metátese em sintese organica

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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 22, NOVEMBRO 2005Nobel 2005: Metátese em síntese orgânica

Recebido em 28/10/05, aceito em 14/11/05

A seção “Atualidades em Química” procura apresentar assuntos que mostrem como a Química é uma ciência viva,seja com relação a novas descobertas, seja no que diz respeito à sempre necessária revisão de conceitos.

ATUALIDADES EM QUÍMICA

A Real Academia Sueca deCiências concedeu o PrêmioNobel de Química de 2005 a

três pesquisadores consagrados noestudo de métodos sintéticos, queconseguiram transformar a metáteseem uma das reações mais relevantesda Química. A Academia decidiu pre-miar o químico francês Yves Chauvin(Instituto Francês do Petróleo) e osquímicos norte-americanos Robert H.Grubbs (Instituto de Tecnologia daCalifórnia) e Richard R. Schrock (Ins-tituto de Tecnologia de Massachu-sets) pelo “desenvolvimento do mé-todo de metátese em Química Orgâ-nica”.

A palavra metátese é derivada dogrego meta (mudança) e tithemi (lu-gar). Em Química, ela se refere aointercâmbio de átomos entre duasmoléculas, catalisado por metal detransição, mais especificamente naQuímica das olefinas e alcinos, ondeocorre a troca de átomos de carbonoentre um par de substâncias (A e B)contendo ligações duplas - Esquema1 (Ivin e Mol, 1997).

A descoberta

A Ciência domina a vida mo-derna. A máquina, produto daCiência, marca o ritmo da vidacontemporânea. As descober-tas científicas influenciam anossa filosofia e a nossa reli-gião. É impossível entender omundo moderno sem o estudoda Ciência (Dietz, H.W. Thestudy of science. 4ª ed. 1936).

A metátese foi descoberta na dé-cada de 50 na indústria química, napolimerização do eteno, segundoobservações de Karl Zieger (PrêmioNobel de Química de 1963). Umasérie de patentes de novos processosfoi então publicada, mas seus meca-nismos nunca foram elucidados. Um

desses relatos sobre metátese deolefinas foi publicado em 1955 (An-derson e Merckling, 1955). Porém, otermo “metátese de olefina” foi intro-duzido somente trinta anos depoispor Nissim Calderon e colaboradores(Calderon et al., 1967).

Yves Chauvin, no Instituto Francêsdo Petróleo, em seus esforços emcompreender o mecanismo de metá-tese de olefinas, compilou trabalhosde Ernst Otto Fischer (Prêmio Nobelde Química de 1973) sobre a síntesede um complexo de tungstênio, deGiulio Natta sobre a polimerização dociclopenteno por abertura do anelcatalisada por uma mistura de WCl6e AlEt3 e de R.L. Banks e G.C. Baileysobre a formação de etileno e 2-bute-no a partir do propano catalisada porW(CO)6 suportado em alumina. Em1971, Yves Chauvin e seu aluno Jean-Louis Hérisson publicaram a proposta

Vitor F. Ferreira e Fernando de C. da Silva

O Prêmio Nobel de Química de 2005 foi outorgado aos desenvolvedores do método de metátese em QuímicaOrgânica. Este artigo relata de forma breve a descoberta do método de metátese e algumas de suas aplicações,que permitiram o desenvolvimento de novos medicamentos e substâncias biologicamente ativas, polímeros epreparação de novos materiais em escala industrial, de forma ambientalmente mais recomendável.

metátese, Prêmio Nobel, catálise, síntese orgânica

Esquema 1: Metátese de olefinas.

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de mecanismo para a metátese deolefinas mostrada no Esquema 2.

Muitos pesquisadores previramque a reação de metátese seria umaexcelente ferramenta para a sínteseorgânica. Porém, sua aplicação foimuito prejudicada devido à sensibili-dade dos catalisadores ao ar e à umi-dade. R.R. Schrock e colaboradoresintensificaram seus esforços para en-contrar complexos moleculares metá-licos contendo alquilideno e alquili-dinos mais estáveis. Essas pesquisaslevaram a uma família de catali-sadores de complexos alquilidínicosde molibdênio e tungstênio, conhe-cidos como catalisadores deSchrock, cuja fórmula geral (I) estádescrita no Esquema 3.

