nos tecidos do corpo Os produtos finais de seu metabolismo são CO2 e água Os óleos têm uma função semelhante nas sementes de plantas Como componente alimentar as gorduras e óleos servem como solvente para as substâncias que conferem o sabor e dão cor aos alimentos Eles contribuem para a sensação de satisfação que temos após as refeições porque estes compostos ficam no estômago por muito tempo Gorduras saturadas contendo os ácidos hexadecanoico palmítico tetradecanoico mirístico e dodecanoico laúrico têm sido implicadas na aterosclerose endurecimento das artérias Destaque Químico 42 Felizmente para os amantes de chocolates a manteiga de cacau é formada principalmente por um triglicerídeo de baixo ponto de fusão com duas moléculas de ácido octadecanoico esteárico que apesar de saturado não contribui para elevar os níveis das lipoproteínas de baixa densidade LDL e não induz a aterosclerose e uma molécula de ácido Z9octadecenoico oleico Este último é também o componente principal do óleo de oliva a fonte principal de gorduras dos gregos que têm taxas muito baixas de doenças cardíacas Os lipídeos são biomoléculas solúveis em solventes não polares A extração de material biológico com solventes não polares dá um largo sortimento de compostos que incluem terpenos esteroides Seção 47 gorduras e óleos além de muitas outras substâncias de baixa polaridade coletivamente conhecidas como lipídeos lipos do grego gordura As frações de lipídeos incluem os fosfolipídeos componentes importantes das membranas celulares que são derivados de ácidos carboxílicos e do ácido fosfórico Nos fosfoglicerídeos o glicerol forma um éster com dois ácidos graxos adjacentes e uma unidade fosfato ligada a outro substituinte derivado de um álcool de baixo peso molecular como a colina HOCH2CH2NCH33 OH A substância mostrada a seguir é um exemplo de lecitina um lipídeo encontrado no cérebro e no sistema nervoso Compostos como esses participam da cadeia de transmissão de impulsos nervosos além de terem outros efeitos biológicos Um lipídeo contendo a amida do ácido oleico Z9octadecenamida por exemplo foi recentemente identificado no cérebro como um indutor essencial do sono Aliás pessoas com dietas que reduzem lipídeos têm dificuldades de atingir o sono profundo Como essas moléculas têm duas cadeias hidrofóbicas longas de ácidos graxos e um grupo polar o fosfato ligado ao substituinte colina elas são capazes de formar micelas em água veja o Destaque Químico 191 Nas micelas as unidades fosfato são solvatadas pela água e as cadeias dos ésteres se agrupam no interior da esfera hidrofóbica da micela Figura 202A Os fosfoglicerídeos também podem se agregar de outra maneira Eles podem formar estruturas em camada chamadas de bicamadas lipídicas Figura 202B Esta é uma propriedade importante porque as micelas têm normalmente tamanho limitado 200 Å de diâmetro mas as bicamadas podem chegar a ter até 1 mm 107 Å de comprimento Isto torna os fosfoglicerídeos constituintes ideais das membranas celulares que agem como barreiras permeáveis que regulam o transporte de moléculas para dentro e para fora da célula As bicamadas lipídicas são relativamente estáveis As forças envolvidas em sua formação são semelhantes às que atuam nas micelas isto é são interações de London Seção 26 entre as cadeias de alquila hidrofóbicas e interações eletrostáticas e de solvatação entre os grupos polares e entre esses grupos e a água EM RESUMO as ceras gorduras e óleos ocorrem na natureza e são ésteres com atividade biológica Os lipídeos são uma classe importante de moléculas biológicas solúveis em solventes não polares Eles incluem triésteres derivados do glicerol que são componentes das membranas celulares Figura 202 Os fosfolipídeos são ésteres substituídos que são essenciais para a formação das estruturas das membranas celulares Estas moléculas agregamse para formar A uma micela ou B uma bicamada de lipídeos Os grupos polares da extremidade e não polares da cadeia dos fosfolipídeos orientam a agregação Segundo Biochemistry 6th ed por Jeremy M Berg John L Tymoczko e Lubert Stryer W H Freeman and Company Copyright 1975 1981 1988 1995 2002 2007 944 Química Orgânica 206 Amidas o derivado menos reativo dos ácidos carboxílicos Dentre os derivados de ácidos carboxílicos as amidas são os menos suscetíveis ao ata que nucleofílico Nesta seção veremos após uma breve apresentação da nomenclatura as reações das amidas As amidas são nomeadas como alcanamidas e as amidas cíclicas como lactamas Aa amidas são chamadas alcanamidas A terminação o do nome do alcano é substituída por amida Nos nomes comuns a palavra ácido é eliminada e a terminação ico do nome é substituída pelo sufixo amida Nos sistemas cíclicos a terminação carboxílico é substituída por carboxami da Os substituintes do nitrogênio são indicados pelos prefixos N ou NN dependendo do número de substituintes Esta é a base da classificação em amidas primárias secundárias e terciárias 4BromoNetilNmetilpentanamida uma amida terciária Formamida uma amida primária dois hidrogênios ligados ao nitrogênio Nmetilacetamida uma amida secundária um hidrogênio ligado ao nitrogênio Ciclohexanocarboxamida outra amida primária DESTAQUE QUÍMICO 201 Alternativas mais verdes para o petróleo biocombustíveis O combustível escolhido por Rudolph Diesel para seu motor de combustão interna apresentado pela primeira vez na Exposição de Paris de 1900 foi o óleo de amendoim Completando o círcu lo após uma centena de anos os combustíveis conhecidos como biodiesel tornaramse uma alternativa popular para as misturas de hidrocarbonetos derivados do petróleo usados nos motores a die sel Rudolph Diesel eventualmente descobriu que o óleo vegetal é muito viscoso para o uso na prática porque entope rapidamente o motor Uma transesterificação simples gera uma mistura de ésteres de metila derivados de ácidos graxos com peso molecular mais Óleo vegetal típico Glicerol Estearato de metila Oleato de metila Linoleato de metila Óleo de soja óleo de frituras e até mesmo gorduras de restaurantes são matériasprimas apropriadas para o biodiesel os Estados Unidos sozinhos geram anualmente cerca de 11 bilhões de litros de rejeitos de óleo de cozinha O biodiesel queima de modo mais limpo que o combustível convencional sem emitir compostos orgânicos sulfurados ou voláteis É o único combustível que está completamente de acordo com o 1990 US Clean Air Act Ele também requer muito menos energia para a produção em comparação com o diesel do petróleo e é renovável O preço do biodiesel está ligado aos custos dos óleos vegetais e no momento é maior do que o do combustível regular O biodiesel pode ser misturado ao diesel convencional ou ser usado diretamente com poucas limitações O biodiesel puro tende a geleificar em temperaturas baixas logo as misturas são mais apropriadas para os climas frios As misturas com 520 de biodiesel são muito populares e fáceis de encontrar A partir de 2009 centenas de postos de venda de misturas de biodiesel se distribuíam pelos 50 estados dos Estados Unidos As vendas em 2007 chegaram a cerca de 19 bilhão de litros comparados a 76 milhões de litros em 2003 e 2 milhões de litros em 1999 A capacidade de produção é pelo menos cinco vezes superior a este valor Esperase que o biodiesel possa fornecer pelo menos 10 das exigências americanas de diesel combustível em pouco tempo ajudando assim a criar uma ponte pelo tempo necessário para o desenvolvimento de novas tecnologias de combustíveis As amidas derivadas do ácido carbônico H2CO3 são chamadas de ureias ácidos carbâmicos e ésteres carbâmicos uretan as As amidas cíclicas são conhecidas como lactamas Seção 1910 O nome sistemático é aza2cicloalcanonas Seção 251 e as regras de nomenclatura seguem os mesmos princípios que foram usados para as lactonas As penicilinas são βlactamas aneladas Polímeros à base de uretano são materiais leves duros resistentes à abrasão de alto desempenho ideais para o uso em materiais esportivos DESTAQUE QUÍMICO 202 Atacando os germes guerras dos antibióticos No fim do verão de 1928 o bacteriologista escocês Sir Alexander Fleming saiu de férias Quando ele voltou a história da humanidade mudou Fleming havia esquecido uma placa de Petri contendo uma amostra da bactéria Staphylococcus aureus na bancada do laboratório Enquanto ele estava fora o tempo mudou e o ar frio fez o crescimento da cultura de bactérias parar Ao mesmo tempo esporos do fungo Penicillium notatum trazidos do andar de baixo pelo ar se depositaram na placa de Petri Quando Fleming retornou a temperatura havia subido e ambos os microrganismos haviam recomeçado a se reproduzir Fleming pretendia esterilizar a placa para continuar seu trabalho mas felizmente ele observou que o Penicillium estava destruindo as colônias de bactérias A substância responsável pelo efeito antibiótico foi isolada em 1939 e chamada de penicilina veja a estrutura na p 945 O fungo observado por Fleming produziu benzilpenicilina ou penicilina G R C2H5CH2 Desde então muitos análogos foram sintetizados compondo uma classe importante dos chamados antibióticos da classe das βlactamas devido ao anel tensionado de lactama de quatro átomos que os caracteriza estrutural e funcionalmente veja também a abertura do Capítulo 7 Como a tensão do anel se reduz quando ele abre as βlactamas são muito mais reativas do que as amidas comuns A enzima transpeptidase catalisa uma reação essencial da biossíntese de um polímero que mantém a estrutura das paredes celulares das bactérias Um oxigênio nucleofílico da enzima se liga ao ácido carboxílico de um aminoácido catalisando a formação de uma amida com o grupo amino de outro aminoácido O processo se repete gerando o polímero O grupo carbonila da βlactama da penicilina reage com o oxigênio nucleofílico da enzima de forma rápida e irreversível inativando a enzima e impedindo a síntese da parede celular o que causa a morte da bactéria Algumas bactérias são resistentes à penicilina porque elas são capazes de produzir uma enzima a