Química orgânica vol. 2 t. w. graham solomons - 7ª ed. pt. (ws)

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Química orgânica vol. 2 t. w. graham solomons - 7ª ed. pt. (ws)

  1. 1. By W. S. , QUI MICA ORGANICA A 2 sétima edição T. W. Graham Solomons University of South Florida Craig B. Fryhle Pacific Lutheran University Tradução Whei Oh Lin Professora Titular do Departamento de Engenharia Química do Instituto Militar de Engenharia S.L!f- sc;~~tt v-b 1.v1· 6(.6 LTC EDITORA
  2. 2. / ' No interesse de difusão da cultura e do conheCimento, os autores e os editores envidararn o máximo esforço para localizar os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado, dispondo-se a possíveis acertos posteriores caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida. Organic Chemistry Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Inc. All Rights Reserved. Authorized translation from the English language edition published by John Wiley & Sons, Inc. Capa: ©Gerry Ellis/GerryEllis.com Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2002 by LTC - Livros T.:cnicos e Científicos Editora S.A. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ- CEP 20040-040 Tel.: 21-2221-9621 Fax: 21-2221-3202 Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web ou outros) sem permissão expressa da Editora. I. I
  3. 3. SUMÁRIO GERAL Volume I CAPÍTULO CAPÍTULO I 2 Compostos de Carbono e Ligações Químicas Compostos de Carbono Representativos: Grupos Funcionais, Forças lntermoleculares e Espectroscopia de Infravermelho (IV) 3 4 5 CAPÍTULO CAPÍTULO ÍTULO ÍT ULO Uma Introdução às Reações Orgânicas: Ácidos e Bases Alcanos: Nomenclatura, Análise Conformacional e uma Introdução à Síntese 6 7 CAPÍTULO Reações lõnicas - 8 ÍTULO 9 ÍTULO LO Estereoquímica: Moléculas Quirais Substituição Nucleofílica e Reações de Eliminação dos Haletos de Alquila Alcenos e Alcinos 1: Propriedades e Síntese. Reações de Eliminação de Haletos de Alquila Alcenos e Alcinos 11: As Reações de Adição Ressonância Magnética Nuclear e Espectrometria de Massa: Ferramentas para Determinação de Estruturas I O Reações de Radicais _ LO I I Álcoois e Éteres I 2 Álcoois a Partir de Compostos Carbonílicos, Oxidação-Redução e Compostos Organometálicos LO 13 Sistemas lnsaturados Conjugados LO 14 Compostos Aromáticos 15 Reações de Compostos Aromáticos LO LO Respostas dos Problemas Selecionados -.nour:.;:,oe:l.rl o ~..... , J s .. o. das Ilustrações e das Fotos Volume 2 o o o o 16 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 17 Aldeídos e Cetonas 11. Reações Aldólicas -~ 18 Ácidos Carboxílicos e Seus Derivados. Adição-Eliminação Nucleofílica no Carbono Acílico I 9 Síntese e Reações dos Compostos Mais Química dos Ânions Enolato ~-Dicarbonílicos:
  4. 4. XX Sumário Geral CAPÍTULO 20 Aminas CAPÍTULO 21 CAPÍTULO 22 Carboidratos CAPÍTULO CAPÍTULO 23 Lipídios 24 Aminoácidos e Proteínas CAPÍTULO 25 Ácidos Nucléicos e Síntese de Proteínas Fenóis e Haletos de Arila: Substituição Aromática Nucleofílica Respostas dos Problemas Selecionados Créditos das Ilustrações e das Fotos Índice
  5. 5. Sumário Capítulo 16 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofilica ao Grur<;.ybon]la I 7 : .I Introdução 2 . omenclatura dos Aldeídos e Cetonas 2 Propriedades Físicas 3 Síntese de Aldeídos 4 Sintese.de_Cetonas 8 Adição Nucleofílica à Ligação Dupla Carbono-Oxigêni A Adição de Álcoois: Herniacetais e Acetais A Adição de Derivados de Amônia 1 A Adição de Ácido Cianídrico @) : _.lO A Adição de Ilídeos: A Reação de Wittig 27 __ .li A Adição de Reagentes Organometálicos: A Reação de Reformatsky@ :, . L Oxidação de Aldeídos e Cetona 32 : _. 13 .-nálises Químicas para Aldeídos e Cetonas 33 •.! Propriedades Espectroscópicas de Aldeídos e Cetonas 34 Q?' Caprtu lo 17 Aldeídos e Cetonas 11. Reações Aldólicas 46 .- Acidez dos Hidrogênios a dos Compostos Carbonilados: Ânions Enolatos@ , Tautomeria Cetoenóli~a@ Reações Via Enóis e Anions Enol~tos 9 .- Reação Aldólica: A Adição de Anions Enolatos aos Aldeídos e às Cetonas 54 ea ões Aldólicas Cruzadas 58 C i lizações via Condensações Aldólicas 63 Enolatos de Lítio 64 ~Ienação a: Uma Síntese dos Compostos Carbonilados a,[3 Insaturados 69 .- · • ões aos Aldeídos e Cetonas a,[3 lnsaturadas 70 lo 18 Ácidos Carboxílicos e Seus Derivados. Adição-Eliminação Nucleofílica no Carbono Acílico 84 . . .. - C rrodução 85 · _·omenclatura e !1'opriedades Físicas 85/ Preparação dos Acidos Carboxílicos.9--2' .- i ,ão-Eliminação Nucleofílica em Carbono Acílic Ooreto de Acila 97 .-nidridos de Ácidos Carboxílicos 98 É;; eres 100 : rnidas 106 .--:-i o· a -Halo~enados : A Reação de Hell-Volhard-Zelinski 113 [)crivados do Acido Carbônico 115
  6. 6. XXii Sumário 18.11 Descarboxilação de Ácidos Carboxílicos 117 18.12 Testes Químicos para os Compostos Acílicos 119 Tópico Especial B: Polímeros de Crescimento por Etapas 134 Capítulo 19 Síntese e Reações dos Compostos [3-Dicarbonílicos: Mais Química dos Ânions Enolato 142 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 19.9 19.10 19.11 19.12 Introdução 143 A Condensação de Claisen: A Síntese dos 13-Cetoésteres 144 A Síntese com Éster Acetoacético: Síntese das Metil Cetonas (Acetonas Substituídas) 149 A Síntese com Éster Malônico: Síntese dos Ácidos Acéticos Substituídos 154 Mais Reações de Compostos com Hidrogênio Ativo 158 Alquilação Direta dos Ésteres e das Nitrilas 159 Alquilação dos 1,3-Ditianos 160 Condensação de Knoevenagel161 Adições de Michael161 Reação de Mannich 163 Síntese das Enarninas: Reações de Enamina de Stork 165 Barbituratos 169 Tópico Especial C: Tióis, llídeos de Enxofre e Dissulfetos 181 Tópico Especial D: Ésteres Tiólicos e a Biossíntese de Lipídios 186 Capítulo 20 Aminas 198 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8 20.9 20.10 20.11 20.12 20.13 Nomenclatura 199 Propriedades Físicas e Estrutura das Aminas 200 Basicidade de Aminas: Sais de Amina 202 Algumas Aminas Biologicamente Importantes 208 Preparação de Aminas 210 Reações de Aminas 216 Reações de Aminas com Ácido Nitroso 218 Reações de Substituição de Sais de Arenodiazônio 220 Reações de Acoplamento de Sais de Arenodiazônio 223 Reações de Aminas com Cloreto de Sulfonila 225 As Sulfas: Sulfanilamida 227 Análise de Aminas 230 Eliminações Envolvendo Compostos de Amônio 231 Tópico Especial E: Reações e Síntese de Aminas Heterocíclicas 245 Tópico Especial F: Alcalóides 255 Capítulo 21 Fenóis e Haletos de Arila: Substituição Aromática Nucleofílica 260 21.1 Estrutura e Nomenclatura dos Fenóis 261 21.2 Fenóis Naturais 262 21.3 Propriedades Físicas dos Fenóis 262 21.4 Síntese dos Fenóis 263 , 1 21.5 Reações dos Fenóis como Acidos 267 21.6 Outras Reações do Grupo 0-H dbs_.~ 269 21.7 Clivagem dos Éteres Alquil-An1ico(~~~ · 21.8 Reações do Anel Benzênico dos Fenms 270 21.9 O Rearranjo de Claisen 272 / 21.10 Quinonas 274 / , 21.11 Haletos de Arila e Substituição Aromática Nucleofílic/ 27 5 21.12 Análise Espectroscópica dos Fenóis e Haletos de Aril;i.g.-( Segundo Conjunto de Problemas de Revisão 290 Tópico Especial G: Reações Eletrocíclicas e de Cicloadição 295 Tópico Especial H: Haletos Orgânicos e Compostos Organometálicos no Meio Ambiente 307 Tópico Especial 1: Compostos Organometálicos de Metal de Transição 312
  7. 7. Sumário Capítulo 22 Carboidratos 321 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8 22.9 22.10 22.11 22.12 22.13 22.14 22.15 22.16 22.17 Introdução 322 Monossacarídeos 324 Mutarrotação 328 Formação do Glicosídio 329 Outras Reações dos Monossacarídeos 332 Reações de Oxidação dos Monossacarídeos 334 Redução dos Monossacarídeos: Alditóis 339 Reações dos Monossacarídeos com Fenilidrazina: Osazonas 339 Síntese e Degradação dos Monossacarídeos 340 A Família D das Aldoses 342 Prova de Fischer da Configuração da D-(+)-Glicose 342 Dissacarídeos 345 Polissacarídeos 350 Outros Açúcares Importantes Biologicamente 355 Açúcares que Contêm Nitrogênio 355 Glicolipídios e Glicoproteínas da Superfície da Célula 357 Carboidratos Antibióticos 359 Capítulo 23 Lipídios 366 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 Introdução 367 Ácidos Graxos e Triacilgliceróis 367 Terpenos e Terpenóis 374 Esteróides 378 Prostaglandinas 386 Fosfolipídios e Membranas Celulares 387 Ceras 390 Capítulo 24 Aminoácidos e Proteínas 397 24.1 24.2 24.3 24.4 24.5 24.6 24.7 24.8 24.9 24.1 O 24.11 24.12 Introdução 398 Aminoácidos 399 Síntese de a-Aminoácidos em Laboratório 403 Análise de Polipeptídios e Proteínas 406 A Seqüência de Aminoácidos nos Polipeptídios e nas Proteínas 409 Estruturas Primárias de Polipeptídios e Proteínas 411 Síntese de Polipeptídios e de ProteÍnas 415 Estruturas Secundária, Terciária e Quaternária das Proteínas 419 Introdução às Enzimas 424 Lisozima: Modo de Ação de uma Enzima 425 Proteases Serina 428 Hemoglobina: Uma Proteína Conjugada 433 Capítulo 25 Ácidos Nucléicos e Síntese de Proteínas 438 25.1 _5 .2 _5 .3 ~5 .4 _: .5 .::5.6 Introdução 439 Nucleotídeos e Nucleosídeos 439 Síntese de Nucleosídeos e Nucleotídeos em Laboratório 442 O Ácido Desoxirribonucléico: DNA 444 RN A e Síntese de Proteínas 450 Determinação da Seqüência de Bases do DNA 457 íntese de Oligonucleotídeos em Laboratório 459 _ Reação em Cadeia pela Polimerase 459 - espostas dos Problemas Selecionados 464 Créditos das Ilustrações e das Fotos 466 ice 468 xxiü
  8. 8. Sobre os, Autores T. W. GRAHAM SOLOMONS T. W. Graham Solomons graduou-se na The Citadel e rece:.Cu seu doutorado em química orgânica em 1959 da Duke Uni ~rs ity, onde trabalhou com C. K. Bradsher. Depois, ele foi ;:::embro de Pós-doutorado pela Fundação Sloan na Universida=.e de Rochester, onde trabalhou com V. Boekelheide. Em 1960, :.:>mou-se um membro perito do corpo docente da Universidade ~ South Florida (USF) e professor de química em 1973. Em :992. ele foi eleito professor emérito. Em 1994 era professor vi>: ta nte junto à Faculté des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, Université René Descartes (Paris V). Ele é mem- _ da Sigma Xi, Phi Lambda Upsilon e Sigma Pi Sigma. Rece::~e ,·erbas para pesquisa da Research Corporation e da Ameri2fl Chemical Society Petroleum Research Fund. Por vários anos ~:c foi diretor do Undergraduate Research Participation Program -, CSF. patrocinado pela NSF. Seus interesses de pesquisa têm >: o as áreas da química de heterocíclicos e compostos aromáti- - anormais. Ele publicou artigos no Joumal of the American Chemical Society, no Joumal of Organic Chemistry e no Jour":.J! o. Heterocyclic Chemistry. Recebeu vários prêmios por ene:maordinário. Seus livros didáticos de química orgânica têm ,: o usados amplamente por 20 anos e foram traduzidos para o 2:?<Jm~ - . hinês, coreano, malásio, árabe, português, espanhol e _ .:..iliano. Ele e sua esposa Judith têm uma filha que é geofísica e " -.js filho mais jovens. -~ CRAIG BARTON FRYHLE Craig Barton Fryhle é professor associado e presidente do Departamento de Química na Paciftc Lutheran University. Ele obteve seu grau de B.A. do Gettysburg College e o Ph.D. da Brown University. Os interesses de pesquisa do professor Fryhle se relacionam às enzimas e metabólitos do caminho do ácido eshikímico. 1 Sua atual pesquisa envolve estudos conformacionais dos substratos do caminho do eshikimato2 e análogos pela modelagem molecular e a espectrometria RMN, e estudos da estrutura e a reatividade das enzimas no caminho do ácido eshikímico. Ele recebeu fundos de pesquisa e instrumentação da National Science Foundation, do M. J. Murdock Charitable Trust, e outras fundações particulares. O trabalho do professor Fryhle, na educação de química, envolveu incorporações de estratégias de aprendizado ativo e de base de computador na química orgânica, desenvolvimento de novos experimentos para cursos de graduação em química orgânica e em análise instrumental, e um trabalho de fundamento nas edições anteriores deste texto. Ele é voluntário nos programas de ciência prática em escolas públicas de Seattle. Em 1999, foi presidente da Puget Sound Section da American Chemical Society. Ele mora em Seattle com sua esposa Deanna, e as filhas Lauren e Heather. "'"'do inglês shikimic. Trata-se do ácido 3,4,5-trihidroxi-1-cicloexeno-1-carboxílico (pelas regras da IUPAC, Intemational Union of Pure and Applied Chemistry). Vem do de uma planta. shikimi-noki, um precursor importante de certos produtos aromáticos. (N.T .) -~ h•-re do inglês shikimate, sal do ácido eshikimico. (N.T.) =-~:o;:;
