Ácidos carboxílicos e derivados reações de substituição...
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Ácidos Carboxílicos e DerivadosReações de Substituição Nucleofílica
no Grupo Acil
N307 - Química Orgânica IIProf. Dr. José Nunes da Silva Jr.
Objetivos da UnidadeObjetivos da Unidade
Analisar as estruturas dos ácidos carboxílicos e seus derivados e relacioná-las às reatividades dos mesmos em reações de substituição na carbonila;
Descrever os mecanismos das reações de ácidos carboxílicos e de seus derivados, incluindo suas interconversões;
Grupo Grupo AcilAcil
Ácidos Carboxílicos e DerivadosÁcidos Carboxílicos e Derivados
Cloreto de AcilaAnidrido
ÉsterAmida
Nitrila
Ácido Carboxílico
Ácidos Carboxílicos e DerivadosÁcidos Carboxílicos e Derivados
Os derivados de ácidos carboxílicos são chamados assim, pois todos podem ser convertidos em ácidos carboxílicos por hidrólise.
R
O
OHR
O
X+ H2O + HX
A hidrólise de um derivado de ácido carboxílico é um exemplo de uma Substituição Nucleofílica Acílica.
Muito útil em síntese orgânica e química biológica.
Estruturas de Ácidos Carboxílicos e DerivadosEstruturas de Ácidos Carboxílicos e Derivados
C spC sp22
Estrutura PlanarEstrutura Planar
Átomos EletronegativosÁtomos Eletronegativos
δδ++
Estruturas de Ácidos Carboxílicos e DerivadosEstruturas de Ácidos Carboxílicos e Derivados
Em comum com outros grupos funcionais que possuem grupos carbonil, ácidos carboxílicos e derivados têm um arranjo planar de ligações de seus grupos carbonil.
R
O
XR
O
X
-
+R
O
X
-
+
Um importante fator estrutural é que o átomo ligado ao grupo acil carrega um par de elétrons desemparelhado que é capaz de interagir com o sistema πdo grupo carbonil.
Estruturas de Ácidos Carboxílicos e DerivadosEstruturas de Ácidos Carboxílicos e Derivados
Elétrons deslocalizados a partir do substituinte estabiliza o grupo carbonil e diminui seu caráter eletrofílico.
R
O
X
-
+
A extensão desta deslocalização depende das propriedades doadoras do substituinte X.
Geralmente, o X menos eletronegativo é que doará elétrons com mais facilidade e proporcionará um maior efeito estabilizador.
Estruturas de Ácidos Carboxílicos e DerivadosEstruturas de Ácidos Carboxílicos e Derivados
R
O
Cl
Cloreto de Acila
R
O
O
O
R
Anidrido Acético Éster
R
O
OR R
O
NR3
Amida
R
O
O-
Íon Carboxilato
Efeito Estabilizante...
Velocidades Relativas de Hidrólise...
1011 107 1 < 10-2
Um derivado de ác. carboxílico fracamente estabilizado reagecom água mais rapidamente que um mais estabilizado.
Reatividades Relativas de Ácidos Carboxílicos e Derivados
Reatividades Relativas de Ácidos Carboxílicos e Derivados
R
O
Cl
Cloreto de Acila
R
O
O
O
R
Anidrido Acético Éster
R
O
OR R
O
NR3
Amida
R
O
O-
Íon Carboxilato
> > > >
Esta ordem pode ser explicada...
...pela basicidade dos grupos abandonadores
Cl-
ROH
NH3
O
OH
Síntese de Derivados de Ácidos CarboxílicosSíntese de Derivados de Ácidos Carboxílicos
Como os cloretos de acila são os mais reativos entre os derivados dos ácidos...
... temos que usar reagentes especiais para os preparar.
PCl5SOCl2
Reagem com RCOOH para dar cloretos de acila...
... em bons rendimentos.
O
OHSOCl2+
O
Cl+ SO2 + HCl
O
OH+ PCl5
O
Cl+ POCl3 + HCl
Mecanismo?????
MecanismoMecanismoCloretos de acila são facilmente obtidos a partir da reação de
ácidos carboxílicos com cloreto de tionila (SOCl2).
