1

Mecanismo: Caminho reacional que descreve:

As ligações que se quebram e em qual seqüência;

    O número e a ordem das etapas envolvidas;

    A etapa lenta da reação.

QFL-2345 – Mecanismos de Reações Orgânicas

É importante notar que o mecanismo de uma

reação nunca pode ser comprovado absolutamen-

te. Evidências podem sugerir um mecanismo

particular, mas é sempre possível que resultados

mais recentes mostrem a necessidade de

mudanças, por exemplo, da etapa lenta (formação

para decomposição do intermediário), ou mesmo

do mecanismo (por etapas para contínuo

“concerted”) para explicar as informações

adicionais.

2

Nu:-

Nucleófilo+ R X: R Nu + :X:-..

..

..

..

Eletrófilo

Grupo Abandonador

.

Nu:Nucleófilo

+ R X: R Nu + :X:-......

..

Eletrófilo

Grupo Abandonador

+

TIPOS DE MECANISMOS

Quebra Heterolítica:

Reações nucleofílicas: SN , SNAr

NO2

NO2

Cl

Na2CO3, HOH, 100oC

NO2

NO2

OH

+ NaCl

1-Cloro-2,4-dinitrobenzeno 2,4-dinitrofenol

90%

3

Reações eletrofílicas: SEAr

+ O N O

H

+: :....

+ H

NO2

OSO3H: ....

NO2+ HOSO3H

-

Quebra Homolítica:

Reações radicalares: X2 + alcano

Cl2 + CH3 C CH 2 CH 3

CH3

H

A

C B

h

-HCl

CLORAÇÃO DE 2-METILBUTANO

ClCH2 C CH2 CH3+CH3 C CH 2 CH2Cl+CH3 C C CH 3+CH3 C CH 2 CH3

CH 3

H

CH3 CH3

HH

H

Cl

CH3

Cl

27% 14% 36% 23%

4

Reações pericíclicas: Reações de uma etapa, sem

intermediários (iônicos ou radicalares) com estado de

transição (E.T.) cíclico.

Exemplo: Reação de Diels-Alder

.

Y

X

Y

X

+

E.T.

X

Y

Sendo reações com E.Ts não polares, são catalisadas

termicamente ou fotoquimicamente.

+

H

O

COCH3

COCH3

O

150o-160oC, 20hCO2CH3

CO2CH3

H

H

68%

Maleato de Metila Produto Cis

H

5

Ex.: A reação de Diels-Alder é catalisada termicamente, mas

a seguinte reação é catalisada fotoquimicamente.

Ph

Ph

Ph

Ph

+

h

Ph Ph

Ph Ph

+H

O

COCH3

O

200o-205o C, 3,5h

CO2CH

CO2CHHH

H3COC H

COCH3

O

Produto Endo, 91%

H+ COCH3

O

80oC

95%Fumarato de Metila Produto Trans

6

1 - Reações de Substituição

Nucleofílica:

XA + Y- + -XA Y

Eletrofílica:

XA + Y +A Y X

Radicalar:

XA + Y +A Y X. .

TIPOS DE REAÇÕES

7

2 - Reação de Adição à Duplas e Triplas Ligações

A d i ç ã o N u c l e o f í l i c a

A d i ç ã o E l e t r o f í l i c a

B + Y WA

+W-

A B

Y

A B

YW

B + Y WA

+W A B

Y

A B

YW-

A d i ç ã o R a d i c a l a r

A d i ç ã o P e r i c í c l i c a

B + YA

+ A B

YW

Y W A B

Y..

A B

Y..