  9. 9. Para o Estudante Ao contrário do que você possa ter ouvido falar, a química orgânica não precisa ser um curso difícil. Será um curso rigoro;,o e oferecerá um desafio. Mas você irá aprender mais nele do que em qualquer outro curso que você for fazer- e o que você prende tem uma relevância especial para a vida e o mundo que o cerca. Contudo, como a química orgânica pode ser abordada e maneira lógica e sistemática, você irá descobrir que com há;_ itos de estudo corretos dominar a química orgânica pode ser uma experiência profundamente gratificante. Aqui, pois, estão algu::nas sugestões de como estudar: 1. Esteja sempre com seu trabalho atualizado- nunca deixe acumular matéria. A química orgânica é um curso no qual uma idéia é quase sempre construída sobre uma outra que foi dada antes. É essencial, portanto, que fique atualizado, ou melhor ainda, esteja um pouco à frente de seu professor. O ideal seria tentar estar um dia adiante da aula do seu professor, preparando sua própria aula. Assim, a aula em si será muito mais benéfica, pois você já terá algum entendimento da matéria em questão. Seu tempo na aula será aproveitado para esclarecer e expandir as idéias com as quais você já está familiarizado. Estude o material em pequenas unidades, e certifique-se de que você entende cada seção nova antes de ir para a próxima. Novamente, devido à natureza cumulativa da química orgânica, seu estudo será muito mais eficaz se você estudar cada nova idéia à medida que é apresentada, entendendo-a completamente antes de seguir ao conceito seguinte. Muitos conceitos-chave são enfatizados pelos ícones de Caixa de Ferramentas, na margem, acompanhados de suas legendas. Esses conceitos, uma vez aprendidos, serão parte da sua caixa de ferramentas para o sucesso na química orgânica. Da mesma maneira, dicas ou sugestões de estudo e de pensamentos sobre a química orgânica são realçadas pelos ícones de Dicas para Estudo e as legendas. Antes de seguir em frente, tenha certeza de que você entendeu um conceito, esteja ele realçado por um ícone de Caixa de Ferramentas ou de Dica para Estudo, ou não. 3. Resolva todos os problemas atribuídos no capítulo e designados do fmal do capítulo. Uma maneira de verificar seu progresso é trabalhar com cada problema do capítulo, quando chegar lá. Esses problemas foram escritos justamente com este propósito e são designados a ajudá-lo a decidir se você entendeu o material que acabou de ser explicado. Se você consegue trabalhar o problema do capítulo, então pode seguir em frente; caso contrário, você deve retroceder e estudar novamente o material anterior. Trabalhe também todos os problemas designados pelo seu professor do fmal do capítulo. Faça todos os problemas em um caderno de anotações e mostre o caderno ao seu professor quando for pedir alguma ajuda extra. 4. Escreva quando estudar. Escreva as reações, mecanismos, estruturas e assim por diante, repetidas vezes. A química orgânica é mais bem assimilada através da ponta dos dedos, ao escrever, e não pelos olhos, apenas olhando, ou realçando o material no texto, ou pela referência de cartões de anotações rápidas. Há um bom motivo para isso. As estruturas orgânicas, os mecanismos e as reações são complexos. Se você simplesmente os examina, pode pensar que os entendeu profundamente, mas isso terá sido uma concepção errada. O mecanismo de reação pode fazer sentido de uma certa maneira, mas você irá necessitar de um entendimento mais profundo. Você precisa conhecer o material tão profundamente que possa explicá-lo a outra pessoa. Esse nível de entendimento vem para a maioria (aqueles que não possuem a memória fotográfica) através da escrita. Somente escrevendo os mecanismos de reação prestamos suficiente atenção aos detalhes, tais como: que átomos são conectados a que átomos, que ligações quebram em uma reação e que ligações formam, e os aspectos tridimensionais das estruturas. Quando escrevemos as reações e os mecanismos, conexões são feitas em nosso cérebro que fornecem a memória de longa duração necessária para o sucesso na química orgânica. Estamos praticamente garantindo que sua nota no curso será diretamente proporcional ao número de páginas que você irá preencher com suas próprias anotações ao longo do semestre. 5. Aprenda ensinando e explicando. Estude com seus colegas, e pratiquem explicando conceitos e mecanismos uns aos outros. Use os Problemas para Trabalho em Grupo e outros exercícios que seu professor possa designar como veículos para ensinar e aprender interativamente com seus colegas. 6. Ao estudar, use os modelos moleculares. Devido à natureza tridimensional da maioria das moléculas orgânicas, os modelos moleculares podem ser de ajuda inestimável para sua compreensão. Compre um conjunto de modelos moleculares barato e use-o quando necessitar ver o aspecto tridimensional de um tópico especial.
  10. 10. 16 Capítulo Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Uma Vitamina Muito Versátil, Piridoxina (Vitamina B6) O fosfato de piridoxal (sigla em inglês, PLP) está no âmago da química realizada por uma série de enzimas. Muitos de nós conhecem a coenzima fosfato de piridoxal através da vitamina bastante relacionada àquela obtida em nossa dieta - piridoxina ou vitamina B6 . O trigo é uma boa fonte alimentar de vitamina B 6. Embora o fosfato de piridoxal seja um membro da farru1ia dos aldeídos, quando ele está envolvido em química biológica, costuma conter um grupo funcional bastante relacionado, o qual contém uma ligação dupla carbono-nitrogênio, denominada imina. Estudaremos aldeídos, iminas e grupos relacionados no decorrer deste capítulo. oo- F- o- H--....... '-..p 0f --.......0-CH 2 c """"o ~ I h- N+ I CH 3 H Fosfato de Piridoxal Piridoxina Entre as reações enzimáticas que envolvem o PLP incluem-se as transaminações, que convertem aminoácidos em cetonas para o uso no ciclo do ácido cítrico e em outras rotas; as descarboxilações de aminoácidos, para a biossíntese de neurotransmissores, como histamina, dopamina e serotonina; e as racemizações de estereocentros de aminoácidos, tais como as necessárias à biossíntese de paredes celulares em bactérias. o R li C '-..C/ '-..OH li o o li R '-..C/C '-..OH l H Um Racemização NH2 a-aminoácido~ Recarboxila~ R--....... /H c l H NH2 Em todas estas reações, assim como em inúmeras outras, a função essencial do PLP é estabilizar um carbânion intermediário, atuando como um atrator de densidade eletrônica. Os detalhes destas transformações são descritos posteriormente neste capítulo em "A Química do Fosfato de Piridoxal" (ver Seção 16.8). Todas as reações do PLP são excelentes exemplos de como os processos biológicos exe:nplificam a química orgânica em ação.
  11. 11. 2 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila ~6.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 Introdução Nomenclatura dos Aldeídos e Cetonas Propriedades Físicas Síntese de Aldeídos Síntese de Cetonas Adição Nucleoffiica à Ligação Dupla Carbono-Oxigênio A Adição de Álcoois: Hemiacetais e Acetais A Adição de Derivados de Amônia 16.1 16.9 A Adição do Ácido Cianídrico 16.10 A Adição de llídeos: A Reação de Wittig 16.11 A Adição de Reagentes Organometálicos: A Reação de Reformatsky 16.12 Oxidação de Aldeídos e Cetonas 16.13 Análises Químicas para Aldeídos e Cetonas 16.14 Propriedades Espectroscópicas de Aldeídos e Cetonas INTRODUÇÃO Com excegão do formaldeído, o aldeído mais simples, todos os aldeídos possuem um grupo i. li carbonila, .......c,, ligado de um lado a um carbono e do outro lado a um hidrogênio. Nas cetonas, o grupo carbonila situa-se entre dois átomos de carbono. o li c o li c o li c H/ 'H R/ 'H R/ 'R' Formaldeído RCHO Fórmula Geral para Aldeído RCOR' Fórmula Geral para Cetona Embora os capítulos anteriores tenham nos dado uma noção da química dos compostos com carbonila, iremos agora abordar sua química detalhadamente. A razão para isso é que a química do grupo carbonila é essencial para a química da maioria dos capítulos subseqüentes. Neste capítulo, nossa atenção será concentrada na preparação dos aldeídos e cetonas, em suas propriedades físicas e, em especial, nas reações de adição nucleoft1ica que ocorrem em seus grupos carboniZa. No Cap. 17, estudaremos a química dos aldeídos e cetonas que resulta do caráter ácido dos átomos de hidrogênio ligados aos carbonos adjacentes aos grupos carboniZa. 16.2 NOMENCLATURA DOS ALDEÍDOS E CETONAS No sistema IUPAC, os aldeídos e cetonas alifáticas são nomeados substitutivamente, trocando-se o final o do nome do alcano correspondente por al. Uma vez que o grupo aldeído estará no final da cadeia carbônica, não há necessidade de indicar sua posição. Quando outros substituintes estão presentes, entretanto, dá-se ao carbono do grupo carbonila a posição 1. Muitos aldeídos também possuem nomes comuns; estes são apresentados aqui entre parênteses. Estes nomes comuns são derivados dos nomes comuns dos ácidos carboxílicos correspondentes (Seção 18.2A), e alguns deles são mantidos pela IUPAC como nomes aceitáveis. Os aldeídos, cujo grupo -CHO é ligado a um sistema cíclico, são nomeados substitutivamente adicionando-se o sufixo carbaldeído. Seguem-se alguns exeznpJos.· ' o o-< o 11 H Benzenocarbaldeído (benzaldeído) o Q-c11"' 1/ H Cicloexanocarbaldeído co· o 11 é! 2-Naftalenocarbaldeído
  12. 12. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 3 O nome comum benzaldeído é muito mais freqüentemente usado que benzenocarbaldeído para o C6H5CHO e é o nome que será usado neste texto. As cetonas alifáticas são denominadas substitutivamente trocando-se o final o do nome do alcano correspondente por -ona. A cadeia carbônica é então numerada de modo que o átomo de carbono da carbonila tenha o menor número possível; este número é utilizado para designar sua posição. o 11 o . 11 CH3CCH2CH2CH 3 Butanona (etil metjl cetona) CH 3CCH2CH =CH2 2-Pentanona (metil propil cetona) 4-Penten-2-ona 1-penten-4-ona) (alil metil cetona) (niúJ Nomes comuns radico-funcionais para as cetonas (entre parênteses acima) são obtidos nomeando-se separadamente os dois grupos ligados ao grupo carbonila, adicionando-se a palavra cetona como uma palavra separada. Algumas cetonas possuem nomes comuns que são mantidos no sistema IUPAC. o li CH3CCH3 Acetona (propanona ou dimetil cetona) Acetofenona (1-feniletanona ou metil fenil cetona) Benzofenona (difenilmetanona ou difenil cetona) o li Quando é necessário nomear o grupo - CH como um prefixo, usa-se grupo metanoíla ou formila. o li O grupo CH3C- é chamado etanoíla ou acetila (usualmente abreviado como Ac). Quando grupos o li RC- são nomeados como substituintes, são chamados de grupos alcanoíla ou acila. o <Qj_c:,H Ácido 2-metanoilbenzóico (ácido o-formilbenzóico) Problema 16.1 ~ Ácido 4-etanoilbenzenossulfônico (ácido p-acetilbenzenossulfônico) (a) Dê os nomes substitutivos da IUPAC para os sete aldeídos e cetonas isoméricos, cuja fórmula é C5H 100 . (b) Dê as estruturas e nomes (comuns ou substitutivos da IUPAC) para todos os aldeídos e cetonas que contêm um anel benzênico e têm a fórmula C8H80. 16.3 PROPRIEDADES fíSICAS o li CH3CH2CH2CH3 Butano, pe -0,5°C, (PM =58) Propanal, pe 49°C, (PM =58) CH3CCH3 Acetona, pe 56,1°C, (PM =58) CH3CH2CHpH 1-Propanol, pe 97,2°C, (PM = 60)