R
O
OH
S
O
Cl Cl R
O
O
S
H
O
Cl
Cl
_
+ R
O
O
S
H
O
Cl+
Cl-
R
O-
O
S
H
O
Cl
Cl+R
O
Cl
O
S
H
O
Cl
HCl + SO2
Cloretos de AcilaCloretos de Acila
Um cloreto de acila, sob tratamento com um nucleófilo apropriado, pode ser convertido facilmente nos menos derivados de ácidos menos reativos ...
R
O
Cl
R
O
OH R
O
O
O
R R
O
OR
HOH/H+R
O
OHROH
R
O
NR2
NR3
Mecanismos das Substituições NucleofílicasMecanismos das Substituições Nucleofílicas
Todas as reações de Substituição Nucleofílicas no Carbono Acílico têm mecanismos similares:
OL
R
Nu H
O-
LRNu
H
O-
LRNu
H+
ONu
R+ HL
Adição Nucleofílica Eliminação
Substituição Nucleofílica
+
O mecanismo de substituição se procederá via uma adição nucleofílica seguida de uma eliminação:
H
O
H
....
R
O
Cl R
O
ClO
H
H +
-
R
O
O
H
H+
Cl-
R
O
O
H
+ HCl
Hidrólise de Cloreto de Acila – Um ExemploHidrólise de Cloreto de Acila – Um Exemplo
Adição
Eliminação
Síntese de Anidridos de Ác.CarboxílicosSíntese de Anidridos de Ác.Carboxílicos
Os ácidos carboxílicos reagem com cloretos de acila na presença de piridina para dar anidridos de ácidos carboxílicos:
R
O
OH R'
O
Cl+
N..
+N
H-Cl
++
R
O
O
O
R'
Anidrido
Método- Bastante geral e utilizado
- Pode ser utilizado para a obtenção de anidridos com R e R’ diferentes
+ HOHO
O
O
O
OH
O
OH 230 oC
Síntese de Anidridos de Ác.CarboxílicosSíntese de Anidridos de Ác.Carboxílicos
Anidridos ciclicos podem ser preparados pelo simples aquecimento de ácidos dicarboxílicos:
O
OH
O
OHO
O
O
300 oC
Mecanismo ???
Mecanismo ???
Reações de Anidridos de Ác.CarboxílicosReações de Anidridos de Ác.Carboxílicos
R
O
O
O
R
R
O
NR2 R
O
O- NR3+
+
R
O
OR' R
O
OH+R'OH
NHR2
R
O
O-2
R
O
OH2
H2O
OH- / H2O
Mecanismos???
Síntese de Ésteres – EsterificaçãoSíntese de Ésteres – Esterificação
Os ácidos carboxílicos reagem com álcoois e formam ésteres por uma reação conhecida como esterificação:
R
O
OHR' O
H R
O
OR'+ + HOH
+R
O
OCH2CH3CH3CH2 O
H
O
OH
+ HOH
Tais reações são catalisadas por ácidos ou por remoção de H2O
Comprovação Isotópica - O18Comprovação Isotópica - O18
Coerente com o Mecanismo...Coerente com o Mecanismo...
+
Esterificação Catalisada por ÁcidosEsterificação Catalisada por Ácidos
Reações em equilíbrio...- Remover a água formada
- Refluxar com excesso de água/H+
PhC
O
O
H
:..
H+:
PhC
O
O
H
H
HOCH2CH3....
+
Ph C
O
OH
H
OH CH2CH3
:
+
~ H+
Ph C
O
OH
H
OCH2CH3
H+
:
+Ph C O
H
OCH2CH3
OHH
..
:
PhC
O
OCH2CH3
+ H3O+
Mecanismo de Hidrólise Básica de ÉsteresMecanismo de Hidrólise Básica de Ésteres
??????????????????????????????????????????????????????
??????????????????????????????????????????????????????
Mecanismo de Hidrólise Básica de ÉsteresMecanismo de Hidrólise Básica de Ésteres
Provas para este mecanismo...Provas para este mecanismo...
Na OH
PhC
O
O
R
:..
Ph C
O-
OR
OH
:
-OH
..