Y+

A B

YWY W

BA

3 - Reações de Eliminação em posição

A B WA B

Y

W

+ +Y-

8

4 - Rearranjos Moleculares

Rearranjo Nucleofílico: migração de par de elétrons

A B

Y

A B

Y

Rearranjo Radicalar: migração de um elétron

A B

Y

A B

Y. . Rearranjo Eletrofilico: sem elétrons (raro)

A B

Y

A B

Y- -

5 - Combinação dos Mecanismos 1 A 5

Escrever os mecanismos e classificar as etapas principais das reações a seguir:a) Ciclo-hexeno + HBr, na presença de ROOR

b) CH3O-C6H4-CH(CH3)Br + H2O/

c)1,2-dimetil-ciclopenteno+(BH3)2 produto+ H2O2/OH-

d) 2,3-di-hidropirano + CH3OH/H+

9

TERMODINÂMICA E CINÉTICA QUÍMICA

O grau de conversão de reagentes em produtos

(rendimento) não está necessariamente relacionado com a

velocidade desta conversão, mesmo para reações

espontâneas, para as quais G < 0 (Exemplo: a

oxidação da celulose pelo ar).

Pela 2a lei de termodinâmica, os sistemas tendem

aos estados correspondentes ao mínimo de energia

(entalpia, H) e ao máximo de desordem (entropia, S).

Energia livre de Gibbs G = H - TS

10

Se a espontaneidade de uma reação não está

necessariamente relacionada com sua velocidade,

quais são os fatores que controlam a reatividade ?

Teoria De Arrenhius: Relação Empírica entre Velocidade e Energia de Ativação.

A + B AB P K k

dP / dt = k [AB] , com: K = [AB] / [A] [B]

dP / dt = k K [A] [B], definindo k2 = k K

dP / dt = -dA / dt = k2 [A][B], da teoria, k = BT / h

k2 = K ( B T / h)

Todos os estados de transição decompõe-se com a mesma

velocidade ( BT / h).

: coeficiente de transmissão;B: constante de Boltzmann;h: constante de Planck;

Teoria Do Estado De Transição: Ligação Entre a Cinética e a Termodinâmica.

k = A exp (-Ea / RT); ln k = ln A - Ea / RT •gráfico ln k versus 1/T para determinar Ea

11

Por semelhança a equação de Gibbs de energia livre: G = H - TS

G = H - TS

k2 = ( B T / h) x exp (- G / RT)

•A velocidade de uma reação é determinada pela Energia livre

de ativação (G)

k2/T = ( B T/h) x exp (S/R) x exp (- H/RT)

ln k2/T = ln ( B /h) + S/R - H/RT)

•gráfico ln k/T versus 1/T para determinar H

H = - 4,576 x inclinação

S = R x ln (k2/T) + (H/T) - R x ln ( B /h)

com: G = - RT ln K;

K = exp (- G / RT)

12

onde:

H = E - RT RT a 25C 0,6 kcal M-1

e, a 25 C:

S = 2,303 R [ log k - (log 5,664 x 1010 T ] + E/ T

unidades: k em s-1 , ou M-1s-1 etc, e E em cal.mol-1;

S em cal grau-1M-1, u.e.

Controle Cinético Versus Controle Termodinânico

A composição dos produtos da reação poderia ser

controlada por dois fatores:

1- Suas velocidades de formação (controle cinético) e,

2- Estabilidades termodinâmicas (controle termodinâ-

mico).

Calcular H e S para a hidrólise de um éster benzoato,

catalisada pelo tampão fosfato:

T, C : 25 35 45 55

104 k M-1s-1 : 86,8 225,1 423,0 886,0

13

Reações essencialmente irreversíveis:

Controle cinético: P1/P2 pela k1/k2

Controle termodinâmico,

P1/P2 pela Ke

GReagenteET1 <<G Produto 1ET1

GReagenteET2 <<G Produto 2ET2

G Reagente ET1 >>G Produto P1 ET2 eG Produto P2 ET2

Produtos 1 e 2 em equilíbrio

14

N O 2

C l

O 2N C l

C l

N O 2

H N O 3C lkm

kp

ko

Assim, a relação entre as velocidades pode ser

determinada, a qualquer momento, pela reação entre as

concentrações dos produtos.

Qual o método experimental?

dodt

= ko (O Cl)

dmdt

= km (O Cl)

dpdt

= kp (O Cl)

Temos: - dPh/dt=k [PhCl][HNO3], onde k = ko + km + kp

[o] : [m] : [p] = ko : km ; kp

O produto que se forma mais rapidamente está

presente em maior quantidade:

Reação Controlada Cinéticamente

15

o , m, ou p mesma mistura de produtosGaBr3

tempo,s %o %m %p

0.0110

4023

2146

3931

Me Me

CH2 om

pCH2Br+

GaBr3

Nesta reação, a estabilidade termodinâminca dos

produtos é mais importante.