R.H. Grubbs e colaboradores rela-taram em 1992 seu primeiro comple-xo molecular baseado em rutênio-carbeno-vinilideno (III), ativo na poli-

merização de norbonenos e bemestável na presença de solventespróticos. Essa reatividade aumentoucom a troca do grupo fenil pelo grupociclo-hexil (IV), que induziu reaçõestambém com olefinas acíclicas. Alémdisso, promoveu as mesmas reaçõespromovidas pelo complexo molibdê-nio-alquilideno de Schrock (tipo I)com maior tolerância a outros gruposfuncionais (Esquema 4).

Metátese - Revolução na sínteseorgânica

Existem vários tipos de metátesede olefinas (Esquema 5), entre asquais se destacam: 1) metátese porpolimerização com abertura de anel(ROMP - ring-opening metathesis po-lymerization); 2) metátese porfechamento de anel (RCM - ring-clos-ing metathesis); 3) metátese por poli-merização em dienos acíclicos

(ADMET - acyclic diene metathesispolymerization); 4) metátese porabertura de anel (ROM - ring-open-ing metathesis); 5) metátese cruzada(CM - cross-metathesis ou XMET) e6) metátese enínica (EYM - enynemetathesis).

A grande vantagem dessas rea-ções de metátese é o fácil acesso amoléculas e polímeros difíceis (ou atémesmo inviáveis) de serem obtidospor outro modo (Astruc, 2005; Nico-laou et al., 2005).

A reação do tipo ROMP leva à pre-paração de polímeros funcionali-zados e a RCM permite a síntese deanéis carbocíclicos médios ou gran-des, bem como compostos hetero-cíclicos (Esquema 5).

A aplicação da metátese de olefi-nas à síntese de moléculas orgânicasmais complexas só foi iniciada porvolta da década de 90, isto porqueos catalisadores até então utilizados

Esquema 2: Mecanismo de metátese de olefinas proposto por Chauvin e Hérisson.

Esquema 3: Fórmula geral (I) para os catalisadores de Schrock e um exemplo de umcatalisador de molibdênio disponível comercialmente (II). Esquema 4: Catalisadores de Grubbs.

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Realce

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eram pouco eficientes e poucos gru-pos funcionais permitiam esse tipo dereação. Nos últimos dez anos, ametátese de olefinas tornou-se ummétodo sintético poderoso e eficiente.Atualmente, os catalisadores do tipoL(L’)X2Ru=CHR são bastante reativose tolerantes a muitos grupos funcio-nais.

Apesar de todo esse desenvolvi-mento, novos catalisadores precisamser criados, pois ainda existem algu-mas incompatibilidades com gruposfuncionais básicos (ex. nitrilas e ami-nas), baixa eficiência na metátese cru-zada com olefinas tetrassubstituídase formação de macrociclos nas metá-teses do tipo RCM.

Alcinos também são passíveis dereação de metátese. O primeiro traba-lho nesta direção foi realizado porMortreaux e Blanchar (1974), atravésdo desproporcionamento do p-toluil-fenilacetileno em difenilacetilenousando o catalisador [Mo(CO)6]. Noentanto, todas as tentativas de con-verter alcinos terminais com essecatalisador falharam, sendo isoladosapenas alguns ciclotrímeros e com-plexos poliméricos. Uma décadadepois, Schrock desenvolveu o com-plexo tungstênio-carbino [(t-BuO)3W≡C-t-Bu] que se mostrou umexcelente catalisador de metátesepara alcinos terminais, porém comsubstancial polimerização do substra-to (Esquema 6). Nos anos 90, váriospesquisadores desenvolveram catali-sadores apropriados para a metátesecruzada de alcinos e a metátese dealcinos por fechamento de anel(RCAM) (Füstner e Seidel, 1998).Futuramente, a metátese de alcinosprovavelmente também tornar-se-áuma poderosa ferramenta para a sín-tese de moléculas orgânicas comple-xas, bem como para a síntese de polí-meros especiais.