penicilinase que destrói o anel de βlactama do antibiótico A síntese de análogos resolveu em parte este problema Ultimamente entretanto tornouse necessário recorrer a antibióticos de modo de ação completamente diferente A eritromicina produzida por uma cepa da bactéria Streptomyces encontrada primeiramente em amostras de solo das Filipinas em 1952 funciona de modo diverso A molécula tem um anel de lactona com um número elevado de átomos que interfere com o ribossoma da bactéria onde a parede celular é fabricada Embora a eritromicina não seja afetada pela penicilinase algumas cepas de bactéria adquiriram resistência nas décadas que decorreram desde sua introdução no arsenal de antibióticos Penicilina em ação Transpeptidase enzima Enzima inativada Um antibiótico ainda mais complexo a vancomicina foi descoberto em 1956 na fermentação de uma bactéria originalmente encontrada no solo das florestas de Bornéu Quando cepas perigosas de Staphylococcus aureus virtualmente resistentes a todos os antibióticos então em uso tornaramse uma ameaça à saúde pública a vancomicina vanco de vencer tornouse rapidamente o antibiótico para os casos extremos Sua eficácia é consequência de uma interação química completamente diferente Sua forma e estrutura permitem a formação de uma rede muito estável de ligações hidrogênio com os aminoácidos da extremidade do polímero que forma a parede celular ainda em crescimento impedindo que eles se liguem a outros aminoácidos Uma década depois entretanto cepas de S aureus resistentes à vancomicina começaram a aparecer nas quais uma pequena modificação estrutural na extremidade do polímero impede a formação do complexo com o antibiótico Entretanto o conhecimento da natureza exata desta modificação permitiu o desenvolvimento em 2006 de um novo derivado da vancomicina no qual a carbonila de amida mostrada em vermelho foi substituída por um grupo metileno CH2 Este derivado embora muito menos ativo contra a bactéria normal é letal para a bactéria resistente à vancomicina As amidas são essenciais na bioquímica Os grupos amida são a ligação entre as unidades de aminoácidos que formam os biopolímeros conhecidos como proteínas Capítulo 26 Muitas amidas simples têm importantes atividades biológicas A anandamida do sânscrito ananda felicidade por exemplo a amida do ácido araquidônico Seção 1913 com o 2aminoetanol e o tetrahidrocanabinol Seção 911 o ingrediente ativo da maconha ligamse ao mesmo receptor no cérebro A liberação e a ligação da anandamida é o mecanismo usado pelo corpo para suprimir a percepção da dor Capítulo 19 Problema 47 Como a anandamida 947 Capítulo 20 Derivados de Ácidos Carboxílicos já foi isolada do chocolate as pessoas que se dizem viciadas em chocolate talvez saibam do que estão falando Anandamida Eritromicina Vancomicina A luta entre os cientistas e as bactérias continua Novos anti bacterianos estão sendo continuamente preparados e testados A ti geciclina introduzida em 2006 é a primeira de uma nova classe de antibióticos relacionados às tetraciclinas e foi desenvolvida para ven cer algumas das estratégias de resistência das bactérias A tigeciclina ataca algumas infecções da pele e de órgãos internos particularmente desagradáveis e resistentes a drogas bem como Streptococcus pneu moniae resistente às penicilinas Outra tática para vencer os esforços de sobrevivência dos patóge nos em crescimento foi descoberta em 2007 Uma poliamida sintética foi desenvolvida de modo a fazer o sistema imunológico preparar an ticorpos contra cepas resistentes de staphylococcus aureus respon sáveis por cerca de 100000 infecções e 20000 mortes anualmente Essas substâncias têm o potencial de levar a novas estratégias inteira mente novas de vacinação que podem salvar milhares de vidas Tigeciclina Tigacil Ao mesmo tempo os micróbios continuam a se adaptar e de senvolver modificações em sua maquinaria bioquímica para enfrentar a ação dos antibióticos Se a era dos antibióticos que começou no meio do século XX vai continuar por muito tempo é uma questão em aberto 948 Química Orgânica A hidrólise de amidas requer forte aquecimento em ácido ou base concentrados As amidas são os menos reativos dos derivados de ácidos carboxílicos devido em parte à forte estabilização dada pela deslocalização do par de elétrons livres do nitrogênio Seção 201 Como consequência as reações de adiçãoeliminação requerem condições relativamente drásticas A hidrólise a ácido carboxílico pelo mecanismo de adiçãoeliminação por exemplo ocorre somente com aquecimento prolongado em solução fortemente ácida ou básica A hidrólise em meio ácido libera a amina na forma de sal de amônio Hidrólise ácida de uma amida 3Metilpentanamida Ácido 3metilpentanoico veja o Problema 51 A hidrólise em meio básico exige a eliminação de um grupo de saída muito ruim neste caso o íon inorgânico amida A reação pode prosseguir porque como na hidrólise dos ésteres o intermediário tetraédrico tem energia elevada em comparação com o substrato estabi lizado por ressonância e com os produtos Além disso o equilíbrio é deslocado pela protonação muito rápida do grupo de saída muito básico pelo ácido carboxílico que é liberado na etapa de eliminação O processo total portanto resulta no carboxilato que é protonado pelo tratamento posterior e produz o ácido Hidrólise básica de uma amida NMetilbutanamida Ácido butanoico Mecanismo de hidrólise de amidas por base diluída Intermediário tetraédrico Grupo de saída ruim Íon inorgânico amida base forte O processo ácido base favorável provoca a reação As amidas podem ser reduzidas a aminas ou aldeídos Diferentemente do que ocorre com os ácidos carboxílicos e ésteres a reação de amidas com hidre to de alumínio e lítio produz aminas e não álcoois Redução de uma amida a amina NNDietil4metilpentanamida NNDietil4metilpentanamina O mecanismo da redução começa com a adição de hidreto à carbonila com formação de um intermediário tetraédrico A eliminação de um alcóxido de alumínio leva a um íon imínio e a adição de um segundo equivalente de hidreto ao produto final amina A N I M A Ç Ã O MECANISMO ANIMADO Hidrólise de amidas REAÇÃO MECANISMO REAÇÃO 949 Capítulo 20 Derivados de Ácidos Carboxílicos Mecanismo de redução de amida com LiAlH4 Íon imínio EXERCÍCIO 2018 Que produtos você esperaria na redução do composto apresentado na margem com LiAlH4 A redução de amidas com hidreto de bis2metilpropilalumínio hidreto de diisobutil alumínio fornece aldeídos Lembrese de que os ésteres também se convertem em aldeídos com este reagente Seção 204 Redução de uma amida a aldeído NNDimetilpentanamida Pentanal EXERCÍCIO 2019 Trabalhando com os conceitos redução de amidas O tratamento da amida A com LiAlH4 seguido de ácido diluído em água leva ao composto B Explique Estratégia Analise separadamente cada etapa da sequência Identifique o produto da primeira reação e imagine como ele pode se transformar no produto final Solução Qual é o resultado do tratamento de A com LiAlH4 Como vimos nesta seção a função carboxamida reduzse à amina primária O grupo acetal sendo imune às condições fortemente básicas e aos agentes redutores permanece intacto Seção 177 Ele no entanto se hidrolisa durante o tratamento com ácido após a redução com LiAlH4 para dar uma função cetona Neste ponto temos a seguinte aminocetona A comparação desta estrutura com o produto final B mostra que o nitrogênio do grupo amina ligase ao carbono da carbonila como uma imina cíclica A condensação do grupo amina com a função cetona catalisada por ácido Seção 179 é uma explicação razoável para a transformação MECANISMO EXERCÍCIO 2020 Tente você O tratamento da amida A Exercício 2019 com hidreto de diisobutilalumínio seguido por tratamento com ácido diluído dá um resultado inteiramente diferente do descrito no Exercício 2019 O produto é a 2ciclopentenona Explique Sugestão veja a Seção 187 e reveja o Problema 49 do Capítulo 18 EM RESUMO as amidas de ácido carboxílico amidas são nomeadas como alcanamidas ou de lactamas quando cíclicas Elas podem ser hidrolisadas a ácidos carboxílicos em meio ácido ou básico e reduzidas a aminas com hidreto de alumínio e lítio A redução com o hidreto de bis2metilpropilalumínio hidreto de diisobutilalumínio para no estágio de aldeído 207 Amidatos e sua halogenação rearranjo de Hofmann Nas amidas os hidrogênios ligados ao carbono e ao nitrogênio vizinhos do grupo carbonila são ácidos A remoção do hidrogênio do NH que tem pKa 22 com base leva ao íon amidato O próton de CH é menos ácido com pKa 30 Seção 201 e portanto a desprotonação do carbono α que leva ao enolato de amida é mais difícil Na prática o próton só pode ser removido do carbono α no caso de amidas terciárias em que o nitrogênio não está ligado a hidrogênios O íon amidato formado na desprotonação de amidas primárias é útil como nucleófilo em sínteses Focalizaremos nesta seção uma destas reações o rearranjo de Hofmann EXERCÍCIO 2021 O pKa da 12benzenodicarboximida ftalimida A é 83 consideravelmente menor do que o da benzamida B Por quê Na presença de base as amidas primárias sofrem uma reação de halogenação especial o rearranjo de Hofmann O grupo carbonila é eliminado e formamse aminas primárias com um carbono a menos na cadeia Este é o mesmo Hofmann das regras de Hofmann para as reações E2 Seção 116 951 Capítulo 20 Derivados de Ácidos Carboxílicos Rearranjo de Hofmann Nonanamida Octanamina O rearranjo de Hofmann começa com a desprotonação do nitrogênio para formar o íon ami dato etapa 1 Seguese a halogenação do nitrogênio um processo muito semelhante à ahaloge nação dos enolatos de aldeídos e cetonas etapa 2 veja a Seção 183 Posteriormente um segundo próton do nitrogênio é abstraído por uma base com formação do Nhalogenoamidato etapa 3 Esta espécie tem uma ligação nitrogêniohalogênio fraca e é um bom grupo de saída em potencial que perde o íon halogeneto com migração do grupo R do carbono da carbonila para o nitrogênio etapa 4 O produto deste rearranjo é um isocianato RONPCPO um análogo nitrogenado do dióxido de