Reação controlada Termodinamicamente

16

Exemplo: Síntese usando cetonas não simétricas

-O

H2C

H

CH3CH3

O

CH2

H

CH3CH3

O-

CH2

CH3

CH3

HH

Base Forte Impedida

SolventeAprótico

BaseMais Fraca

Solvente Prótico

.

ProdutoCinético

ProdutoTermodinâmico

Postulado de Hammond

A geometria do Estado de Transição, é parecida com a geometria das espécies mais próximas na escala de energia livre

Importância das condições: equilíbrio / não equilíbrio;Ordem de adição dos reagentes.

17

Exemplo: A nitração de anisol tem controle cinético, onde o E.T.

é parecido com o intermediário (complexo ), originando os

seguintes produtos:

30% orto 2% meta 68% para

•É possível explicar a composição dos produtos pelo postulado de Hammond? •O postulado de Hammond é também relacionado à questão de reatividade versus seletividade.

Comentar os seguintes dados de halogenação de alcanos:

CH3-H H-1a H-2a H-3a

krel F 0,5 1 1,2 1,4

krel Cl 0,004 1 4 5

krel Br 0,002 1 80 1700Seletividade relacionada com a endotermicidade / exotermicidade da abstração de hidrogênio

18

Princípio de Curtin-Hammett

É possível que a posição do equilíbrio conformacional controla a composição dos produtos?

Gb - G

a

Ga

Gb

G

c

G0c

Ga e G

b >> G0c

com:

b

ca

B

A

B

A

k

Kk

dtdP

dtdP

P

P

/

/

RTGr e

h

TBk /

RTGc

ceK /0e

RTGGG

B

A cbaeP

P /)( 0

abcab GGGGG 0

Relação de produtos formados de isômeros conformacionais não é determinada pela população conformacional

(Princípio de Curtin-Hammett)

a partir do gráfico acima

19

Regra de Cram

Na adição de nucleófilo a composto carbonílico contendo

centro assimétrico em , o diastereoisômero

predominante é aquele produzido pelo ataque do lado

menos impedido da carbonila.

Exemplo: adição de CH3Mgl sobre 2-fenilpropanal

Regra de Cram: (i) alinhar o substituinte maior do carbono anti-periplanar ao oxigênio carbonílico (complexação do O com metal)(ii) Ataque do Nuc pelo lado menos impedido da carbonila

Explica corretamente formação majoritária do diaestereo- isômero em alguns casos.

Entretanto: existem outro modelos !!!

20

Princípio da Reversibilidade Microscópica

Numa reação, os átomos assumem as posições de

menor energia. Assim, as reações principais e

reversas procedem pelo mesmo mecanismo, ou seja,

passam pelo mesmo E.T e pelos mesmos

intermediários.

Questão: A razão eritro/treo é > 1 ou < 1?

21

MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO DOS MECANISMOS

Métodos Não-Cinéticos Métodos Cinéticos

I - MÉTODOS NÃO CINÉTICOS

1- Determinar a Estequiometria de Reação.

A estequiometria traz muitas informações mecanísticas?

Exemplo: RBr + OH- ROH + Br-

O consumo de RBr e OH- necessariamente indica reação de

uma etapa?

Explicar: embora o halogênio seja gasto na reação de

halogenação de acetona catalisada por ácido, a equação

cinética é dada por: v = k [acetona][ácido].

Considere a reação:

2MnO4 + 10Fe2+ + 16H+ 2Mn2+ + 10Fe3+ + 8H2O

É possível elaborar um mecanismo que envolva a colisão de

28 espécies?

22

2 - Análise dos Produtos da Reação

Cl + R-H Cl- R + H

H + Cl2 H-Cl + Cl

Cl + R-H H-Cl + R

R + Cl2 Cl- R + Cl

Entre os produtos de cloração do metano foi detectado C2H6 .

A reação a seguir é somente hidrólise; somente aminólise; ou

hidrólise e aminólise?