Mecanismos

a) Metátese de olefinas

Grubbs e colaboradores estuda-ram a cinética da metátese de olefinasenvolvendo complexos L2X2Ru=CHRe propuseram um mecanismo bemcoerente com os experimentos reali-zados (Dias et al., 1997). Foram pro-

postos dois caminhos mecanísticos(rotas a e b), como mostrado no Es-quema 7.

b) Metátese de alcinosA metátese cruzada de alcinos e

a polimerização por metátese (RCAM,esquema 6) podem ser promovidasem condições térmica ou fotoquí-mica. A natureza da espécie catalíticaativa ainda é desconhecida. O me-canismo descrito no Esquema 8mostra a formação dos produtos dametátese cruzada de alcinos (Wright,1999).

Aplicações sintéticas

a) Metátese de olefinasUm exemplo interessante que de-

monstra a versatilidade dessa reaçãofoi desenvolvido por Smith e colabo-radores, que relataram um eficientemétodo para a síntese de cilindroci-clofanos (Esquema 9). A metáteseolefínica por fechamento de anel(RCM) foi usada para a construçãodo esqueleto do [7,7]-paraciclofano.Dos três catalisadores usados (A, Be C), o catalisador de Schrock (A)provou ser o mais eficiente para esta

Esquema 5: Tipos de metátese em olefinas.

Esquema 6: Metátese cruzada de alcinos e metátese por fechamento de anel (RCAM).

Fernanda

Realce

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Esquema 7: Mecanismos propostos por Grubbs e colaboradores para a metátese de olefinas.

Esquema 8: Mecanismo proposto para a metátese cruzada de alcinos.

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transformação (Smith et al., 2000).Outra aplicação relacionada foi a

etapa chave para a síntese do anti-biótico (-)-griseoviridina. Meyers ecolaboradores realizaram a primeirasíntese total desse antibiótico e seuepímero C8, realizada por metátesedo tipo RCM com alta diastereosse-letividade trans em 2 e 2’, formando

Esquema 9: Síntese total do (-)-cilindroclofano por metátese do tipo RCM.

Esquema 10: Síntese total da (-)-griseoviridina

um anel com 23 membros - Esquema10 (Dvorak et al., 2000).

b) Metátese de alcinosA metátese de alcinos também

tem sido utilizada em sínteses totais.A síntese total do azamacrolídeo,realizada por Fürstner e colaborado-res, é um bom exemplo dessa meto-

dologia (Esquema 11). Esses com-postos estão presentes na secreçãoda pupa do escaravelho mexicanoEpilachnar varivestis. Após a metátesedo tipo RCAM, o alcino macrocíclicofoi reduzido com H2 e catalisador deLindlar, formando o azamacrolídeo(Füstner et al., 2000).

A primeira síntese total de produtos

Esquema 11: Síntese do azamacrolídeo por metátese de alcino do tipo RCAM.

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Yves Chauvin - Nascido em 1930, naFrança, formou-se em Engenha-ria na CPE Lyon- Escola de Quí-mica, Física eEletrônica deLyon, em 1954.Em 1960, in-gressou no Ins-tituto Francês doPetróleo (IFP)

como engenheiro de pesquisa. Foichefe de pesquisa e líder da Unidadede Catálise Homogênea, antes de setornar o diretor de pesquisa do IFP,de 1991 a 1995. Atualmente é o diretoremérito de pesquisa no Laboratóriode Química Organometálica de Su-perfície do CNRS/CPE Lyon. Membroda Academia de Ciências do Institu-to da França, recebeu, entre outros,o Prêmio Chavel-Lespiau da Acade-mia de Ciências, em 1990, e a Meda-lha Karl Engler da DMGK - SociedadeCientífica Alemã para Pesquisassobre Carvão e Petróleo, em 1994.

Os laureados

Robert H. Grubbs - Nascido em1942 no estadode Kentucky,EUA, é bacha-rel e mestrepela Universi-dade da Fló-rida, tendo sedoutorado emQuímica naUniversidadeColúmbia, em

1968. Após um ano como pós-dou-torando na Universidade de Stan-ford, tornou-se docente da Univer-sidade Estadual de Michigan. Em1978 se transferiu para o Caltech -Instituto de Tecnologia da Califórnia,onde ocupa a cadeira de Professorde Química Victor e Elizabeth Atkinsdesde 1990. É membro da Acade-mia Nacional de Ciências (ANC)dos EUA desde 1989 e, em 2000,recebeu a Medalha Benjamin Fran-klin já em reconhecimento por suascontribuições seminais ao campoda metátese de olefinas.