  13. 13. 4 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Problema 16.2 > Qual dos compostos em cada um dos pares listados têm o ponto de ebulição mais elevado? (Responda ao problema sem consultar tabelas) (a) Pentanal ou 1-pentanol (b) 2-Pentanona ou 2-pentanol (c) Pentano ou pentanal (d) Acetofenona ou 2-feniletanol (e) Benzaldeído ou álcool benzílico O átomo de oxigênio do gmpo carbonila permite que as moléculas dos aldeídos e cetonas formem li ações de hidrogênio fortes com moléculas de água Conseqüentemente, os aldeídos e cetonas de _ baixo peso molecular apresentam solubilidades apreciáveis em água. A acetona e o acetaldeído são solú.ris em água.ern.tQdl!S..as..propm:ções. As propriedades físicas de alguns aldeídos e cetonas comuns estão listadas na Tabela 16.1. Alguns aldeídos aromáticos obtidos a partii de fontes naturais apresentam fragrâncias bastante agradáveis. Alguns deles são os seguintes: CHO CHO CHO 6 QlOCH, Benzaldeído (das amêndoas amargas) H OH Vanilina (do grão da baunilha) o li C dc~C:::H"H Cinamaldeído (da canela) órOH Salicilaldeído (da ulmária) ~p 0-CH2 Piperonal (feito a partir do safrole; odor de heliotrópio) Tabela 16.1 Propriedades Físicas dos Aldeídos e Cetonas Fórmula Nome HCHO CH 3CHO CH 3CH2CHO CH 3(CH2) 2CHO CH 3(CH2) 3CHO CH 3(CH2) 4CHO C6H 5CHO C6H5CH2CHO CH 3COCH 3 CH 3COCH2CH 3 CH3COCH 2CH2CH 3 CH3CH2COCH 2CH 3 C6H5COCH 3 C6H5COC 6H5 Formaldeído Acetaldeído Propanal Butanal Pentanal Hexanal Benzaldeído Fenilacetaldeído Acetona Butanona 2-Pentanona 3-Pentanona Acetofenona Benzofenona pf(°C) peeC) -92 - 125 - 81 -99 -91,5 -51 -26 33 -95 -86 -78 -39 21 48 -21 21 49 76 102 131 178 193 56,1 79,6 102 102 202 306 Solubilidade em Água Muito solúvel co Muito solúvel Solúvel Pouco solúvel Pouco solúvel Pouco solúvel Pouco solúvel co Muito solúvel Solúvel Solúvel Insolúvel Insolúvel 16.4 SíNTESE DE ALDEÍDOS 16.4A Aldeídos por Oxidação de Álcoois I o Aprendemos na Seção 12.4A que os estados de oxidação dos aldeídos estão entre os dos álcoois primários e dos ácidos carboxílicos; e que os aldeídos podem ser preparados a partir dos álcoois primários por oxidação com clorocromato de piridínio (PCC):
  14. 14. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila o li o R-CH2OH [O] 4 ·11 ~R-C- H [H] [O] ~ [H] Álcool 1 o Aldeído 5 R-C-OH Ácido carboxílico Álcool1° Um exemplo desta_síntese de aldeído é a oxidação do 1-heptanol a heptanal: C 5 H 5 NH+Cr03 CJ- (PCC) CH3 (CH2 ) 5 CH2 0H ---'--'------'-----+ CH3 (CH 2) 5CHO CH 2 Cl2 1-Heptanol Heptanal (93%) 16.48 Aldeídos por Redução de Cloretos de Acila, Ésteres e Nitrilas Teoricamente, deveria ser possível preparar aldeídos por redução de ácidos carboxílicos. Na prática isto não é possível, pois o reagente normalmente utilizado para reduzir diretamente um ácido carboxílico é o hidreto de alumínio e lítio (LiAlH4 ou LAH) e, quando um ácido carboxílico é tratado com LAH, ele é reduzido completamente ao álcool primário. Isto ocorre porque o LAH é um agente redutor poderoso e porque os aldeídos são muito facilmente reduzidos. Qualquer aldeído que porventura seja formado na mistura reacional é imediatamente reduzido pelo LAH ao álcool primário. (Não adianta usar uma quantidade estequiométrica de LAH, pois assim que as primeiras poucas moléculas de aldeído são formadas na mistura, haverá ainda bastante LAH não-reagido presente, o qual irá reduzir o aldeído.) o li c R/ '--oH Ácido carboxílico Álcool1° O segredo para ser bem-sucedido aqui é não usar o ácido carboxílico propriamente, mas sim um derivado do ácido carboxílico que seja mais facilmente reduzido e usar um derivado do hidreto de alumínio que seja menos reativo que o LAH. Nós estudamos os derivados dos ácidos carboxílicos em detalhes no Cap. 18, mas basta dizer aqui que os cloretos de acila (RCOCl), ésteres (RC0 2R') e nitrilas (RCN) são todos facilmente preparados a partir dos ácidos carboxílicos, e que são todos mais facilmente redutíveis. (Os cloretos de acila, ésteres e nitrilas têm todos o mesmo estado de oxidação que os ácidos carboxílicos. Convença-se disso aplicando os princípios que você aprendeu no Problema 12.1.) Dois derivados do hidreto de alumínio que são menos reativos que o LAH (em parte, por serem muito mais impedidos estericamente e, portanto, terem dificuldade em transferir os íons hidreto) são o hidreto de tri-terc-butoxialumínio e lítio e o hidreto de diisobutilalumínio (DIBAL-H). CH 3 I OC(CH~) 3 Li+ CH2CHCH 3 ] H-+-OC(CH3) 3 [ OC(CH3) 3 Hidreto de tri-tercbutoxialumínio e lítio I - AI H/ '--cHCHCH 21 3 CH 3 Hidreto de diisobutilalumínio (abreviado i-Bu2AIH ou DffiAL-H)
  15. 15. 6 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Os esquemas a seguir resumem como estes reagentes são usados para sintetizar aldeídos a partir dos derivados de ácidos. (I) LiAlH(O-t-Bu) 3 , o 11 c R/ 'o -?so e (2) Hp Cloreto de acila o li c Aldeído (I) DIBAL-H, hexano , - 7S 0 o li c R/ 'o e (2) H 20 R/ 'OR' Éster Aldeído R -C=N o li c ( I) DIBAL-H, hexano (2) H20 R/ 'o Nitrila Aldeído Examinaremos agora cada uma dessas sínteses de aldeído mais detalhadamente. Aldeídos a partir de Cloretos de Acila: RCOCl ~ RCHO Cloretos de acila podem ser reduzidos a aldeídos, tratando-os com hidreto de tri-terc-butoxialumínio e lítio, LiAIH[OC(CH 3) 3b a -78°C. (Os ácidos carboxílicos podem ser convertidos a cloretos de acila usando-se SOC12 ; veja Seção 15.7.) o R!OO o SOe i, . R!Cl ( I) LiAIH(O-t-Bu)3 , Et20 , -78°C (2) H20 o li RCO A seguir apresenta-se um exemplo específico: o li rA{c'ci H3C~ o li (I) LiAIH(O-t-Bu) 3 , Et 20, -78°C (2) H 20 A{c' o H3 C~ OCH 3 Cloreto de 3-metoxi-4-metilbenzoíla OCH 3 3-Metoxi-4-metilbenzaldeído Em termos de mecanismo, a redução é provocada pela transferência de um íon hidreto do átomo de alumínio para o carbono da carbonila do cloreto de acila (veja Seção 12.3). Uma hidrólise posterior libera o aldeído. Um Mecanismo para a Reação Redução de um Cloreto de Acila a Aldeído )) :~LiAIH[OC(CH 3 )3 h I d-Li ---+ R - :CJ: R-C =cJ: + AIH[OC(CH 3) 3h
  16. 16. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofi1ica ao Grupo Carbonila A transferência de um íon hidreto para o carbono da carbonila leva a redução. Agindo como ácido de Lewis, o átomo de alumínio aceita um par de elétrons do oxigênio. HO --L._. Este intermediário perde um íon cloreto com auxílio de um par de elétrons do oxigênio. 7 I R-C .. o: H A adição de água causa a hidrólise deste complexo de alumínio, produzindo o aldeído. (Várias etapas estão envolvidas). Aldeídos a partir de Ésteres e Nitrilas: RC02R' ~ RCHO e RC=N ~ RCHO Tanto os ésteres quanto as nitrilas podem ser reduzidos a aldeídos usando-se DIBAL-H. Devem ser usadas quantidades controladas dos reagentes, para evitar super-redução, e a redução dos ésteres deve ser realizada sob baixas temperaturas. Ambas as reduções resultam na formação de um intermediário relativamente estável, pela adição de um íon hidreto ao carbono da carbonila do éster ou ao carbonó do grupo -C=N da nitrila. A hidrólise de intermediário libera o aldeído. Esquematicamente, as reações podem ser visualizadas da seguinte forma. Um Mecanismo para a Reação Redução de Éster a Alde[do .. .--:S. I o: R~c Al(i-Bu)2 I H +Ü-=AJ(i-Bu)2 R-(~~ ___. [ .fi :OR' Este intermediário perde um íon alcóxido com o auxílio de um par de elétrons do oxigênio. ___. =OR' A transferência de um íon hidreto para o carbono da carbonila leva a sua redução. ~?- Al(i-Buh] R-C-H ' [ :OR' O átomo de alumínio aceita um par de elétrons do átomo de oxigênio da carbonila na reação de ácido-base de Lewis. ] ~oR-C r AI(i-Bu)2 J .. HO --L._. H A adição de água causa a hidrólise deste complexo de alumínio, produzindo o aldeído. (Várias etapas estão envolvidas.) I R-C o: H
  17. 17. 8 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Um Mecanismo para a Reação Redução de Nitrila a Aldeído R -C=N: ~ .---::). ~ +- R -c~tl(i-Bu) 2J Al(i-Bu) 2 I H O átomo de alumínio aceita um par de elétrons da nitrila na reação de ácido-base de Lewis. [ A transferência de um íon hidreto para o carbono da nitrila leva a sua redução. i~ ......._AI(i-Bu)2] R-C [ HO I ___....___. R- C H o: H A adição de água causa a hidrólise deste complexo de alumínio, produzindo o aldeído. (Várias etapas estão envolvidas.) A seguir são apresentados exemplos específicos que ilustram essas sínteses. O OAI(i-Bu)2 (i-Bu)2AIH 11 I CHi CH 2) 10COEt ____.:_:.....___ _. CHi CH 2) 10CH hexano, - 78°C' O ~o 11 __.____. CH 3(CH 2) 10CH 1 (88%) OEt NAI(i-Bu) 2 CH3CH=CHCH 2CH 2CH 2C=N Problema 16.3 > (i-Bu)2AIH hexano O H 20 11 CH 3CH=CHCH 2CH 2CH2CH 11 __.____. CH 3CH=CHCH 2CH 2CH2CH Mostre como você sintetizaria o propanal a partir de: (a) 1-propanol e (b) ácido propiônico (CH 3CH2C0 2H). I 6.5 SíNTESE DE CETONAS 16.5A Cetonas a partir de Alcenos, Arenos e Álcoois r Vimos três métodos de laboratório para a preparação de cetonas nos capítulos anteriores. 1. Cetonas (e aldeídos) por ozonólise de alcenos (discutida na Seção 8.11A). R " R" R'/ R .. (2) Zn, H 0 C=C / " 2 H R" " C=O+O=C / " R'/ Cetona H Aldeído 2. Cetonas a partir de arenos por acilação de Friedel-Crafts (discutida na Seção 15.7). o 11 o AICI, 11 ArH + R-C-Cl---'-• Ar-C-R + HCI Uma alquil aril cetona Alternativamente, o li ArH + Ar-C-Cl o li Ar-C-Ar + HCI Uma diaril cetona
  18. 18. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 9 3. Cetonas a partir de álcoois secundários, por oxidação (discutida na Seção 12.4). OH O H CrO I R-CH-R' ' 11 R-C-R' ' IJo 16.58 Cetonas a partir de Alcinos Os alcinos adicionam água instantaneamente quando a reação é catalisada por ácidos fortes e íons mercúricos (Hg+2) . Usam-se em geral, para esta finalidade, soluções aquosas de ácido sulfúrico e sulfato mercúrico. O álcool vinílico que se forma inicialmente é, em geral, instável e se rearranja rapidamente em uma cetona (ou, no caso de etino, a etanal). O rearranjo envolve a perda de um próton do grupo hidroxila, a adição de um próton ao carbono vicinal e a relocalização da ligação dupla. HgS04 - C=C- +H-OH --=::.---=-•IJI H ,so, l. [HC=CI 1 y ____,.-C-CI I OH Um álcool vim1ico (instável) ' H O Cetona Este tipo de rearranjo, conhecido como tautomerização, é catalisado por ácido e ocorre da seguinte forma: H H H-b~H0 ~ ~ .. I + H :O-H H ___.-t- !' I ---+-t-! H,Õ: I ' QLH~ H Álcool vim1ico .9: H Cetona O álcool vinílico recebe um próton em um dos carbonos da dupla ligação, formando um intermediário catiônico, o qual perde então um próton do átomo de oxigênio, produzindo uma cetona. Os álcoois vinílicos costumam ser chamados de enóis (-en, a terminação dos alcenos, mais -o!, a terminação dos álcoois). O produto do rearranjo é, em geral, uma cetona e tais rearranjos são conhecidos como tautomerizações ceto-enólicas. I c= c I I I HA I -~- c -e :g-H ' _ç>: H Forma cetônica Forma enólica Examinamos este fenômeno em maiores detalhes na Seção 17 .2. A adição de água aos alcinos segue a regra de Markovnikov - o átomo de hidrogênio liga-se ao átomo de carbono que possui o maior número de átomos de hidrogênio. Portanto, quando alcinos terminais, que não o etino (acetileno), são hidratados, os produtos são cetonas e não aldeídos. H R - C== C- H + H 0 2 Hg2+ H,ü+ 1Jo [ R"-C=C/HJ - H HO / " H~c(H _ H O Uma cetona Dois exemplos desta síntese de cetonas estão listados aqui. (80%)
  19. 19. & ') Aldeídos e Cetonas I. Adição Nuc!eofílica ao Grupo Carbonila Quando o etino sofre adição de água, o produto é um aldeído. H-C=C-H + H 20 [H" HgS04 ---=-----"-•~ H~~ H ~ l C=C /H ] --+H-C-C / " I H OH E tino O Etanal (acetaldeído) Este método tem sido importante na produção .comercial de etanal. Dois outros métodos de laboratório para a preparação de cetonas baseiam-se no uso de compostos organometálicos, conforme discutido a seguir. 16.SC Cetonas a partir de Dialquilcupratos de Lítio Quando uma solução de um dialquilcuprato de lítio em éter é tratada com um cloreto de acila a -78°C, o produto é uma cetona. Esta síntese de cetonas é uma variação da síntese de alcanos de Corey-Posner, Whitesides-House (Seção 12.9). Reação Geral ! o + R'-C Dialquilcuprato de lítio !o --.. R'-C CI + RCu + LiCI R C etona Cloreto de acila Exemplo Específico o O< 0 CI !0 C + CH 3Cu + LiCI CH 3 (81%) Cloreto de cicloexanocarbonila 1-Cicloexiletanona (Cicloexil metil cetona) 16.50 Cetonas a partir de Nitrilas Tratando-se uma nitrila (R-C=N) com um reagente de Grignard ou com um reagente de organolítio, seguido de hidrólise, gera-se uma cetona. Reações Gerais N - MgX+ R-C==N ! + R'-MgX--+ R-C f R' N- Li+ I . o HO+ ~R-C ! R' O ! Hü+ ~R-C R-C=:N +R -LI--+ R-C + NH/ + Mg2+ + x- R' + NH/ + Lj + R' O mecanismo para a etapa de hidrólise ácida é o inverso daquele que estudaremos na formação de iminas na Seção 16.8.
