Ácidos e derivados. introdução o grupo funcional dos ácidos carboxilicos consiste no c=o com -oh...
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Ácidos e derivados
Introdução
O grupo funcional dos ácidos carboxilicos consiste
no C=O com -OH ligado ao mesmo carbono.
Grupo carboxílico é normalmente escrito -COOH.
Ácidos alifáticos têm um grupo alquilo ligado ao -
COOH.
Ácidos aromáticos têm um grupo arilo.
Estrutura do grupo carboxílico Carbono tem uma hibridação sp2.
Ângulos de ligação próximos de 120.
O-H eclipsado com C=O, para obter sobreposição do orbital com o orbital do par
de electrões não partilhados do oxigénio.
Estruturas de ressonância
Pontos de ebuliçãoPontos de ebulição superiores aos álcoois semelhantes, deve-se à
formação do dímero.
Ácido acético, p.e. 118C
Pontos de fusão
Ácidos alifáticos com mais de 8 carbonos são sólidos à temperatura
ambiente.
Duplas ligações (especialmente cis) baixa o ponto de fusão. Caso de
ácidos com 18-C :
Ácido estearico (saturado): 72C
Ácido oleico (uma ligação dupla cis): 16C
Ácido linoleico (duas ligações cis): -5C
Solubilidade
A solubilidade em água diminui com o aumento da cadeia
hidrocarbonada.
Superior a 4 carbonos, ácido é não miscível com a água.
Mais solúvel em álcool.
Também solúvel em solventes não polares como o clorofórmio
porque dissolve o dímero.
Acidez (comparação com álcool)
Estabilização por ressonância
Efeitos do substituinte na acidez
COOH
OCH3
COOH COOH
NO2
COOH
NO2
COOH
NO2
p-methoxy benzoic acid m-nitro p-nitro o-nitro
pKa = 4.46 pKa = 4.19 pKa = 3.47 pKa = 3.41 pKa = 2.16
Derivados de ácido
O grupo ligado ao carbono do acilo determina a classe do
composto:
-OH, ácido carboxílico
-Cl, cloreto de ácido
-OR’, ester
-NH2, amida
Estes interconvertem-se via substituição nucleofílica do
acilo.
Derivados de ácido
Todos são convertíveis em ácidos carboxílicos por hidrólise
ácida ou básica.
Esteres e amidas são comuns na natureza.
R C
O
X R C
O
O C
O
R' R C
O
O R R C
O
NH2 R C N
RCOX (RCO)2O RCOOR RCONH2 RCN
Redução de ácidos carboxilicos
Redução a álcoois primários Usar agente redutor forte, LiAlH4.
Esterificação de Fisher: formação de ester
Ácido + álcool produz ester + água.
É necessário catalisador ácido para ocorrer a reacção, dado
que o álcool é um nucleófilo fraco.
Todos os passos são reversíveis.
Reacção atinge o equilíbrio.
COOH
+ CH3CH2OHH+ COCH2CH3
O
+ HOH
Mecanismo da reacção de Fischer (1)
Protonação do carbonilo e ataque do álcool, que é um
nucleófilo fraco.
COH
O+
H+
+COH
OHCOH
OH
+CH3CH2OHCOH
OH
O H
CH2CH3
OH
R
COH
OH
O
CH2CH3
Mecanismo de Fischer (2)
Protonação do -OH e perda da água.
+H+
COH
OH
O
CH2CH3
C
OH
O
CH2CH3
H
OH+ O
H
RC
O
CH2CH3
OH C
O
CH2CH3
O
Síntese de Cloretos de ácido
Para sintetizar use o cloreto de tionilo.
Descarboxilação em b-cetoacidos
OC
R CCO
O
H OC
R C
H
OC
R CH
Hydrogen bonding
Six-centertransition state
OCO
+
enol
keto
tautomerization
Derivados dos ácidos carboxilicos
Cloretos de ácidoAnidridos de ácidoEsteres e LactonasAmidas e Lactamas
Cloretos de ácido Mais reactivos que ácidos; o halogénio retira a densidade electrónica do carbonilo. Duas moleculas de ácido reagem perdendo água e formando o anidrido.
São mais reactivos que os ácidos mas menos que os cloretos de acilo.
O ião carboxilico é o grupo abandonante nas reacções de substituição nucleofilica.
Anidridos de ácido
C
O
Cl
Cloreto de benzoiloR C
O
O H RC
O
OH R C
O
O C
O
R
Esteres
Existem amidas 1ª, 2ª e 3ª.
Produto da reacção entre ácido carboxilico e amónia ou amina.
Não são básicas porque o par de electrões do azoto está deslocalizado por ressonância.
