Reações em Compostos Carbonílicos: Acidez, Carbono Alfa e Mecanismos

mai23 1 Compostos Carbonílicos e suas Reações Reações no Carbonoα Química Orgânica Universidade Federal de Santa Maria Centro de Ciências Naturais e Exatas Departamento de Química Prof Ricardo F Schumacher Até o momento o estudo da reatividade de compostos carbonílicos se deu através da reatividade de seus sítios parciais positivos os quais são atacados por diferentes nucleófilos No entanto aldeídos cetonas ésteres e amidas NNdissubstituídas possuem um outro sítio de reatividade Um hidrogênio ligado a um carbono sp3 adjacente a uma carbonila é suficientemente ácido para ser removido por uma base forte Reações no Carbonoα Acidez de Hidrogêniosα Enquanto que alcanos possuem hidrogênios com uma baixa acidez evidenciada pela medida de pKa uma vez que átomos de C e H possuem eletronegatividade similar e compartilham elétrons quase que igualmente hidrogênios ligados a carbonos sp3 adjacentes a carbonilas são muito mais ácidos Comparação do pKa de hidrogênios ligados a carbonos hibridizados sp3 alcano aldeído cetona éster Por que o hidrogênio ligado a um carbono hibridizado sp3 adjacente a uma carbonila é muito mais ácido Um hidrogênioα é mais ácido porque a base conjugada formada quando o próton é removido é mais estável Por que a base é mais estável Porque a deslocalização de elétrons aumenta a estabilidade do composto Dessa participa um átomo de oxigênio que acomoda melhor elétrons devido a sua maior eletronegatividade Acidez de Hidrogêniosα Isso também explica porque aldeídos e cetonas possuem hidrogênios mais ácidos que ésteres e amidas Nesse caso existe uma competição entre os pares de elétrons do carbonoα e do grupo OR do éster ou NR2 da amida Nitroalcanos nitrilas e amidas NNdissubstituidas também possuem hidrogêniosα relativamente ácidos devido a possibilidade de deslocalização de elétrons Acidez de Hidrogêniosα Se o carbonoα estiver entre duas carbonilas a acidez do hidrogênioα é ainda maior Isso é resultado da deslocalização de elétrons entre dois átomos de oxigênio Acidez de Hidrogêniosα 1 2 3 4 5 6 mai23 2 Acidez de Hidrogêniosα Tautomerismo CetoEnólico Um aldeído ou cetona existem em equilíbrio com seu tautômero enol Tautômeros são isômeros constitucionais que estão em rápido equilíbrio Eles diferenciamse pela localização da ligação dupla e da ligação para um dos átomos de hidrogênio Para as cetonas e aldeídos simples o tautômero enol é muito menos estável que o tautômero ceto O principal motivo é que uma ligação dupla carbonooxigênio é mais forte do que uma ligação dupla carbono carbono Esse processo chamase tautomerização ou enolização A interconversão entre tautômeros pode ser catalisada tanto por base quanto por ácido Tautomerismo CetoEnólico A quantidade de enol presente no equilíbrio é bastante pequena para aldeídos e cetonas simples As constantes de equilíbrio para a enolização são muito menores do que 1 Tautomerismo CetoEnólico A forma ceto é mais estável que o enol em cerca de 45 a 60 KJmol O principal motivo para essa diferença é que uma ligação dupla CO é mais forte do que uma ligação dupla CC Com cetonas não simétricas a enolização pode ocorrer em qualquer uma das duas direções A cetona é de longe a espécie mais abundante presente no equilíbrio Ambos os enóis estão presentes mas em concentrações muito pequenas Tautomerismo CetoEnólico Determinadas características estruturais podem tornar o equilíbrio cetoenol mais favorável pela estabilização da forma enol O arranjo 13 de grupos carbonílicos em βdicetonas leva a situação na qual as formas ceto e enol têm estabilidades comparáveis Tautomerismo CetoEnólico 7 8 9 10 11 12 mai23 3 Como Enois e Enolatos Reagem A ligação dupla CC de um enol atua como um potente nucleófilo e leva a produtos de substituição no carbonoα Nesse caso um hidrogênio é substituído por um eletrófilo Reação de substituiçãoα catalisada por ácido O que torna a ligação dupla nucleofílica Como Enois e Enolatos Reagem Enolatos são nucleófilos mais potentes que enois devido a presença da carga negativa Íons enolato possuem dois sítios ricos em elétrons caracterizandose como nucleófilos ambidentados ou seja possuem dois sítios nucleofílicos Reação de substituiçãoα catalisada por base Halogenação do Carbonoα em Aldeídos e Cetonas Halogenação catalisada por ácido Quando Br2 Cl2 ou I2 são adicionados a uma solução ácida de um aldeído ou cetona um halogênio substitui um hidrogênioα do composto carbonílico Halogenação do Carbonoα em Aldeídos e Cetonas Halogenação promovida por base A reação de halogenação também pode ser conduzida em meio básico No entanto se excesso de Br2 Cl2 ou I2 são adicionados a uma solução básica de um aldeído ou cetona os halogênios substituem todos os hidrogêniosα do composto carbonílico Halogenação do Carbonoα em Aldeídos e Cetonas A reação do Halofórmio Quando metil cetonas reagem com excesso de halogênio e excesso de base multiplas halogenações ocorrem no carbono do grupo metílico em decorrência do aumento na acidez dos hidrogênios Sendo OH a base utilizada uma reação de substituição