  20. 20. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 11 Exemplo Específico I o C6 H 5-C CH3CH- C= N + C 6H 5 MgBr I CH 3 CH 2CH2 CH 2CH 3 I CH 3CH-C I ( l ) Et,ü .. (2) Hp' CH 3 2-Cianopropano o C6Hs 2-Metil-1-fenilpropanona (lsopropil fenil cetona) Embora uma nitrila tenha uma ligação tripla, a adição dos reagentes de Grignard ou lítio ocorre apenas uma vez. A razão: se a adição ocorresse duas vezes, haveria uma carga negativa dupla no nitrogênio. N2 - 2 Li + I I R' -Li ---X+ R- C-R' R' (0 diânion não se forma.) >Exemplo----------------------------------------------------------Ilustrando uma Síntese com Múltiplas Etapas Tendo o 1-butanol como o único composto orgânico de partida, esquematize a síntese da 5nonanona. Resposta A 5-nonanona pode ser sintetizada pela adição de brometo de butilmagnésio à seguinte nitrila. Análise o 11 õ- 8+ CH3CH2CH2CH2 -C +CH 2CH2CH2CH3~CH 3 CH 2 C H 2 CH 2 -C=N: ll+ (/j- .:;7f + BrMg-CH2CH2CH2CH3 Síntese o li CH/CH 2)3C(CH 2) 3CH3 5-Nonanona A nitrila pode ser sintetizada a partir de brometo de butila e cianeto de sódio, em uma reação SN2. CH3 CH 2CH 2CH 2Br + NaCN _____. CH3CH 2CH 2CH2 C=N + NaBr O brometo de butila pode ser usado também para preparar o reagente de Grignard. CH3 CH 2CH 2CH 2 Br + Mg Et ü., CH CH CH CH Mg8r 1 3 2 2 2 E, finalmente, o brometo de butila pode ser preparado a partir do 1-butanol. Problema 16.4 > Quais reagentes você usaria para realizar cada uma das reações seguintes? (a) Benzeno ---'? bromobenzeno ---'? brometo de fenilmagnésio ---'? álcool benzílico ---'? benzaldeído (b) Tolueno---'? ácido benzóico---'? cloreto de benzoíla---'? benzaldeído (c) Brometo de etila---'? 1-butino---'? butanona
  21. 21. ldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila (d) 2-Butino ~ butanona (e) 1-Feniletanol ~ acetofenona (f) Benzeno ~ acetofenona (g) Cloreto de benzoíla ~ acetofenona (h) Ácido benzóico ~ acetofenona (i) Brometo de benzila ~ C6H5CH2CN ~ 1-fenil-2-butanona (j) C 6H5CH2CN ~ 2-feniletanal (k) CH/CH 2) 4C0 2CH3 ~ hexanal 16.6 ADIÇÃO NUCLEOFÍLICA À LIGAÇÃO DUPLA 7) · CARBONO-OXIGÊNIO A reação mais característica dos aldeídos e cetonas é a adição nucleofílica à ligação dupla carbono-oxigênio. Reação Geral R " ~ Nu 0 <r> C=O +H-Nu JYJ "c>- I R-C-OH ~ H/ ~ I Exemplos Específicos / H c ~ 3 " / b 'o C=O + H-OCH CH ~ , 9CH 2CH 3 I · _ _ 2 3 H • CH -C-OH . I 3 . H Um henúacetal (veja Seção 16.7) CN I CH -C-OH 3 I CH3 Uma cianoidrina (veja Seção 16.9) Os aldeídos e cetonas são especificamente suscetíveis à adição nucleofílica devido às características estruturais que discutimos na Seção 12.1, que são mostradas abaixo. R',"····· t8+ c)'B - R...-; .. Aldeído ou cetona (R ou R' pode ser H) O arranjo trigonal plano dos grupos ao redor do átomo de carbono da carbonila faz com que este fique relativamente aberto ao ataque, por cima ou por baixo. A carga positiva no átomo de carbono da carbonila significa que este é especial'mente suscetível ao ataque por um nucleófilo. A carga negativa no átomo de oxigênio da carbonila significa que a adição nucleofílica é suscetível à catálise..ácida. Portanto, a adição nucleofílica à ligação dupla carbono-ox1gemo ocorre em um dos dois modos 'gerais. 1. Quando o reagente é um nucleófilo forte (Nu), a adição costuma acontecer da seguinte forma, convertendo o aldeído ou cetona trigonal plana em um produto tetraédrico.
  22. 22. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofí!ica ao Grupo Carbon· a 13 Um Mecanismo para a Reação Nu .. .. C-O-H+ =Nu- R .. 'J R Produto tetraédrico Nesta etapa, o nucleótilo.forma Nesta etapa, o oxi!ê:J:t::' ; jtlo, por ser forte_e__= ~·~-º.remove um próton do H-Nu ou de algum outro ácido. l!!JUl..}iga~.no <loando um par de elétrons Um par de elétrons se desloca para o o~ Neste tipo de adição, o nucleófilo usa..seu_par_de..elétr.ollS.{lara..f.ormat:Um-ª:ligaçãG-eem.o..átQmo d~ Quando isto acontece, o ar de_ elétrons..da.J.i.gação_1LCJUbono-ox i ênio desloca-se-para-o-áteme-de_ oxigênio da carbonila e o estado de hibridização do carbono muda de sp2 para sp 3 • O aspecto importante desta etapa é a~_axigênio da ca~e acomodar o par de elétrons da_liga.ção du la carbono-oxzgênio. ~Qçla carhonila. 2. Um segundo mecanismo geral que opera nas adições nucleofílicas às ligações duplas carbonooxigênio é um mecanismo catalisado por ácido. Um Mecanismo para a Reação Etapa 1 r Etapa 2 ~~H~ R' ,,,,,,,'•· R_,- '~"' .. IV C=OH &,+ +Nu =Nu-H~ ~ •• ,. C-0-H R'J . R 4 ·A. Nu: .. ,.C-O-H+ H-A R'J . R Na primeira destas duas etapas, JLC.átion..o_xônio admiie_ o_par de elétmns do nucleófilo. Na segunda etapa,.a base remove um prQ_ton do átomo carregado positivamente, regenerando o ácido.
  23. 23. 14 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Este mecanismo ocorre quando C.O_!!!postos carbonílicos...sãoJratado c~ idos fortes na presença racos. Na primeira etapa, o ácido doa um próton a um par de elêtrons dõ áfumo.de oxigênio da carbonila. O composto resultante da carbonila protonada, um cátion oxônio, é altamente reativo frente a ataques nucleofílicos no átomo de carbono da carbonila, pois este carrega mais carga positiva do que no composto não-protonado. ~filos Qualquer composto que contém um átomo de oxigênio carregado positivamente que forme três ligações covalentes é um cátion oxônio. 16.6A Reversibilidade das Adições Nucleofílicas à Ligação Dupla Carbono-Oxigênio Muitas adições nucleofílicas a ligações duplas carbono-oxigênio são reversíveis; o resultfido_g!Qbal destas r~~.de ende, gortanto,_d.ap_Qsiç_ão...de~uilíbrio. Este comportamen~frasta marcadamente com a maioria das adições eletrofílicas a ligações duplas carbono-carbono e com as substituições nucleofílicas em átomos de carbono saturados. ·Estas últimas reações são essencialmente irreversíveis e os resultados globais são função das taxas relativas de reação. / 1 ' 16.68 Reatividade Relativa: Aldeídos versus Cetonas Em geral, os aldeídos são mais reativos em substituições nucleoffiicas do que as cetonas. Tanto fatores estéricos quanto eletrônicos favorecem os :ild íqos: sendo um dos grupos o pequeno átomo ~ de hidrogênio, o átomo de carbono central do produto tetraédrico formado a partir de um aldeído é_ menos populoso_e o produto é mai_ e~ táy~l. A formação de modutç> é, portanto, (avorecida no equis líbrio. Com as cetonas, os dois substituintes alquílicos de carbono da carbonila provocam um maior impedimento estérico no produto tetraédrico, tomando-o menos estável. Portanto, uma menor concentração de produto est~ presente no equilíbrio. Uma vez que ~ grupos alquila são liberadores de elétr_ ns, os aldeídos são também mais reativos o do ponto de vista eletrônico, Os aldeídos têm ap!!!l11JL!lm grupo liberador de elétrons para neutrali~ar parcia~ ~,_por.tanto, estabilizar a carga positiva em seu átomo de carbono da carbonit'a. As cetonas têm dois grupos liberadores de elétrons e são mais estabilizadas. Uma maior estabilização da cetona (o reageHt-&}-em relaçãu ao seu pr.odlllo..significa-q~ onstaii.te de equilíbrio para a formação do produto tetraédrico a partir de uma cetona é mellQLe_a.reaç_ é menos favorável. ão Ü' ( osli CS+ osli : cs R;;y ~R' Cetona R::,r 'H Aldeído O carbono da carbonila é menos positivo. carbono da carbonila é mais positivo. Nesse aspecto, também, substituintes retiradores de.elétrons (e.g., ~pos -CF3 ou -CC1 3) toralp o carbono da carbonila mais positivo (e o composto inici~l toma-se menos estável), favoreceoo as reações de adição. G 16.6C Reações Subseqüentes dos Produtos de Adição A adição nucleofílica a uma dupla ligação carbono-oxigênio pode levar a um produto que seja estável nas condições reacionais que empregamos. Se for este o caso, seremos então capazes de iso- ' lar produtos com a seguinte-estrutura geral:~ " L /c"- ~ R . Nu / (" ~OH Em outras reações, o produto formado inicialmente pode ser instável e sofrer espontaneamente reações subseqüentes. Mesmo que o produto de adição inicial seja estável, entretanto, podemos deliberadamente realizar uma reação subseqüente pela modificação das condições de reação. Quando começarmos nosso estudo sobre reações específicas, veremos que uma reação subseqüente comum é a-Fe~ãrrdn!'limin:açãv, êm espeetal..a.des~ Problema 16.5 >- A reação de um aldeíd0 ou cetona com um reagente de Grignard (Seção 12.8) é uma adição nucleofílica à ligação dupla carbono-oxigênio. (a) Qual é o nucleófilo? (b) A parte do magnésio do
  24. 24. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 15 reagente de Grignard desempenha um papel importante nesta reação. Qual é a sua função? (c) Que produto é formado inicialmente? (d) Que produto se forma quando se adiciona água? Problema 16.6 >- As reações de aldeídos e cetonas com LiAlH4 e NaBH4 (Seção 12.3) são adições nucleofílicas ao grupo carbonila. Qual é o n1;1cleófilo nestas reações? 16.7 A ADIÇÃO DE ÁLCOOIS: HEMIACETAIS E ACETAIS 16.7A Hemiacetais Dissolvendo-se um àldeído ou cetona em um álcool, estabelece-se lentamente um equilíbrio entre estes dois compostos e um novo composto chamado hemiacetalj O hemiacetal é roduto da ad· ão nucleofí~~xi ên~~~~de...caroono ~~ni_!a ds> ltl®~o ou ~· Um Mecanismo para a Reação 9J~~- Formação de Hemiacetal +I ; ~Q ()..M;-. ~ ()JV Se -eM. ' (kt- ~(}i'I<J'. .uJ "~.. . + J.-<.1' R =O / t- ·· H '""'~' Aldeído (ou cetona) Q r_.Q " t.-<YLQr~-R HO-R' 4 ~ I • , 4 / 1 ~&-l&NIJ'H l7 Álcool - , . /•• C ~f?: e ~R' 0 "c R 4 ~ H/ Q:.. . .. O-R' /•• ""-·· 0-H Hemiacetal (normalmente muito instável para ser isolaoo) f. Nesta etapa, o álcool ataca o carbono da carbonila. _, <'0e Sl ''- C!--~'0 e e~~ o Nas duas etapas intermolecu.Jares, Upl pr~ Ç.removido_dtLo.xigênio positivo e um próton é ganho no_o~gênio_ negativo. ~ , _ > 0_ O.- <::j~cara~ças estruturais essenciàis d&um hemiace~l são um grupo -OH e um grupo -OR IJ.IYh w-gados aoJllesmo..át< de car onila. . j · ) A maioria dos hemiatetais de cadeia aberta nã.o é estável o suficiente para ser isolada. Os .herÍliacetais cícliCõS'êom anéis de .cinco ou seis ~embros, entretanto, são ~m geraJ muito ~- l te- ' '"'"Wr~ ~ ~: · ·' · · 'I :o·· .. ~~~ .. HC_CH2 ·o.:- - Hc-CH2 Q-H r •• 2! / duas 2! / HQCH2CH2CH2CH +- ~ + C, etapas C, '-:11 H2C .. / ' H2C ··I ' ~· -o I H H -o .. H / A maioria dos açúcares simples (Cap. 22) existe primeiramente na forma de hemiacetal cíclico. A glucose é um exemplo: HO~O H01--:l-OH OH (+ )-Glucose, (um hemiacetal cíclico) As c~sofn<- ~l!_ç.2_es semelhantes quando dissolvidas em um álcool. Os produtos (os quais m são também mstáveis como os compostos · e cadeia aberta) são às vezes chalnados de hemicetais,
  25. 25. 16 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila mas esta prática não é mais recomendada pela IUPAC. A forma preferida é chamá-los também de hemiacetais. H I R" O:t_R' C /"" R" "C=O.. + HO-R' .. " ~ 4 / / R R duas ~ etapas "- .. O-R' C / "" " R" / '- R .. :o: - Cetona :O-H .. Hemiacetal A formação de hemiacetais é catalisada por ácidos e bases. 'Um Mecanismo para a Reação Formação de Hemi.acetal Catalisada por Ácido R" R" " C=O.. 0 +H-O-R' ~:!; / {j + I {j:: R (R" pode ser H) H 4 " ~ / -~ J[.. •• C=O-H &, + •• +: O-R'~ I R H Uma molécula de álcool é adicionada ao carbono do cátion oxônio. A protonação do átomo de oxigênio do aldeído ou cetona torna o carbono da carbonila mais suscetível ao ataque nucleoffiico. [0 álcool protonado resulta da reação do álcool (presente em excesso) com o catalisador ácido, e.g., HCI.] + /H ~ .. '?-R ' R'-0~ : O-R' I .. H I .. :t: R"-C-0-H +==~ R"-C-0-H + H-0-R' I .. I .. I R R H A transferência de um próton do oxigênÍQ positivo para outra molécula de álcool leva ao hemiacetal. Um Mecanismo para a Reação Formação de Hemiacetal Catalisada por Base ~ R'~, e:'.. C=O / a+ &,aê. .. lt' -O: R'-O : ~ '-:o.· -R' . 1 _:,., 1 .. //H-OR' .. +==~R"-C -o: - +==~R"-C...:...._O-H I R .. I R .. .. +-:O-R' .. R (R" pode ser H) ~nion ~ ido _ abstrai um próton Um ânion alcóxido, agindo Cõmo um nucleófilo, ataca () átomo de carbQD..o_da carbonila..Um par de elétrons se desloca para o átomo de oxig~nio, produzindo ânional~. u da molécula de álcool para produzir o hemiacetal e r!generar o ~ni11_n alcóxido. Hidratos de Aldeídos: Gem-Dióis A dissolução de um aldeído tal como o acetaldeído em água resulta no estabelecimento de um equilíbrio entre o aldeído e seu hidrato. Este hidrato é na verdade um 1,1-diol, chamado gem-diol. H~ "C=O +H O / H Acetaldeído 2 H~ ~ 0-H "-/ C /'- H 0-H Hidrato (um gem-diol)