Têm pontos de ebulição elevados que aumentam com o aumento das ligações N-H.
Amidas
HC
O
N
H
HH
C
O
N
H
H
_
+
Bond angles around N are close to 120.
Qual a reacção característica dos derivados de ácidos carboxilicos É a adição do nucleófilo ao carbono do grupo carbonilo para formar
um intermediário tetraédrico do carbono do carbonilo (TCAI).
TCAI = tetrahedral carbonyl addition intermediate
Acil substituição nucleofilica
Na reacção geral mostramos o nucleófilo e o grupo abandonante como
aniões. Não é necessário, moleculas neutras como a água, álcoois, amónia,
etc podem ser necleófilos em reacções catalisadas por ácidos.
Grupos abandonantes são mostrados como aniões para ilustrar que quanto
mais fracas são as bases melhores são como grupos abandonantes.
Hidrólise: é a reacção química onde a ligação ou ligações na molécula é quebrada pela reacção com a água. A molécula de água é quebrada em H+ e OH-.
Hidrólise de cloretos de ácido e anidridos
Hidrólise em cloretos de ácido ocorre rápidamente, e forma
ácidos carboxilicos
+CH3 C
O
Cl HOH CH3 C
O
OH + HCl
Anidridos de ácido são menos reactivos que os cloretos de
ácido. Os de baixo peso molecular reagem rápidamente com
água para formar 2 moléculas de ácido carboxilico
Hidrólise de esteres Esterificação reversa de Fischer. Ocorre um equilibrio. Usar um grande excesso de água.
+CH3 C
O
OCH3 HOH CH3 C
O
OH + CH3OHH+
Hidrólise de amidas Requer condições mais vigorosas que os esteres Produtos formados são ácido carboxilico + amina. Usar um grande excesso de água.
Hidrolise de amidas
É necessário aquecimento prolongado em HCl 6 M solução aquosa de
NaOH 40%.
+CH3 C
O
NHCH3-OH CH3 C
O
O- + CH3NH2H2O
+CH3 C
O
NHCH3 HCl CH3 C
O
OH + CH3NH3+Cl-
H2O
Como os derivados de ácidos carboxilicos reagem com álcoois?
Síntese de esters apartir de cloretos de ácido
Cloretos de acilo reagem com álcoois para dar esteres com
rendimento.
Mecanismo é adição nucleofílica do álcool ao carbonilo e o ião cloreto
abandona a molécula depois ocorre a desprotonação.
CCl
O
+ CH3OH
COCH3
O
+ HCl
Como os derivados de ácidos carboxilicos reagem
com aminas e amónia?
Síntese de amidas apartir de cloretos de acilo Cloretos de acilo reage com amónia e aminas para formar
amidas.
A base (NaOH ou piridina) é adicionada para remover o HCl
como produto secundário.
CCl
O
+ CH3NH2
CNHCH3
O
NaOHNaCl H2O+ +
Síntese de amidas apartir de ácidos
Amina (base) remove o protão do ácido carboxilico para
formar o sal.
Aquecer o sal acima de 100ºC origina a amida.
C
O
OH +C
O
O- +NH3CH3
+
CH3NH2heat
C
O
NHCH3
H2O
Interconversão de Derivados de ácido
Cloretos de acilo são os derivados carboxilicos mais reactivos em
termos de substituição nucleofilica no acilo e as amidas são as
menos reactivas
Interconversão de Derivados
Mais reactivos podem ser
convertidos aos derivados
menos reactivos
Cloreto de ácido a anidrido
Ácido ou ião carboxilato ataca o C=O. Forma-se o intermediário tetrahedrico O ião cloreto é o grupo abandonante, o C=O é formado, H+ é
abstraído.
+ HClC
O
R OC
O
R'
_
C
O
R Cl
OH C
OR'
C
O
R ClR' C
O
O H+
- H+
Cloreto de ácido a ester Álcool ataca a ligação C=O.
Forma-se o intermediário tetrahedrico.
O ião cloreto abandonan, C=O é restabelecido, H+ é
abstraido.
+ HClC
O
R OR'
_
C
O
R Cl
OH R'
C
O
R Cl+
- H+
R' O H
Cloreto de ácido a amida Amónia forma uma amida 1 A amina 1 forma a 2 A amina 2 forma a 3
C
O
R NR'2
_
C
O
R Cl
NH R'2
C
O
R Cl+
R'2 N H
R'2 N HR'2NH2
+ Cl-+
Anidrido a ester
_C
O
R OR'C
O
R OC
O
RR' O H+
C
O
R O
OH R'
C
O
R
_
O C
O
R +
Anidrido a amida
_C
O
R NR'2C
O
R OC
O
RR'2 N H+
C
O
R O
NH R'2
C
O
R
_
O C
O
R +
Ester a amida
Nucleófilo tem que ser NH3 ou amina 1.