carbono OPCPO O carbono sp da carbonila do isocianato é muito eletrofílico e re age com água para produzir um ácido carbâmico instável Por fim o ácido carbâmico decompõe se a dióxido de carbono e amina etapa 5 Mecanismo do rearranjo de Hofmann Etapa 1 Formação do amidato Etapa 2 Halogenação Etapa 3 Formação do Nhalogenoamidato Um Nhalogenoamidato Etapa 4 Rearranjo com eliminação de halogeneto Um isocianato Puxa Empurra REAÇÃO MECANISMO A N I M A Ç Ã O MECANISMO ANIMADO Rearranjo de Hofmann 952 Química Orgânica Etapa 5 Hidratação do ácido carbâmico e decomposição Um ácido carbâmico Na etapa de rearranjo com a saída do íon halogeneto o grupo alquila passa do carbono da carbonila para o nitrogênio do nitreno mantendo a mesma face em relação ao nitrogênio que estava previa mente ligado ao carbono Isto significa que quando este grupo alquila é quiral a estereoquímica original é mantida no rearranjo Este tipo de processo eletrônico puxaempurra em que um grupo de saída puxa faz migrar um grupo alquila vizinho empurra é semelhante ao rearranjo catalisa do por ácido do 22dimetil1propanol álcool neopentílico Seção 93 ao mecanismo da oxidação de alquilboranos Seção 128 e ao mecanismo da oxidação de BaeyerVilliger Seção 1713 Estados de transição puxaempurra Rearranjo catalisado por ácido do 22dimetil1propanol álcool neopentílico Oxidação de alquilboranos Oxidação de BaeyerVilliger Puxa Puxa Puxa Empurra Empurra Empurra EXERCÍCIO 2022 Dê o produto do seguinte rearranjo de Hofmann EXERCÍCIO 2023 Escreva um mecanismo detalhado para a adição de água a um isocianato em condições básicas e para a descarboxilação do ácido carbâmico resultante EXERCÍCIO 2024 Sugira uma sequência para a conversão de A na amina B EM RESUMO o tratamento de amidas primárias e secundárias com bases leva à desprotonação do nitrogênio e formação de amidatos Bases abstraem os prótons do carbono a de amidas terciárias No rearranjo de Hofmann as amidas primárias reagem com halogênios em meio básico para dar aminas com um carbono a menos No processo o grupo alquila deslocase com a conversão de um acilnitreno em um isocianato 953 Capítulo 20 Derivados de Ácidos Carboxílicos 208 Alcanonitrilas uma classe especial de derivados de ácidos carboxílicos As nitrilas RCqN também são consideradas como derivadas de ácidos carboxílicos porque o carbono insaturado da nitrila está no mesmo estado de oxidação do carbono do grupo carboxila e porque as nitrilas convertemse facilmente em outros derivados de ácidos carboxílicos Esta seção descreve as regras de nomenclatura das nitrilas a estrutura e ligações no grupo nitrila além de suas características espectrais Em seguida comparamos a química do grupo nitrila com a de outros derivados de ácidos carboxílicos DESTAQUE QUÍMICO 203 O isocianato de metila inseticidas baseados nos carbamatos e a segurança na indústria química A eliminação do DDT Destaque Químico 32 e outros compostos orgânicos clorados do arsenal de pesticidas obrigou a mudanças nos métodos de controle dos estragos feitos por insetos nas plantações de alimentos Estratégias baseadas na alternância anual da aplicação de inseticidas com modos de ação diferentes foram desenvolvidas para controlar as infestações e ao mesmo tempo reduzir o desenvolvi mento de insetos resistentes aos pesticidas As piretrinas derivadas do inseticida natural ácido crisantêmico Seção 47 são de uso co mum Os análogos dos hormônios juvenis oferecem uma alternativa Destaque Químico 121 Entretanto a necessidade de inseticidas capazes de controlar certas espécies muito resistentes levou ao de senvolvimento de várias classes de substâncias que atacam o sistema nervoso dos insetos Derivados orgânicos do ácido fosfórico organo fosfatos são compostos que estão nessa categoria você talvez já te nha ouvido falar de diazinon e malation que são organofosfatos Os carbamatos são outro grupo de neurotoxinas de insetos Dois exem plos são o carbofurano Furadan e o carbaril Sevin preparados pela adição de fenóis ao isocianato de metila 23Dihidro22dimetil7 benzofuranol NMetilcarbamato de 23dihidro22dimetil7benzofuranila Furadan Isocianato de metila 1Naftalenol 1Naftol NMetilcarbamato de 1naftila Sevin Os inseticidas à base de carbamato inibem a colinesterase uma enzima essencial para a transmissão correta dos impulsos nervosos O carbofurano e o carbaril tornaramse cada vez mais importan tes no controle de pragas específicas como o pulgão da soja nos Estados Unidos É essencial ter muito cuidado ao empregar essas substâncias porque sua neurotoxicidade não se limita aos insetos e inclui animais e humanos O uso correto baseiase parcialmente no conhecimento da relação entre a dose e a resposta biológica a dose necessária para obter efeito é aproximadamente proporcional ao peso do indivíduo da espéciealvo Por isso a quantidade destas toxinas necessária para matar os insetos é muito pequena Os pro tocolos desenvolvidos para seu uso seguro são desenhados de modo a limitar a exposição humana a quantidades muito pequenas para provocar efeitos danosos Apesar disso os perigos envolvidos no uso dessas substâncias foram demonstrados de modo catastrófico na madrugada do dia 3 de dezembro de 1984 na cidade de Bhopal na Índia Os protocolos de segurança podem ter sido comprometidos na unidade da Union Car bide India Ltd em que o Sevin tinha sido fabricado e ela estava sendo desativada Ocorreu um vazamento de cerca de 40 toneladas métri cas de isocianato de metila para a atmosfera com consequências trá gicas centenas de milhares de pessoas foram expostas mais de 3 mil delas morreram em algumas horas e dezenas de milhares sofreram injúrias debilitantes O lençol freático da área continua contaminado e ainda ocorrem disputas sobre quem irá pagar os custos da reme diação do solo Esta catástrofe o pior acidente industrial químico da história conduziu a uma reavaliação completa das medidas de se gurança para a manipulação de grandes quantidades de substâncias químicas tóxicas Em 1988 o American Chemistry Council introdu ziu normas que obrigam todas as companhias filiadas da indústria química a atingirem voluntariamente padrões de desempenho am biental de saúde e de segurança mais rígidos do que o exigido pelo governo americano Este programa utiliza certificação independente por terceiros para garantir que os objetivos fixados sejam atingidos Durante o tempo de existência do programa as companhias partici pantes reduziram em 80 a emissão de poluentes ambientais com base nos padrões da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos da América e na média seus trabalhadores têm registros de segurança cinco vezes melhores do que os do setor manufatureiro americano como um todo A nomenclatura IUPAC das nitrilas baseiase na dos alcanos Esta classe de compostos é nomeada como alcanonitrilas Nos nomes comuns a palavra ácido é eliminada e a terminação ico dos ácidos carboxílicos é substituída por nitrila A cadeia é numerada como nos ácidos carboxílicos Para as dinitrilas usamse regras semelhantes derivadas da nomenclatura dos ácidos dicarboxílicos O substituinte CN é chamado de ciano Os cianocicloalcanos são chamados de cicloalcanocarbonitrilas Daremos preferência ao nome benzonitrila a partir do ácido benzoico sobre o nome sistemático benzocarbonitrila A ligação CN assemelhase à ligação CC de alquinos Nas nitrilas os dois átomos do grupo funcional são sp e o par de elétrons livres do nitrogênio ocupa um orbital sp que aponta para fora da molécula ao longo do eixo CN A hibridação e a estrutura do grupo funcional tornam a ligação tripla das nitrilas semelhante à dos alquinos veja a Figura 203 e também as Figuras 131 e 132 Figura 203 A Diagrama de orbitais moleculares do grupo nitrila mostrando a hibridação sp dos átomos na função CN B Estrutura molecular da etanonitrila acetonitrila semelhante à do alquino correspondente C Mapa de potencial eletrostático da etanonitrila que mostra a polarização positiva do carbono do grupo ciano em azul e a polarização negativa do nitrogênio em verde com o par de elétrons livres em vermelho Tabela 203 Deslocamentos químicos da 1HRMN de metanos substituídos CH3X X δ CH3 ppm H 023 Cl 306 OH 339 CH 218 COOH 208 CONH2 202 CN 198 CCH 180 No espectro de infravermelho a vibração de CN aparece em 2250 cm1 na mesma região em que se observa a ligação CC sendo porém muito mais intensa O espectro de 1HRMN das nitrilas indica que os prótons vizinhos do grupo funcional estão desblindados como nos derivados de ácidos carboxílicos e nos alquinos Tabela 203 A absorção de 13CRMN do carbono do grupo nitrila é observada em campo mais baixo δ 112126 ppm do que a dos alquinos δ 6585 ppm porque o nitrogênio é mais eletronegativo do que o carbono Assim as nitrilas são polarizadas como se pode ver no mapa de potencial eletrostático na Figura 203C EXERCÍCIO 2025 O 13dibromopropano foi tratado com cianeto de sódio em dimetilsulfóxidod6 e a mistura monitorada por 13CRMN Depois de alguns minutos quatro novos picos intermediários apareceram um deles bem abaixo dos demais em δ 1176 ppm Subsequentemente outros três picos começaram a crescer em δ 1191 226 e 176 ppm às custas dos sinais do composto de partida e do intermediário Explique 955 Capítulo 20 Derivados de Ácidos Carboxílicos As nitrilas sofrem hidrólise para produzir ácidos carboxílicos Como vimos na Seção 196 as nitrilas podem ser hidrolisadas a ácidos carboxílicos As condi ções de reação são normalmente fortes exigindo ácido ou base concentrados e altas temperaturas Hexanodinitrila adiponitrila Ácido hexanodioico ácido adípico Os mecanismos destas reações passam por uma amida intermediária e incluem etapas de adição eliminação Na reação catalisada por ácidos a protonação inicial do nitrogênio facilita o ataque nu cleofílico da água A perda de um próton do oxigênio fornece um intermediário neutro que é o tautômero de uma amida Uma segunda protonação do nitrogênio é seguida de outra des protonação do oxigênio e formação de amida A hidrólise da amida segue as