  26. 26. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 17 O gem-diol resulta da adição nucleofílica de água ao grupo carbonila do aldeído: Um Mecanismo para a Reação Formação do Hidrato Nesta etapa, a água ataca o átomo de carbono da carbonila. Em duas etapas intermoleculares, um próton é perdido pelo átomo de oxigênio positivo e um próton é ganho pelo átomo de oxigênio negativo. O equillbrio para a adição de água à maioria das cetonas é desfavorável, enquanto alguns aldeídos (por exemplo o formaldeído) existem preponderantemente como gem-dióis em solução aquosa. Não é possível isolar a maioria dos gem-dióis da solução aquosa na qual são formados. A evaporação da água, por exemplo, simplesmente desloca o equilíbrio global para a direita e o gem-diol (ou hidrato) reverte-se ao composto carbonílico. R OH "-/ c /"-OH H destilação 1!1 Compostos que possuem grupos retirantes fortes de elétrons ligados ao grupo caibonila podem formar gem-dióis estáveis. Um exemplo é o composto chamado hidrato de cloral. Cl 3C "-/ OH c H/"-OH Hidrato de cloral Problema I 6. 7 ~ A dissoÍução de formaldeído em água produz uma solução contendo predominantemente o gemdiol, CHi OH)z. Mostre as etapas de sua formação, a partir do formaldeído. · Problema 16.8 ~ Quando se dissolve acetona em água que contém 180 ao invés de 160 comum (i.e., H2 180 ao 180 11 ' invés de H 2 160), a acetona logo começa a adquirir 180 e se torna CH3 CCH3 . A formação desta acetona com oxigênio marcado é catalisada por traços de ácidos fortes e por bases fortes (e.g., oH-). Mostre as etapas que explicam tanto a reação catalisada por ácido quanto a catalisada por base. · 16.78 Acetais Se passarmos uma solução alcoólica de um aldeído (ou cetona) em uma pequena quantidade de IJÇl gasoso o herniacetal se forma; então, acontece uma segunda reação. O herniacetal reage com um o~tro -~qui valente molar de álcool, produzindo um acetal (às vezes chamado de cetal). Um acetãl possui d,9is grupos - _ ligados ao mesmo átomo de carbono. OR OH I R-C-OR' I R" Hemiacetal (R" pode ser H) OR' I I R- C-OR' + HO 2 R" Um acetal (R" pode ser H)
  27. 27. 18 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Problema 16.9 )o> A fórmula estrutural da sacarose (açúcar de mesa) é mostrada abaixo. A sacarose possui dois grupos acetal. Identifique-os. CHpH O H:~~vHpHO HO O CHOH 2 HO OH Sacarose O mecanismo da formação do acetal envolve a formação qo herniacetal ~alisada por ácido, ~ guida da eliminação da água catalisada por ácido, seguida de uma segunda adição <!9 álcool e ~a O ~--YJ!!..E_róton. iJc·•JS"'' ,,~ ( ')~. 1 ""~' ,• (C: ç, C ~ vi'! I' I" Um " .( t._-Y o-v-.D--- " ) ( , , ,l "" À:J C.() I o<.>-~ 1 '?Q.~'l1l..i§l.(9./'<'~ :e ~ " ' " " ' G•- .& ~~ 0--~t.~'_. '/~ - Mecan smo para a Reaçao Formação de Acetal Catalisada por Acido H H.~ + "'C=O r-::i ~ .. '• H-0-R' • / 8+ I s~ R ~ H R Transferência de próton para o oxigênio da carbonila "'C=O-H +:O-R' /? •• "' •• / &,+ I 4 ~ H Adição nucleoffiica da primeira molécula de álcool +/H~ .. R'-0~ '?-R' :O-R' I .. H I .. + H-C-0-H +==~ H-C-0-H +H-O-R' I .. I .. I R R H A remoção do próton do oxigênio positivo resulta na formação de um hemiacetal. ~ : Q-R~Hb??-R' ço-R' I .. H I~ H-C-O-H+===~ H-C-OH+ 4 I .. I 2 R H "'C=O-R' + • R / •• +H O 2 R ' A protonação de um grupo hidroxila leva à eliminação da água e à formação de um cátion oxônio altamente reativo. ~ H"'/c:+ R'-ª-H 1!~ I .. R'-g-H / R C=O-R' +===~ H-C-0-R' I R .. +===~ :O-R' I I .. ·· H-C-0-R' + R'OH2+ R O ataque sobre o carbono do íon oxônio pela segunda molécula do álcool, seguido pela remoção de um próton, leva ao acetal.
  28. 28. ~- Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Problema 16.1 O >- dições de equilíbrio a formação e a l• nbse dos hemiacetais e 19 Escreva um mecanismo detalhado para a formação de um acetal a partir do benzaldeído e do metanol, em presença de catalisador ácido. ' J'odas as etapas da formação de um acetal a partir de um aldeído são reversíve~Se dissolvermos um aldeído_enLgrand~ exce _ssQde um álcoo ani e adicionarmos uma psmuen/quantidade de um-ácjdo anidro (e.g., HCl gasoso ou H2S04 concentrado),_ ~uilfl>rio favor_ o ecerá fortementea f ormayã& -de..um álcool. Após estabelecido o equilíbrio, pSJd~ mQ_S isolé!f Qª~tal neutralizando o áCido e evaporando o excesso de álcool. Se colocarmos então o acetal em água e adicionarmos uma pequena quantidade de ácido, todas as etapas se invertem. Nestas condições (excesso de_água), o equilíbrio favorece a formª'ç.ão_ aldeído. do O acetal sofre hidrólise. - o li H, o+ R-C-H+ 2 R'OH (diversas etapas) Aldeído A formação do acetal não é favorecida quando cetonas são tratadas com álcoois simples e HCl gasoso. Entretanto, a formação de acet~s ci clicos é favorecida gu_ ando uma cetona é tratada com excesso de um 1,2-diol e traços de áci__do. -- - = - - ~ R' · "-c=O R/ Cetona + HO~H2 ~ ~ HOCH2 (excesso) R' ( o-CH2 "c/ /~ I v,}-úvvu + Hp R O -:-.CH2 Aceta 'Ciclli ~ 1'(('0-<9- W ~U9- (_-cyu.J'f ~9&~ .-J Ó -e_ o ll_ÔJ 9 1 -1...-A ~;- ) - Esta reação pode ser revertida, tratando-se o acetal com um ácido aquoso. Problema 16.1 I >- Esboce todas as etapas do mecanismo de formação de um acetal cíclico a partir de acetona e etileno glicol, em presença de HCI gasoso. 16. 7C Acetais como Grupos de Proteção Embora os ~ejam hidrolisados a aldeídos e cetonas em ácidos aguosos eles ~o e tár.eis. em l soluçõt§...llfísicas. - ow + Hp ------. não há reação ow + Hp ------. não há reação pos protetores são · !Hramentas estratégicas rua síntese. Devido a esta propriedade, os acetais nos dão um método conveniente para roteger s aldeído YetoD de reações indesejadas e~soluções básicas. (Os acetais são de fato gem-_ eterês e, como os -!l_ éteres, são relativamente nãõ-reativo; ffente a bases.) Podemos converter um aldeído ou cetona em acetal, realizar uma reação em outra parte qualquer da molécula e, então, hidrolisar o acetal com ácido aquoso. Como exemplo, consideremos o problema de converter o li O Ú C O C 2H 5 A B
  29. 29. 20 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Os grupos ceto são mais facilmente reduzidos do que os grupos ésteres. Qualquer agente redutor (e.g .. LiAlH4 ou H/Ni) que possa reduzir o grupo és ter de A reduz o grupo ceto também. Mas, se "protegermos" o grupo ceto convertendo-o em um acetal cíclico (o grupo éster não reage), podemos reduzir o grupo éster em solução básica sem afetar o acetal cíclico. Após terminarmos a redução do éster. podemos hidrolisar o acetal cíclico e obter nosso produto desejado B. (1 ) LiAIH4 Etp (2) u,o Problema 16.12 ~ Que produto seria obtido se A fosse tratado com hidreto de alumínio e lítio, sem que fosse convertido antes a um acetal cíclico? Problema 16.13 ~ (a) Mostre como você poderia usar um acetal cíclico para realizar a seguinte transformação: OH I oyyco2C2H ___. oyyTcH3 5 L___j L___j A CH 3 C (b) Por que uma adição direta de brometo de metilmagnésio a A falharia em dar Ç? Problema 16.14 ~ A dihidropirona reage rapidamente com um álcool em pre'sença de traços de HCl anidro ou H2S04, formando um éter tetrahidropiranílico (THP). o +ROH~ ('1 l_O)-__OR o Diidropirano Éter tetrahidropiranílico (a) Escreva um mecanismo plausível para esta reação. (b) Os éteres tetrahidropiranílicos são estáveis em solução aquosa básica, mas se hidrolisam rapidamente em solução aquosa ácida, gerando o álcool original e um outro composto. Explique. (Qual é o outro composto?) (c) O grupo tetrahidropiranílico pode ser usado como grupo protetor para álcoois e fenóis. Mostre como você - pode usá-lo em uma síntese de 5-metil-1,5-hexanodiol, partindo de 4-cloro-1 -butanol. 16.70 Tioacetais o RS SR' li 4:/ -c- ----+ Os aldeídos e cetonas reagem com tióis formando tioacetais: R'.._ / S-CH2CH3 2 CH3CH 2SH _____. DA R'.._ H BF /C=O + HSCH 2CH 2SH --4 R' / C '.._ + H 20 S-CH 2CH 3 Tioacetal /S-CI H2 /C'.._ + H20 R' S-CH2 Tioacetal cíclico R'.._
  30. 30. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 21 Os tioacetais são importantes em síntese orgânica porque reagem com níquel Raney, gerando hidrocarbonetos. Níquel Raney é um catalisador de níquel especial que contém hidrogênio absorvido. Estas reações (i.e., a formação de tioacetal e a "dessulfurização" subseqüente) nos dão um método adicional para converter os grupos carbonila dos aldeídos e cetonas em grupos Ni Raney (H,~ -CH2- . O outro método que estudamos foi a redução de Clemmensen (Seção 15.9). Na Seção 16.8B, veremos como isto pode também ser feito com a redução de Wolff-Kishner. ro blema 16.15 > Mostre como você pode usar a formação de tioacetal e a dessulfurização por níquel Raney para converter: (a) cicloexanona a cicloexano e (b) benzaldeído a tolueno. 16.8 A ADIÇÃO DE DERIVADOS DE AMÔNIA s aldeídos e cetonas reagem com M!Y.I;las primárias (RNH2) formando compostos com ligação dua c bono-nitro~nio, chamados UniDas (RCH~R ou R 2C NR). A reação é catalisada por áciüo e o pr~ado é uma mistura dos isômeros (E) e (Z). · >ló~-R ~ Aldeído ou cetona Amina 1" 'JE!f;R + H,Õ• !mina [isômeros (E) e (Z)] Um Mecanismo para a Reação Formação de lmina "'-~· C ~0 + H N-R / 1 V"/ •• 2 Aldeído Amina 1a ou cetona A amina é adicionada ao grupo carbonila para formar um intermediário dipolar tetraédrico. ÇNH-R "'- / c Transferência do próton, intennolecular, do nitrogênio para o oxigênio, produzindo um aminoálcool. / ~-....._ - u, o /0< OH2+ ~ · .& •• -Aminoálcool protonado Aminoálcool Intermediário di polar J A protonação de um oxigênio 1. produz um bom grupo retirante ..:.v A perda e uma molécula de água leva ao íon imínio. I{ H "' + C=N y "' R / Íon iminio 1 .. ' :ou, ~ "' / .. C=N R !mina [isômeros (E) e (Z)] A transferência de um próton para a água produz a imina e regenera o íon hidrônio catalítico. A reação avança mais lentamente se a concentração do íon hidrônio é alta demais para a protonação da própria arnina e oco~e apreciável; isto causa a diminuição da concentração de
  31. 31. 22 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila A vinheta de abertura do capítulo discutiu o fosfato piridoxal, uma coenzima importante que reage via um grupo funcional imina. Veja também "A Química do Fosfato de Piridoxal". nucleófilo necessário na primeira etapa. Se a concentração do íon hidrônio for muito baixa, a reaÇ toma-se fenta porque a concentração do aminoálcool protonado toma-se baixa. Um pH entre pH 4 pH 5 é um compromisso efetivo. A formação de iminas ocorre em muitas reações bioquímicas, porque as enzimas usam em gene um grupo -NH2 para reagir com um aldeído ou cetona. A formação de uma ligação imina é importante em uma etapa das reações que ocorrem durante o processo visual (veja "A Fotoquímica da Visão ·. Seção 13.9). As iminas são também formadas como intermediários em uma síntese laboratorial de aminas mui útil, a qual estudamos na Seção 20.5. se As iminas de compostos como hidrrudlamina (NH 20H), ·drazina (NH2NH2) . e < ·car.l>azida (NH2NHCONH) são usadas como derivados de aldeídos e cetonas (Seção 16.8A . A Tabela T ·_ lista exemplos destes compostos. Ü.§....mecanismos pelos quais estes derivados se formam - si · a~ ae mecanismo de formação de uma imiiiã a-partir de uma ~mina primária que acabamos de estudar. Tal co~ffiinas, a formaçãó dos tsômeros (E) e (Z) é posstvel. 16.8A 2,4-Dinitrofenilhidrazonas, Semicarbazonas e Oximas ~~~ _,_.Q§ produtos gas reações de aldeídos e cetonas com ,4-dinitrofenilhidrazina, semicarbazida e es comhidroxilamina são fregüentemente usa os para i entl tear aldeídos e cetonas co ecr postos, Isto é, 2,4-dinitrofem 1 razonas, tal" azon~as e oxiruàs são normalm -nte sólido relativamente insolúveis, que possuem pontos de fusão característicos e bem definidos. A comparação entre pontos de fusão de derivados obtidos a partir de compostos desconhecidos e pontos de fusão retirados da literatura química para um derivado c.onhecido pode prover uma evidência para se identificar este composto desconhecido. A maioria dos livros-texto de laboratório de químic orgânica incluem tabelas extensas de pontos de fusão de derivados. O método que compara ponto de fusão de derivados só é útil, entretanto, para compostos que têm pontos de fusão de derivado previamente registrados na literatura. Os métodos espectroscópicos (especialmente IV, RMN e espectrometria de massa) são geralmente mais empregados na identificação de compostos desconhecidos (Seção 16.14 ). 16.88 Hidrazonas: a Redução de Wolff-Kishner As hidramuas são ~das às vezes 12ara identificar s. Mas, diferentemente das 2,4-dinitrofenilhidrazonas, as hidrazonas simples freqüentemente possuem pontos de fusão baixos. Contudo, as hidrazonas são a base para um método útil para se reduzir grupos carbonila de aldeído e cetonas a grupos -CH2- , chamados de redução de Wolff-Kishner: Reação Geral Aldeído ou cetona Hidrazona (não-isolada) Exemplo Específico o- o ~CH2 CH3 + H NNH 2 2 --Na_o_u _ trietileno glicol _ . o - C H 2CH 2CH 3 + N 2 2ooo c (82%) Ferramentas para a redução de carbonilas de aldeídos e cetonas a grupos -CH 2- . A redução de Wolff-Kishner pode ser desenvolvida em temperaturas muito mais baixas se o sulfóxido de dimetila é usado como solvente. A redução de Wolff-Kishner complementa a redução de Clemmensen (Seção 15.9) e a redução de tioacetais (Seção 16.7D),já que todas as três reações convertem o grupo " / C=O em grupos- CH2- .