acílica ocorre levando a formação de um carboxilato e um halofórmio carboxilato iodofórmio Essa reação ocorre devido ao grupo abandonar ser uma base fraca mesmo que derivada de um carbânion Ex CHl3 pKa 14 versus H2O pKa 157 Halogenação do Carbonoα em Aldeídos e Cetonas Importância da halogenação do carbonoα na síntese orgânica 1 Carbonoα atuando como nucleófilo 2 Após ser halogenado o carbonoα atua como eletrófilo 3 Ou ainda pode ser usado no preparo de um composto αβinsaturado 13 14 15 16 17 18 mai23 4 Halogenação de ácidos carboxílicos Reação de HellVolhardZelinski Ácidos carboxílicos contendo átomos de hidrogênioα reagem com bromo e cloro na presença de um haleto de fósforo para produzir ácidos carboxílicos αhalo substituídos Essa transformação chamase reação de HellVolhardZelinski Halogenação de ácidos carboxílicos Reação de HellVolhardZelinski Ácidos carboxílicos contendo átomos de hidrogênioα reagem com bromo e cloro na presença de um haleto de fósforo para produzir ácidos carboxílicos αhalo substituídos Essa transformação chamase reação de HellVolhardZelinski Formação de Enolatos e a característica da base A quantidade de composto carbonílico convertido em enolato depende do pKa do composto carbonílico e da base específica usada para remover o hidrogênioα Se a base empregada é uma base mais fraca do que o enolato formado então o equilíbrio estará dirigido para a esquerda Este é o caso por exemplo quando uma cetona é tratada com o íon hidróxido O íon hidróxido é uma base mais fraca que a base formada Nucleófilo Eletrófilo Formação de Enolatos e o uso de LDA como base Por outro lado se uma base muito forte é empregada o equilíbrio estará muito à direita Nesse caso uma base forte muito empregada para a conversão de compostos carbonílicos em enolatos é o diisopropilamideto de lítio LDA ou LiNiPr2 Preparação do LDA O LDA é uma base mais forte que a base formada íon anolato Revisando a tabela de pKa qual outra base comum poderia ser usada E no caso da 24pentanodiona Enolatos de Lítio O uso de LDA como base Alquilações do Carbonoα de compostos carbonilados Alquilação de ésteres e nitrilas A alquilação é uma reação SN2 e funciona melhor com haletos de metila haletos benzílicos alílicos e de alquila primários E os haletos de alquila secundários e terciários Reação de eliminação Cetona Éster Nitrila Formação de enolatos O uso de uma base fraca Alquilação de compostos 13dicarbonílicos Devido ao abaixamento do pKa de hidrogêniosα em um composto dicarbonílico a utilização de bases fracas como o carbonato de potássio se torna possível em uma reação de alquilação Uso de bases fracas Valores de pKa para H2CO3 pKa1 637 e pKa2 1032 19 20 21 22 23 24 mai23 5 Enolatos de Lítio O uso de LDA como base Regiosseletividade na formação de enolatos e na alquilação Cetonas não simétricas possuem diferentes hidrogêniosα Produto Cinético Produto Termodinânico Enolatos de Lítio O uso de LDA como base Regiosseletividade na formação de enolatos Observe que a formação do enolato cinético via vermelha envolve uma barreira de energia menor Ea e portanto ocorre mais rapidamente enquanto o enolado termodinâmico via azul é o enolato mais estável Enolatos de Lítio O uso de LDA como base Formação de enolatos e a polialquilação na presença de base forte Quando LDA é utilizado como base frente a uma cetona simples um problema experimental comum é a ocorrência da polialquilação Como consequência diferentes produtos são obtidos no final da reação e uma baixa seletividade para a monoalquilação é observada Nesse sentido métodos alternativos são requeridos Enolatos de Lítio O uso de LDA como base Regiosseletividade na formação de enolatos O carbonoα menos substituído pode também ser alquilado contornando a reversibilidade da reação Isso é possível convertendo uma cetona em uma NNdimetilhidrazona O inconveniente é o acréscimo de duas etapas na síntese Alquilação e Acilação de Carbonoα via um Intermediário Enamina Enaminas são formadas quando aldeídos e cetonas reagem com aminas secundárias Elas podem reagir com eletrófilos da mesma maneira que intermediários enolatos Alquilação e Acilação de Carbonoα via um Intermediário Enamina Isto significa que eletrófilos podem ser adicionados ao carbonoα de aldeídos ou cetonas convertendo o composto carbonílico a uma enamina e posteriormente adicionando o eletrófilo Por fim a hidrolise do íon imínio regenera o composto carbonílico Uma vantagem de usar um intermediário enamina é que apenas o produto monoalquilado é formado E como acontece essa reação 25 26 27 28 29 30 mai23 6 Alquilação e Acilação de Carbonoα via um Intermediário Enamina E como acontece essa reação Bibliografia Recomendada 1 Graham Solomons Química Orgânica Vol 2 Cap 18 e 19 10 edição EdLTC 2 Paula Bruice Química Orgânica Vol 2 Cap 19 Ed Pearson 3 John McMurry Química Orgânica Vol 2 Cap 22 Cengage Learning 4 Jonathan Clayden Nick Greeves Stuart Warren Organic Chemistry Ed Oxford 5 Allinger NL Química Orgânica Rio de Janeiro LTC Livros Técnicos e Científicos 1997 6 Francis Carey Química Orgânica Vol 1 e 2 Cap 20 Ed McGrawHill 31 32