O mecanismo deve explicar a formação de todos os

produtos (principais e secundários) bem como as

concentrações relativas dos mesmos.

É possível tirar alguma conclusão sobre o mecanismo da

reação: CH4 + Cl2, a partir da análise dos produtos?

EtO O

O

NO2 + H2O + RNH3+

O Et

O

- produtos

23

Hidrólise: EtOH + CO2 + HO NO2

Aminólise: EtO

O

NHR NO2+ HO

24

Qual é a importância de estudar Int1 e Int2?

A maioria das reações orgânicas não são elementares.

Estudar a participação de intermediários no caminho reacional

fornece informações mecanísticas.

3- Estudar os Intermediários de Reativos da Reação

25

Os Intermediários reativos mais comuns envolvem:

.. ....R3 C R+ ,

+R2CR3 C R- ,- R N..R3C+, , , , ,.

Os Intermediários correspondem a mínimos de energia

(entre máximos, E.T.), possuem tempo de vida que pode

permitir seu isolamento, detecção ou “desvio” em forma

de produtos estáveis.

O isolamento, detecção ou não de um suposto

“intermediário” significa, necessariamente que este está no

caminho reacional?

• um verdadeiro intermediário (isolado ou detectado)

tem que se transformar, sob as mesmas condições da

reação, nos mesmos produtos, com velocidade maior ou

igual (?) à velocidade global da reação

26

1- Isolamento de Intermediários:

Exemplo1: degradação de amidas de Hofmann

O

NH2R

Br2

OH- R NH2 CO3

-2+

Mecanismo:

ISOLADO

.. OR

N

H

BrO

NBr

R

..-

BrO- OH-OR

N

H

H..

ISOLADO

Br-O

NR.-. +

.-. O

R

Br N +

+.

-... ONR N C OR

..

ISOLADO

OHO

O-..N

H

RH

..N C OR

OH-

+H2O

O

NHO

H

R

..

27

As vezes, o isolamento exige o emprego de condições

especiais, por exemplo:

i- Uso de temperaturas baixas:

- 15 C

H3C CH3

CH3

H3C CH3

CH3

Et

BF4-

EtF / BF3

- 80oC

sólido laranja, P.F. o

H3C CH3

CH3

HEt

+

ii- Uso de compostos de estruturas adequadas:

Exemplos são as reações de SEAr e SNuAr

+

EH

+ +

E H

+HE+

IntermediárioComplexo

28

CH3

CH3

CH3

CH3

H3C

H3C

+ +

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

Complexo

AlCl4-

AlCl3

CH3Cl

AMARELO, dectado por RMN

H3CO- -NO2

NO2

H3CO OCH3OCH3

NO2

NO2

+Mesmo grupo de saída

+

OCH3

NO2

NO2

Nu

NO2

NO2

Nu-NO2

NO2

Nu OCH3

- + H3CO-

precipitado coloridoIntermediário

Grupo queNão Sai

-NO2

NO2

O

HNuNO2

NO2

OH

+ Nu-

29

2- Detecção de Intermediários:

Em muitos casos, o Intermediário não é razoavelmente estável

para ser isolado, embora seu tempo de vida permita a detecção

(espectroscópica).

Exemplo 1: Adição de Nu a compostos carbonílicos

R

HO + NH2OH [?] N

H

R OH

a) A conversão do reagente no produto é direta, ou há algum

intermediário?

dado: C=O do éster reagente desaparece completamente

antes de aparecer C=N do produto.

a) Qual seria a estrutura do intermediário?

Dado complementar: A reação de cloral (Cl3CCHO) com NH2OH

produz CI3CH(OH)-NHOH como composto estável.

30

OR

EtO

-OMe

OR

MeO+ EtO

-

Ou de duas etapas com intermediário tetraédrico ?

EtO-+O

F3C

MeO

-OMe

OF3C

EtO

O-

EtO

OMe

F3C

dado: C=O do éster reagente desaparece completamente

antes de aparecer C=O do produto.

Exemplo 2: Adição de Nu a compostos carbonílicos

a) A reação de transesterificação é de uma etapa, ou seja,

concertada, sem intermediário?