Aquecimento prolongado
C
O
R NHR'
_
C
O
R OCH3
NH R'
H
C
O
R OCH3+
R' NH2 +OCH3_
Surprise!
=>
Leaving GroupsBase forte normalmente nunca é um grupo abandonantea
não ser que seja um passo exotérmico
Transesterification
One alkoxy group can be replaced by another with acid or base catalyst.
Use large excess of preferred alcohol.
C
O
OCH2CH3+ CH3OH H+ or -OCH3
C
O
OCH3
CH3CH2OH+
=>
Redução
Redução a álcoois
Hidreto de aluminio e litio reduz ácidos, cloretos de ácido, e
esteres a álcoois primários
CH3CH2OH+
CH2OH
H2O2)1) LiAlH4
C
O
OCH2CH3
Reducão a aldeidos
Cloretos de ácido reagem com agente redutor fraco, a aldeido.
=>
CH3CHCH2C
CH3 O
HLiAl(t-BuO)3HCH3CHCH2C
CH3 O
Cl
Redução a aminas
Hidreto de aluminio e litio reduz amidas e nitrilos a aminas.
Nitrilos e amidas 1 amides reduzem a aminas 1.
Amidas 2 amide reduzem a aminas 2 .
Amidas 3 reduzem a aminas 3.
CH3 C
O
NHCH3 CH3 CH2 NHCH3LiAlH41)
2) H2O
Reacção entre Esteres e Reagentes de Grignard
Reagentes Organometalicos
Reagentes de Grignard reagentes organolitio adicionam
em duplicado a esteres e cloretos de ácido para dar
álcoois depois de protonados.
C
O
OCH2CH3 CH3MgBrether
C
OH
CH3CH3
2 H3O+
=>
Mecanismo
Resumo de reacções
Acid Chloride Reactions (1)
H2O
R'OH
R'NH2
R'COOH
R C
O
Cl
R C
O
OH + HCl
R C
O
OR'
R C
O
NHR'
R C
O
O C
O
R' + HCl
+ HCl
+ HCl
acid
ester
amide
acid anhydride =>
Acid Chloride Reactions (2)
R C
O
H
R CH2OH
R C
O
R'
R C
OH
R'
R'
R C
O
Cl
H2O(2)(1) 2 R'MgX
R'2CuLi
(1)(2) H2O
LiAlH4
Li( BuO)3AlHt-
ZAlCl3
C
O
RZ
3° alcohol
ketone
1° alcohol
aldehyde
acylbenzene =>
Anhydride Reactions
R C
O
O C
O
R
R C
O
OH + RCOOH
R C
O
OR'
R C
O
NHR' + RCOOH
+ RCOOH
AlCl3
H2O
R'OH, H+
R'NH2
ZC
O
RZ
acid
ester
amide
=>acylbenzene
Synthesis of Esters
R C
O
OR'R C
O
OH + R'OHH+
+ HOH
acid
R C
O
OR'R C
O
Cl + R'OH + HClacid chloride
R C
O
OR'R C
O
O C
O
R + R'OHH+
+ RCOOH
acid anhydride
R C
O
OH CH2N2+ R C
O
OCH3 N2+methyl ester =>
Reactions of Esters
R C
O
OR'
R C
O
OH + R'OH
R C
O
OR''
R C
O
NHR'' + R'OH
+ R'OH
R CH2OH
R C
OH
R''
R''H2O(2)
(1) 2 R''MgX
(1)(2) H2O
LiAlH4
H2O
R''OH,
R''NH2
H+ or -OR''
acid
ester
amide
1° alcohol
3° alcohol=>
Synthesis of AmidesR C
O
OH + HOH+ R'NH2heat
R C
O
NHR'acid
R C
O
O C
O
R + RCOOHR'2NH R C
O
NR'2+acid anhydride
R C
O
OR'' + R''OHR'NH2 R C
O
NHR'+ester
R C
O
NH2R C N + H2O H+ or OH-
nitrile =>
acid chlorideR'2NH2
+Cl-+R C
O
NR'2R'2NH+ 2R C
O
Cl
Reactions of Amides
R C
O
OH + R'NH2
R C
O
NHR'
R CH2NHR'(1)(2) H2O
LiAlH4
H2OH+ or -OH
Br-, OH-R NH2 + CO2
POCl3(or P2O5)
R C N
acid and amine
amine
1° amine
=>
nitrile
Fim