etapas usuais de adiçãoeliminação Mecanismo da hidrólise ácida de nitrilas Tautômero da amida Seção 206 Na hidrólise catalisada por base o ataque direto do íon hidróxido ao carbono da nitrila leva ao ânion do tautômero da amida que é protonado no nitrogênio O próton do oxigênio é removido por base e uma segunda Nprotonação leva à amida A hidrólise se completa como foi descrito na Seção 206 Mecanismo da hidrólise básica de nitrilas Seção 206 Os reagentes organometálicos atacam as nitrilas para resultar em cetonas Nucleófilos fortes como os reagentes organometálicos por exemplo adicionamse às nitrilas para dar sais aniônicos de imina O tratamento posterior com ácido diluído leva à imina neutra que rapidamente se hidrolisa à cetona Seção 179 REAÇÃO MECANISMO MECANISMO Síntese de cetonas a partir de nitrilas RCN RM M metal RCN M RCN H HOH MOH RCN H H2O RCO NH4 1 CH3CH23CH2MgBr THF 2 H H2O CH3CN Etanonitrila acetonitrila CH3CCH24CH3 44 2Heptanona A redução das nitrilas com hidretos leva a aldeídos e aminas Como nas reações com os ésteres e amidas o hidreto de bis2metilpropilalumínio DIBAL adicionase somente uma vez à nitrila para dar um derivado de imina cuja hidrólise produz um aldeído Síntese de aldeídos a partir de nitrilas RCN R2AlH RCNAlR2 H H2O RCO H 1 CH3 CHCH22AlH 2 H H2O 85 O tratamento das nitrilas com doadores de hidreto que são fortes redutores resulta na adição de dois hidretos para dar uma amina após o tratamento com água O melhor reagente para este propósito é o hidreto de alumínio e lítio 1 LiAlH4 2 H H2O CH3CH2CH2CN Butanonitrila CH3CH2CH2CH2NH2 85 Butanamina EXERCÍCIO 2026 A redução de uma nitrila com LiAlH4 para dar uma amina adiciona quatro átomos de hidrogênio a uma ligação tripla CN Dois provêm do redutor e dois da água no tratamento posterior Proponha um mecanismo para esta transformação Assim como a ligação tripla de alquinos Seção 136 o grupo nitrila pode ser hidrogenado por hidrogênio ativado cataliticamente O resultado é o mesmo obtido com o hidreto de alumínio e lítio isto é a formação de amina Os quatro hidrogênios provêm do gás hidrogênio CH3CH2CH2CN Butanonitrila CH3CH2CH2CH2NH2 96 Butanamina EXERCÍCIO 2027 Mostre como você prepararia os seguintes compostos a partir da pentanonitrila a CH3CH23COOH b CH3CH23COCH23CH3 c CH3CH23CH d CH3CH23CD2ND2 EM RESUMO as nitrilas são nomeadas como alcanonitrilas Os dois átomos da unidade CN são sp e o nitrogênio tem um par de elétrons livres em um orbital sp A vibração de deformação axial da nitrila aparece em 2250cm1 e a absorção de 13CRMN ocorre em cerca de 120 ppm A hidrólise ácida ou básica das nitrilas leva a ácidos carboxílicos Os reagentes organometálicos RLi RMgBr adicionamse para dar cetonas após a hidrólise Com o hidreto de bis2metilpropilalumínio hidreto de diisobutilalumínio DIBAL a adição e hidrólise posterior das nitrilas dão o aldeído e com LiAlH4 ou hidrogênio ativado cataliticamente a função nitrila é convertida em amina A IDEIA GERAL Vimos nos quatro capítulos precedentes todas as principais classes de compostos que contêm o grupo funcional carbonila Suas semelhanças e diferenças são o reflexo direto do fato de que na química orgânica a estrutura define a função Os princípios fundamentais que governam a química dos compostos carbonilados derivamse de conceitos discutidos nos Capítulos 1 e 2 A energia e a reatividade das ligações polares Seções 13 e 23 Os efeitos da ressonância na estrutura e na estabilidade Seção 15 Aplicações diretas e indiretas da química de ácidos e bases Seção 22 A química da carbonila ilustra tantas características fundamentais da química orgânica que seu estudo cuidadoso serve como excelente ponto de partida para o desenvolvimento da compreensão das propriedades de outras classes de compostos Se em algum momento da sua vida você achar que precisa rever seu curso de química orgânica a química da carbonila seria um bom ponto de partida porque ela ajuda a desenvolver o entendimento de todo o resto da química orgânica com mais eficácia Veremos no Capítulo 21 a última classe simples de compostos tratada neste curso as aminas De novo as ligações polares e a química de ácidos e bases terão papel importante PROBLEMAS DE INTEGRAÇÃO 2028 Uma síntese útil de certos tipos de diois inclui a reação de um composto de bisGrignard com uma lactona 1 BrMgCH2CH2CH2CH2MgBr THF 2 H H2O OH OH a Proponha um mecanismo para esta transformação SOLUÇÃO Observe que uma lactona é um éster cíclico logo podemos usar a reação de ésteres com reagentes de Grignard descrita na Seção 204 para tratar a questão Os ésteres reagem em sequência com dois equivalentes do reagente de Grignard O primeiro leva a uma cetona por uma sequência de adiçãoeliminação com formação de uma nova ligação carbonocarbono e eliminação de um alcóxido como grupo de saída O segundo equivalente de Grignard adicionase ao carbono da carbonila da cetona para dar o produto final um álcool terciário O presente problema é diferente 958 Química Orgânica de duas maneiras Em primeiro lugar o éster é cíclico portanto o primeiro processo de adiçãoeliminação abre o anel e o grupo alcóxido continua ligado à cadeia de carbonos na cetona que se forma Em segundo lugar ao invés de duas moléculas do reagente de Grignard temos aqui uma única molécula com duas fun ções de Grignard Isto permite que na adição do segundo equivalente de Grignard ao carbono da carbonila formese um novo anel produto b Como você aplicaria este método geral na síntese dos diois A e B SOLUÇÃO O mecanismo descrito em a permite generalizar a transformação Depois As respostas são então então 2029 O cloveno é um sesquiterpeno obtido pelo rearranjo catalisado por ácido do carifioleno Problema 74 do Capítulo 12 odor de cravodaíndia A seguinte sequência de reações faz parte da síntese total do cloveno mas os reagentes foram omitidos Sugira reagentes e condições de reação razoáveis para cada trans formação tendo em mente que algumas podem necessitar de mais de uma etapa Em alguns casos você vai precisar recorrer aos capítulos anteriores especialmente aos Capítulos 17 a 19 Cloveno SOLUÇÃO Como analisar este tipo de problema de síntese Podemos começar pela caracterização de cada transformação identificar exatamente as mudanças que ocorrem Quando tivermos estas informações poderemos recorrer às reações que já conhecemos e verificar se precisaremos de uma etapa ou mais de uma para completar o processo Façamos isto na ordem dada acima a Uma molécula com grupos metoxicarbonila e hidróxi convertese em um éster cíclico isto é uma lactona Transformar um éster em outro é uma transesterificação Seção 204 um processo reversível catalisado por ácidos e bases Como deslocar o equilíbrio na direção desejada Observe que o metanol o produto lateral do processo tem ponto de ebulição relativamente baixo 65C Tabela 81 e pode ser retirado do meio por aquecimento da mistura de reação Assim a resposta de a é catálise por H e aquecimento b A lactona convertese em diol Poderíamos fazer esta transformação em duas etapas A hidrólise abre a lactona ao ácido hidroxicarboxílico Seção 204 e a redução subsequente com LiAlH4 fornece o diol É mais fácil fazer diretamente a redução da lactona ao diol com LiAlH4 Lembrese Seção 204 de que o produto da redução é o alcóxido logo é necessário fazer o tratamento com ácido Assim b é 1 LiAlH4 éter um solvente adequado para estas reações e 2 H H2O c Esta etapa requer análise Existem dois grupos hidróxi no composto de partida e queremos oxidar um deles O método usual baseado na oxidação por CrVI não distingue entre os grupos hidróxi e não pode ser usado Um deles no entanto o que está ligado ao anel é alílico e Seção 174 pode ser oxidado seletivamente com MnO2 à cetona αβinsaturada Logo c é MnO2 acetona d Aqui a química é mais comum a oxidação de um álcool primário a ácido carboxílico Qualquer reagente de CrVI como K2Cr2O7 em água é adequado veja as Seções 86 e 196 Assim d é K2Cr2O7 H2SO4 H2O e Duas mudanças de grupo funcional são evidentes A ligação dupla CC da enona foi reduzida e o grupo carboxílico foi esterificado Já vimos a redução de enonas a cetonas saturadas Seção 188 A hidrogenação catalítica é o método mais simples a redução com um metal e NH3 não é necessária porque a seletividade não é relevante A formação do éster de metila pode ser feita de duas maneiras Seções 198 199 e 202 via halogeneto de acila com SOCl2 e CH3OH ou pela reação direta com CH3OH catalisada por ácido Será que a ordem em que as etapas são feitas faz alguma diferença Os ácidos e os ésteres não são afetados nas condições de hidrogenação catalítica e a esterificação pode ser feita em presença de enonas ou cetonas portanto a resposta é não Assim para e 1 H2 PdC CH3CH2OH e 2 CH3OH H f Aqui temos um interessante par de mudanças o grupo carbonila é protegido como acetal cíclico e a função éster hidrolisada ao grupo COOH Isto leva à questão do porquê da esterificação na etapa anterior Muito provavelmente não se conseguiu formar o acetal cíclico na molécula com o ácido carboxílico livre A proteção do grupo carbonila requer catálise ácida e 12etanodiol etilenoglicol Seção 178 Talvez tenha ocorrido uma complicação devido à formação de ésteres com o grupo COOH Em todo caso a esterificação deste último antes da acetalização aparentemente resolveu o problema Assim f é 1HOCH2CH2OH H e 2 OH H2O hidrólise do éster com base Seção 204 para impedir a hidrólise do acetal g A carbonila do anel foi desprotegida e o grupo carboxila transformado em cetona Pela primeira vez na síntese uma nova ligação carbonocarbono foi criada entre o carbono do grupo carboxila e o grupo etila Este processo exige um reagente organometálico e a carbonila do anel tem de ter sido protegida na sequência f Que derivados de ácidos carboxílicos podem ser usados para a obtenção de cetonas Os halogenetos de acila Seção 202 e as nitrilas Seção 208 Como não sabemos como converter diretamente um ácido carboxílico em nitrila podemos escolher a seguinte sequência para g 1 SOCl2 leva ao