31

Exemplo 3: Bromação de Alcenos

a) A reação de alcenos com Br2 procede via íon cíclico, ou

acíclico?

dado:

BrMe

MeMe

Me

Br

SbF5SO2 líquido

- 80oC

íon com sinal de RMN em = 2.7

Qual a estrutura do íon acima?

Br

MeMe

MeMeBr

Me

MeMe

Br+

+ +

Br

MeMe

Me

cíclico acíclico

32

Qual é a natureza de catálise na hidrólise de ésteres

pelo tampão fosfato, básica geral, ou nucleofilica?

CO

O YXHPO4

=H

OH+ +

+

H2PO4-

CX

O

OH

O Y

-

+

CO

OHX O Y-

=+ HPO4

OCX

OHk3

H2OOCX

OPO3H-

Int2Int1

+ -O-OPO3HX C

O

YO

k1

k-1

k2

k-2-OPO3H

O Y

O-

CX=+ HPO4

OCX

Y

33

30

40

50

60

70

80

90

1800 1750 1700

30

40

50

60

70

80

90

A

ester

intermediate

products

Tra

nsm

ittan

ce, %

B

Wavenumbers, cm-1

Reaction Time

10 min

6 h

18 h

34

b) Ativante do HNO3 via protonação

2H2SO4 + HO-NO2 2HSO4- + NO2

+ + H3O+

Dado complementar: Raman de solução de HNO3 em H2SO4

mostrou pico em 1400 cm-1 (espécie triatômica linear). A

mesma absorção foi observada para mistura de HNO3 /

HClO4 e para os sais NO2+ ClO4

- e NO2+ BF4

-

(O= N+=O).

Qual é o papel do ácido sulfúrico na mistura nitrante?

a) Desidratante:

H2SO4 + HO-NO2 HSO4- + NO2

+ (duas partículas)

35

RCOOR' + IBA -k1

k-1RCO-IBA + R'OH

RCO-IBA H2O/OH-

k2RCOO- + IBA -

R C O R' +

I

O

O

O-

ka

kbO

O

I

O C O R'

O-

R

O

k-1

k1

O

O C R

I

O

O + R'OHk2

H2O/OH-

O-

O

O

I

O

R-C-O

Éster-IBA

Aciloxi - IBA

+ -

36

37

38

3- “Desvio” de Intermediários :

A B Int P+

DI

Pv

vD

Produtoda Reação

REAGENTES

Produto dedesvio do Int

AGENTE DE DESVIO

D

O agente de desvio:

i- Não deve perturbar o sistema além da sua reação com o

intermediário Int

ii- vD > vP (?)

Exemplo 1: Como provar que a oxidação de benzaldeído a

ácido benzóico ocorre por mecanismo radicalar?

39

O

H+ R-O

.R-OH + .

O

O.+ Fe3+

H

OFe2+ + H+ +

ou

.O2 ar

O-O

OO

O-O.

O

O-OH.

O

H

O

+

+O-OH

O

H

O2

OH

O

O.

Mecanismo Radicalar para a Oxidação de Benzaldeído:

40

Efeito de um seqüestrador:

.

.

+ O

.

.

+

OH

H

O.O

HO HO

O

O

HO

.O

O

+

+O

H

O

O.

.O

O

O

.

.O

OO

.O

O

O

OO

ISOLADO

41

Exemplo 2: Síntese de salisaldeído pela reação de

Reimer-Tiemann.

OH

OH-/HCCl3

O- H

O

Dado complementar:

O

OH

OH- /HCCl 3

O-

H

OH3C CH3

H3C CHCl2

+pouco solúvelno meio

Exemplo 3: Reação de Haletos Aromáticos com bases.

a) Porque a reação de clorobenzeno com NaOH é bastante

dificil ( 350o, 300 atm!) mas a com NH2-/NH3 é fácil?

Escrever o mecanismo e mostrar como comprovar a

formação dos intermediários.

Exemplo 4: Troca de deutério com o solvente.

Como explicar a fácil troca de H pelo D quando (Ph)3CH é

agitado com solução alcalina de acetonitrila/D2O.