Richard R. Schrock - Nascido em1945 no esta-do de Indiana,EUA, é bacha-rel pela Univ.da Califórnia(Riverside)edoutor em Quí-mica pela Univ.de Harvard,em 1971. Apósum ano de

pós-doutorado na Univ. de Cam-bridge e três anos no Dep. Central dePesquisas e Desenvolvimento da em-presa E.I. duPont de Nemours, tornou-se docente do MIT, em 1975. Desde1989 ocupa a cadeira de Professor deQuímica Frederick G. Keys. Membroda ANC e da Academia Americana deArtes e Ciências, recebeu diversosprêmios da Soc. Americana de Quí-mica. Recebeu ainda o Prêmio Alexan-der von Humboldt (1995) e foinomeado para a Cátedra Sir GeoffreyWilkinson (2003/2004) pela Soc. Realde Química (Inglaterra).

naturais derivados dos ciclofanospertencentes à família dos turrianostambém fora descrita por Fürstner ecolaboradores. Essas moléculas têmdois fragmentos arilas, com restriçãode rotação, e possuem um anel ma-crocílico com uma porção saturada eoutra insaturada. A síntese estereos-seletiva dessa classe de compostosfoi possível através da reação demetátese de alcinos por fechamentode anel (RCAM) como mostrado noEsquema 12 (Füstner et al., 2002).

Comentários finaisA busca por novos métodos que

permitam preparar moléculas orgâni-cas tem se pautado pelo desejo dealcançar maior eficiência (melhoresrendimentos, menor número de trans-formações, menor volume e menorpericulosidade de efluentes) e seleti-vidade (eliminação de produtos inde-sejados). As reações de metátese(Figura 1) têm se mostrado um exce-lente método, permitindo o desenvol-vimento de novos compostos de for-

ma simples e em menor número deetapas, atendendo aos requisitos daQuímica ambientalmente amigáveldevido ao número bem reduzido deresíduos químicos.

Vitor Francisco Ferreira ([email protected]), bacharele mestre em Química pela Universidade Federal doRio de Janeiro e doutor em Química Orgânica pelaUniversidade da Califórnia (S. Diego), é docente doDepartamento de Química Orgânica da Universi-dade Federal Fluminense (UFF). Fernando deCarvalho da Silva, químico industrial pela UFF, édoutorando no Programa de Pós-graduação emQuímica Orgânica da UFF.

Figura 1: O mecanismo da metátese pode ser visto como uma dança, na qual o par catalisador e o par alceno fazem uma “dança de roda”e trocam de par. O novo par catalisador está pronto para dançar com outro par alceno, agindo como um catalisador na metátese.

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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 22, NOVEMBRO 2005

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Sobre o Prêmio Nobel de Química de2005 e sobre os laureados

www.nobelprize.org e http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2005/index.html Sobre o premiadoquímico francês Yves Chauvin:

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Sobre Richard R. Schrockhttp://web.mit.edu/chemistry/

www/faculty/schrock.html

Sobre Robert H. Grubbshttp://www.umsl.edu/chemistry/

seminar/robertwmurraylecture/grubbs.html

Informações avançadas sobre o PrêmioNobel de Química de 2005

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2005/chemadv05.pdf

h t t p : / / p u b s . a c s . o r g / c e n /coverstory/8051/print/8051olefin2.html

h t t p : / / p u b s . a c s . o r g / c e n /coverstory/8051/8051olefin.html

w w w . r s c . o r g / d e l i v e r y /_ArticleLinking/DisplayArticleForFree.cfm?doi=b412198h

Abstract: Metathesis in Organic Synthesis and the 2005 Nobel Prize in Chemistry - From Plastics to the Pharmaceutical Industry - The 2005 Nobel Prize in Chemistry was awarded to the developersof the metathesis method in organic chemistry. This paper briefly reports on the discovery of the metathesis method and some of its applications, which allowed the development of new medicines,biologically active substances and polymers, and the preparation of new materials in industrial scale, in an environmentally friendly way.Keywords: methatesis, Nobel Prize, catalysis, organic synthesis

Nobel 2005: Metátese em síntese orgânica

Esquema 12: Parte da rota de síntese de turrianos, onde a reação de metátese de alcinos do tipo RCAM está destacada.

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