halogeneto 2 CH3CH22CuLi éter converte o halogênio em etilcarbonila e 3 H H2O desprotege a carbonila do anel Seção 178 Análise da etapa h condensação de aldol h Uma nova ligação carbonocarbono foi feita com formação de um anel Temos de identificar os átomos de carbono antes e depois desta etapa para saber como a ligação foi feita veja na margem Eles são o carbono do grupo carbonila do anel e o CH2 do grupo etila α ao grupo carbonila Tratase de uma condensação aldólica Seção 187 feita facilmente em base diluída Então h a etapa final é OH H2O Novas reações 1 Ordem de reatividade dos derivados de ácidos carboxílicos Seção 201 O RCNH2 RCOR Éster RCOCR Anidrido RCX Halogeneto de acila Amida Os ésteres e amidas requerem catálise ácida ou básica para reagir com nucleófilos fracos 2 Basicidade do oxigênio da carbonila Seção 201 L Grupo de saída A basicidade aumenta com a contribuição da estrutura de ressonância C 3 Formação de enolato Seção 201 A acidez dos derivados neutros geralmente aumenta com o decréscimo da contribuição da estrutura de ressonância C no ânion Reações de halogenetos de acila 4 Água Seção 202 Ácido carboxílico 5 Ácidos carboxílicos Seções 198 e 202 Anidrido carboxílico 6 Álcoois Seção 202 Éster removido com piridina trietilamina ou outras bases 7 Aminas Seção 202 Amida removido com piridina trietilamina excesso de RNH2 ou outras bases 961 Capítulo 20 Derivados de Ácidos Carboxílicos 8 Reagentes cupratos Seção 202 Cetona 9 Hidretos Seção 202 Aldeído Reações de anidridos de ácidos carboxílicos 10 Água Seção 203 Ácido carboxílico 11 Álcoois Seção 203 Éster 12 Aminas Seção 203 Amida Reações de ésteres 13 Água hidrólise de éster Seções 199 e 204 Catálise ácida catalítico Ácido carboxílico Catálise básica 1 equivalente Íon carboxilato 14 Álcoois transesterificação e aminas Seção 204 Éster Amida ou 962 Química Orgânica 15 Reagentes organometálicos Seção 204 Álcool terciário Formato de metila Álcool secundário 16 Hidretos Seção 204 Álcool tolueno Aldeído 17 Enolatos Seção 204 Íon enolato do éster Reações de amidas 18 Água Seção 206 Ácido carboxílico 19 Hidretos Seção 206 Amina Aldeído 20 Enolatos e amidatos Seção 207 Íon enolato da amida Íon amidato 21 Rearranjo de Hofmann Seção 207 Amina Reações de nitrilas 22 Água Seção 208 Amida Ácido carboxílico 23 Reagentes organometálicos Seção 208 Cetona 24 Hidretos Seção 208 Amina Aldeído 25 Hidrogenação catalítica Seção 208 Amina Conceitos importantes 1 A reatividade eletrofílica do carbono da carbonila nos derivados de ácidos carboxílicos é diminuída pelos substituintes doares de elétrons Este efeito que pode ser visto na espectrometria de IV é responsável pela menor reatividade em relação a nucleófilos e ácidos e pelo aumento da basicidade ao longo da série halogenetos de acilaanidridosésteresamidas A doação de elétrons do nitrogênio das amidas por ressonância é tão pronunciada que a rotação da ligação amida é impedida na temperatura normal no tempo de escala da RMN 2 Os derivados de ácidos carboxílicos são nomeados como halogenetos de acila anidridos de ácidos carboxílicos anidridos alcanoatos de alquila alcanamidas e alcanonitri las dependendo do grupo funcional 3 As frequências de deformação axial da carbonila no espectro de IV são usadas para identificar os derivados de ácidos carboxílicos Os cloretos de alcanoíla acila absorvem em 17901815 cm1 os anidridos em 17401790 cm1 e as amidas em 16501690 cm1 4 Os derivados de ácidos carboxílicos geralmente sofrem hidrólise em meio ácido ou básico para dar o ácido carboxílico correspondente combinamse com álcoois para dar ésteres e com aminas para dar amidas Eles formam cetonas com reagentes de Grignard e outros organometálicos e os ésteres podem reagir com uma segunda molécula de reagente para dar álcoois A redução com hidretos leva a produtos em vários estágios de oxidação aldeídos álcoois ou aminas 5 Os ésteres de cadeia longa são os constituintes de ceras de origem animal ou vegetal Triésteres do glicerol são encontrados em óleos e gorduras Sua hidrólise leva a sabões Os triglicerídeos cuja estrutura contém unidades de ácido fosfórico pertencem à classe dos fosfolipídeos Como têm uma região muito polar na estrutura e cadeias hidrofóbicas os fosfolipídeos formam micelas e bicamadas lipídicas 6 Podese usar a transesterificação para converter um éster em outro 7 O grupo funcional das nitrilas é semelhante ao dos alquinos Os dois átomos que compõem a função são sp A absorção no IV aparece em torno de 2250 cm1 Os hidrogênios vizinhos do grupo ciano estão desblindados na 1HRMN As absorções na 13CRMN do carbono da nitrila ocorrem em campo baixo δ 112126 ppm uma consequência da eletronegatividade do nitrogênio Problemas 30 Dê o nome IUPAC ou desenhe as estruturas de cada um dos seguintes compostos g Butanoato de propila j NNDimetilbenzamida h Propanoato de butila k 2Metilhexanonitrila i Benzoato de 2cloroetila l Ciclopentanocarbonitrila 31 Dê nomes aos seguintes compostos segundo as regras da IUPAC ou do Chemical Abstracts Observe a ordem de precedência dos grupos funcionais 32 a Use formas de ressonância para explicar em detalhes a ordem relativa de acidez dos derivados de ácidos carboxílicos como apresentado na Seção 201 b Faça a mesma coisa usando argumentos baseados em efeitos indutivos 33 Decida em cada um dos seguintes pares de compostos quais possuem em maior grau as propriedades indicadas a Comprimento da ligação C X fluoreto de acetila ou cloreto de acetila b Acidez do H em negrito CH2COCH32 ou CH2COOCH32 c Reatividade com relação à adição de um nucleófilo i uma amina ou ii uma imida veja na margem d Frequência da deformação axial da carbonila de maior energia acetato de etila ou acetato de etenila 34 Dê os produtos das seguintes reações 35 Proponha um mecanismo para a reação do cloreto de acetila com 1propanol mostrada na página 932 36 Dê os produtos das reações do anidrido acético com cada um dos reagentes abaixo Em todos os casos o reagente está em excesso a CH32CHOH b NH3 c MgBr THF depois H H2O d LiAlH4 CH3CH22O depois H H2O 37 Dê os produtos da reação do anidrido butanoico succínico com cada um dos reagentes do Problema 36 38 Proponha um mecanismo para a reação do anidrido butanoico succínico com o metanol mostrada na página 935 39 Dê os produtos de reação do pentanoato de metila com cada um dos seguintes reagentes nas condições indicadas a NaOH H2O calor depois H H2O b CH32CHCH2CH2OH excesso H c CH3CH22NH calor d CH3MgI excesso CH3CH22O depois H H2O e LiAlH4 CH3CH22O depois H H2O f CH32CHCH22AlH tolueno baixa temperatura depois H H2O 40 Dê os produtos de reação da γvalerolactona 5metiloxa2ciclopentanona Seção 204 com cada um dos reagentes do Problema 39 41 Dê a estrutura de cada um dos seguintes compostos a βbutirolactona b βvalerolactona c δvalerolactona d δpropiolactama e αmetilδvalerolactama f Nmetilγbutirolactama 42 Proponha um mecanismo para a transesterificação do 2metilpropanoato de etila isobutirato de etila em meio ácido para formar o éster de metila O mecanismo deve mostrar claramente o papel catalítico do próton 43 Proponha um mecanismo para a reação do 9octadecenoato de metila com 1dodecanamina mostrada na página 939 44 Revisão de reações Sugira reagentes para a conversão de cada um dos seguintes materiais de partida no produto indicado a cloreto de acetila em anidrido acéticohexanoico b hexanoato de metila em Nmetilhexanamida c cloreto de hexanoíla em hexanal d hexanonitrila em ácido hexanoico e hexanamida em hexanamida f hexanamida em pentanamida g hexanoato de etila em 3etil3octanol h hexanonitrila em 1fenil1hexanona C6H5COCH24CH3 45 Dê os produtos de cada uma das seguintes reações 966 Química Orgânica 46 Para cada uma das lactonas de ocorrência natural a seguir dê a estrutura do composto que resultaria da hidrólise com base em água a O O Sedanenolido contribuinte principal do sabor do aipo b O H H O c O O Nepetalactona contribuinte ativo importante da nêveda ervadegato Cuidado será que você pode observar alguma coisa pouco usual em um dos grupos funcionais após a hidrólise gValerolactona importante na indústria de perfumes e um biocombustível em potencial d Um processo verde recente converte o ácido levulínico ácido 4oxopentanoico CH3COCH2CH2COOH que é facilmente obtido de rejeitos de biomassa em gvalerolactona por trata mento com o gás H2 na presença de um catalisador de hidrogenação especial Especule sobre como esta reação ocorre 47 NNDietil3metilbenzamida NNdietilmtoluamida comercializada como DEET é talvez o re pelente de insetos mais utilizado no mundo Ela interrompe eficazmente a transmição de doenças pelos mosquitos e carrapatos Proponha um ou mais processos de preparação do DEET veja a estrutura na margem a partir do ácido carboxílico correspondente e quaisquer outros reagentes apropriados 48 Como muitos fármacos quirais a ritalina muito usada no tratamento de desordens de deficiência de atenção é sintetizada e comercializada na forma da mistura racêmica Em 2003 uma nova e poten cialmente prática rota de síntese para o enantiômero ativo veja a estrutura na margem foi descrita A primeira etapa está mostrada abaixo a reação do sulfato de dimetila com uma lactama cíclica de seis átomos Proponha um mecanismo para esta reação 49 Proponha um mecanismo para a formação da acetamida a partir do acetato de metila e amônia 50 Dê os produtos da reação da pentanamida com os reagentes do Problema 39a e f Repita a questão para a NNdimetilpentamida 51 Proponha um mecanismo para a hidrólise da 3metilpentanamida catalisada por ácido mostrada na página 948 Sugestão use como modelo o mecanismo de adiçãoeliminação catalisada por ácido apre sentado na Seção 197 52 Que reagentes seriam necessários para fazer as seguintes transformações a cloreto de ciclohexano carbonila n pentanoilciclohexano b anidrido 2butenodioico maleico n Z2buteno14diol c brometo de 3metilbutanoíla n 3metilbutanal d benzamida n 1fenilmetanamina e propanoni trila n 3hexanona f propanoato de metila n 4etil4heptanol 53 O