Ph
C
O
O
H - OR
HORPh
C
O
O-
Na OH
Provas deste MecanismoProvas deste Mecanismo
Se o íon hidróxido atacasse o carbono alquílico e não o carbono acílico...
... o álcool obtido não seria marcado.
Provas deste MecanismoProvas deste Mecanismo
Se o íon hidróxido atacasse o carbono alquílico e não o carbono acílico..
... o álcool obtido não seria marcado.
O
O -OH
O-
O+ HO CH2CH3
Estes produtos não se formam
Provas deste MecanismoProvas deste Mecanismo
Substituição Nucleofílica no Carbono Acil
Substituição Nucleofílica no Carbono Alquil
PhC
O
O H
R'R:..
Ph C
O-
O
OH
H
R'R
:
-OH
..
Ph
C
O
O- HO H
R'R
retenção daconfiguração
PhC
O
O H
R'R:..
-OH
OHH
R'R
inversão daconfiguração
..:
PhC
O
O-
Hidrólise Ésteres de Ácidos SulfônicosHidrólise Ésteres de Ácidos Sulfônicos
Embora o ataque nucleofílico no carbono alquílico ocorra raramente com ésteres de ácidos carboxílicos....
... é o modo de ataque preferido com ésteres de ácidos sulfônicos.
R S
O
OH
R'R
O
-OH
OHH
R'R
inversão daconfiguração
R S
O
O-
O
Síntese de Ésteres Cíclicos – LactonasSíntese de Ésteres Cíclicos – Lactonas
β
αχ
δ
δ - Lactona
H+
Mecanismo????Mecanismo????
Hidrólise???Hidrólise???
Os ácidos carboxílicos cujas moléculas têm um grupo hidrolxila num carbono χ ou δ sofrem esterificação intramolecular e dão ésteres cíclicos conhecidos com χ ou δ–lactonas.
LactonasLactonas
O O O
O
O
N
O
O
OH
OH
OHOH
O
OH
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3CH3
CH3CH3
CH3
EritromicinaEritromicina O O
OHOH
OH
OH
H
Vitamina CVitamina C
Síntese de Ésteres Cíclicos – β -LactonasSíntese de Ésteres Cíclicos – β -Lactonas
As lactonas de quatro membros (β-lactonas) são muito reativas...
... e quando se tenta prepará-las a partir de um ácido β -hidroxilado, o que usualmente ocorre é uma eliminação β.
R
OH
OH
O
R OH
O
+ H2OOO
R
β -lactona
Xcalor
LactonasLactonas
Quando os ácidos α-hidroxilados são aquecidos...
ROH
O
OH
ROH
O
OHO
ORR
O
O
+
Lactídeo
... formam diésteres cíclicos denominados lactídeos.
Mecanismo??????Mecanismo??????
AmidasAmidas
Amidas podem ser preparadas de muitas maneiras: - a partir dos cloretos de acila, dos anidridos de ácidos, dos ésteres, dos ácidos carboxílicos e dos sais de ácidos carboxílicos.
Todos estes métodos envolvem reações de substituição nucleofílicas entre a amônia, ou a amina, e o carbono acíclico.
Como já discutimos, os cloretos de acila são os mais reativos, e os íons carboxilato os menos.
Amidas a partir de Cloretos de AcilaAmidas a partir de Cloretos de AcilaAmônia...
... reage com cloreto de acila e formam amidas.
Usa-se excesso de amônia, ou de amina, para neutralizar o HCl que, de outra maneira, seria liberado.
RC
O
Cl
:..
R C
O -
Cl
N+H H
H
:
:NH3
..
RC
O
N+
H
H
H-Cl
:NH3
NH4ClR
C
O
N
H H
Amida
Amidas a partir de Cloretos de AcilaAmidas a partir de Cloretos de Acila
RC
O
Cl
:..
R C
O -
Cl
N+R H
H
:..
RC
O
N+
R
H
H-Cl
:NH2R
NRH3ClR
C
O
NR H
N-alquilamida
NH
RH
..
Aminas primárias...
... reagem com cloreto de acila e formam N-alquilamidas.
Amidas a partir de Cloretos de AcilaAmidas a partir de Cloretos de Acila
RC
O
Cl
:..
R C
O -
Cl
N+R H
R
:..