  32. 32. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 23 Tabela 16.2 Reações de Aldeídos e Cetonas com Derivados de Amônia 1. Reação com Amina Primária Reação Geral R " " C=N / / .· Uma imina [isômeros (E) e (Z)] +HP CH 3CH2 C=O / Aldeído ou cetona Uma amiila 1" . ) Exemplo Específico " /C=NCH 2CH 2CH3 + H 20 H3C Umaimina Umaamina 1" Butano na 2. Reação com Hidroxilamina Reação Geral " C=O / Aldeído ou cetona + H 2 N-OH ____. Hidroxilamina " OH C=N / / .• Umaoxima [isômeros (E) e (Z)] Exemplo Específico ~c, H~" /C=O + H 2NOH ____. /C=NOll H + H 20 H Acetaldoxima Acet1lldeído 3. Reações com Hidrazina, Fenilhidrazina e 2,4-Dinitrofenilhidrazina Reações Gerais - -~- Aldeído ou cetona ' /C=O + H 2NNH 2 ____. Uma hidrazina Uma hidrazona [isômeros (E) e (Z)] Fenilhidrazina Uma fenilhidrazona >~o+ n,NNHYNo,--+ >~NNHYNo, +u,o N~ 2,4-Dinitrofenilhidrazina N~ Uma 2,4-dinitrofenilhidrazona Exemplo Específico C6Hs, /C=O H3C Acetofenona + H 2NNHC 6H 5 C6Hs". /C=NNHC 6H 5 H3C Acetofenona fenilhidrazona +HP
  33. 33. (24) Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila ~ Tabela 16.2 Reações de Aldeídos e Cetonas com Derivados de Amônia (continuação) 4. Reação com Semicarbazida Reação Geral o " /C=O o 11 " 11 + H 2NNHCNH 2 _____. /C=NNHCNH 2 + HzO Aldeído ou cetona Semicarbazida Uma semicarbazona Exemplo Especifico o Oo + H2 NNH~NH 2 o _____. ONNH~NH2 + H 0 2 Cicloexanona Cicloexanona semicarbazona A redução de Clemmensen ocorre em meios fortemente ácidos e pode ser usada para compostos qu são sensíveis a bases. A redução de Wolff-Kishner ocorre em soluções fortemente básicas e pode se usada para aqueles compostos que são sensíveis a ácidos. A redução de tioacetais ocorre em soluções neutras e pode ser usada para compostos que são sensíveis tanto a bases quanto a ácidos. O mecanismo da redução de Wolff-Kishner é como segue. A primeira etapa é a formação de hidrazona. Então a base forte leva a tautomerização da hidrazona a um derivado com a estrutura " CH-N = NH. Este derivado então leva à eliminação catalisada por base de uma molécula de ni/ trogênio. A perda da molécula especialmente estável de nitrogênio provê a força diretora para a reação. Um Mecanismo para a Reação Redução de Wolff·Kishner de Aldeídos e Cetonas Etapa 1 Formação de hidrazona. I C=O .. .. + H 2N-NH2 • I .. .. C=N - NH2 + HzÜ Etapa 2 Tautomerização catalisada por base e eliminação de uma molécula de nitrogênio J ow .. .. ow [ b) .. ..ç_;; ;; .. C=N-NH C=N-NH._...-C-N=NH I 2 Hp I .. I .. H I .. .. ow -C-N=N-H . I Hp i :A. H I .. A H I I HP H I I -N H o -C-N=N= - ~-c:-~-C-H I~ Química de ... Fosfato de piridoxal O fosfato de piridoxal (sigla e_ inglês PLP- pyridoxal phosphate) é uma molécula biológica m envolvida em várias reações importantes de a-aminoácidos (ver vinheta de abertura do capítulo). Dependendo do substrato e da enzima específica, o PLP pode catalisar reações que resultam na interconversão de grupos amino e cetona, descarboxilação, inversão estereoquímica, eliminação
  34. 34. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofíli ca ao Grupo Carbonila 25 e substituição. Em todas as reações catalisadas por PLP, seu objetivo é servir como receptor de um par de elétrons reversível. Como exemplo específico desta função, consideremos uma reação de racemização que envolve o PLP. A bactéria requer (R)-(- )-alanina (também chamada D-alanina, Seção 24.2) para a construção da parede celular. Contudo, a forma mais abundante de alanina é o enantiômero (S)-( +)-alanina (ou L-alanina). Para se obter o enantiômero (R) necessário para a síntese da parede celular, a bactéria usa uma enzima chamada racemase alanina para catalisar a formação de uma mistura racêmica de alanina, obtendo, deste modo, um fornecimento de (R)(- )-alanina. O primeiro estágio nas reações enzimáticas que envolvem PLP é a troca da ligação imina que acorrenta o PLP a sua enzima pela ligação da imina entre o PLP e o substrato amino. Aqui, este processo é ilustrado com a (S)-( +)-alanina. o H 3c, /c, 1 1 c i H o- N H2 (S)-( +)-Alanina Enz-NH 2 O próximo estágio envolve a remoção de um próton do carbono a da alanina pelo grupo básico pertencente à enzima. A formação deste ânion é um processo exeqüível porque o anel de piridina carregado positivamente no PLP serve como um receptor de par de elétrons (ver Problema 16.B2). A formação do intermediário carbânion conjugado resulta na perda de quiralidade do carbono a da alanina. A reprotonação subseqüente do intermediário (em qualquer face) com carbono a triangular plana resulta na forma racêmica de alanina. A formação do aminoácido racêmico ocorre com a troca da ligação de imina que retoma ao grupo amino da enzima (a etapa da hidrólise que é o reverso do primeiro estágio mostrado acima). ~: 8-Enzima o _ o- ~Vl 0 _ :;j" P lS:c H"- ~N ::..__ / o/ : 8 - Enzima 0 ~ oH ~ I / N+ I CH 3 H Problema 16.8 I >- Escreva o mecanismo mostrando como a imina do PLP com uma enzima podem substituir uma imina do PLP com um substrato tal como a alanina. Problema 16.82 >- Escreva as estruturas de ressonância que mostram como o a-carbânion, intermediário na racemização da alanina, é estabilizado pela conjugação com o anel de piridina.
  35. 35. ~ Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 16.9 A ADIÇÃO DO ÁCIDO CIANÍDRICO 0--Aci:dg daoí"lci,Q_ ' ila dos aldeídos e da maioria das cetonas pm .foÚnar..compostns deRm:J:Hnad6S<CiaDoidr.iDas.. As cetonas em que o grupo carbonila está extremamente impedido não experimentam esta reação. Cianoidrinas o R"- /OH 1 1 R"_..C.._..,_ R' + HCN ~ . /C', R' CN ~ç.ãrui.e_ácidG-eianíGBGe-por..simesma..ocGFFe-muitulentame~. EQI_q_ue.oliCN.é-um-nucleófilo fraco. A~ ão cianeto de p.otássio,..mLq.ualqueLbase..que..p.ossa_getaúons_cian0te-a-pm:tiu:lu..áQ.:cto fraÇQ.jiCN,_causa...um-atH:e€nt:o_d~tico na taxa de reação. Este efeito foi descoberto em 1903 pelo químico inglês Arthur Lapworth; em êstudolla-a:diçãÕCie HCN, Lapworth tomou-se um dos por criadores da visão mecanística da química· orgânica. Lapworth adotou que a adição era iônica_ natureza (uma percepção notável considerando que as teorias de ligação de Lewis e Kossel surgem 13 anos mais tarde). Ele propôs "que a formação de cianoidrinas é para ser representada como uma união comparativamente lenta de um íon negativo cianeto com a carbonila, seguida de uma combinação quase instantânea do complexo com o hidrogênio".* seu Um Mecanismo para a Reação Formação da Cianoidrina Õ:~1 "- •• C=O /f':<..&, ·· + -:c=N: / -~ lenta ~ "- / C / •• "- _ . . , C=N· ~VV O-H ffi..L.C==N: "- / ·· +=~~~~ C - H-C=N: / "- . + -:C=N: C=N: O íon cianeto, sendo umn '!filo forte, está~ a atacar o átomg de çarhono da carp~ muito mais rapidamente do que o pr prio HCN e isto é a fonte de seu efeito catalítico. Uma yez que a adiç.ãq deJJm íon cianeto OGQJI_e, o á!2_mo de oxigênio fortt;m!!ntt; básico do alcóxi$19 do intermediário remÕve ~m próton de qualquer ácido disponível. Se este ácido é o HCN, este passo regenera o íon cianeto. _ Bases mais fortes _gue o íon cianeto catalisam a reaçãG pela co~(pK. 9) ~ ío cianeto em uma reação ácido-base. Os íons cianeto, assim formados, podem atacar o grupo carbonila. · = _ O ácido cianídrico líquido pode ser usado nesta reação (HCN é um gás na temperatura ambien- te), mas desde que HCN é muito tóxico e volátil, é mais seguro gerá-lo na mistura reacional. Isto pode ser feito pela misturação de aldeído ou cetona com cianeto de sódio aquoso e, então, adiciona-se lentamente ácido sulfúrico à mistura. Mesmo com este procedimento, contudo, .il.eJ'.e..s.e_r tQ!!!ado ,Jlm cuidado ex e _o e a re -a deve s r executada de _ ca el mlfi!.p_ ejjçie,n,_ a -!S.- - As cianoidrinas são intermediários úteis em sínteses orgânicas. Dependendo das condições usadas, hidrólises ácidas convertem cianoidrinas a ácidos a-hidroxilados ou a ácidos a, /3-insaturados. (0 mecanismo para esta hidrólise é discutido na Seção 18.8H.) A preparação dos ácidos a- ' Lapworth, A.J. Chem.Soc. 1903, 83, 995-! 005. Para uma revisão refinada do trabalho de Lapworth veja Saltzman, M. J. Chem. Educ. 1972, 49, 750-752.