Nylon66 preparado nos anos 1930 pela DuPont foi a primeira fibra completamente sintética Ele é um copolímero cujas unidades são moléculas de 16hexanodiamina e ácido hexanodioico adípico em ligação amida que se alternam a Dê uma representação estrutural do Nylon66 b A hexanodinitrila adiponitrila pode ser usada como precursor da 16hexanodiamina e do ácido hexanodioico Escreva as reações necessárias para fazer estas transformações c Sugira um mecanismo para a conversão em diácido nas condições de reação escolhidas em b DEET Ritalina estereoisômero ativo 54 No tratamento com base forte seguido de protonação os compostos A e B levam à isomerização cistrans mas o composto C não Explique 55 O ácido 2aminobenzoico antranílico é preparado a partir do anidrido 12benzenodicarboxílico anidrido ftálico através das duas reações mostradas aqui Use mecanismos para explicar estes processos 56 Com base nas reações apresentadas neste capítulo escreva um resumo de reações de ésteres e amidas semelhante ao mostrado para os halogenetos de acila Figura 201 Compare o número de reações para cada classe de compostos Como esta informação se compara com o seu entendimento da reatividade relativa dos grupos funcionais 57 Mostre como você pode sintetizar a clorfeniramina um poderoso antihistamínico usado em muitos descongestionantes a partir dos ácidos carboxílicos A e B Use uma amida diferente para cada síntese 58 Apesar das frequências de deformação axial típicas dos ésteres serem encontradas no espectro de infravermelho por volta de 1740 cm1 a posição das bandas correspondentes das lactonas pode variar muito com o tamanho do anel Na margem estão três exemplos Proponha uma explicação para a posição das bandas de IV destas lactonas de anel pequeno 59 Ao completar um procedimento de síntese todo químico deparase com o problema de limpar a aparelhagem de vidro Como os compostos presentes podem ser perigosos ou ter propriedades desagradáveis devese pensar um pouco antes de lavar a louça Suponha que você tenha completado a síntese do cloreto de hexanoíla talvez para fazer a reação do Problema 34b Primeiro porém você precisa limpar a aparelhagem contaminada com o halogeneto de alcanoíla Os odores do cloreto de hexanoíla e do ácido hexanoico são muito desagradáveis a A lavagem da aparelhagem com água e sabão seria uma boa ideia Explique b Sugira uma alternativa mais agradável baseada na química dos halogenetos de alcanoíla e nas propriedades físicas particularmente o odor dos vários derivados de ácido carboxílico 60 DESAFIO Mostre como você faria a seguinte transformação em que a função éster que está à esquerda e abaixo na molécula convertese em um grupo hidróxi mas a que está à direita e acima conservase Sugestão não tente a hidrólise de ésteres Olhe atentiosamente como a função éster está ligada ao esteroide e tente a transesterificação 61 A remoção da cadeia lateral em C17 de certos esteroides é crucial na síntese de alguns hormônios como a testosterona a partir de esteroides da família dos pregnanos fáceis de obter Como você faria a transformação análoga mostrada na margem que converte acetilpentano em ciclohexanol Observação neste e nos demais problemas de sínteses apresentados a seguir você precisará usar reações dos vários compostos carbonilados discutidos nos Capítulos 17 20 62 Proponha uma sequência de sínteses para converter o ácido carboxílico A no sesquiterpeno natural αcurcumeno 63 Proponha um esquema para converter a lactona A na amina B um precursor do monoterpeno natural C 64 DESAFIO Proponha uma síntese do βsineno um membro de uma família comum de sesquiterpenos a partir do álcool dado abaixo Use uma nitrila em sua proposta A inspeção de modelos poderá ajudálo a obter a estereoquímica desejada O grupo 1metiletenila é axial ou equatorial 65 Dê a estrutura do produto da primeira das reações abaixo e proponha um esquema que o converta na cetona metilsubstituída do final do esquema Este exemplo ilustra um método comum de introdução de grupos metila em esteroides sintéticos Sugestão será necessário proteger a função carbonila 66 DESAFIO Os dados de dois derivados de ácido carboxílico são dados nos espectros RMNA e RMNB Identifique estes compostos que podem conter C H O N Cl ou Br e nenhum outro elemento a mais a 1HRMN espectro A um sinal foi amplificado para mostrar todos os picos do multiplete IV 1728 cm1 Espectro de massas de altaresolução mz do íon molecular é 1160837 Veja a tabela para o EM dos picos de fragmentação importantes b 1HRMN espectro B IV 1739 cm1 Espectro de mas sas de altaresolução as moléculas intactas levam a dois picos de mesma intensidade em mz 1799786 e 1819766 Veja as tabelas para o EM dos picos de fragmentação importantes Trabalho em grupo 67 As acilações de FriedelCrafts são mais eficientes com os halogenetos de acila mas outros derivados de ácidos carboxílicos como os anidridos e os ésteres também sofrem este tipo de processo Estes reagentes podem entretanto apresentar algumas desvantagens que são o assunto deste problema Antes de começar discutam em grupo o mecanismo de formação do íon acílnio a partir de halogenetos de acila e anidridos apresentado na Seção 1513 Depois dividam o grupo em dois e analisem o resultado das duas reações abaixo Usem os dados de RMN para confirmar a estrutura dos produtos Sugestão D formase a partir de C Composto A 1HNMR δ 260 s 3H 740 750 m 2H 750 760 m 1H 790 800 m 2H Composto B 1HNMR δ 222 d 6H 355 sep 1H 740 750 m 2H 750 760 m 1H 790 800 m 2H Composto C 1HNMR δ 120 t 3H 264 q 2H 710 730 m 5H Composto D 1HNMR δ 125 t 3H 257 s 3H 270 q 2H 720 d 2H 770 d 2H Reunamse novamente para compartilhar seus resultados Depois apontem a natureza das complicações decorrentes dos reagentes especificados Por fim analisem a seguinte sequência de reações Usem novamente mecanismos para chegar à estrutura dos produtos 970 Química Orgânica Problemas préprofissionais 68 Qual o nome IUPAC do composto da margem a 2fluoro3metilbutanoato de isopropila b 2pro panoato de 2fluoroisobutanoíla c 2fluorobutirato de 1metiletila d isopropanoato de 2fluoro isopropila e 2fluoro2metilpropanoato de 1metiletila 69 A saponificação do com NaOH diluído dá 70 A melhor descrição para o composto A veja na margem é a uma amida b uma lactama c um éter d uma lactona 71 Qual dos três compostos abaixo seria o mais reativo para a hidrólise com base em água N ossa atmosfera contém um quinto de oxigênio O2 e quatro quintos de nitrogênio N2 aproximada mente Temos noção da importância d o oxigênio precisamos dele para respirar e a natureza o usa abun dantemente na água nos álcoois e é ter es e em muitas outras moléculas orgânicas e in orgânicas E quanto ao nitrogênio Diferentemente do oxigênio que em última análise é o ingrediente reativo das rea ções biológicas ele é relativamente inerte Como o oxigênio porém na sua forma reduzida a amônia NH3 e nos derivados orgânicos as a minas ele tem papel ativo na natureza Assim as aminas e outros compostos que contêm ni trogênio estão entre as moléculas orgânicas mais abun dantes Na forma de aminoácidos peptídeos proteínas e alcaloides eles são essenciais em bioquímica Muitas aminas como os neurotransmissores por exemplo têm atividade fisiológica importante Outras têm uso medi cinal como descongestionantes anestésicos sedativos e estimulantes D estaque Q uímico 211 Muitas aminas cíclicas os hetero ciclos nitrogenados em que o nitrogê nio faz parte de um anel também têm atividade biológi ca Capítulo 25 A química das aminas é em muitos aspectos aná loga à dos álcoois e éteres Capítulos 8 e 9 Assim por exemplo todas as aminas são básicas embora as a minas primárias e secundárias também se comportem como ácidos formam ligações hidrogênio e atuam como nu cleófilos em reações de substituição Existem porém algumas diferenças de reatividade porque o nitrogênio é menos eletronegativo do que o oxigênio Por isso as am inas primárias e secundárias são menos ácidas do que os álcoois e formam ligações hidrogênio mais fracas do que os álcoois e éteres Além disso elas são mais básicas e mais nucleofílicas Veremos neste capítulo que estas prop rie dades caracterizam química e fisicamente as aminas e permitem sintetizálas de muitas maneiras Aminas e seus Derivados Grupos funcionais que c ontêm nitrogênio C A P Í T U L O 21 Ansiedade por Edvard Munch 18631944 Effexor venlafaxina 12dimetilamino14metóxi feniletilciclohexanol foi o medicamento mais vendido em 2007 para o tratamento da depressão e da ansiedade Como podese ver no modelo molecular o próton do OH forma uma ligação hidrogênio com o par de elétrons livres do nitrogênio da amina que io O O N 972 Química Orgânica 21 1 Nomeclatura de aminas As aminas são derivadas da amônia em que um amina primária dois amina secundária ou os três hidrogênios amina terciária foram substituídos por grupos alquila ou arila As aminas são portanto formalmente relacionada s à amônia como os éteres e álcoois à água Observe porém que as designações primária secundária e terciária veja abaixo são usadas de modo diferente Nos álcoois a natureza do grupo R define a designação mas nas aminas é o número de substi tuintes R no nitrogênio que determina a classificação Amônia Amina primária Amina secundária Amina terciária A nomecla tura das aminas é confundida pelos muitos nomes comuns em uso na literatura A melhor maneira de nomear as aminas é provavelmente a usada pelo Chemical Abstr acts isto é como alcanam inas em que o nome do al cano é modificado pela substituição da terminação o pelo sufixo a mina A posição do grupo funcional é indicada pelo número de localização d o átomo de carbono ao qual e le está ligado como nos álcoois S eção 8 1 Metanamina 2Metil1propanamina Rtrans3Penteno2amina As di aminas têm duas funções amina dois exemplos das quais são a 14 butano di amina e a 15 pentanodi amina A contribuição destas substâncias para o odor de peixes mo rtos e de carne podre levou aos nomes descritivos comuns putre scina e cadaverina re spectivamente 14Butanodiamina