RC
O
N+
R
H
R-Cl
:NH2R
NR2H2ClR
C
O
NR R
N,N-dialquilamida
NH
RR
..
Aminas secundárias...... reagem com cloreto de acila e formam N,N-dialquilamidas.
Amidas a partir de Cloretos de AcilaAmidas a partir de Cloretos de Acila
Os cloretos de acila também reagem com as aminas terciárias em reação de substituição nucleofílica.
O íon acilamônio que se forma, não é estável, e na presença de água ou de qualquer solvente hidroxílico se converte a ácido carboxílico.
RC
O
Cl
:..
R C
O -
Cl
N+R R
R
:..
RC
O
N+
R
R
R
RC
O
OH
NR
RR
..íon acilamônio
H2O
HR3Cl
Cl-
Amidas a partir de Anidridos de ÁcidosAmidas a partir de Anidridos de ÁcidosOs anidridos de ácidos reagem com as aminas primárias, as
aminas secundárias e a amônia...
... e formam amidas ...
... através de reações análogas às dos cloretos de acila.
O
O
O
+ 2 NH3H2Ocalor
O
O
NH2
O-NH4+ H+
H2O
O
O
NH2
OH
Amidas a partir de Anidridos de Ácidos CíclicosAmidas a partir de Anidridos de Ácidos Cíclicos
Os anidridos cíclicos reagem com a amônia ou a amina da mesma forma geral que os anidridos acíclicos;
... porém...
... a reação leva a um produto que é, simultaneamente, amida e sal de amônio.
A acidificação do sal de amônio dá um composto amida-ácido
Imidas a partir de Ácido-AmidaImidas a partir de Ácido-Amida
O aquecimento do ácido-amida provoca desidratação e formação de IMIDA.
O
NH2
O
OH+ HOH
150-160 oC
O
NH
O
imida
Amidas a partir de ÉsteresAmidas a partir de Ésteres
Os ésteres sofrem substituição nucleofílica nos átomos de carbono acílicos quando reagem com amônia ou com aminas primárias ou secundárias, produzindo amidas.
R
O
OR'''
NR'
H
R''
..
R
O
N R'
R''
+ HOR'''
O
OCH2CH3
Cl NH
H
H
..O
N R'
R''
Cl + HOCH2CH3
62 a 87%
Mecanismo ????Mecanismo ????
Amidas a partir de Ácidos CarboxílicosAmidas a partir de Ácidos CarboxílicosOs ácidos carboxílicos reagem com amônia aquosa e formam sais
de amônio.
R
O
OH
NH
H
H
..
R
O
O- +NH4
+
Em virtude da baixa reatividade do íon carboxilato diante da substituição nucleofílica, a reação não prossegue em solução aquosa.
Porém, se a água for evaporada e o sal seco for aquecido, a desidratação leva à amida.
R
O
NH2
+ HOH
calor
Método não muito utilizado!!!Método não muito utilizado!!!
Hidrólise de AmidasHidrólise de AmidasAs amidas se hidrolisam quando aquecidas em ácido ou em
base em solução aquosa.
R
O
NH2
::
..
H+
R
O
NH2
H+
..
OH H
::
R
O
NH2
H
OH H
+
:
..
:
:
:+
R
O
NH3
H
OH
:
::: :R
OH
OH
+: NH3:NH4+
: :R
O
OH
: :
Hidrólise ÁcidaHidrólise Ácida
Hidrólise de AmidasHidrólise de Amidas
Hidrólise BásicaHidrólise Básica
R
O
NH2
-OH
R
O-
NH2
OH
....
R
O-
NH2
O-
O-
H
OH H
..R
O
O-
NH3 + HO-
Hidrólise de NitrilasHidrólise de Nitrilas
Hidrólise ÁcidaHidrólise Ácida
Hidrólise de NitrilasHidrólise de Nitrilas
Hidrólise BásicaHidrólise Básica
Objetivos Foram Atingidos ???Objetivos Foram Atingidos ???
Analisar as estruturas dos ácidos carboxílicos e seus derivados e relacioná-las às reatividades dos mesmos em reações de substituição na carbonila;
Descrever os mecanismos das reações de ácidos carboxílicos e de seus derivados, incluindo suas interconversões;