  36. 36. Aldeídos e Cetonas L Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 27 hidroxilados a partir de cianoidrinas faz parte da síntese de Kiliani-Fisher para açúcares simples (Seção 22.9A). HO HCN HO I HCI I n,o O I I 11 ____. CH 3CH2 -C-CN---+ CH 3CH2-C-COH CH CH calor 3 , 3 Acido a-hidroxilado 1 9s%n,so. calor o li COH CH 3CH=< CH3 Ácido a,f3-insaturado A redução de uma cianoidrina com hidreto de alumínio e lítio resulta em um {3-aminoálcool: rYO v Problema 16.16 >- ('[<OH ( I) HCN~v CN (2) LiAIH. ~ n,o a OH cu NH 2 2 (a) Mostre como se deve preparar o ácido lático (CH3CHOHC02H) a partir do acetaldeído, passando pelo intermediário cianoidrina. (b) Qual a forma estereoisomérica do ácido lático que você obteria? 16.1 0 A ADIÇÃO DE ILÍDEOS: A REAÇÃO DE WITTIG Aldeídos e cetonas reagem com ilídeos de fósforo para resultar em alceno e óxidos de trifenilfosfma. (Um ilídeo é uma molécula neutra que possui um carbono negativo adjacente a um heteroátomo positivo.) Os ilídeos de fósforo também são denominados fosforanos. R"/ R " C=O R' Aldeído ou cetona rg Wittig, então na ersidade de Tübingen, i.escobriu esta reação em : . Wittig foi co-vencedor Prêmio Nobel de ' 'caem 1979. I; · R" C=C / / R' Ilídeo de fósforo (ou fosforano) " R'" Alce no [isômeros (E) e (Z)] Óxido de trifenilfosfina Esta reação, conhecida como reação de Wittig, tem se revelado um método valioso na síntese de alcenos. A reação de Wittig é apropriada para uma ampla variedade de compostos; e embora possa resultar em uma mistura de isômeros (E) e (Z), a reação de Wittig impõe uma grande vantagem sobre as outras sínteses de alceno, já que não existe ambigüidade da localização da dupla ligação do produto. (Isto contrasta com as eliminações El, que podem resultar em alcenos múltiplos através de rearranjos dos intermediários para um carbocátion mais estável; tanto as reações de celiminação El . quanto E2 podem produzir produtos múltiplos quando {3-hidrogênios diferentes estão disponíveis para serem removidos.) Os ilídeos de fósforo são facilmente preparados a partir de trifenilfosfina e haletos de alquila. Suas preparações envolvem duas reações: Reação Geral + / (C 6 H 5)3P-C~ Reação 1 Trifenilfosfina R" x- R"' Umhaletode alquiltrifenilfosfônio
  37. 37. ô Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila R" R" + L ~+ / (C 6 H 5 hP-C~H : B __. (C 6H 5) 3P-cz_- Reação 2 R"' + H: B R"' Um ilídeo fosforoso Exemplo Específico + (C 6H 5) 3P-CH3 Br- Reação 1 Brometo de metiltrifenilfosfônio (89%) + Reação 2 (C 6H 5) 3P-CH 3 Br- + + C 6H 5Li __. (C 6H 5) 3P-CH2 :- + C6H 6 + LiBr A primeira reação é uma reação de substituição nucleofílica. A trifenilfosfina é um excelente nucleófilo e uma base fraca. Reage rapidamente com haletos de alquila 1o e 2° por um mecanismo SN de forma a deslocar o íon haleto do haleto de alquila para resultar em um sal de 2 alquiltrifenilfosfônio. A segunda reação é uma reação ácido-base. Uma base forte (normalmente um alquilítio ou fenilítio) remove um próton do carbono que está ligado ao fósforo para dar um ilídeo. Os ilídeos de fósforo podem ser representados como híbridos de duas estruturas de ressonância mostradas aqui. Os cálculos de mecânica quântica indicam que a contribuição feita pela primeira estrutura é relativamente sem importância. R'' / R" + / +-+ (C 6H 5) 3P-C( (C 6H 5) 3P=C"- R"' R'" O mecanismo da reação de Wittig tem sido tema de estudos consideráveis. Uma proposta de mecanismo recente sugere que o ilídeo, agindo como um carbânion, ataca o carbono da carbonila do aldeído ou da cetona para formar um intermediário instável com cargas separadas chamado de betaína. Na próxima etapa, a betaína é vista como se tornando um sistema cíclico instável de quatro membros chamado de oxafosfetano, que então espontaneamente perde o óxido de trifenilfosfina para se tornar um alceno. Contudo, estudos de E. Vedejs (da Universidade de Wisconsin) e outros sugerem que a betaína não é um intermediário e que o oxafosfetano é formado diretamente por uma reação de cicloadição. A força diretora para a reação de Wittig é a formação de uma ligação fósforo-oxigênio muito forte (DW = 540 kJ mol - 1) no óxido de trifenilfosfina. Um Mecanismo para a Reação A Reação de Wittig Aldeído ou cetona Dídeo Betaína (pode não se formar) Oxafosfetano Alceno (+ diastereômero) Óxido de trifenilfostina
  38. 38. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 29 Exemplo Específico OcHz + Metilenocicloexano (86% de cicloexanona e brometo de metiltrifenilfosfônio) A eliminação do óxido de trifenilfosfina da betaína (se, realmente, se forma) pode ocorrer em duas etapas distintas, como mostraremos agora, ou ambas as etapas podem ocorrer simultaneamente. Embora as sínteses de Wittig possam parecer complicadas, na prática real elas são fáceis de ser realizadas. A maioria das etapas pode ser feita no mesmo recipiente de reação e toda a síntese pode ser realizada em questão de horas. O resultado final da síntese de Wittig é R " C=O+ R'/ X "" C/ H/ R R" diversas etapas • R"' " R" C=C / R'/ " + diastereômero R"' O planejamento da síntese de Wittig começa com o reconhecimento no alceno desejado, de qual componente de aldeído ou cetona pode ser usado e de qual componente de haleto pode ser usado. Qualquer ou todos os grupos R podem ser hidrogênios, embora os resultados sejam geralmente melhores quando pelo menos um dos grupos é o hidrogênio. O componente de haleto deve ser primário, secundário ou haleto de metila. >Exemplo Esboce uma síntese de Wittig para o 2-metil-1-fenilpropeno. Solução: Examinamos a estrutura do composto, prestando atenção aos grupos de cada lado da ligação dupla. i CH3 i I + C6 H 5CH CCH 3 2-Metil-1-fenil-1-propeno São possíveis duas abordagens para a síntese: ou
  39. 39. 30 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Em (a), primeiro produzimos o ilídeo a partir do 2-halopropano e, então, fazemos com que ele reaja com o benzaldeído. " + (CH 3 ) 2 C-P(C6H5 ) 3 C6H5CHO (CH3 ) 2C=CHC6Hs + (C 6 H5 )3P=O • Em (b), produzimos o ilídeo a partir do haleto de benzila e fazemos com que ele reaja com a acetona·. RLi + (b) C6 H5 CH2Br + (C 6H5 ) 3P ____.. C6H5CH2-P(C6 H5 ) 3 Br----+ " + C6 H5CH-P(C6Hs)3 (CH 3 ) 2 C =O C6H 5CH=C(CH3)2 + (C6Hs)3P=O Uma reação de Wittig modificada, amplamente usada, é a de Horner-Wadsworth-Emmons. A reação de Homer-Wadsworth-Emmons envolve o uso de um éster fosfonato ao invés de um sal de trifenilfosfônio. O produto principal é normalmente o isômero (E) do alceno. Algumas bases que são tipicamente usadas para formar o carbânion do és ter fosfonato incluem o hidreto de sódio, terc-butóxido de potássio e butilítio. A seguinte seqüência de reações é um exemplo. Etapa 1 o- o-- N~ O NaH 11 CH2-f-OEt-----+ ~ j O 11 CH-r-OEt +H-H OEt OEt Um éster fosfonato Etapa 2 o- ~a+ ~ cH-r-oEt +H 'Uo n ~ 1 OEt O c= dÓ" ____.. y + Eto-r-o- Na+ OEt (84%) O éster fosfonato é preparado pela reação de um fosfito de trialquila [(R0)3P] com um haleto apropriado (um processo chamado de reação Arbuzov). Segue um exemplo. o- CH2-X + EtO-~-OEt ____.. OEt o~ j o 11 CH2-r-0Et + EtX OEt Fosfito de trietila Problema 16.17 >- Além da trifenilfosfina, considere que você tenha disponível como matéria-prima quaisquer aldeídos, cetonas e haletos orgânicos necessários. Mostre como sintetizar os seguintes alcenos utilizando a reação de Wittig: (c)
  40. 40. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila (d)6 31 CH 3 CH2 I (e) CH3CH 2CH=CCH 2CH 3 (f) C6H 5CH=CHCH=CH 2 (g) C6H 5CH=CHC 6H 5 roblema 16.18 ~ A trifenilfosfina pode ser usada para converter epóxidos a alcenos, por exemplo, ··o·· / '.. C6H 5,,,,,. ..•,,,,CH 3 C H ""'" C-C """'H +(C H ) P: __. C=C +(C H) PO 6 5 / H 6 s H.. ,. . 3 "H 6 5 3 CH 3 Propor um mecanismo plausível para esta reação. 16.11 AADIÇÃO DE REAGENTES 0RGANOMETÁLICOS: A REAÇÃO DE REFORMATSKY Na Seção 12.8, estudamos a adição de reagentes de Grignard, compostos de organolítio e alquinetos de sódio a aldeídos e cetonas. Estas reações, como veremos, podem ser usadas para produzir uma ampla variedade de álcoois: fi-~'.. ~ I Hü+ I / I I õ-~'.. ~ I Ho+ I R:Li + C=O __.R -C-OLi ~R-C-OH / l fi-~'.. ~ I Hü+ I RC=C:Na + C=O __. RC==C-C-ONa ~ RC==C-C-OH / I I R:MgX + C=O_.R-C-OMgX~R-C-OH Agora examinaremos uma reação similar que envolve a adição de um reagente organozinco ao grupo carbonila de um aldeído ou cetona. Esta reação, denominada reação de Reformatsky, aumenta a cadeia carbônica de um aldeído ou cetona, resultando em ésteres .8-hidroxilados. Ela envolve o tratamento de um aldeído ou cetona com éster a-bromado na presença de zinco metálico; o solvente mais freqüentemente usado é o benzeno. O produto inicial é um alcóxido de zinco, que deve ser hidrolisado para levar ao éster .B-hidroxilado. BrZnO "-c=o + Br-e-co R I / I 2 Aldeído Zn benzeno ~ Éster a-bromado HO I I H o+ I {3 I -C-C-CO2 R~ -C-Cª-CO 2R I I I I És ter {3-hidroxilado ou cetona O intermediário da reação aparece como sendo um reagente organozinco adicionado ao grupo carbonila, de forma análoga ao de um reagente de Grignard. Um Mecanismo para•a Reação Reação de Reformatsky ~~ Zn .H ( lõ- ___ -/C=O Br-~-C0 2 R ~be --no + BrZn:~-C0 2 R---+ ~n ze - I BrZnO HO I I . Ho+ I I -c-c-co2R~ -c-c-co2R I I I I · Já que o reagente organozinco é menos reativo do que o reagente de Grignard, não é adicionado ao grupo éster. Os és teres .B-hidroxilados produzidos na reação de Reformatsky são facilmente desi-
  41. 41. 32 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila · dratados a és teres o:,/3-insaturados, porque a desidratação resulta em um sistema em que a dupla li ção carbono-carbono é conjugada com a dupla ligação carbono-oxigênio do éster. HO O I I I I " " li Hp+ 11 -C-C-COR C=C / Calor / (-H 20) H COR o És ter {3-hidroxilado És ter o:,f3-insaturado Exemplos da reação de Reformatsky estão a seguir (onde Et = CH 3CH2- ) : o 00 11 . CH 3CH 2CH 2CH + BrCH2C0 2Et O ( ! ) Zn I CH 3CH 2CH 2CHCH2C0 2Et (2) Hp+ CH3 li OH I ( I (2) Hp+ CH 3 CH + Br-C-C0 2Et CH 3 I 1) Zn I CH 3 CH -C-C02 Et I CH 3 O 11 C6H5CH Problema 16.19 > CH 3 CH3 OH (!) Zn I I CH3 I + Br-CH -C0 2Et ....;..;._ _• C6H5CH -CH -C02Et (2) Hp+ Mostre como você usaria uma reação de Reformatsky na síntese de cada um dos seguintes compostos. (Etapas adicionais podem ser necessárias em alguns momentos.) OH I (a) (CH 3) 2CCH 2C0 2CH 2CH 3 ~ (b) ~THC0 2 CH 2 CH 3 CH 3 16.12 OXIDAÇÃO DE ALDEÍDOS E CETONAS Os aldeídos são muito majs facj !mepte.oxidados que.as cetonas. Os aldeídos são rapidamente oxidados por agen.tes oxidantesfortes, tal como permanganato de potássio; e são também oxidados por agentes oxidantes moderados, como o óxido de prata. o o KMnO OH- 11 RCH '' 11 o H o+ H o+ o o li Ag 20,0H- RCH 11 RCO- ~ RCOH 11 o 11 RCO-~RCOH Observe que nestas oxi.daçõe~ g~ aleeídas perdem o hjdmgênio que é aoexada ao átomo de carbono da carbonila. C .9 a cetonas não possuem este hidrogênio, elas são muito mais resistentes à oxidação. 16.12A A Oxidação de Eraeyer-Villiger de Aldeídos e Cetonas Tanto aldeídos quanto cetonas são oxidados por peroxiácidos. Esta reação, denominada oxidação de Baeyer- Villiger, é especialmente útil para cetonas, porque as converte a és teres carboxílicos. Por exemplo, tratando-se a acetofenona com um peroxiácido, ocorre a conversão ao és ter, acetato de fenila o 11 ? RCOOH o 11 C 6H 5-C-CH 3 - - - • C6 H5 -0-C-CH3 Acetofenona Acetato de fenila O mecanismo proposto para esta reação envolve as seguintes etapas.
  42. 42. 33 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Um Mecanismo para a Reação Oxidação de Baeyer-Villiger + /H . =o .-o·· 11~ . ...:11 + H-o~o-C-R C CH 3 / ""cH5 6 ·· .. / H =o 4 ~ ·· :o·· I .. + •. 1 CH - C - - 0 - 0 - C - R 4 3 I ~I ·· ~ C 6H 5 H '__:AO reagente carbonilado remove um próton do ácido. O peroxiácido ataca o reagente carbonilado protonado. O grupo carbonila ·do peroxiácido neste intermediário é protonado, preparando a parte do RC02H que se tornará o grupo retirante. Um próton é removido do íon oxônio. O grupo fenil migra com um par de elétrons para o oxigênio adjacente, simultaneamente com a partida do RC02H como um grupo retirante. Um próton é removido, resultando em um produto éster. -HA Os produtos desta reação mostram que um grupo fenila tem uma tendência muito maior de migrar do que o grupo metila. Não fosse isto, o produto seria C 6H5COOCH3 e não CH3COOC 6H 5 • Esta tendência de um grupo para migrar é chamada de aptidão migratória. Estudos da oxidação de BaeyerVilliger e outras reações têm mostrado que aptidão migratória dos grupos é H > fenil > alquil 3° > alquil 2o > alquill o > metil. Em todos os casos, esta ordem é para grupos migrando com seus pares de elétrons, isto é, como ânions. a Problema 16.20 ~ Quando o benzaldeído reage com um peroxiácido, o produto é um ácido benzóico. O mecanismo para esta reação é análogo ao que acaba de ser dado para a oxidação da acetofenona e o resultado ilustra a maior aptidão migratória do átomo de hidrogênio se comparado ao fenil. Esboce todas as etapas envolvidas. Problema 16.21 ~ Dê a estrutura do produto que resi.Jltaria da oxidação de Baeyer-Villiger da ciclopentanona. Problema 16.22 ~ Qual seria o produto principal formado na oxidação de Baeyer-Villiger da 3-metil-2-butanona? 16.13 ANÁLISES QUÍMICAS PARA ALDEÍDOS E CETONAS 16.1 lA Derivados dos Aldeídos e Cetonas Aldeídos e cetonas podem ser diferenciados dos compostos não-carbonílicos através de suas reações com derivados de amônia (Seção 16.8). Semicarbazona, 2,4-dinitrofenilhidrazina e hidroxilamina reagem com aldeídos e cetonas para formar precipitados. Semicarbazonas e oximas são normalmente incolores, enquanto as 2,4-dinítrofenilhidrazonas são normalmente laranja. Os pontos de fusão destes derivados podem também ser usados na identificação de aldeídos e cetonas específicos.