putrescina 15Pentanodiamina cadaverina As aminas aromáticas ou anilinas são chamadas de benzen aminas S eção 15 1 No caso das aminas secundárias e terciárias o maior substituinte alquila do nitrogênio é escolhido como a cadeia principal e define a alcanamina Os demais grupos são nomeados como substituintes e indicados pela letra N usada como prefixo Benzenamina anilina uma amina primária NMetiletanamina uma amina secundária NNDimetil1propanamina uma amina terciária O odor de peixe podre é devido principalmente à putrescina Embora os organismos supe riores não possam ativar o ni trogênio por redução a amônia alguns microorganismos são capazes de fazêlo Os nódulos das raízes da soja por exemplo são sítios de redução do nitro gênio pela bactéria Rhizobium Outra maneira de dar nomes às aminas é tratar o grupo funcional chamado de amino como substituinte de um alcano Este procedimento é análogo ao da nomeclatura de álcoois como hidroxialcanos Ele também é usado quando outros grupos funcionais estão presentes na molécula porque a função amina tem a menor precedência dentre todos os grupos funcionais descritos neste texto Seção 191 Muitos nomes comuns baseiamse no termo alquilamina veja na margem EXERCÍCIO 211 Dê dois nomes para cada uma das seguintes moléculas primeiro como alcanamina e depois como alquilamina EXERCÍCIO 212 Dê estruturas para os seguintes compostos nome comum entre parênteses a 2propinamina propargilamina b N2propenilfenilmetanamina Nalilbenzilamina c N2dimetil2propanamina tercbutilmetilamina EM RESUMO existem vários sistemas de nomenclatura para as aminas O Chemical Abstracts usa nomes do tipo alcanamina e benzenamina Alternativas para alcanamina são os termos aminoalcano e alquilamina O nome comum da benzenamina é anilina 212 Propriedades físicas e estruturais de aminas O nitrogênio adota com frequência a geometria do tetraedro semelhante à do carbono porém com um par de elétrons livres ocupando a posição da quarta ligação Assim as aminas têm geralmente a forma do tetraedro em volta do heteroátomo Este arranjo entretanto não é rígido porque ocorre um processo de isomerização rápida chamado de inversão O nitrogênio é menos eletronegativo do que o oxigênio logo forma ligações hidrogênio mais fracas do que as dos álcoois Como resultado os pontos de ebulição das aminas são relativamente baixos em comparação com os dos álcoois O nitrogênio das alcanaminas é tetraédrico Ao contrário das amidas Seção 201 os orbitais do nitrogênio das aminas têm hibridação aproximadamente sp3 veja a Seção 18 em um arranjo quase tetraédrico Três dos vértices do tetraedro são ocupados pelos três substituintes e o quarto pelo par de elétrons livres Como veremos este par de elétrons dá origem às propriedades básicas e nucleofílicas das aminas O termo piramidal é utilizado com frequência para descrever a geometria do nitrogênio e seus três substituintes A Figura 211 ilustra a estrutura da metanamina metilamina DESTAQUE QUÍMICO 211 As aminas fisiologicamente ativas e o controle do peso Um grande número de compostos fisiologicamente ativos deve sua atividade à presença de grupos amino Alguns exemplos simples são fármacos bem conhecidos controlados ou ilegais como a adrenalina o Benzedrex a urotropina a anfetamina a mescalina e o Effexor veja a ilustração no início do capítulo Um padrão constante em muitos destes compostos mas não em todos é a unidade 2feniletanamina βfenetilamina um nitrogênio ligado por uma cadeia de dois carbonos a um núcleo fenila destacado em verde onde aplicável Esta característica estrutural parece ser determinante para a ligação com os sítios receptores responsáveis no cérebro pela ação neurotransmissora em certos terminais nervosos Essas aminas podem alterar uma ampla variedade de comportamentos do controle do apetite e da atividade muscular à criação de estímulos eufóricos potencialmente viciantes O desenho por modelagem molecular de drogas de ação seletiva nestes sítios tem atualmente um papel fundamental no desenvolvimento de medicamentos de controle do peso e da obesidade Este esforço tem vários objetivos Assim muitas das pílulas da dieta baseiamse no efeito anorético supressor de apetite mas produtos mais novos como a sibutramina aprovado pela FDA em 1997 que não tem efeitos colaterais estimulantes atuam pelo aumento da sensação de saciedade Em outras palavras você sente fome mas assim que começa a comer sentese satisfeito ou tem a sensação de estômago cheio por mais tempo Um composto recente o rimonabanto trabalha com outro princípio e sua descoberta ilustra uma das metodologias usadas pelos pesquisadores para encontrar novos fármacos Sabese que o fumo da cannabis maconha Seções 911 e 206 pode induzir sensação de fome munchies Assim supôsse que ao bloquear os receptores canabinoides correspondentes no cérebro eliminaria a fome Este efeito poderia então ser utilizado no controle do peso De fato estudos prolongados mostraram que o rimonabanto é muito ativo para isso e o fármaco entrou no mercado europeu em 2006 Entretanto a FDA recusou sua aprovação em 2007 devido à preocupação com efeitos colaterais depressivos Em 2008 o fármaco foi retirado do mercado europeu e várias empresas pararam de desenvolver compostos semelhantes interrompendo essa metodologia promissora pelo menos por enquanto 975 Capítulo 21 Aminas e seus Derivados Outra maneira de controlar o peso é aumentar a taxa metabóli ca e portanto a temperatura do corpo um objetivo atingido mais simples e comumente pela realização de exercícios físicos Um jeito menos cansativo é usar uma droga termogênica A cafeína é um destes compostos mas o efeito na taxa metabólica é de curta duração e é seguido por um período de depressão metabólica Sibutramina merídia Rimonabanto Cafeína Enquanto as drogas termogênicas ajudam a controlar o peso cor poral pela queima das gorduras o oposto mais especificamente a inibição do aproveitamento das calorias impedindo o metabolismo está sendo tentado com outra classe de fármacos Um exemplo deles é o Orlistat aprovado pelo FDA em 1999 uma substância que retarda a fragmentação enzimática das gorduras nos intestinos fazendo que a comida seja excretada sem sofrer digestão Inicialmente vendida ape nas sob prescrição médica a FDA aprovou uma formulação livre co mercializada sob o nome all o primeiro medicamento para a perda de peso As aminas não são os únicos agentes investigados pelo potencial de controlar o peso Por exemplo a gordura que não pode ser absor vida olestra não contém nitrogênio e seu desenvolvimento está ba seado no fato de que moléculas com mais de cinco funções éster lem brese de que as gorduras normais são triglicerídeos Seção 205 não são metabolizadas pelas enzimas de nosso organismo Embora a estrutura da olestra pareça muito complexa ela é um simples octaéster do açúcar de mesa comum a sacarose em verde Capítulo 24 Olestra está sendo usada em alguns alimentos especialmente aperitivos como batatas fritas bolos de queijo e biscoitos Você pode questionar a validade da pesquisa neste tipo de medicamentos porque parece dar apoio aos comilões ou aos que se guem a moda do corpo perfeito Não é bem o caso Lembrese de que a obesidade é um problema sério de saúde que causa doenças crôni cas como problemas vasculares e respiratórios hipertensão diabetes e certos tipos de câncer além de reduzir o tempo de vida dos doentes Aparentemente esse problema é resultado de defeitos de metabolismo talvez de origem genética em certos casos que não podem ser con trolados de outra maneira Orlistate xenical Olestra EXERCÍCIO 213 As ligações do nitrogênio na metanamina metilamina veja a Figura 211 são ligeiramente maiores do que as ligações do oxigênio no metanol Figura 81 Explique Sugestão veja a Tabela 12 A geometria tetraédrica em torno do nitrogênio da amina sugere que ela deve ser quiral se os três substituintes forem diferentes o par de elétrons livres sendo o quarto substituinte O composto e sua imagem no espelho não são superponíveis como acontece com os carbonos quirais Seção 51 Este fato é ilustrado a seguir com uma alcanamina quiral simples a Nmetilmetanamina etilmetilamina Experimentalmente entretanto amostras de amina não são opticamente ativas Por quê A configuração do nitrogênio das aminas não é estável porque ocorre isomerização rápida por um processo chamado de inversão A molécula passa por um estado de transição com o nitrogênio em hibridação sp2 como se pode ver na Figura 212 Este estado de transição é semelhante ao da inversão observada nas reações SN2 Seção 65 A barreira para este movimento em aminas pequenas medida espectroscopicamente é de 5 a 7 kcal mol1 2030 kJ mol1 Isto significa que é impossível impedir que aminas enantiomericamente puras se racemizem na temperatura normal quando o átomo de nitrogênio é o único centro quiral As aminas formam ligações hidrogênio mais fracas do que as dos álcoois Como os álcoois formam ligações hidrogênio com facilidade Seção 82 seus pontos de ebulição são relativamente altos As aminas também formam ligações hidrogênio como se pode ver na Tabela 211 As ligações hidrogênio das aminas entretanto são mais fracas do que as dos Tabela 211 Propriedades físicas de aminas álcoois e alcanos álcoolis logo seus pontos de ebulição são mais baixos e a solubilidade em água é menor Os pontos de ebulição das aminas ficam em geral entre os dos alcanos e os dos álcoois correspondentes As aminas menores são solúveis em água e em álcoois porque elas formam ligações hidrogênio com o solvente Se a cadeia hidrofóbica da amina ultrapassa seis carbonos a solubilidade em água decresce rapidamente As aminas maiores são praticamente insolúveis em água EM RESUMO as aminas têm estrutura aproximadamente tetraédrica com o par de elétrons livres ocupando um dos vértices do tetraedro O nitrogênio pode em princípio ser quiral porém é difícil conservar a forma enantiomericamente pura devido à inversão rápida que ocorre no nitrogênio As aminas têm pontos de ebulição superiores aos dos alcanos de mesmo tamanho Os pontos de ebulição são inferiores aos dos álcoois análogos porque as ligações hidrogênio são mais fracas A solubilidade em água está entre a dos alcanos e álcoois de tamanhos comparáveis 213 A espectroscopia do grupo amina As aminas primárias e secundárias podem ser identificadas pela espectroscopia de infravermelho porque elas têm uma absorção larga característica da deformação axial de NH entre 3250 e 3500 cm1 As aminas primárias têm dois picos intensos nesta região e as aminas secundárias um único sinal muito fraco veja também o espectro IV das amidas Seção 201 As aminas primárias têm também uma banda característica na região de 1600 cm1 em razão da deformação angular simétrica no plano do grupo NH2 Seção 118 Figura 117 e margem Como as aminas terciárias não têm um hidrogênio ligado ao nitrogênio elas não mostram estas absorções A Figura 213 mostra o espectro da ciclohexanamina no infravermelho A espectroscopia de ressonância magnética nuclear também pode ser útil na identificação de grupos amino Os hidrogênios de amina dão frequentemente picos largos como ocorre com o sinal de OH na RMN de álcoois A posição dos deslocamentos químicos depende principalmente da velocidade de troca dos prótons com a água do solvente e do grau de ligação hidrogênio A Figura 214 mostra o espectro de 1HRMN do azaciclohexano piperidina uma amina secundária cíclica O hidrogênio de amina aparece em δ 122 ppm e existem outros dois conjuntos de sinais Figura 213 A Espectro da ciclohexanamina no infravermelho A amina tem dois picos intensos entre 3250 e 3500 cm1 característicos das absorções de deformação axial NH do grupo funcional amina primária Observe também a banda larga próxima de 1600 cm1 característica da deformação angular simétrica no plano das ligações NH B A Nmetilciclohexanamina mostra apenas um sinal em 3300 cm1 C NNdimetilciclo hexanamina não mostra picos entre 3250 e 3500 cm1 em δ 134 e 261 ppm A absorção em campo mais baixo pode ser atribuída aos hidrogênios dos carbonos vizinhos do nitrogênio desblindados pelo efeito de eletronegatividade EXERCÍCIO 214 Você esperaria que os hidrogênios do carbono vizinho do heteroátomo em uma amina RCH2NH2 fossem mais desblindados ou menos desblindados do que os de um álcool RCH2OH Explique Sugestão veja o Exercício 213 O espectro de 13CRMN mostra uma tendência semelhante isto é os carbonos diretamente ligados ao nitrogênio entram em ressonância em campo consideravelmente mais baixo do que os 984 Química Orgânica O par de elétrons livres do nitrogênio das arenaminas carboxamidas e iminas está menos disponível para a protonação Diferentemente do efeito dos grupos alquila a basicidade das aminas diminui pelo efeito de subs tituintes que retiram elétrons do nitrogênio Por exemplo o pKa do 2bis2hidróxietilamino DESTAQUE QUÍMICO 212 Separação de aminas de outros compostos orgânicos por técnicas de extração em água O isolamento de produtos naturais ou as etapas de síntese orgânica encontram frequentemente o problema da separação de componentes neutros básicos ou ácidos de misturas Podese resolver este proble ma explorando a basicidade das aminas e mais geralmente as pro priedades ácidobase de vários grupos funcionais com a purificação por extração dos sais correspondentes com água Estes procedimen tos fazem uso do fato dos sais serem em geral solúveis em água ao contrário dos ácidos ou bases conjugados Assim por exemplo podese extrair as aminas compostos básicos na forma dos sais de amônio de solventes orgânicos para uma fase água ácida Por outro lado podese remover compostos ácidos como os ácidos carboxíli cos de uma fase orgânica por extração com uma fase água básica em que eles são solúveis como carboxilatos Os processos podem então ser revertidos pela neutralização da fase água o que leva em última análise à separação dos componentes neutros básicos e áci dos de uma mistura Um fluxograma que descreve este procedimento de separação é dado na página 985 Primeiro tratase uma solução da mistura em um solvente orgâ nico com uma solução de uma base fraca como o NaHCO3 por exem plo em água para converter em sais de sódio os ácidos carboxílicos eventualmente presentes Os sais são solúveis em água e passam para essa fase As camadas são separadas e os ácidos carboxílicos são re cuperados por acidificação com um ácido mineral forte como o HCl A solução orgânica remanescente é então tratada com ácido para converter as aminas eventualmente presentes em sais de amônio que são solúveis em água e se transferem para essa fase A separação das camadas dá origem a uma solução orgânica que contém as substâncias A extração de solutos de uma fase orgânica para uma fase água e o inverso é feita por agitação da mistura em um funil de sepa ração As duas fases se separam como se pode ver na figura A separação física das fases é obtida pelo escoamento cuidadoso através da torneira que está na parte inferior do frasco 2Bis2hidróxietilaminoetanol 775 463 1066 063 A protonação ocorre no oxigênio Ciclohexanamina Acetamida A ressonância reduz a disponibilidade do par de elétrons livres do N Benzenamina anilina A ressonância reduz a disponibilidade do par de elétrons livres do N 992 Química Orgânica EM RESUMO a aminação redutiva dá alcanaminas pela condensação redutiva de aminas com alde ídos e cetonas 217 Síntese de aminas a partir de amidas As amidas de ácidos carboxílicos são precursores versáteis de aminas por redução do grupo car bonila Seção 206 Lembrese de que as amidas são facilmente obtidas pela reação de haloge netos de acila com aminas Seção 202 a sequência acilaçãoredução permite a monoalquilação das aminas de modo controlado Uso das amidas na síntese de aminas Base As amidas primárias também podem ser transformadas em aminas por oxidação com bromo ou cloro na presença de hidróxido de sódio em outras palavras pelo rearranjo de Hofmann Seção 207 Lembrese de que nesta transformação o grupamento carbonila é eliminado como dióxido de carbono de modo que a amina resultante tem um carbono a menos do que o composto de partida Aminas pelo rearranjo de Hofmann EXERCÍCIO 2114 Sugira métodos de preparação da Nmetilhexanamina a partir da hexanamina duas sínteses e a par tir da Nhexilmetanamida Nhexilformamida EM RESUMO as amidas podem ser reduzidas a aminas pelo tratamento com hidreto de alumínio e lítio O rearranjo de Hofmann converte amidas em aminas com perda do grupo carbonila 218 Sais quaternários de amônio eliminação de Hofmann Assim como a protonação dos álcoois transforma o grupo OOH em um melhor grupo de saída Seção 92 a protonação das aminas gera sais de amônio que podem sofrer ataque nucleofílico Na prática porém as aminas não são grupos de saída suficientemente bons elas são mais básicas do que a água para permitir reações de substituição Elas podem entretanto funcionar como grupos de saída na eliminação de Hofmann em que uma base forte converte o sal de tetraal quilamônio em alqueno Vimos na Seção 215 que a alquilação completa de aminas leva a sais quaternários de amô nio Na presença de bases fortes estas espécies são instáveis e ocorre eliminação bimolecular para dar alquenos Seção 77 A base ataca o hidrogênio na posição b em relação ao nitrogênio e ocorre eliminação de uma trialquilamina na forma neutra Este é o mesmo Hofmann da Regra de Hofmann das reações E2 Seção 116 e do rearranjo de Hofmann Seção 207 995 Capítulo 21 Aminas e seus Derivados Mecanismo da reação de Mannich Etapa 1 Formação do íon imínio Etapa 2 Enolização Etapa 3 Formação de ligação carbonocarbono Etapa 4 Transferência de próton Sal da base de Mannich O exemplo abaixo mostra o uso da reação de Mannich na síntese de produtos naturais Neste caso formase um anel pela condensação do grupo amino com uma das duas funções carbonila A reação de Mannich do sal de imínio resultante com a forma enol da outra função carbonila ocorre em seguida O produto tem a estrutura da retronecina na margem um alcaloide presente em mui tos arbustos e que é hepatotóxico causa danos ao fígado em animais de pastagem Reação de Mannich em sínteses EXERCÍCIO 2118 Trabalhando com os conceitos prática da reação de Mannich Escreva o produto da reação de Mannich entre a amônia o formaldeído e a ciclopentanona Estratégia A reação de Mannich começa pela condensação da amina com o componente carbonilado mais reativo É preciso identificar este constituinte e convertêlo no íon imínio Depois é necessário acoplar o imínio intermediário com a forma enol do componente carbonilado menos reativo MECANISMO Retronecina Íon imínio Enol 1000 Química Orgânica DESTAQUE QUÍMICO 214 Aminas na indústria náilon Além de sua importância em medicina Destaque Químico 211 as aminas têm inúmeras aplicações industriais Um exemplo é a 13he xanodiamina hexametilenodiamina HMDA usada na fabricacão do náilon A amina sofre policondensação com o ácido hexanodioico adípico para produzir o Nylon 66 com o qual milhões de toneladas de fibras têxteis são preparadas e utilizadas para fazer utensílios ma lhas e roupas Policondensação do ácido adípico com HMDA Ácido hexanodioico ácido adípico 16Hexanodiamina hexametilenodiamina Sal duplo Polimerização Nylon 66 A alta demanda pelo náilon estimulou o desenvolvimento de várias sínteses engenhosas e baratas dos precursores monoméricos Assim o ácido hexanodioico adípico é hoje produzido a partir do benzeno por três caminhos de várias etapas todos levando a uma última etapa envolvendo a oxidação catalisada por sal do ciclo hexanol ou misturas de ciclohexanol e ciclohexanona com ácido nítrico Um método verde foi desenvolvido em 2006 por químicos da Rhodia Chimie França em que ar é usado como agente oxidante no lugar do ácido nítrico HNO3 que é tóxico e corrosivo e mais caro Produção do ácido adípico Processo indrustrial em uso Ácido hexanodioico ácido adípico sais de Cu sais de Co Síntese verde A perna esquerda da estrela de cinema Marie Wilson que pode ser vista pendurada em um guindaste fazendo propaganda de meias de nái lon Hollywood 1949