  43. 43. 34 este de T ollens (Teste do Espelho de Prata) acilidade com que os aldeídos sofrem a oxidação provê um teste útil que diferencia aldeídos maioria das cetonas. Misturando uma solução aquosa de nitrato de prata com uma solução aquosa de anÍô · produz-se uma solução conhecida como reagente de Tollens. O reagente possui o íon diarninoprata(I Ag(NH3) 2+.Embora este íon seja um agente oxidante muito fraco, ele oxida aldeídos a ânions carboxilatos. Como ele faz isso, a prata é reduzida do estado de oxidação+ 1 [do Ag(NH3h+]a prata metálica. Se taxa de reação é lenta e as paredes do recipiente estão limpas, prata metálica se deposita nas paredes tubo de ensaio como um espelho; se não, deposita-se um precipitado cinza a preto. O reagente de Tolle dá um resultado negativo com todas as cetonas,exceto as cetonas a-hidroxiladas. o R-~- H o Ag(NH,),+ • R Aldeído O 11 H20 -~-o- Agt Espelho de prata OH O I + O 11 Ag(NH3) + 11 R-C-CH-R' __:::..:...._"""': -•• R-C - C-R' + . HO ' Cetona a-hidroxilada o 11 · R- C- R' Cetona Agt Espelho de prata Ag(NH,), + • H 20 não há reação 16.1 4 PRO PRIEDAD ES E SPECTROSCÓPICAS DE ALDEÍDOS E CETONAS 16.14A Espectro IV de Aldeídos e Cetonas Os grupos carbonila de aldeídos e cetonas apresentam bandas de absorção fortes por estiramen de C=O na região 1665-1780-cm-I. A localização exata da absorção (Tabela 16.3) depende da estrutura do aldeído ou cetona e é uma das absorções mais úteis e características do espectro de IV. Os aldeídos acíclicos saturados absorvem tipicamente próximo de 1730 em-I ; as cetonas similares al>sorvem próximo de 1715 em- I. A conjugação do grupo carboniZa com uma ligação dupla ou um anel benzênico desloca a absorção da ligação C O para freqüências mais baixas, na ordem de 40 cm- 1. Este deslocamento para freqüências mais baixas ocorre devido ao fato de a dupla ligação de um composto conjugado possuir mais caráter de ligação simples (veja as estruturas de ressonância a seguir) e as ligações simples são mais fáceis de estirar do que as duplas. :o· ~" 't I :o··· ccr( .---.'c~! I +----Ligação simples Tabela 16.3 Bandas de Estiramento da Carbonila de Aldeídos e Cetonas C= O Freqüências de Estiramentos Compostos Faixa (cm- 1) Compostos Faixa (cm- 1) R-CHO Ar- CHO 1720-1740 > 1695-1715 RCOR ArCO R 1705-1720 1680-1700 I C= C I 1680-1690 I C= C I . 665-1680 1 CHO COR Cicloexanona Ciclopentanona Ciclobutanona 1715 1751 1785
  44. 44. 35 Aldeídos e Cetonas i. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 100 ,..--.,1,---.,1-,.-1--'-,---,.---,,.---,---.l--,---,--1·-.,-----,l-.--,-l'-··--,l-,----,-i-----,1~ !. 90 f---1------ - - - - ---+---t----+---+-----1----+---+-----+---- --rr· ~v----1f. r-11 ( fI M :: ~ '·,tt ....,.~::-(,::":::~_~t- __ v--_ tv'r--/7íil-n---t(-t ,-F~-_-_,_ ___--~~-~=---t---'~ o c _-r_-_---t~ - ~-t! V1- -rl /~:~ ·g 50 ~- 60 ~ -~ 1 ~ - V' (n: rmomco) 1---------1--VH--+H~--- ~ 1 1 ))-~l 2-C-H / J I I I o I I ___li - -t-t--t---HI-- 1+11--tiii----+--II+H _ ::::2.___ .i 40 f---f---f-~~~--f---t----++-r-+-~~~~--+-~~+---+hK+~ L J c-~ ~ 30 1----+:_____ --~í!!dcld!ka____ I c: ' C-H _L_J L.-J i -· ( -H'a!deírnha I -H-+----i -----lf--1- ( eformaçãop -----U-f---··--··+ (esnram mo) f---- 1 ~o~ án c~~~ l d- H ~ ~~~~+-~~~~--4 20 1----~~ m~~ O) C-H ~'---r---r---+~--+-r+-+--~(qeformação ~o plano) (esnramen ! 0 alifátict ~ L ' 1 --:c: ! c ---c. c H 10 ~-~---4~~~~-~--~COo~~~~*===~~~--~~~~~~~~~ [ I o L___L__JI _ I _ I (esnram nt I I I stiramento l I : I 0 (defom ação fora d I I J. I o) ' I ant)l J _[___l_ _..l__J__ _ j___j__ _L__L__J_ _.J_...Ll_ _..l___L_ _ j___L_ _L___L.l=!==±===±!===t!. .. ' 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 _j 600 Número de onda (cm-1) Fig. 16.1 O espectro de infravermelho do feniletanal. A localização da absorção da carbonila de cetonas cíclicas depende do tamanho do anel (comparar os 'compostos cíclicos da Tabela 16.3). À medida que os anéis ficam menores, o pico de estiramento da ligação C=O se desloca para freqüências maiores. As vibrações da ligação C-H do grupo CHO dos aldeídos também apresentam duas bandas fracas nas regiões 2700-2775 e 2820-2900·cm- 1 que são facilmente identificadas. A Figura 16.1 mostra o espectro IV do feniletanal. 16.148 Espectro RMN de Aldeídos e Cetonas Espectro 13 C RMN O átomo de carbono da carbonila de um aldeído ou cetona apresenta sinais característicos de RMN na região de õ 180-220 no espectro de 13C. Já que quase nenhum outro sinal ocorre nesta região, a presença de um sinal nesta .região (próximo a ô 200) sugere fortemente a pre. sença de grupo carboniZa. Espectro 1H RMN Um próton aldeídico apresenta um sinal no campo baixo distante na região (õ 9-10) onde quase não há outro próton absorvendo; portanto, é facilmente identificado. O próton aldeídico de um aldeído alifático apresenta um acoplamento spin-spin com prótons em carbonos adjacentes a, e o padrão de desdobramento revela o grau de substituição do carbono a . Por exemplo, no acetaldeído (CH 3CHO), o sinal do próton aldeídico é desdobrado em um quarteto por três prótons metílicos e o sinal do próton é desdobrado em um dupleto pelo próton do aldeído. A constante de acoplamento é cerca de 3 Hz. Os prótons no carbono a são desblindados pelo grupo carbonila e seus sinais geralmente aparecem na região de õ 2,0-2,3. As metil cetonas apresentam um singleto característico (3H) próximo de õ 2,1. As Figs. 16.2 e 16.3 mostram os espectros 1H e l 3C do feniletanal. 16.14C Espectro de Massa de Aldeídos e Cetonas O espectro de massa de cetonas normalmente apresenta um pico correspondente ao íon molecular. Os aldeídos tipicamente produzem um pico proeminente em Mt _ 1 no seu espectro de massa a partir da clivagem do hidrogênio do aldeído. As cetonas normalmente sofrem clivagem em qualquer lado do grupo carbonila para produzir íons acílio, RC ==o;, , onde R pode ser um grupo alquila de qualquer lado da cetona. A clivagem via rearranjo de McLafferty (Seção 9.16C) também é possível em vários aldeídos e cetonas. 16.140 Espectro UV Os grupos carbonila de aldeídos e cetonas saturados dão uma banda de absorção na região de UV entre 270 e 300 nm. Esta banda é deslocada para comprimentos de onda maiores (300-350 nm) quando o grupo carbonila está conjugado com uma ligação dupla.
  45. 45. 36 Aldeídos e Cetonas L Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila (d) (c) 0 (e) Q - c H -g-H (a) 2 (b) (a) (b) 1MS (c,d,e) _j~ T~--~---,---.~~-,- 9,75 9,70 7 8 3,70 9,65 5 6 3,65 o 2 3 4 3,60 ~(ppm) Fig. 16.2 O espectro de 1H RMN, a 300 MHz, do feniletanal. O pequeno acoplamento entre os próto aldeídico e metilênico (2,6 Hz) é mostrado nos gráficos inseridos. I I I I ) a (e) (f) I ' I I I I I i I I I I I I I I I (d) cri CH2-C-H (b) CH (a) (d,e,j) CH CH CH I I 220 I I ' 200 TMS (b) (a) l I I 180 i I 160 I I 140 I I 120 I 100 llc (ppm) I I 80 I I I 60 40 I I 20 I I o 13 Fig. 16.3 O espectro C RMN, desacoplado de próton, do feniletanal. As informações do 13C RMN DEPT e os carbonos assinalados estão mostrados próximos a cada pico. Resumo dos Mecanismos pàra ReaÇões de AdiÇão dê Aldeídos e Cetonas As reações de adição nucleofílica de aldeídos e cetonas que ocorrem no átomo de carbono da carbo · que nós estudamos até agora, estão resumidas abaixo. No Cap. 17, veremos outros exemplos. Reações de Adição Nucleofilica de Aldeídos e Cetonas 1. Adição de Compostos Organometálicos Reação geral
  46. 46. Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila Exemplo Específico Usando o Reagente de Grignard (Seção 12.7) O OH (I) Et,O 11 CH3CH2MgBr + CH3C-H (2) I Hp+ ll CH3~~!~~CH3 Exemplo Específico Usando a Reação de Reformatsky (Seção 16.11) (I) Zn (2) Hp+ 2. Adição de Íon Hidreto Reação geral "'- r::::.~ - H:~C=O---+ 7 . I I · I I H-c-o----+ H-C-OH Hlo + Exemplos Específicos Usando Hidretos Metálicos (Seção 12.3) ~O + LiAIH4 ~ (I) Et,O (2) Hp+ O<H OH (90%) O OH 11 CH3CCH2CH2 CH3 + Na~BH4 CHpH ow ll I CH 3CHCH2CH2CH 3 (100%) 3. Adição de Ácido Cianídrico (Seção 16.9) Reação geral N=C=- + "'C=O • / ~ I I HA N=C-c-o- I I N=C-C-OH +A: - Exemplo Específico H3C"-. /OH (I) NaCN /c"-. (2) HA H 3C CN Cianoidrina de acetona (78%) 4. Adição de llídeos (Seção 16.10) A Reação de Wittig 5. Adição de Álcoois (Seção 16.7) Reação geral .. .. R-O-H + "'C=O / ~ I I R-0-C-OH ROH ~ I I R-O-C-0-R HA Hemiacetal + HOH Acetal Exemplo Específico O C 2H 50H 11 + CH3CH CH3 • ~ CH3 I c,H,OH I HA . I C 2H 50-C-OH ----=---"---+11> C 2H 50-C-OC2H 5 H I H + HOH 37
  47. 47. 38 Aldeídos e Cetonas I. Adição Nucleofílica ao Grupo Carbonila 6. Adição de Derivados de Amônia (Seção 16.8) Reação geral ~ .r-----.._ -N-H 0C=O I H / 4 • ~ [ -N-C-OH ___. ·N=C/ .. I . I I - Hp I "- H Exemplo Específico ~ CH3CH + NH2 0H ____. /OH /C=J'!. CH3 Acetaldoxima Tautomerização Enóis Tautomerização ceto-enólica Adição Nucleoffiica ao carbono da carbonila Hemiacetais PROBLEMAS ADICIONAIS• Seção 16.5B Seção 16.5B Seção 16.5B Seção 16.6 Seção 16.7A · Acetais I minas Hidrazonas, semicarbazonas e oximas Cianohidrinas Ilídeos Seção 16.7B Seção 16.8 Seção 16.8A S~ão 16.9 Seção 16.10 16.23 Dê a fórmula estrutural e outro nome aceitável para cada um dos seguintes compostos: (a) Formaldeído (b) Acetaldeído (c) Fenilacetaldeído (d) Acetona (e) Etil metil cetona (f) Acetofenona (g) Benzofenona (h) Salicilaldeído (i) V anilina (j) Dietil cetona (k) Etil isopropil cetona (I) Diisopropil cetona ) (m) Dibutil cetona (n) Dipropil cetona (o) Cinamaldeído 16.24 Escreva as fórmulas estruturais para os produtos formados quando o ropanal reage com c um dos seguintes reagentes: (a) NaBH4 em NaOH aquoso (b) C6 5MgBr, depois HzÜ H (c) LiAlH4 , depois H2 0 (d) Ag20 , OH(e) (C6Hs)3P=CH2 (f) H 2 e Pt (g) HOC:~2CH~OH e HA (h) CH3CH- P(C6H 5) 3 (i) (1) BrCH2C02C2H5, Zn; (2) H 3 + ü (j) Ag(NH3)2+ (k) Hidroxilamina (I) Semicarbazida (m) Fenilidrazina ' Os problemas marcados com asterisco são "problemas de desafio".

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